GSM小区的选择与重选

第一节 小区的选择与重选一、小区选择过程当移动台开机后，它会试图与SIM卡允许的GSM PLMN取得联系，因此移动台将选择一个合适的小区，并从中提取控制信道的参数和其它系统信息，这种选择过程被称为“小区选择”。如果移动台并无存储的BCCH消息，它将首先搜索完所有的124个RF信道（如果为双频手机还应搜索374个GSM1800的RF信道），并在每个RF信道上读取接收的信号强度，计算出平均电平，整个测量过程将持续35s，在这段时间内将至少分别从不同的RF信道上抽取5个测量样点。MS将调谐到接收电平最大的载波上，判断该载波是否为BCCH载波（通过搜寻FCCH突发脉冲），若是，移动台将尝试解码SCH信道来与该载波同步并读取BCCH上的系统广播消息。若MS可正确解码BCCH的数据，并当数据表明该小区属于所选的PLMN、参数C1值大于0、该小区并未被禁止接入、移动台的接入等级并未被该小区禁止时，移动台方可选择该小区。否则，MS将调谐到次高的载波上直到找到可用的小区。如MS在上次关机时，存储了BCCH载波的消息，它将首先搜索已存储的BCCH载波，若未找到则执行以上过程。参数C1为供小区选择的路径损耗准则，服务小区的C1必须大于0，其公式如下：C1=RXLEV-RXLEV_ACCESS_MIN - MAX (MS_TXPWR_MAX_CCH - P), 0) 单位：dBm其中RXLEV为移动台接收的平均电平; RXLEV_ACCESS_MIN 为允许移动台接入的最小接收电平; MS_TXPWR_MAX_CCH为移动台接入系统时可使用的最大发射功率电平;P为移动台的最大输出功率。问题研究：允许接入的最小接入电平RXLEV_ACCESS_MIN为了避免移动台在接收电平很低的情况下接入系统（此时接入后的通信质量往往很差，以至于无法保证正常的通信过程），而无法提供用户满意的通信质量而无谓的浪费无线资源，因而GSM规范规定移动台在接入网络时其接收电平必须大于参数RXLEV_ACCESS_MIN所定义的值。当减小该值时，将扩大小区允许接入的范围（其下限是移动台接收灵敏度），但在边缘地带的通话质量会很恶劣易引起掉话，而且此时由于上下行信号很弱，会导致在功率控制下移动台以最大功率发射，从而增加上行信号干扰。但该值设置过大时会使小区的有效覆盖范围随之缩小，在小区交接处人为的造成盲区。二、小区重选过程当移动台选择某小区为当前服务小区后，在各种条件变化不大的情况下，移动台将驻留在所选的小区中，并根据服务小区的BCCH系统消息所指示的小区重选邻小区频点配置表，开始监测该表中所有BCCH载波的接收电平和同步消息，并记录下接收电平最高的6个邻小区，并从中提取每个邻小区的的各类系统消息和控制消息，当满足一定条件时移动台将重新选择其中一个邻小区作为服务小区，这个过程被称为小区重选。所谓一定的条件包含多方面的因素，如小区的限制（由cell_bar和cell_bar_qualify来决定）、小区是否被禁止接入等。小区重选采用的算法为C2算法，计算公式如下：当PENALTY_TIME不等于11111时：C2=C1+CELL_RESELECT_OFFSETTEMPORARY_OFFSETH(PENALTY_TIMET)；当PENALTY_TIME等于11111时：C2=C1-CELL_RESELECT_OFFSET；其中当X=0,函数H(x)=1；T是一个定时器,它的初始值为0,当某小区被移动台记录在信号电平最大的六个邻小区时,则对应该小区的计数器T开始计时,当该小区从移动台信号电平最大的六个邻小区表中去除时,相应的定时器T被复位；CELL_RESELECT_OFFSET为小区重选偏移量,可人为的来调整C2值的大小;TEMPORARY_OFFSET为临时偏移量；PENALTY_TIME为惩罚时间, 从移动台发现某一小区的信号出现后，定时器T开始置位到定时器T的值到达PENALTY_TIME规定的时间之前将按照TEMPORARY_OFFSET所定义的值给该小区的C2算法一个负偏置的修正，这种做法是用来防止当移动台在快速移动时来选择一个微蜂窝或覆盖较小的小区作为服务小区的情况。