LTE小区重选准则浅析
导读
目录
1 引言
2 小区选择过程
3 小区重选的关键算法
3.1 小区重选优先级
3.2 测量启动规则
3.3 小区重选准则
3.3.1 高优先级小区重选准则
3.3.2 同等优先级小区重选准则
3.3.3 低优先级小区重选准则
3.4 小区重选举例
3.5 移动状态对小区重选的影响
4 小区重选的网络参数优化
4.1 避免由Threshserving, low和Threshx,high引发的乒乓效应
4.2 避免由Threshserving, low引发的冗余重选
5 结束语
LTE小区重选准则浅析
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1 引言
随着核心规范的相继完成，LTE技术越来越完整的展现在世人面前。与之前所有的蜂窝移动通信系统一样，成功的小区驻留是网络向用户提供服务的基础，因此，小区重选过程在LTE接入网操作中依然具有极其重要的意义。
LTE系统的接入网部分E-UTRA（Evolved Universal Terrestrial Radio Access）相对于UTRA系统在L3做出了较大的简化，但小区重选的复杂程度却并未减少。从E-UTRA小区的系统广播消息来看，包括MIB在内共有12个系统消息块，其中SIB3到SIB8全部为重选相关信息，而SIB1和SIB2也都与之密切相关，由此可见小区重选的重要性及复杂度。而本文在深入介绍重选准则的同时，也将对这些系统消息参数进行梳理。
2 小区选择过程
作为基础，本章首先介绍小区选择过程及其关键算法——S准则。
S准则是指，UE需要计算出小区的Srxlev值，当Srxlev > 0时，该小区应被认为是一个合适的小区，否则该小区应被忽略。其中Srxlev的计算方法如下：
| Srxlev = Qrxlevmeas - (Qrxlevmin + Qrxlevminoffset) - Pcompensation 上式中，Pcompensation = max(PEMAX - PUMAX, 0) |
表2-1对算法中的参数进行了简要的说明：
表2-1 S准则参数说明表
| 参数名 |
单位 |
意义 |
| Qrxlevmeas |
dBm |
UE测量到的小区RSRP实际值。 |
| Qrxlevmin |
dBm |
小区的最小接收电平。 Qrxlevmin在SIB1域中广播，对应IE为q-RxLevMin。 （注意1：Qrxlevmin = IE value * 2） （注意2：小区重选过程中计算邻小区Srxlev时应使用的Qrxlevmin在SIB3、SIB5、SIB6、SIB7、SIB8中广播） |
| Qrxlevminoffset |
dB |
仅在周期性搜寻高优先级PLMN的情况下，作为Qrxlevmin的补偿值使用。 Qrxlevminoffset在SIB1中广播，对应IE为q-RxLevMinOffset。 （注意3：Qrxlevminoffset = IE value * 2） |
| PEMAX |
dBm |
小区允许的UE最大发射功率。 PEMAX在SIB1中广播，对应IE为p-Max。 |
| PUMAX |
dBm |
UE所属功率等级的最大可用功率，即UE实际最大发射功率。 |
| Pcompensation |
dB |
若PUMAX达不到PEMAX，则在UE计算小区Srxlev时，应将该差值作为补偿值使用；否则忽略该补偿。 |
一个小区的S值可被理解为特定UE在小区选择阶段所见的小区信号质量的好坏。当一个PLMN被选定后，UE将启动小区选择过程，过程根据UE中是否保存有载频的相关信息，分为“初始小区选择”和“基于已存信息的小区选择”两种情况。
在第一种情况下，UE将顺序搜索E-UTRA每个载频上的最强小区，考察其是否符合小区选择的S准则，一旦发现合适的小区，该小区即被作为小区选择和驻留的对象上报UE非接入层，小区搜索停止。
而在“基于已存信息的小区选择”的情况下，UE将利用之前存储的载频信息及相关小区参数，仅对特定频率或特定小区进行搜索。该方式能够降低小区选择过程的负担，并缩短其时间消耗。
小区选择过程结束后，UE驻留于某个E-UTRA小区，开始小区重选的评估。
3 小区重选的关键算法
