GSM小区的选择与重选

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1、GSM 小区的选择与重选第一节小区的选择与重选一、小区选择过程当移动台开机后，它会试图与SIM卡允许的GSM PLMN取得联系，因此移动台将选择一个 合适的小区，并从中提取控制信道的参数和其它系统信息，这种选择过程被称为“小区选择”。如果移动台并无存储的BCCH消息，它将首先搜索完所有的124个RF信道（如果为双频手 机还应搜索374个GSM1800的RF信道），并在每个RF信道上读取接收的信号强度，计 算出平均电平，整个测量过程将持续35s,在这段时间内将至少分别从不同的RF信道上抽 取5个测量样点。MS将调谐到接收电平最大的载波上，判断该载波是否为BCCH载波（通过搜寻FCCH突发 脉冲）

2、，若是，移动台将尝试解码SCH信道来与该载波同步并读取BCCH上的系统广播消 息。若MS可正确解码BCCH的数据，并当数据表明该小区属于所选的PLMN、参数C1值 大于 0、该小区并未被禁止接入、移动台的接入等级并未被该小区禁止时，移动台方可选择 该小区。否则，MS将调谐到次高的载波上直到找到可用的小区。如MS在上次关机时，存储了 BCCH载波的消息，它将首先搜索已存储的BCCH载波，若 未找到则执行以上过程。参数C1为供小区选择的路径损耗准则，服务小区的C1必须大于0,其公式如下：C1=RXLEV-RXLEV_ACCESS_MIN - MAX （MS_TXPWR_MAX_CCH - P）,

3、0）单位：dBm其中RXLEV为移动台接收的平均电平;RXLEV_ACCESS_MIN为允许移动台接入的最小 接收电平;MS_TXPWR_MAX_CCH为移动台接入系统时可使用的最大发射功率电平;P为移 动台的最大输出功率。问题研究：允许接入的最小接入电平RXLEV_ACCESS_MIN为了避免移动台在接收电平很低的情况下接入系统（此时接入后的通信质量往往很差，以至 于无法保证正常的通信过程），而无法提供用户满意的通信质量而无谓的浪费无线资源，因 而GSM规范规定移动台在接入网络时其接收电平必须大于参数RXLEV_ACCESS_MIN所 定义的值。当减小该值时，将扩大小区允许接入的范围（其下限

4、是移动台接收灵敏度），但在边缘地带 的通话质量会很恶劣易引起掉话，而且此时由于上下行信号很弱，会导致在功率控制下移动 台以最大功率发射，从而增加上行信号干扰。但该值设置过大时会使小区的有效覆盖范围随之缩小，在小区交接处人为的造成盲区。二、小区重选过稈当移动台选择某小区为当前服务小区后，在各种条件变化不大的情况下，移动台将驻留在所 选的小区中，并根据服务小区的BCCH系统消息所指示的小区重选邻小区频点配置表，开 始监测该表中所有BCCH载波的接收电平和同步消息，并记录下接收电平最高的6个邻小 区，并从中提取每个邻小区的的各类系统消息和控制消息，当满足一定条件时移动台将重新 选择其中一个邻小区作为

5、服务小区，这个过程被称为小区重选。所谓一定的条件包含多方面 的因素，如小区的限制(由 cell_bar 和 cell_bar_qualify 来决定)、小区是否被禁止接入等。小区重选采用的算法为C2算法，计算公式如下：当 PENALTY_TIME 不等于 11111 时：C2=Cl+CELL_RESELECT_0FFSET-TEMP0RARY_0FFSETxH(PENALTY_TIME-T)；当 PENALTY_TIME 等于 11111 时： C2=C1-CELL_RESELECT_OFFSET；其中当XvO时，函数H(x)=0;当X=0,函数H(x)=1；T是一个定时器，它的初始值为0,当

