深入浅析WCDMA终端网络搜索过程

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通常，移动终端的网络搜索过程是很短暂的，在终端开机后几秒钟内即可完成。终端的网络搜索能力可以作为评价终端质量的一项重要指标。网络搜索能力强的终端在信号质量较差的区域仍然能够接入网络，并能够获得好的服务；相反，网络搜索能力较弱的终端则可能表现为经常性脱网，从而影响用户正常使用。因此，本文打算从技术实现的角度来剖析终端的网络搜索过程，使大家对该过程有一定的了解。
　　
　　终端的网络搜索技术与其使用的无线网络制式有关，也就是说，ｃｄｍａ２０００终端、ＧＳＭ终端、ＷＣＤＭＡ终端的网络搜索过程是不一样的。限于篇幅，本文只介绍ＷＣＤＭＡ终端的网络搜索过程。
　　
　　ＷＣＤＭＡ终端的网络搜索过程实际上可以分解为公众陆地移动网（ＰＬＭＮ）选择与小区搜索两个子过程，这两个子过程密切相关如图１所示。
　　 　
　　 图1 PLMN选择与小区选择
　　
　　ＰＬＭＮ 由移动国家代码（ＭＣＣ）和移动网络代码（ＭＮＣ）共同惟一确定，其中，移动国家代码为３位数字，移动网络代码为２位数字。
　　
　　ＰＬＭＮ通常由很多个小区组成。小区是移动通信网络中的最小覆盖单元，是由其使用的主扰码（ｐｒｉｍａｒｙ ｓｃｒａｍｂｌｉｎｇ ｃｏｄｅ）惟一标识的，该主扰码在网络规划时即已分配给小区。小区所属的ＰＬＭＮ的信息包含在其下发的系统消息中。
　　
　　终端在开机或脱网时，首先由ＰＬＭＮ选择过程通过自动或手动方式选择一个ＰＬＭＮ，然后搜索属于该ＰＬＭＮ的小区，如果在该ＰＬＭＮ下无法捕捉到合适的小区，则将在小区搜索过程中得到的可捕获ＰＬＭＮ列表报告给ＰＬＭＮ选择过程，由其重新选择ＰＬＭＮ，启动新一轮小区捕获过程。
　　
　　一、PLMN 选择
　　１． ＰＬＭＮ的分类
　　
　　对于一个特定的终端来说，通常需要维护几种不同类型的ＰＬＭＮ列表，每个列表中会有多个ＰＬＭＮ。
　　
　　已登记ＰＬＭＮ（ＲＰＬＭＮ）是终端在上次关机或脱网前登记上的ＰＬＭＮ。在３ＧＰＰ ２００３年第ＴＳＧ ＴＰ－２１次会议上决定，将该参数从ＵＳＩＭ卡上删掉，而将其保存在终端的内存中。
　　
　　等效ＰＬＭＮ（ＥＰＬＭＮ）为与终端当前所选择的ＰＬＭＮ处于同等地位的ＰＬＭＮ，其优先级相同。
　　
　　归属ＰＬＭＮ（ＨＰＬＭＮ） 为终端用户归属的ＰＬＭＮ。也就是说，终端ＵＳＩＭ卡上的ＩＭＳＩ号中包含的ＭＣＣ和ＭＮＣ与ＨＰＬＭＮ上的ＭＣＣ和ＭＮＣ是一致的，对于某一用户来说，其归属的ＰＬＭＮ只有一个。
　　
　　用户控制ＰＬＭＮ（ＵＰＬＭＮ）是储存在ＵＳＩＭ 卡上的一个与ＰＬＭＮ选择有关的参数。
　　
　　运营商控制ＰＬＭＮ（ＯＰＬＭＮ）是储存在ＵＳＩＭ 卡上的一个与ＰＬＭＮ选择有关的参数。
　　
　　禁用ＰＬＭＮ（ＦＰＬＭＮ）为被禁止访问的ＰＬＭＮ，通常终端在尝试接入某个ＰＬＭＮ被拒绝以后，会将其加到本列表中。
　　
　　可捕获ＰＬＭＮ（ＡＰＬＭＮ）为终端能在其上找到至少一个小区，并能读出其ＰＬＭＮ标识信息的ＰＬＭＮ。
　　
　　２． ＰＬＭＮ的选择方式
　　
　　从图１知道，ＰＬＭＮ的选择有自动选择和手动选择两种方式，其选择过程分别如图２和图３所示。
　　 　
　　 图2 PLMN的自动选择
　　 　
　　 图3 PLMN的手动选择
　　
　　如果是自动选择，终端开机或脱网时，其非接入层功能模块会利用终端中存储的ＰＬＭＮ信息首先选择一个ＰＬＭＮ，然后命令接入层功能模块去搜索该ＰＬＭＮ。相应地，接入层功能模块会利用终端中存储的小区列表信息来选择、捕获小区，或启动通用的小区搜索程序来搜索属于该ＰＬＭＮ的小区。如果捕获成功，则将搜索结果报告非接入层；否则，将由非接入层再次选择一个ＰＬＭＮ，重新启动本搜索过程。
　　
　　不同类型的ＰＬＭＮ其优先级别不同，终端在进行ＰＬＭＮ选择时将按照以下顺序依次进行：
　　
　　①ＲＰＬＭＮ和ＥＰＬＭＮ
　　
　　②ＨＰＬＭＮ
　　
　　③ＵＰＬＭＮ
　　
　　④ＯＰＬＭＮ
　　
　　⑤其他的ＰＬＭＮ
　　
　　而如果是手动选择，终端开机或脱网时，其非接入层功能模块会命令接入层去搜索所有的ＰＬＭＮ，然后接入层将搜索到的所有ＰＬＭＮ信息报告给非接入层，由用户通过一些手动操作来选定一个特定的ＰＬＭＮ。其后的搜索过程与自动选择过程相同，在此不再赘述。
　　
　　二、小区搜索
　　１． 小区的分类
　　