在Idle状态下，UE可能出于某些原因离开当前服务小区，向邻小区进行驻留，该过程即小区重选。大多数小区重选与网络环境的变化有关，这种情况下，UE将在一定程度上选择能够提供更优质服务的小区；小区重选也可能由网络间接发起，例如通过RRCConnectionRelease消息重新分配特定载频优先级等等。但任何一种LTE的小区重选，都将严格依据本章介绍的评估准则展开。
3.1 小区重选优先级
LTE所引入的小区重选优先级是UE在进行重选时最先需要考虑的参数，之后所有的测量启动规则和重选准则将按照不同优先级进行分类讨论。因此本章第一节对小区重选优先级加以说明。
小区重选优先级由网络侧配置，可以通过服务小区广播的方式告知UE，对应参数cellReselectionPriority，取值范围为(0..7)。该参数取值越大，表示对应载频上所有小区的重选优先级越高。需要注意的是，重选优先级并不具体到某一小区，而是某个RAT的某个载频，也就是说，同一RAT下同一载频上的所有小区拥有相等的优先级，而不同载频间优先级可能相等或不等。这些参数散布于SIB3至SIB8中，如下表所示：
表3-1 重选优先级参数分布表
| 消息块 |
所在域 |
对应载频 |
| SIB3 |
cellReselectionServingFreqInfo |
当前载频，即服务小区载频 |
| SIB5 |
interFreqCarrierFreqList[n] |
某个E-UTRA异频载频 |
| SIB6 |
carrierFreqListUTRA-TDD[n] |
某个UTRA-TDD载频 |
| carrierFreqListUTRA-FDD[n] |
某个UTRA-FDD载频 |
|
| SIB7 |
carrierFreqsInfoList[n]. commonInfo |
某个GERAN载频 |
| SIB8 |
parametersHRPD…physCellIdList[n] |
某个CDMA2000载频 |
除系统广播外，小区重选优先级同样可以通过RRCConnectionRelease消息告知UE。当UE收到包含cellReselectionPriority的RRCConnectionRelease消息时，所有小区重选优先级必须以该消息中的配置为准，忽略系统广播消息值。通过该机制，网络能够主动引导UE进行系统间小区重选，进而完成CS域的语音呼叫。
重选优先级确定之后，针对不同优先级的小区，UE将选用不同的测量启动规则以及重选判决准则。
3.2 测量启动规则
随着UE成功进入小区驻留状态，持续的本小区测量也随即开始。RRC层通过RSRP测量结果计算Srxlev，并将该值与同频/非同频测量启动门限Sintrasearch和Snonintrasearch进行比较，作为是否启动邻小区测量的判决条件之一。
Sintrasearch和Snonintrasearch在SIB3中广播，IE类型为OPTIONAL。
邻小区测量是否启动的规则如下：
-
对于重选优先级高于服务小区的载频，UE必须始终对其进行测量；
-
对于重选优先级等于或低于服务小区的载频，分为同频和非同频两种情况处理：
o 同频测量情况下：
-
当服务小区的Srxlev值 > Sintrasearch时，UE可自由决定是否进行同频测量；
-
当服务小区的Srxlev值 <= Sintrasearch，或系统消息中Sintrasearch为空时，UE必须进行同频测量；
o 非同频（异频和系统间）测量情况下：
-
当服务小区的Srxlev值 > Snonintrasearch时，UE可自由决定是否进行异频及系统间测量；
-
当服务小区的Srxlev值 <= Snonintrasearch，或系统消息中Snonintrasearch为空时，UE必须进行异频及系统间测量。
邻小区测量的结果，将反映为UE维护的邻小区S值列表，以及后文即将提到的R值列表，用于各优先级重选准则算法。
3.3 小区重选准则
针对不同优先级载频上的小区，重选算法有着明显的区别：优先级越低，重选判决准则越苛刻，UE向其上发生重选的机会也就越小。这虽然使得小区重选的运算复杂度有所增加，但却保证了UE能够从网络侧获得最佳的服务。
当多个优先级下均存在可重选小区时，UE应只在其中优先级最高的小区中进行选择。
本节将开始详细讨论各种小区重选准则。
