TD-SCDMA中小区重选的策略研究及实现
摘要 RRC子层协议是TD-SCDMA的重要组成协议之一，其小区重选功能因其在保证服务小区质量、提高呼叫的成功率和降低掉话率方面的关键作用，在TD-SCDMA的研发中占据着重要地位。文章介绍了RRC子层小区重选的基本概念和原则，在此基础上，主要对TD-SCDMA终端在连接模式下的重选策略进行了详细的描述，并介绍了具体的实现方法。1、引言
TD-SCDMA系统是当前移动通信的研究热点之一，该系统的目标就是能够随时随地在不同的环境下向用户无缝可靠的提供各种高效多样的业务，以满足当前及未来人们对通信业务的需求。而良好的重选策略既可以最大程度地保证空闲模式下的UE驻留在合适的小区内，从而保证UE的呼叫成功率，又可以保证非CELL_DCH状态下的UE可以在合适的小区内完成小区更新/路由区更新，从而降低掉话率；而且，GSM和TD-SCDMA网络间的小区重选对于双模手机的协议栈实现也有着重要的意义。因此对TD-SCDMA终端协议中的RRC子层的小区重选策略的分析及完善对于TD-SCDMA的性能有着重大的影响，很有必要进行专门的分析研究。本文正是基于此目的，以协议为根本依据，从TD-SCDMA终端的角度提出了新的重选策略。
2、RRC子层协议
2.1 RRC子层与相邻子层之间的模块结构
TD-SCDMA终端协议栈按其功能和任务，由下至上被分为物理层（L1）、数据链路层（L2）和网络层（L3）等3层。本文描述的RRC（无线资源控制）子层就位于L3层的最底层，主要完成无线资源的控制和管理功能。图1给出了RRC子层与相邻子层间的模块结构图（控制平面）。从图1中可以看出，RRC通过与下层模块RLC（无线链路控制）以及MAC（媒体接入控制）的交互，来实现其对无线资源的控制和管理；同时又通过与上层模块MM（移动性管理/CS），GMM（移动性管理/PS）的交互，将下层资源配置的变化情况通知到非接入层，从而引起非接入层的可能的路由更新/位置区更新等过程，以实现整个协议栈的正常运转。
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图1 RRC子层与相邻子层之间的模块结构（控制平面）
2.2 RRC子层的状态转移
图2给出了整个RRC子层的状态转移情况，从图中可以看出，RRC子层根据是否有RRC连接存在而分成了空闲模式和连接模式。而连接模式下又根据无线资源分配的不同情况分为了四个状态：CELL-DCH状态、CELL-FACH状态、CELL-PCH状态和URA-PCH状态。根据无线资源分配情况的变化，触发RRC子层状态间的迁移；而通过RRC连接的建立和释放触发空闲模式和连接模式之间的迁移。
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图2 RRC子层状态转移图
在空闲模式下，通过对服务小区和邻近小区测量值的监控，来触发小区重选，以最大程度保证小区驻留在一个最好的小区内，为可能发起的呼叫以及其他业务做好准备；而在连接模式下，其CELL-FACH、CELL-PCH和URA-PCH这三种状态下都有小区重选过程。连接模式下的小区重选是UE实现其连接移动性的重要过程。连接模式下，UE同样通过对服务小区和邻近小区测量值的监控，来触发小区重选，再配合小区更新/路由更新等过程，确保了服务小区的质量，降低了掉话率。
3、RRC子层重选功能的实现
根据以上的叙述，可以知道RRC重选过程主要分为空闲模式下的小区重选和连接模式下的小区重选（本文将不涉及系统间小区的重选）。而不管是哪种类型的小区重选，要成功进行，都取决于两个因素：一是邻近小区列表的获得；二是包括服务小区在内的邻近小区测量值的获得。在这两个因素中，前者提供了重选对象，而后者提供了重选的依据。当不同类型的重选选取不同的重选策略时，都是以上述两个基本因素作为基础的，以下分别进行阐述。
3.1 空闲模式下的小区重选策略