如果在时间超过仍收到该小区的信号，；反之，若时间超过了PENALTY_TIME所定义的时间后，将不考虑临时偏移量。在高速公路等覆盖区可使用惩罚时间。在这里值得注意的是,仅当小区重选指示(CELL_RESELECTION_INDICATION)激活时C2算法这几个参数才起作用,否则移动台将不考虑CELL_RESELECT_OFFSET、TEMPORARY_OFFSET和PENALTY_TIME的设置情况，因而此时C2=C1。当发生以下情况时，将触发小区重选1、移动台计算某小区（与当前小区属同一个位置区）的C2值超过移动台当前服务小区的C2值连续5秒。2、移动台计算某小区（与当前小区不属同一个位置区）的C2值超过移动台当前服务小区的C2值与小区重选滞后值（CELL_SELECTION_HYSTERESIS）之和连续5秒3、当前服务小区被禁止4、 MS监测出下行链路故障5、服务小区的C1值连续5秒小于0问题研究：1、小区重选滞后值的设置原则：当移动台进行小区重选时，若原小区和目标小区属不同的位置区，则移动台在小区重选之后必须启动一次位置更新过程，由于无线信道的衰落特性，通常在相邻小区的交界测得的C2值会有较大的波动，从而导致频繁的小区重选和位置更新，它不但使网络的信令流量大大增加导致信令信道的拥塞，并且由于移动台在位置更新过程中无法响应网络对它的寻呼，因而使网络接通率降低。为了减小这一问题的影响，GSM设立了小区重选滞后这一参数，要求其邻小区（位置区与本区不同）信号电平必须比服务小区的信号电平大出重选滞后所规定的值后，才允许触发小区重选。建议当在话务统计报告中发现位置更新较频繁时，可将该小区的值设为6dB或8dB。但如果这两个小区的无线覆盖比较差时，应将该值适当的设小一些。2、下行信令故障：下行信令故障准则基于下行信令故障计数器DSC，当MS选择了某小区时，DSC置为90/BS_PA_MFRMS取整，BS_PA_MFRMS为基站传输寻呼消息给同一寻呼组MS之间的51TDMA帧复帧数。因此当MS要在其寻呼子信道上译码时，若成功则DSC加1，若失败，则DSC减4，当DSC为0时，则断定出现了下行信令故障。 3、值得注意的时，每次由参数C2引起的小区重选至少间隔15秒，这是为了避免移动台频繁的小区重选过程。当某小区的话务较闲时，可适当提高其CELL_RESELECT_OFFSET，来增强该小区吸引话务量的能力。但作为两个相邻的小区，它们的所定义的重选偏置的差值应尽量要小于20dB，否则将使该服务区边界的信号很不稳定。4、小区接入限制（CELL_BAR_ACCESS,CBA）和小区禁止限制（CELL_BAR_QUALIFY,CBQ）对于小区重叠的地区，根据每个小区容量的大小，业务量的大小及小区功能的差异，网络运营商们都希望移动台在小区选择中优先选择某些小区，即设定小区的优先级。这一功能可以通过设置参数小区接入限制和小区禁止限制来实现，见下表：小区禁止限制小区接入禁止小区选择优先级小区重选状态正常正常0 1禁止禁止1 0低正常1 1低正常通常所有小区的优先级都为正常。但在某些情况下，运营者希望移动台优先进入某种类型的小区，如微蜂窝和双频网等，此时我们可将这些小区的优先级设为正常，而将周围其它小区的优先级设为低。当移动台在小区选择过程中，只有当没有优先级为正常的合适小区时，才去选择优先级为低的小区。通过设置小区优先级我们可以对一些拥塞较严重的小区和其相邻的小区来进行话务平衡，即将它们的优先级设为低使它的邻小区将其话务量吸收过去一部分，这也相当于将其实际的覆盖范围减小，但这种做法不同于将其功率降低，后者可能会引起网络覆盖的盲点和通话质量的下降。当小区接入禁止设为1且小区禁止限制设为0时，则该小区只允许切换业务，而不允许移动台直接接入，这种做法常被用在微蜂窝和双频网的覆盖环境下。如在双层覆盖的情况下，用底层网络来吸引话务量而用上层网络来保证覆盖。当上层小区的覆盖区业务量较大时，为了防止拥塞可使用该做法来移动台禁止接入该小区而迫使它去选择其底层的小区，仅支持移动台的切换业务以防止掉话。但用小区优先级为手段去做网络优化时，应注意，它只影响小区选择而对小区重选不起作用，因而要真正达到网络优化的目的必须结合使用小区优先级和C2算法。