3.3.1 高优先级小区重选准则
对于重选优先级高于当前服务载频的小区，若：
o 该邻小区Srxlev高于门限值Threshx, high，并持续TreselectionRAT；同时，
o UE已在当前服务小区驻留超过1秒以上。
则UE应触发向该邻小区重选的流程。
其中，Threshx, high为重选门限值，针对E-UTRA下各个非服务载频、以及inter-RAT下各个载频，分别在SIB5、SIB6、SIB7、SIB8中广播，对应IE为threshX-High；
TreselectionRAT为时间滞后值，针对E-UTRA下各个载频、以及各个inter-RAT，分别在SIB3、SIB5、SIB6、SIB7、SIB8中广播，对应IE为t-ReselectionEUTRA、t-ReselectionUTRA、t-ReselectionGERAN、t-ReselectionCDMA2000，单位：秒。
在高优先级小区重选过程中，UE无需考虑服务小区信号质量的好坏。一旦高优先级载频上有小区信号质量可以接受，就将进行重选。
3.3.2 同等优先级小区重选准则
同等优先级小区包括服务载频下的其它小区，也可以是E-UTRA的其它Inter-frequency载频，但不能是inter-RAT小区，这是因为不同RAT的小区重选优先级也不相同。
这里，我们需要引入小区重选的R准则，用于同等优先级情况的判决。
R准则是指，UE应计算出所有符合S准则的小区的R值，并按照R大小进行排序，排在第一位的小区将被认为是最优小区。R值计算方法如下：
| Rs = Qmeas,s + QHyst Rn = Qmeas,n - ( Qoffsetfrequency + Qoffsetcell ) |
其中，Rs和Rn分别代表服务小区和邻小区的R值。式中其它参数在下表中简要说明：
表3-2 R准则参数说明表
| 参数名 |
单位 |
意义 |
| Qmeas,s |
dBm |
UE测量到的服务小区RSRP实际值。 |
| Qmeas,n |
dBm |
UE测量到的邻小区RSRP实际值。 |
| QHyst |
dB |
服务小区的重选滞后值。 QHyst在SIB3中广播，对应IE为q-Hyst。 |
| Qoffsetfrequency |
dB |
被测邻小区所在载频的补偿值。仅用于计算异频临小区。 Qoffsetfrequency在SIB5中广播，对应IE为q-OffsetFreq，默认值为0。 |
| Qoffsetcell |
dB |
当inter/intraFreqNeighCellInfo域存在于系统消息中时，该参数代表被测邻小区的补偿值；否则公式中应忽略该参数。 Qoffsetcell在SIB4及SIB5中广播，对应IE 为q-OffsetCell。 |
根据R值计算结果，对于重选优先级等于当前服务载频的小区，若：
o 该邻小区Rn大于服务小区Rs，并持续TreselectionRAT；同时，
o UE已在当前服务小区驻留超过1秒以上。
则UE应触发向该邻小区重选的流程。
可以看到，同等优先级情况下，小区重选是以包括服务小区在内的各小区R值为基础展开的，R值在一定程度上反映了每个小区的信号质量，但为了避免发生不必要的和过于频繁的重选，R值的计算过程中又带有了对当前驻留小区的偏袒。
需要指出的是，Rn的计算公式也适用于某一优先级上同时存在多个可重选小区的情况。此时UE应计算出他们的Rn进行排序，并最终选择其中排序最高的小区。
3.3.3 低优先级小区重选准则
相比前两种重选准则，UE针对低优先级载频上小区的重选限制条件较多。具体准则如下，若：
o 在高优先级载频上，没有任何小区符合高优先级小区重选准则；同时，
o 在服务载频和其它同等优先级载频上，没有任何小区符合同等优先级小区重选准则；同时，
o 服务小区Srxlev < Threshserving,low，且该邻小区Srxlev > Threshx,low，并持续TreselectionRAT（单位：秒）；同时，
o UE已在当前服务小区驻留超过1秒以上。
则UE应触发向该邻小区重选的流程。
其中，Threshserving, low在SIB3中广播，对应IE为threshServingLow；Threshx,low在SIB5、SIB6、SIB7、SIB8中广播，对应IE为threshX-Low。