UE打开电源后，直至发送一个建立RRC连接的请求给UTRAN为止，将一直处于空闲模式。在空闲模式下的邻近小区列表来自于SIB11（系统消息11）。通过接收网络广播的系统消息中携带的同频小区（服务小区包含于同频小区列表中）和异频小区列表，来组成该服务小区的邻近小区列表。有了邻近小区列表，就可以通过筛选来获得作为测量对象的待测小区列表了。对待测小区列表的筛选是根据服务小区本身的接收参数Sx和网络广播的系统参数Sintrasearch，Sintersearch来共同决定的：如果Sx≤Sintrasearch，UE必须进行同频小区的测量，反之则不必进行（如果系统消息中没有广播参数Sintrasearch，那么也必须进行同频小区的测量）；如果Sx≤Sintersearch，UE必须进行异频小区的测量，反之则不必进行（如果系统消息中没有广播参数Sintersearch，那么也必须进行异频小区的测量）。注意：无论是哪种类型的测量，都必须包括服务小区。
当确定了测量的对象之后，就发送测量命令要求下层对待测小区进行周期性的P-CCPCH RSCP测量（在空闲模式下只进行RSCP测量）和上报。当RRC获得了待测小区的测量值之后，就可以对重选的触发条件来进行判断了。重选触发条件的核心内容就是：存在有比服务小区更好的小区，且更好小区在一段时间内都保持最好。其内在涵义就是UE尽量重选到更好的小区去，但是又要保证一定的稳定性，避免频繁的重选震荡。而更好小区的具体标准有两条：一是该邻近小区满足小区驻留条件（Sx＞0）；二是该小区的优先级Rn大于服务小区的优先级Rs。在具体的实现上，当通过计算发现了有更好小区的存在，则将这些更好的小区根据Rn进行降序排列，作为重选列表中的小区。注意：最好将服务小区缀在该重选小区的末尾，这样做的好处在于：如果重选失败，还可以尽量返回当前的服务小区驻留。然后，RRC就需要开启一个设计的重选定时器Treselect来监控重选小区列表中的第一个小区（也是目前的最好小区）是否能在一段时间内保持最好。当定时器溢出，该小区一直保持最好，则成功找到了最好小区，启动小区重选过程，重新驻留到该最好小区上；而如果在定时器溢出之前，通过新接收的测量值判断出最好小区发生了改变，则重启定时器，转而监控新的最好小区。
但需要注意的是：空闲模式下的重选有一种特殊的情况，就是当因为种种原因服务小区不满足驻留条件的时候（网络突然bar掉服务小区，或者通过测试值发现一段时间内服务小区的Sx＜=0），则将立即触发重选，根据已有的测量值选择一个最好的小区驻留。这种情况下如果还没有开启重选定时器Treselect，就不必再开启它了；而即使已经开启了，也应该立即停掉该定时器。
3.2 连接模式下的小区重选策略
当RRC连接建立之后，UE就进入UTRAN连接模式，此时将被分配一个无线网络临时标志（RNTI）来作为公共传输信道上的UE标志。UTRAN连接模式下的RRC状态反映了UE的连接等级以及在该状态下哪些传输信道可用。在连接模式下，存在周期性小区重选和因为各种复杂的环境和情况而引起的事件触发的小区重选。只有CELL-FCH，CELL-PCH，URA-PCH这三个状态下可以进行周期性的小区重选。
（1）周期性的小区重选
在CELL-FCH和CELL-PCH、URA-PCH状态下，同空闲模式下一样要进行周期性的小区重选，重选的策略和空闲模式下基本类似。
首先，邻近小区列表的获得。在CELL-FCH状态下，它来自于SIB11（系统消息11），SIB12（系统消息12）和测量控制消息的合作用：SIB11形成其最初的来源，再通过可能存在的SIB12和可能存在的测量控制消息对SIB11中的小区列表进行删除和增加，最终形成邻近小区列表。而在CELL-PCH，URA-PCH状态下，则直接来源于SIB11和SIB12的合作用（注：因为在CELL-PCH状态下，不会接收到测量控制消息，所以不必考虑它的影响）：SIB11形成其最初的来源，再通过可能存在的SIB12对SIB11中的小区列表进行删除和增加，最终形成邻近小区列表。但需要注意的是：在连接模式下，是将所有的邻近小区（包括服务小区）都作为待测小区下送的，不会再进行筛选。
其次，测量值的获得及处理。当获得了待测小区的测量值之后，重选小区列表的构建以及重选小区的排序、选择都同空闲模式下的原理一致，因此，不再赘述。
（2）事件触发的小区重选