6、某小区被移动台记录在信号电平最大的六个邻小区时，则 对应该小区的计数器T开始计时，当该小区从移动台信号电平最大的六个邻小区表中去除时, 相应的定时器T被复位；CELL_RESELECT_OFFSET为小区重选偏移量，可人为的来调整C2值的大小；TEMPORARY_OFFSET为临时偏移量；PENALTY_TIME为惩罚时间，从移动台发现某一小区的信号出现后，定时器T开始置位到 定时器T的值到达PENALTY_TIME规定的时间之前将按照TEMPORARY_OFFSET所定义 的值给该小区的C2算法一个负偏置的修正，这种做法是用来防止当移动台在快速移动时来 选择一个微蜂窝或覆盖较小的小区作为服务

7、小区的情况。如果在时间超过仍收到该小区的信 号，；反之，若时间超过了PENALTY_TIME所定义的时间后，将不考虑临时偏移量。在高 速公路等覆盖区可使用惩罚时间。在这里值得注意的是，仅当小区重选指示(CELL_RESELECTION_INDICATION)激活时C2算 法这几个参数才起作用,否则移动台将不考虑CELL_RESELECT_OFFSET、 TEMPORARY_OFFSET 和 PENALTY_TIME 的设置情况，因而此时 C2=C1。当发生以下情况时，将触发小区重选1、移动台计算某小区(与当前小区属同一个位置区)的C2值超过移动台当前服务小区的 C2 值连续5 秒。2、移动台计

8、算某小区(与当前小区不属同一个位置区)的C2值超过移动台当前服务小区的C2值与小区重选滞后值(CELL_SELECTION_HYSTERESIS)之和连续5秒3、当前服务小区被禁止4、MS 监测出下行链路故障5、服务小区的C1值连续5秒小于0问题研究：1、小区重选滞后值的设置原则：当移动台进行小区重选时，若原小区和目标小区属不同 的位置区，则移动台在小区重选之后必须启动一次位置更新过程，由于无线信道的衰落特性， 通常在相邻小区的交界测得的C2值会有较大的波动，从而导致频繁的小区重选和位置更新， 它不但使网络的信令流量大大增加导致信令信道的拥塞，并且由于移动台在位置更新过程中 无法响应网络对它的

9、寻呼，因而使网络接通率降低。为了减小这一问题的影响， GSM 设立 了小区重选滞后这一参数，要求其邻小区(位置区与本区不同)信号电平必须比服务小区的 信号电平大出重选滞后所规定的值后，才允许触发小区重选。建议当在话务统计报告中发现 位置更新较频繁时，可将该小区的值设为6dB或8dB。但如果这两个小区的无线覆盖比较 差时，应将该值适当的设小一些。2、下行信令故障：下行信令故障准则基于下行信令故障计数器DSC，当MS选择了某小区 时，DSC置为90/BS_PA_MFRMS取整，BS_PA_MFRMS为基站传输寻呼消息给同一寻呼 组MS之间的51TDMA帧复帧数。因此当MS要在其寻呼子信道上译码时，

10、若成功则DSC 加1,若失败，则DSC减4,当DSC为0时，则断定出现了下行信令故障。3、值得注意的时，每次由参数C2引起的小区重选至少间隔15秒，这是为了避免移动台 频繁的小区重选过程。当某小区的话务较闲时，可适当提高其CELL_RESELECT_OFFSET, 来增强该小区吸引话务量的能力。但作为两个相邻的小区，它们的所定义的重选偏置的差值 应尽量要小于20dB，否则将使该服务区边界的信号很不稳定。4、小区接入限制(CELL_BAR_ACCESS,CBA)和小区禁止限制(CELL_BAR_QUALIFY,CBQ)对于小区重叠的地区，根据每个小区容量的大小，业务量的大小及小区功能的差异，网