三、不连续接收模式DRX和寻呼信道的定义在空闲模式下，若移动台选择了某小区后作为服务小区后，它就可以开始收听该小区的寻呼消息了。但为了降低功耗，在GSM规范中引入了不连续接收的机制，每个移动用户（即对应每个IMSI）都属于一个专门的寻呼组，在小区中每个寻呼组都分别与一个寻呼子信道相对应，移动台可根据自身IMSI的最后3位及该位置区寻呼信道的配置情况来计算出它所属的寻呼组，进而计算出该寻呼组的寻呼子信道位置。在实际情况下，移动台在空闲状态下仅守侯在属于它的寻呼子信道上来收听系统播发的寻呼消息（在此期间它还可用来监测非服务小区的BCCH载波的接收电平），而忽略其它寻呼子信道的内容，甚至在其它寻呼子信道期间关闭移动台某些硬件设备的电源以节约移动台的功率开销，但必须保证在一定的时间内完成必要的测量网络消息的任务。我们可以根据CCCH信道的配置类型、BS_AG_BLKS_RES(在51复帧中有几个块用于AGCH块)、BS_PA_MFRMS(以多少个51复帧作为寻呼子信道的一个循环)来计算出每个小区寻呼子信道的个数。当一个51复帧中CCCH为3时寻呼子信道数为：（3- BS_AG_BLKS_RES）BS_PA_MFRMS当一个51复帧中CCCH为9时寻呼子信道数为：（9- BS_AG_BLKS_RES）BS_PA_MFRMS问题研究： 1、当参数BS_PA_MFRMS越大，小区的寻呼子信道也就越多，相应的属于每个寻呼子信道的用户数也就越小，但系统总体容量并未增加，因为它是以牺牲寻呼消息在无线信道上的平均时延为代价的。当通过话务统计报告发现重发等待的比率较大时，应适当提高BS_PA_MFRMS来划分更多的寻呼子信道。如重发的比率较低，则可将将该参数降低，以减少寻呼时延。 2、应注意同一位置区的所有小区的寻呼子信道容量应尽量一样，因为同一位置区的任何一个寻呼消息必须同时在该位置区的所有小区发送。 3、当寻呼信道周期越长，在该服务区的手机就越省电，如市区可定义为2即手机在102内帧收听一次寻呼消息，郊区可定义为4或6，当该参数为6时将比2时省电18%。在手机完成对系统消息的测量后，就进入休息状态，仅在指定的寻呼块内受听寻呼消息并同时测量邻小区的BCCH的接收电平，在30秒左右的时间内又将会去收听系统消息，来判断小区重选的进程。 4、在GSM系统中公共控制信道CCCH信道主要包括AGCH和PCH信道，它的主要作用是用来发送立即指派消息和寻呼消息。CCCH可以由一个物理信道承担，也可以有多个物理信道共同承担，且CCCH可以与SDCCH信道共用一个物理信道。小区中的公共控制信道采用哪种组合方式，由参数CCCH_CONF决定。应注意，小区中的CCCH_CONF的设置必须与小区公共控制信道的实际配置情况一致。建议当小区的TRX数为一个时，CCCH的配置可采用一个基本物理信道且与SDCCH共用（此时有3个CCCH消息块）。在有时由于一个位置区的寻呼业务量特别大，为了防止仅用一个物理时隙发送寻呼消息不够用，因而GSM规范允许在携带有BCCH信道的载频上，可以多配置几个CCCH信道，但只要求在时隙0、2、4、6上使用。5、当CCCH_CONF确定以后，参数BS_AG_BLKS_RES实际上就是分配AGCH和PCH在CCCH上占用的比例。建议在保证AGCH信道上不过载的情况下，应尽可能缩小该参数以缩短移动台响应寻呼的时间。第二节初始化过程一、信道申请初始化过程就是一个随机接入的过程。当移动台需要同网络建立通信时，就需通过RACH信道来向网络发送一个报文以申请接入。这个在RACH上发送的报文被称做信道申请（channel request）,它的有用信令消息只有8比特，其中有3比特用来提供接入网络原因的最少指示，在网络拥塞的情况下，系统可根据这这一粗略的指示来分别对待不同接入目的的信道申请（哪些类型的呼叫可接入网络、哪些类型的呼叫将被拒绝）并为它们选择分配最佳类型的信道，在这一指示中显然不足以传送移动台想传送的所有信息，如申请信道的具体原因、用户身份及移动设备的特性，这些消息是在此后的SABM消息中发送的。