对于事件触发的小区重选，其触发的条件是多种多样的。具体来说，大致可以分为三类：RRC连接建立过程中触发的小区重选；重配消息或者小区更新证实消息触发的小区重选；无线链路失败或者RLC不可恢复错误等而引起的小区重选。在这些情况下，一旦触发重选，就需要尽快的选择到一个合适的小区去驻留，因此必须尽量避免因为扫频、搜索小区和繁重的测量而占用大量UE的资源和损耗大量的时间。针对这种特殊的重选要求，RRC就形成了一个核心的设计思想：尽量利用已知的邻近小区列表，尽量利用已经有的测量值。
对于不同的环境下触发的小区重选，其可使用的邻近小区列表的来源是不一样的。而针对“尽量利用已知的邻近小区列表”的原则，RRC设计保存了一个在整个连接模式下都有效的邻近小区列表（可以对这个列表进行增减的调整，但这个列表的生命期持续整个连接模式）。
RRC连接建立过程中触发的小区重选其实是特指两种情况：一种是接收到网络发送的RRC CONNECT SETUP消息，消息要求UE进入FCH状态，并且携带“频率”信息，要求UE优先在指定的频点上的小区驻留的情况；另一种是接收到网络发送的RRC CONNECT REJECT消息，并且携带“频率”信息，希望UE到指定的频点上的小区驻留再尝试连接的情况。但无论是其中哪种情况，它的邻近小区列表都是来源于SIB11（因为RRC连接还没有完全建立起来，这个时候还只能用空闲模式下的信息）。
重配消息或者小区更新证实消息触发的小区重选：这里的网络的重配消息包括了RADIO BEARER SETUP，RADIO BEARER RECONFIGURATION，RADIO BEARER RELEASE，TRASNSPORT CHANNEL RECONFIGRATION，PHYSICAL CHANNEL RECONFIGRATION这几条消息。当以上任意一条网络的重配消息和小区更新证实消息携带了“频率”信息，且指定的目标状态不是DCH的时候，都可能会触发重选过程，因为此时网络希望UE驻留到指定频点的小区上去。这个时候的邻近小区列表的来源是：SIB11（系统消息11），SIB12（系统消息12）和测量控制消息的合作用。
无线链路失败或者RLC不可恢复错误等而引起的小区重选：这里“无线链路”失败是特制UE在DCH状态下，MAC连续接收到多次监控下层“失步”的T313超时信号，就会向RRC指示“无线链路失败”。而“RLC不可恢复错误”则主要是指RLC在发送/接收数据的时候发生了错误，并且通过本身的机制都已经无法恢复的情况。这时候的邻近小区列表的来源同样是：SIB11（系统消息11），SIB12（系统消息12）和测量控制消息的合作用。
（3）测量值的获得及使用
根据“尽量利用已经有的测量值”的原则，RRC设计了一个大的结构变量s_rrc_measurementResult，来记录邻近小区（包括服务小区）的小区描述以及对应的测量结果。因为，无论是在空闲模式还是连接模式的FCH和PCH状态下，总是会进行周期性的测量的；而在FCH和DCH下更要根据网络的“测量控制消息”来进行一系列的测量。因此可以说，这个结构在通常的情况下，都是能够保存有测量值的。但是与此同时，使用这个结构里面的测量值也存在一定的风险性，这个风险性就在于这个测量值的有效性和生命期。当过了它可使用的生命期，这个测量值显然就不能再认为有效了，在这个基础上得到的结论也肯定是不可靠的。为了控制这个风险，采取了两个措施：第一、是该结构变量只保存最新的测量值，即每收到一次新的测量值就对这个结构进行一次更新，使它能反应最近的小区的质量；第二、当RRC连接建立完成从空闲模式进入连接模式之后，将对这个变量清一次零。也就是说，空闲模式下的测量结果，其有效性只是到RRC连接建立为止。当完全进入连接模式后，就只能使用连接模式下的测量值了。
这样，当重选发生而需要使用测量值的时候，就以小区描述（frequency，sync，midamble）为索引，将这个结构变量s_rrc_measurementResult里面的测量值与前面构建好的邻近小区列表进行一一的对应，筛选出有测量值的小区，再进行一些简单的处理，以形成可用的重选列表。但是需要注意的是：具体在处理上述三种不同的情况时，对测量值的处理方式是略有不同的。