11、络运营商们都希望移动台在小区选择中优先选择某些小区，即设定小区的优先级。这一功能 可以通过设置参数小区接入限制和小区禁止限制来实现，见下表：小区禁止限制小区接入禁止小区选择优先级小区重选状态00正常正常01禁止禁止10低正常正常通常所有小区的优先级都为正常。但在某些情况下，运营者希望移动台优先进入某种类型的 小区，如微蜂窝和双频网等，此时我们可将这些小区的优先级设为正常，而将周围其它小区 的优先级设为低。当移动台在小区选择过程中，只有当没有优先级为正常的合适小区时，才 去选择优先级为低的小区。通过设置小区优先级我们可以对一些拥塞较严重的小区和其相邻 的小区来进行话务平衡，即将它们的优先级设为低

12、使它的邻小区将其话务量吸收过去一部分 这也相当于将其实际的覆盖范围减小，但这种做法不同于将其功率降低，后者可能会引起网 络覆盖的盲点和通话质量的下降。当小区接入禁止设为 1 且小区禁止限制设为 0 时，则该小区只允许切换业务，而不允许移动 台直接接入，这种做法常被用在微蜂窝和双频网的覆盖环境下。如在双层覆盖的情况下，用 底层网络来吸引话务量而用上层网络来保证覆盖。当上层小区的覆盖区业务量较大时，为了 防止拥塞可使用该做法来移动台禁止接入该小区而迫使它去选择其底层的小区，仅支持移动 台的切换业务以防止掉话。但用小区优先级为手段去做网络优化时，应注意，它只影响小区选择而对小区重选不起作用， 因而要

13、真正达到网络优化的目的必须结合使用小区优先级和C2算法。三、不连续接收模式DRX和寻呼信道的定义在空闲模式下，若移动台选择了某小区后作为服务小区后，它就可以开始收听该小区的寻呼 消息了。但为了降低功耗，在GSM规范中引入了不连续接收的机制，每个移动用户（即对 应每个IMSI）都属于一个专门的寻呼组，在小区中每个寻呼组都分别与一个寻呼子信道相 对应，移动台可根据自身IMSI的最后3位及该位置区寻呼信道的配置情况来计算出它所属 的寻呼组，进而计算出该寻呼组的寻呼子信道位置。在实际情况下，移动台在空闲状态下仅 守侯在属于它的寻呼子信道上来收听系统播发的寻呼消息（在此期间它还可用来监测非服务 小区的

14、BCCH 载波的接收电平），而忽略其它寻呼子信道的内容，甚至在其它寻呼子信道 期间关闭移动台某些硬件设备的电源以节约移动台的功率开销，但必须保证在一定的时间内 完成必要的测量网络消息的任务。我们可以根据CCCH信道的配置类型、BS_AG_BLKS_RES（在51复帧中有几个块用于 AGCH块）、BS_PA_MFRMS（以多少个51复帧作为寻呼子信道的一个循环）来计算出每个小 区寻呼子信道的个数。当一个51复帧中CCCH为3时寻呼子信道数为：3- BS_AG_BLKS_RES）xBS_PA_MFRMS当一个51复帧中CCCH为9时寻呼子信道数为：（9- BS_AG_BLKS_RES）xBS_PA

15、_MFRMS问题研究：1、当参数BS_PA_MFRMS越大，小区的寻呼子信道也就越多，相应的属于每个寻呼子 信道的用户数也就越小，但系统总体容量并未增加，因为它是以牺牲寻呼消息在无线信道上 的平均时延为代价的。当通过话务统计报告发现重发等待的比率较大时，应适当提高 BS_PA_MFRMS来划分更多的寻呼子信道。如重发的比率较低，则可将将该参数降低，以 减少寻呼时延。2、应注意同一位置区的所有小区的寻呼子信道容量应尽量一样，因为同一位置区的任何 一个寻呼消息必须同时在该位置区的所有小区发送。3、当寻呼信道周期越长，在该服务区的手机就越省电，如市区可定义为2 即手机在102 内帧收听一次寻呼消息，