另外5比特是移动台随机选择的鉴别符，它并不用来向网络提供信息，而是用来区分两个移动台在同一时隙内发送信息时被网络所识别，在网络此后向移动台发送的立即指派命令（含有所分配信道的信息中），会再将该鉴别符发给移动台，移动台通过此鉴别符和本身所发送的鉴别符相比较来判断是否是网络发送给自己的消息。问题研究：系统对RACH的控制功能 1、值得注意的是网络无法知道移动台何时需要通信，移动台也很可能会同时占用同一个RACH时隙来用于申请接入，这时不可避免的要发生碰撞现象。后果有两个，一是网络收到在此时隙上的一个突发脉冲的电平，要明显的比另一个高，这样网络就会处理电平较高的这个随机接入请求。另一后果是，网络什么也不能正确的接收到。因而随着业务量的增长，报文因碰撞而丢失的几率也就越大，这必将是对网络容量的一个重要的制约因素。在此GSM引入了两个机制用来控制这种报文丢失情况，一个是允许重发的最大次数（maxretrans），另一个是重发之间的平均时间（TX-INTEGER）这两个参数是在BCCH的系统报告上广播的。当在移动台发起申请后如在规定的时间内（定时器T3120）收不到网络的立即指派命令，则需进行报文的重发，但重发也要遵循一定的原则。因为如果两个移动台的发送碰撞，并在一段给定的时间后重发，则它们的申请仍会碰撞。因而为了避免这种现象，RACH上的重发必须在一段“随机”间隔后进行，这就需要由参数TX-INTEGER（取值范围：312,14,16,20,25,32,50。根据小区的RACH和AGCH负载来设置）来决定在距上次发送之间的时隙间隔内随机选择发送信息的时隙（即在此规定的时隙间隔内随机选择一时隙进行重发，该参数越大，可供选择的时隙就越多，那么再次碰撞的几率就越小）。在经过最大重发次数后，若仍得不到系统的立即指派命令，移动台则返回到空闲状态下。2在系统发生轻微拥塞的情况，我们就可以利用三种不同的方法来控制三种不同的RACH的业务量负载。第一种办法是通过减少RACH的重发次数和尽量使重发间隔较远，这种控制模式只能处理短暂的业务高峰或超载的边缘。在存在系统干扰的地方进行RACH重发很重要，即使在干扰不明显的地方，因为MS发出的RACH请求也有可能由于无线信号的多径效应而丢失，建议在业务量很大的微蜂窝和出现明显拥塞的小区，重发次数设为1，业务量一般的小区可设为2或4，若重发次数设的过大，在一定程度上将浪费系统的资源。二是当目前网络无可指派的信道时，就可以通过发送给移动台一条立即指派拒绝（immediate assignment reject）的报文来拒绝移动台的信道申请，从而在系统规定的时间内（T3122）禁止移动台接入网络，通过这种机制可防止在系统无资源的情况下用户频繁的发送信道请求的消息来无谓的增大网络RACH和PAGCH信道的负荷（一般T3122设为10s，SDCCH信道的业务量很大时可设为30s），当信道的业务量较轻松时该定时器应尽量的小一些，否则这会大大增加系统的业务时间，这将在用户侧会感觉网络质量的下降。一种比较常见的情况是，当用户发起呼叫后但有时却会很快的返回到空闲模式下，当用户重新拨叫时会在一段时间内拨打不出去，这就是系统启用了立即指派拒绝限时所产生的影响。第三种办法是利用限制用户接入类别来控制网络的拥塞，这是最有效但也是一种损害用户权益的办法，因而不建议使用。在GSM的机制中，它将其所有的用户分为15个类别（该类别的定义被网络运营商直接写在了SIM卡中），分别为C0C9与C11C15，其中前10个级别被随机的平均的分配给普通用户，C10用于紧急呼叫允许。当必须要用此办法来降低业务量时，可随意由BSC来决定任意一种被禁止的用户类别如类别1或2等，通过这种措施可使业务量统计的降低10%、20%等，除了特殊情况如需紧急呼叫等属于禁止类别的移动台不能接入网络，但为公正起见如系统过载持续的时间较长，BSC必须定期改变允许接入的类别集（这种处理必须要很小心，因为所有等待位置更新的移动台都要将在它们的类别被允许时试图接入，系统必须要有处理这个业务高峰期的能力）。但为了避免在拥塞情况下阻塞特殊类别的用户，因而为非常重要的GSM用户定义了后5个级别，限制类别的消息可通过BCCH的系统消息来向小区内的用户来广播，该参数为notallowedaccessclasses（在任何情况下都不允许接入的用户级别）及accessclasscongestion(发生拥塞时允许接入的用户级别)。