◆第一种情况，RRC连接建立过程中触发的小区重选的情况：当通过参数“小区描述”为索引，获得了和各小区一一对应的测量值的之后，还需要根据RRC的另外一个参数“Intrafrecellresel”再次进行侯选列表的筛选。这个参数“Intrafrecellresel”来源于SIB3（系统消息3），指示的意义是“同频允许”，也就是说网络通过这个参数指示UE在进行重选的时候，是否可以将同频小区列入侯选列表。再次筛选之后，再以“指定frequency上的小区高优先级”为大前提，将各小区按照测量值的高低进行排序，从而形成重选的小区列表。
◆第二种情况，重配消息或者小区更新证实消息触发的小区重选：在这种情况下，对测量值的处理在原理上与第一种情况是基本一致的。即根据参数“Intrafrecellresel”进行侯选列表的筛选，再在“指定frequency上的小区高优先级”的前提下，将各小区按照测量值的高低进行排序，从而形成重选的小区列表。因此不再赘述。唯一需要注意的是：这个时候参数“Intrafrecellresel”的来源与第一种情况略有不同。此时，如果存在SIB4（系统消息4），则来源于SIB4，如果不存在SIB4，则来源于SIB3。
◆第三种情况，无线链路失败或者RLC不可恢复错误等而引起的小区重选：在这种情况下，也需要根据参数“Intrafrecellresel”进行侯选列表的筛选。此时，参数“Intrafrecellresel”的来源与第二种情况完全相同。唯一需要注意的是：此时，在筛选处理之后，需要对服务小区的测量值再进行一点特殊的处理：人为的将服务小区的测量值降低几个dBm，降低后再和其他小区放在一起去统一排序形成重选小区列表。这样做的内在原因在于：之所以会发起重选这个过程，正是因为在当前的小区上已经发生了一些问题（无线链路失败或者RLC不可恢复错误等），所以人为将当前小区的优先级降低，如果有质量差不多的其他小区存在，则优先选择到其他小区去驻留。
当重选列表形成时，则依次试着去驻留列表中的小区，成功驻留后，则重选结束。当然，连接模式下的重选后面常常会紧接着一个原因为“小区重选”的小区更新过程。通过这个过程，UE告之网络，自己驻留的小区已经发生了变化。这一系列的行为，配合上切换等过程，共同实现了RRC的连接移动性过程。
（4）事件触发的小区重选的流程示意图
结合上面描述，我们简单画出事件触发的小区重选的流程示意图（RRC CONNECT SETUP带有“frequency”IE的情况）。其中涉及到三个状态：IDL、ACC、RES，分别表示空闲状态、连接建立状态以及重选状态，是RRC在设计过程中根据状态机原理，自行定义的；另外，还涉及到部分层间原语，它是源于协议，根据上下层交互的需要而定义的。在以下的具体叙述中，将一一说明。
从图3可以看出，当小区选择成功之后，RRC通过发送CMAC_IDL_CONFIG_REQ来配置下层的资源，同时这条原语中将携带“测量请求”的IE。当MAC接收测量请求之后，将周期性上报测量值。RRC将相关的测量值保存在变量s_rrc_measurementResult中。而后，UE发起呼叫，MM通过RR_ESTABLISH_REQ通知RRC，需要建立RRC连接。RRC将上层的连接建立请求组装进CMAC_RANDOM_ACC_REQ，通知到下层。当网络通过Uu口收到此连接建立请求后，如果网络允许接受此请求，则以UM模式，由RB1承载向UE发送“RRC CONNCT SETUP”消息（RLC_UM_DATA_IND）。因为此消息指定的目标状态是“FCH”并且携带了“频率”信息，所以将触发重选。RRC根据SIB11中获得的邻近小区信息，以及空闲模式下测量而获得的s_rrc_measurementResult中的测量值，可以很快确定出重选的目标小区，因此，发送CMAC_NEXT_BCH_REQ，要求下层解读指定的目标小区的系统消息。当UE成功解读完所有要求解读的系统消息，驻留到该小区，则重选成功结束。
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图3 RRC连接建立过程中触发小区重选示意图
4、结束语
本文根据LCR的协议要求，研究了RRC的小区重选策略，并提出了新的小区重选实现方法。经实践证明该方法简便易行，节约了时间及资源，有一定的先进性。
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