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走进通信:4G手机跟基站是怎么“交流”的

2019-09-07 11:17:36 IT之家 沧海 编辑:玉米 浏览数:9集趣网

科技进步的直接体现就是越来越多的东西都开始变得简单化、扁平化,能一步到位的事情,绝不拆成两步来做。就拿我们日常生活中最常使用的手机来说,拨号通话、上网等操作,只需要动动手指即可;但是隐藏在手指“下面”的,却是通信技术进步...

科技进步的直接体现就是越来越多的东西都开始变得简单化、扁平化,能一步到位的事情,绝不拆成两步来做。就拿我们日常生活中最常使用的手机来说,拨号通话、上网等操作,只需要动动手指即可;但是隐藏在手指“下面”的,却是通信技术进步的直接体现。今天笔者跟大家简单聊一聊,在LTE时代,手机跟基站到底是怎么“交流”的。(本文以TDD-LTE网络举例说明)。

LTE的网络架构

在此之前,我们先了解一下LTE的网络架构。LTE的网络架构特点就是全IP、扁平化,整个TD-LTE系统由3部分组成:核心网(EPC, Evolved Packet Core)、接入网(eNodeB)、用户设备(UE)三部分组成。

这张图相比大家已经见过很多次了,LTE网络架构简单明了,即便是一般用户乍一看都能略知一二。和UMTS相比,由于NodeB和RNC融合为网元eNodeB,所以TD-LTE少了Iub接口。X2接口类似于Iur接口,S1接口类似于Iu接口,这些接口我们都可以理解为两个“模块”之间信息交流的通道。

一般来说,我们把除EPC之外的部分称为E-UTRAN(演进的UMTS陆地无线接入网),即LTE中的移动通信无线网络,也可以把这个部分称为无线侧,手机与基站的业务交流就在这里进行,再通过EPC的协同处理共同完成一次又一次的手机业务。

在这里我们需要知道几个专业术语名称:

EPC:核心网,由MME、S-GW、P-GW组成

eNodeB:网元,我们可以将其理解为基站;

MME:负责信令处理部分

S-GW:负责本地网络用户数据处理部分

P-GW:负责用户数据包与其他网络的处理

S1接口:eNodeB与EPC之间的接口,可理解为连接通道(下同)

X2接口:eNodeB之间的接口

Uu接口:eNodeB与UE之间的接口

eNodeB与EPC之间的业务负责是不一样的,具体来说如下图所示,在这里不做过多介绍。

在了解LTE网络架构及各个系统组成之后,我们来聊一聊手机到底是怎么跟基站进行“交流”的。

笔者在这里讲两个方面,一个是手机开机的入网过程,另一个是手机在空闲状态与业务状态与NodeB和EPC之间的“交流”过程,即重选与切换,这两个业务流程相对简单,便于理解。其他业务连接本文不做介绍,有兴趣的可以去阅读相关资料,如《LTE基本原理》、《LTE信令详解》等。

开机入网

上图是LTE终端开机入网总体流程,当然上图有点复杂,笔者在这里概述一下。

当我们的手机重新开机之后,SIM卡标识是需要过一会才能显示出来,也就是说整个LTE终端开机入网的过程也就短短几秒钟,对用户而言就是简单的手机信号标识从“X”变为正常显示,但是在这简单的背后,却有着不简单的过程。

LTE终端开机之后它的首要任务就是找到网络并和网络取得联系,以获得网络的服务。由于基站千千万,要找到最适合距离当前设备的信号,是需要一些“技巧”的。

首先终端会进行PLMN选择,这个过程实际上是先确定小区(之前的文章中提到小区的概念,基站的一个扇区被称为一个小区,LTE的一个小区包含小区ID、PCI、中心频段,主频、TAC等诸多信息)的大概位置,通过MCC、NCC、TAC等关键信息的判断,先锁定需要驻留小区的大体方位及相关信息。

接着就是需要小区了,小区的主要目的有:

与小区取得频率和符号同步(下行同步)

获取系统帧timing,即下行帧的起始位置

确定小区的PCI(Physical-layer Cell Identity)

这个步骤是终端在获取周边基站信号的大概位置之后,需要通过一系列操作来确定一个信号最好的小区作为驻留小区,驻留成功,就意味着你的手机可以正常上网了。

除了小区之外,为了支持移动性(保证你在运动过程中也能享受网络服务),终端还将不停地邻小区、取得同步并估计该小区信号的接收质量(RSRP),从而决定是否进行小区重选(当终端处于RRC_IDLE态)。

在这里需要注意的是,终端开机时是并不知道小区系统带宽的大小的,它只知道自己支持的频带和带宽。因此终端将在可能存在LTE小区的几个中心频点上接收信号(PSS,主同步信号),以接收信号强度来判断这个频点周围是否可能存在小区,如果终端保存了上次关机时的频点和运营商信息,那么终端开机后会先在上次驻留的小区上尝试,如果发现了相匹配的信息,则直接进行小区驻留;要是没有发现匹配信息,那么终端就需要在划分给LTE系统的频带范围做全频段扫描,发现信号较强的频点去尝试。

这个不断尝试的过程,就是我们说的小区,这个过程就是为了让手机能快速找到可驻留小区,并及时的连上网络。

到这里,LTE终端总算是正常开机并能够上网了,那么我们在使用手机的过程中,其与基站的“互动”是怎么样的呢?

重选与切换

当你开车或坐车时,尽管你的手机就静静在躺在那里,但并不意味着你的手机就没有工作。事实上,只要你的手机处于开机状态,即便不开流量开关,它也没闲着,反而在一直努力工作中。

重选与切换,笔者在之前的文章中简单的提过,当你的手机空闲状态(RRC_IDLE)时发生的小区信息的改变,我们称之为重选;当你的手机处于连接状态(RRC_CONNECTED)时,发生的小区信息的改变,我们称之为切换。

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