　　与ＰＬＭＮ类似，小区也分为几种类型。
　　
　　可接受的小区（ａｃｃｅｐｔａｂｌｅ ｃｅｌｌ）是指终端用户在小区中只可以获得一些受限的最基本的服务，比如只能拨打紧急电话。它的判定条件是不在禁止的小区之列，而且其信号质量满足一定的要求。
　　
　　合适的小区（ｓｕｉｔａｂｌｅ ｃｅｌｌ）是指终端用户可以在小区中获得正常的通信服务，比如拨打语音电话、发送短信等。它的判定条件是不在禁止的小区之列，其信号质量满足一定的要求，其所属的ＰＬＭＮ是被选择的ＰＬＭＮ，或ＥＰＬＭＮ，且不在被禁止的路由位置区内。
　　
　　禁止的小区（ｂａｒｒｅｄ ｃｅｌｌ）是指终端无法驻留的小区。通常，此类小区会在其发送的系统消息中有明确的指示信息。
　　
　　运营商预留的小区（ｒｅｓｅｒｖｅｄ ｃｅｌｌ）是指被运营商用来作为其他一些特殊用途的小区，通常这类小区也会在其发送的系统消息中有明确的指示。
　　
　　２． 小区搜索过程
　　
　　通常，终端在事先不知道小区任何信息的情况下搜索小区，需要经过时隙同步、帧同步、捕获主扰码三个步骤。这三个步骤涉及到四个下行物理信道：主同步信道（Ｐ－ＳＣＨ）、从同步信道（Ｓ－ＳＣＨ）、主公共导频信道 （Ｐ－ＣＰＩＣＨ）、主公共控制物理信道（Ｐ－ＣＣＰＣＨ），参见图４。
　　 　
　　 图4 参与小区搜索过程的物理信道
　　
　　当然，如果终端上已经存有某个小区的信息，如频率、主扰码等，那么终端可以利用这些信息来简化小区搜索过程。但我们知道，这实际上只是前一种情况的特殊现象，其搜索过程仍大致需要遵循这三个步骤，因此本文讨论第一种情况，以便为大家做较为全面的介绍。
　　
　　（１）时隙同步
　　
　　我们知道，一个无线帧为１０ ｍｓ，３８ ４００码片，又分为１５个时隙。从图４可以看到，上文提到的四个物理信道之间是同步的。第一步的目的就是要获取各时隙的边界，从而与各物理信道实现时隙同步。这一步是通过捕获主同步信道来实现的。
　　
　　主同步信道不属于码信道，没有经过扩频和加扰处理。主同步信道在每个时隙的起始处重复发送主同步码，为２５６码片，占整个时隙的１／１０。所有小区的主同步码相同，而且终端预先知道其码片序列，因此只需要用一个性能较好的匹配滤波器就可以检测、捕获到该主同步码，从而确定各物理信道的时隙边界。
　　
　　（２）帧同步
　　
　　这一步是通过捕获从同步信道来实现的。从同步信道也不属于码信道，没有经过扩频和加扰处理。从同步信道上发送从同步码，从同步码也是２５６个码片，在每个时隙的开始处与主同步码一起发送，每个时隙使用一个从同步码。所不同的是，从同步码总共有１６个不同的码片序列，这些从同步码又被编排成６４个不同的组合，每个组合为１５个从同步码字长，用于一个无线帧，需要注意的是，在某一组合中同一从同步码可能出现若干次，而每个组合对应于一组主扰码。
　　
　　我们知道，下行扰码是由长度为１８位的移位寄存器生成的ＰＮ序列，因此总共有２１８－１个，常用的有８ １９２个，又分为主扰码和从扰码，其中主扰码有５１２个，分为６４组，每组８个。因此，在第二步实现物理信道的帧同步的同时，终端可以获悉该小区的无线帧中使用的从同步码字组合，从而可以确定该小区使用的主扰码所属的组别。
　　
　　（３）捕获主扰码
　　
　　有了前两步的基础，并且知道主公共导频信道的信道化码为Ｃｃｈ２５６０，终端即能够同步到主公共导频信道的无线帧。
　　
　　主公共导频信道是一个码信道，在整个小区内广播，每个小区有且仅有一个主公共导频信道。该信道在发射前需要经过扩频和加扰。在扩频前，该信道发送４个符号“１”，即“１１１１”。经过扩频，该信道发送２５６个符号“１”。再用一个主扰码进行加扰，最后在该信道的每一帧上发射的就是３８ ４００码片的主扰码。
　　
　　而第二步已经确定该主扰码所属的组号，因此，只需要定位到该主扰码组，然后从８个主扰码中找到与本小区匹配的主扰码，捕获主扰码的工作即告结束。
　　
　　然后，就可以用主扰码解码主公共控制物理信道，从而解调出系统下发的广播消息。
　　
　　３． 小区选择的信号质量要求
　　
　　在经过前面的小区搜索过程后，终端仍需判定该小区的信号质量是否达到一定的要求，才能进一步确定是否可以驻留在该小区，以获得正常的通信服务。
　　
　　对于ＷＣＤＭＡ终端来说，通常需要通过两个公式的计算结果来进行判定，如图５所示。
　　
　　 图5 小区选择的信号质量要求
　　
　　第一个公式是判定终端测量到的主公共导频信道的Ｅｃ／Ｎ０ 是否达到要求。