二、初始信道的分配当BTS对移动台的信道申请正确的解码后，它将通过一条信道需求（channel required）的报文来发送给BSC，该报文包含重要的附加信息和由BTS对传输延时（TA）的估计（这一指示对启动定时提前控制很重要）。当BSC收到此消息时，将为该次请求选择一条相应的空闲信道，并通过向BTS发送一条信道激活（channel active）的报文来将相应的地面资源（传输电路等）激活，BTS侧在准备好后将返回一条信道激活响应（channel active ack）的报文来答复BSC，如BSC收到BTS的激活响应后，将会在 AGCH信道上发送一条立即指派（immediate assignment command）的报文, 在该指示中包含有对已分配信道的描述、初始的时间提前量TA及初始的允许发射最大功率及移动台在随机接入时信道请求消息的消息字段、及BTS收到信道请求时的TDMA帧号和跳频表等消息。如BSC发现无可激活的信道时，就会发送以上提到的一条立即分配拒绝消息来答复移动台，拒绝的原因有如MSC话务关闭、无线资源缺乏、TA值超出界限、信道激活无应答、BSC话务超载等。为了提高AGCH信道的效率，在GSM中引入了立即指派扩展（immediate assignment extended）的报文格式，在这种报文中有两个分配命令来对应两个移动台的信道请求，而在立即指派拒绝扩展的报文中，最多可携带有对四个移动用户的拒绝消息。当收到立即指派拒绝消息后，对应其最后三次信道请求之一（包括重发消息），移动台将停止T3120的计时，并启动T3122（在它所指定的时间内，MS不许接入网络），并返回空闲模式守侯在寻呼信道上，直到T3122逾时，移动台方可进行新的连接尝试。反之当移动台收到立即指派消息后，MS将收到的分配指令与自身发出的信道请求的所存储的消息字段及相比较看是否是分配给自己的，对应其最后三次信道请求之一（包括重发消息），移动台将停止T3120的计时，并切换到所分配的信道上，然后它使用包含信息字段的SABM（设置异步平衡模式），来建立主信令链路。问题研究：值得注意的是，立即指派命令可能出现在51复帧的任何CCCH消息块内，这就需要MS在发送信道请求后监视全体CCCH块，即对整个寻呼子信道的消息都要进行解码，来保证及时获得网络的应答（在处于空闲模式下时MS仅收听属于它的寻呼子信道的消息，即处于不连续收听状态）。还应注意的一种情况是，当系统对移动台的信道申请反应较慢时，以至于不可避免的导致移动台的重发，由于系统无法知道一条信道申请的报文是否是上一次的重发，所以可能再次甚至多次的发送给该移动台立即指派命令的报文来给移动台指派信道。移动台将使用它所解码的第一条立即指派的报文中所指派的信道，其它的将被当作无效，但规范规定移动台必须接收对最后三条信道申请的报文的网络应答。这种情况被称为是重复分配，当网络的重复分配次数较多时且产生了CCCH信道的拥塞，可通过减少移动台的重发次数，或降低T3101的时间等办法来解决，该措施可以防止浪费系统资源。三、初始化报文当MS收到立即指派命令后，就将它的收发配置调整到指定信道上来，按照BSC指定的TA值和初始化最大发射功率（为BCCH系统广播消息中的参数msTxPwrMaxCCH所定义的）开始传输信令。MS在所分配上的新的SDCCH/TCH信道上所做的第一件事情是发送一个SABM帧建立异步平衡模式（服务接入点类别SAPI=0），用于建立证实模式下的信令消息连路层连接。在GSM规范中SABM带有一条信令报文即“初始化报文”，该消息中包含着第三层业务请求消息。在标准HDLC协议中，SABM帧除了携带链路层所必须的消息外并不含有其它消息，GSM与标准不一样的原因是因为这是为了对MS接收正确性的确认，当两个MS同时发送报文内容完全一样的信道请求时（这种概率在高负载时是存在的）此时BSS只会应答其中之一，而此时两个MS却都可响应到同一专用信道上，BTS在收到SABM帧后就会不经过任何修改向MS发一个内容与初始化报文完全一样的UA帧（无序号证实），如MS收到的UA帧的信息与SABM