注意，参数Threshx后缀的“high”和“low”并不表示门限值的“高”“低”，而是指它被用于高优先级还是低优先级载频的重选。对于重选优先级高于当前小区的载频，系统广播消息为其配置的Threshserving, low对UE来说是无意义的；对于低优先级载频Threshx,high同样没有意义。而对于同频，系统则根本不会为其配置这两个参数。
3.4 小区重选举例
为便于读者了解了上述重选准则，本节插入一个简单的例子。
这是终端协议一致性测试中用于验证小区重选准则的测试例，详细内容可在3GPP TS 36.523-1中找到，TC编号6.1.2.15。
系统模拟三小区环境，随着小区功率的变化，UE将先后按照不同优先级准则发起重选。
系统广播消息中Qrxlevmin、Ssearch、TreselectionRAT、QHyst、Threshx, low等参数均按照36.508进行配置；cellReselectionPriority、Threshserving, low、Threshx, high在测试例中有所调整。整个过程按照小区功率的变化分为四个阶段展开，如图3-1所示，其中Selection箭头、Reselection箭头及重选关键参数计算结果均已在图中注明，灰色表示该小区处于Cell Off状态。
图3-1 协议一致性测试TC6.1.2.15示意图
图中过程简要描述如下：
-
T0阶段：UE开机，执行小区选择并在Cell1完成注册；
-
T1阶段：UE发现同等优先级异频小区Cell3，其Rn计算结果始终高于Cell1的Rs值，于是UE向Cell3重选；
-
T2阶段：UE发现高优先级小区Cell6，其S值始终高于Cell3的系统广播消息中为载频f3设置的重选门限，于是UE向Cell6重选；重选结束后，之前驻留的f2也就相对降为低优先级载频；
-
T3阶段：UE发现Cell6 的S值低于Threshserving,low，同时，Cell3的S值高于Cell6的系统广播消息中为载频f2设置的低优先级重选门限，于是UE向Cell3重选。整个过程结束。
-
移动状态对小区重选的影响
前文较为详细和完整的描述了各种判决准则，然而在实际使用中，重选算法却并非一成不变。LTE引入UE的“移动状态”这一概念后，重选算法中所使用的特定参数，也将随移动状态的不同而发生变化，进而影响到整个重选过程的判决。
移动状态设计的初衷是通过跨越小区的频率来粗略估计移动的快慢，这由UE根据自身一段时间内的重选次数决定。当然，需要忽略两个小区之间的反复重选。移动状态分为低、中、高三种，分别对应重选次数的三个区间：[0, NCR_M]、(NCR_M,NCR_H]、(NCR_H, +∞)。
当UE进入中、高移动状态后，用于计算服务小区Rs的功率补偿值Qhyst以及用于各优先级重选准则的时间滞后值TreselectionRAT都将随之发生变化，UE不再直接使用系统广播消息中的值，而是根据移动状态的不同进行相应缩减。具体变动方法如下：
-
中等移动状态下：
o UE实际使用的Qhyst应为原Qhyst与补偿功率缩放因子（取值范围：{-6, -4, -2, 0}，单位dB）之和；
o UE实际使用的各个TreselectionRAT应为原TreselectionRAT与其各自的滞后时间缩放因子（取值范围：{0.25, 0.5, 0.75, 1.0}）的乘积；
-
高移动状态下，计算方法与之相同，但缩放因子取值不同。
其中，缩放因子取值由网络侧配置：
补偿功率缩放因子位于SIB3，对应IE为q-HystSF.sf-Medium和q-HystSF.sf-High；EUTRA各载频的滞后时间缩放因子位于SIB3和SIB5，对应IE为t-ReselectionEUTRA-SF；inter-RAT的滞后时间缩放因子位于SIB6至SIB8，对应t-ReselectionUTRA-SF、t-ReselectionGERAN-SF和t-ReselectionCDMA2000-SF。
从总体上来看，由于移动状态的影响，速度越高的UE，对相对功率的变化也将越敏感，而衡量是否重选所需要的时间也会相应减少，其结果是UE能够更快的从一个小区重选到另一个小区。因此，移动状态对重选算法产生影响后，在一定程度上避免了UE由于高速穿越而出现服务小区丢失的情况。
