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走進通信:4G手機跟基站是怎么“交流”的

2019-08-20 22:45IT之家 / 滄海

科技進步的直接體現就是越來越多的東西都開始變得簡單化、扁平化,能一步到位的事情,絕不拆成兩步來做。就拿我們日常生活中最常使用的手機來說,撥號通話、上網等操作,只需要動動手指即可;但是隱藏在手指“下面”的,卻是通信技術進步的直接體現。今天筆者跟大家簡單聊一聊,在LTE時代,手機跟基站到底是怎么“交流”的。(本文以TDD-LTE網絡舉例說明)。

LTE的網絡架構

在此之前,我們先了解一下LTE的網絡架構。LTE的網絡架構特點就是全IP、扁平化,整個TD-LTE系統由3部分組成:核心網(EPC, Evolved Packet Core)、接入網(eNodeB)、用戶設備(UE)三部分組成。

這張圖相比大家已經見過很多次了,LTE網絡架構簡單明了,即便是一般用戶乍一看都能略知一二。和UMTS相比,由于NodeB和RNC融合為網元eNodeB,所以TD-LTE少了Iub接口。X2接口類似于Iur接口,S1接口類似于Iu接口,這些接口我們都可以理解為兩個“模塊”之間信息交流的通道。

一般來說,我們把除EPC之外的部分稱為E-UTRAN(演進的UMTS陸地無線接入網),即LTE中的移動通信無線網絡,也可以把這個部分稱為無線側,手機與基站的業務交流就在這里進行,再通過EPC的協同處理共同完成一次又一次的手機業務。

在這里我們需要知道幾個專業術語名稱:

EPC:核心網,由MME、S-GW、P-GW組成

eNodeB:網元,我們可以將其理解為基站;

MME:負責信令處理部分

S-GW:負責本地網絡用戶數據處理部分

P-GW:負責用戶數據包與其他網絡的處理

S1接口:eNodeB與EPC之間的接口,可理解為連接通道(下同)

X2接口:eNodeB之間的接口

Uu接口:eNodeB與UE之間的接口

eNodeB與EPC之間的業務負責是不一樣的,具體來說如下圖所示,在這里不做過多介紹。

在了解LTE網絡架構及各個系統組成之后,我們來聊一聊手機到底是怎么跟基站進行“交流”的。

筆者在這里講兩個方面,一個是手機開機的入網過程,另一個是手機在空閑狀態與業務狀態與NodeB和EPC之間的“交流”過程,即重選與切換,這兩個業務流程相對簡單,便于理解。其他業務連接本文不做介紹,有興趣的可以去閱讀相關資料,如《LTE基本原理》、《LTE信令詳解》等。

開機入網

上圖是LTE終端開機入網總體流程,當然上圖有點復雜,筆者在這里概述一下。

當我們的手機重新開機之后,SIM卡標識是需要過一會才能顯示出來,也就是說整個LTE終端開機入網的過程也就短短幾秒鐘,對用戶而言就是簡單的手機信號標識從“X”變為正常顯示,但是在這簡單的背后,卻有著不簡單的過程。

LTE終端開機之后它的首要任務就是找到網絡并和網絡取得聯系,以獲得網絡的服務。由于基站千千萬,要找到最適合距離當前設備的信號,是需要一些“技巧”的。

首先終端會進行PLMN選擇,這個過程實際上是先確定小區(之前的文章中提到小區的概念,基站的一個扇區被稱為一個小區,LTE的一個小區包含小區ID、PCI、中心頻段,主頻、TAC等諸多信息)的大概位置,通過MCC、NCC、TAC等關鍵信息的判斷,先鎖定需要駐留小區的大體方位及相關信息。

接著就是需要小區了,小區的主要目的有:

與小區取得頻率和符號同步(下行同步)

獲取系統幀timing,即下行幀的起始位置

確定小區的PCI(Physical-layer Cell Identity)

這個步驟是終端在獲取周邊基站信號的大概位置之后,需要通過一系列操作來確定一個信號最好的小區作為駐留小區,駐留成功,就意味著你的手機可以正常上網了。

除了小區之外,為了支持移動性(保證你在運動過程中也能享受網絡服務),終端還將不停地鄰小區、取得同步并估計該小區信號的接收質量(RSRP),從而決定是否進行小區重選(當終端處于RRC_IDLE態)。

在這里需要注意的是,終端開機時是并不知道小區系統帶寬的大小的,它只知道自己支持的頻帶和帶寬。因此終端將在可能存在LTE小區的幾個中心頻點上接收信號(PSS,主同步信號),以接收信號強度來判斷這個頻點周圍是否可能存在小區,如果終端保存了上次關機時的頻點和運營商信息,那么終端開機后會先在上次駐留的小區上嘗試,如果發現了相匹配的信息,則直接進行小區駐留;要是沒有發現匹配信息,那么終端就需要在劃分給LTE系統的頻帶范圍做全頻段掃描,發現信號較強的頻點去嘗試。

這個不斷嘗試的過程,就是我們說的小區,這個過程就是為了讓手機能快速找到可駐留小區,并及時的連上網絡。

到這里,LTE終端總算是正常開機并能夠上網了,那么我們在使用手機的過程中,其與基站的“互動”是怎么樣的呢?

重選與切換

當你開車或坐車時,盡管你的手機就靜靜在躺在那里,但并不意味著你的手機就沒有工作。事實上,只要你的手機處于開機狀態,即便不開流量開關,它也沒閑著,反而在一直努力工作中。

重選與切換,筆者在之前的文章中簡單的提過,當你的手機空閑狀態(RRC_IDLE)時發生的小區信息的改變,我們稱之為重選;當你的手機處于連接狀態(RRC_CONNECTED)時,發生的小區信息的改變,我們稱之為切換。

編輯:優易

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