4 小区重选的网络参数优化
文章第3章介绍了LTE小区重选的过程和细节，展示了重选算法所中所涉及参数的多样性和可变性，但优先级机制带来的逻辑复杂度问题也显得尤为突出。为此，3GPP RAN2已多次修改低优先级重选准则以弥补逻辑上的缺陷，并为同时存在多个小区符合不同重选准则的情况附加了处理说明。
然而即便如此，理论上的漏洞依然存在。在几种特定的小区环境下，参数配置稍有不慎，便可导致UE发生乒乓效应和冗余重选。以当前协议为基础的LTE网络，有必要进行细致的系统广播消息参数优化。这里，笔者提出两处需要重点注意的参数配置规则以供参考。
4.1 避免由Threshserving, low和Threshx, high引发的乒乓效应
假设存在这样两个小区：位于载频f1上的服务小区CellA和位于高优先级载频f2上的邻小区CellB，CellA的广播消息中为CellB所在载频配置的Threshx, high配置的值为m dB，而CellB广播的Threshserving, low为n dB，m < n。
那么，当UE所处环境CellA的信号良好、CellB的Srxlev介于m到n之间的情况出现时，乒乓效应也会随之触发：UE根据高优先级准则向CellB发起重选并驻留，接着，UE很快又根据低优先级准则从CellB重选回CellA，在环境发生质变之前，循环无法停止。
上述环境在现网中是较为常见的，一旦网络参数配置不当，乒乓效应的出现将成为必然。这一过程涉及的参数包括：CellA系统消息中为f2配置的Threshx, high和Qrxlevmin、CellB系统消息中的Threshserving, low以及为f1配置的Threshx, low和Qrxlevmin。通过调整这些参数，问题解决的方法看似不止一种，但大多会引入更复杂的问题。
最可行和有效的途径是，控制在系统广播消息中为每个高优先级邻载频配置的Threshx, high，必须高于该载频上各小区本身的Threshserving, low。
4.2 避免由Threshserving, low引发的冗余重选
冗余重选即不必要的小区重选，除了导致时间延长，资源浪费外，还将使重选次数非正常增加，从而可能引起UE移动状态发生期望之外的改变。
冗余重选现象出现的根本原因在于，重选准则是存在视角问题的，UE只能以某一个小区为基点去衡量周围的环境，然而同一环境相对于不同的小区，得到的重选结果却存有差异性。例如，在图4-1所示的网络环境下，由于同等优先级小区的存在，处于CellA的UE将忽略低优先级小区CellC而向CellB发起重选，而当驻留到CellB之后，UE又只能根据低优先级重选准则选择CellC。
图4-1 冗余小区重选示意图
实际上，通过网络优化，可以尽量减少此类功率环境的出现，以避免冗余重选。而在建网初期，则应通过合理的设置Threshserving, low来阻止冗余重选的发生。
通过分析，0dB是Threshserving, low最为合理的取值。分类讨论各种可能存在的情况后可以发现，当该参数取0时，无论是涉及高优先级还是同等优先级的冗余重选，都能够被有效地杜绝。
5 总结
回顾LTE的重选过程，针对不同优先级载频上的小区，UE依据不同的重选准则对其进行评估，评估基于对各小区的测量结果展开，同时评估过程会受到UE移动状态的影响。当一组小区最终被确认为合适的可重选小区，UE还将对它们进行合理的取舍，最终向唯一的目标小区发起重选。
通过对比3GPP TS 25.304可以发现，E-UTRA与UTRA的小区重选存在许多共同点，但同时它们之间的差异也非常大。对于已在UTRA系统方面有一定研究的读者，可以将UTRA的重选准则作为参考，重点关注E-UTRA系统中重选优先级、算法、准则以及移动状态等方面的差异。
经过两年的改进与版本更新，LTE终端的小区重选方案已逐步定型并趋于完善，但其中的问题依然不可忽略，在重选准则和参数配置方面都值得进一步讨论，因此基于当前版本协议展开的工作都需要尽可能避免这些问题的发生。实际上，只要找到合理的方法，这些问题并不会为网络优化工作增加太多麻烦，届时参数灵活性的优势将越来越多的展现在实际应用中。可以预见，不久的将来LTE也将如目前的TD-SCDMA一样开始大规模布网，并走入人们的生活。