16、郊区可定义为4或 6，当该参数为6 时将比 2时省电18%。在手机 完成对系统消息的测量后，就进入休息状态，仅在指定的寻呼块内受听寻呼消息并同时测量 邻小区的 BCCH 的接收电平，在30秒左右的时间内又将会去收听系统消息，来判断小区重 选的进程。4、在GSM系统中公共控制信道CCCH信道主要包括AGCH和PCH信道，它的主要作 用是用来发送立即指派消息和寻呼消息。CCCH可以由一个物理信道承担，也可以有多个物 理信道共同承担，且CCCH可以与SDCCH信道共用一个物理信道。小区中的公共控制信 道采用哪种组合方式，由参数CCCH_CONF决定。应注意，小区中的CCCH_CONF的设置 必须与小

17、区公共控制信道的实际配置情况一致。建议当小区的TRX数为一个时，CCCH的 配置可采用一个基本物理信道且与SDCCH共用（此时有3个CCCH消息块）。在有时由于一个位置区的寻呼业务量特别大，为了防止仅用一个物理时隙发送寻呼消息不够 用，因而GSM规范允许在携带有BCCH信道的载频上，可以多配置几个CCCH信道，但 只要求在时隙 0、 2、 4、 6 上使用。5、当CCCH_CONF确定以后，参数BS_AG_BLKS_RES实际上就是分配AGCH和PCH在 CCCH上占用的比例。建议在保证AGCH信道上不过载的情况下，应尽可能缩小该参数以 缩短移动台响应寻呼的时间。第二节初始化过程一、信道申请初

18、始化过程就是一个随机接入的过程。当移动台需要同网络建立通信时，就需通过RACH 信道来向网络发送一个报文以申请接入。这个在RACH上发送的报文被称做信道申请（ channel request） ,它的有用信令消息只有8比特，其中有3比特用来提供接入网络原因的最少指示，在网络拥 塞的情况下，系统可根据这这一粗略的指示来分别对待不同接入目的的信道申请（哪些类型 的呼叫可接入网络、哪些类型的呼叫将被拒绝）并为它们选择分配最佳类型的信道，在这一 指示中显然不足以传送移动台想传送的所有信息，如申请信道的具体原因、用户身份及移动 设备的特性，这些消息是在此后的SABM消息中发送的。另外5比特是移动台随机选

19、择的 鉴别符，它并不用来向网络提供信息，而是用来区分两个移动台在同一时隙内发送信息时被 网络所识别，在网络此后向移动台发送的立即指派命令（含有所分配信道的信息中），会再 将该鉴别符发给移动台，移动台通过此鉴别符和本身所发送的鉴别符相比较来判断是否是网 络发送给自己的消息。问题研究：系统对RACH的控制功能1 、值得注意的是网络无法知道移动台何时需要通信，移动台也很可能会同时占用同一个 RACH 时隙来用于申请接入，这时不可避免的要发生碰撞现象。后果有两个，一是网络收到 在此时隙上的一个突发脉冲的电平，要明显的比另一个高，这样网络就会处理电平较高的这 个随机接入请求。另一后果是，网络什么也不能正

20、确的接收到。因而随着业务量的增长，报 文因碰撞而丢失的几率也就越大，这必将是对网络容量的一个重要的制约因素。在此GSM引入了两个机制用来控制这种报文丢失情况，一个是允许重发的最大次数（maxretrans），另一个是重发之间的平均时间（TX-INTEGER）这两个参数是在BCCH的 系统报告上广播的。当在移动台发起申请后如在规定的时间内（定时器T3120）收不到网络 的立即指派命令，则需进行报文的重发，但重发也要遵循一定的原则。因为如果两个移动台 的发送碰撞，并在一段给定的时间后重发，则它们的申请仍会碰撞。因而为了避免这种现象， RACH上的重发必须在一段“随机”间隔后进行，这就需要由参数TX

21、-INTEGER （取值范围： 312,14,16,20,25,32,50。根据小区 的RACH和AGCH负载来设置）来决定在距上次发送之 间的时隙间隔内随机选择发送信息的时隙（即在此规定的时隙间隔内随机选择一时隙进行重 发，该参数越大，可供选择的时隙就越多，那么再次碰撞的几率就越小）。在经过最大重发次数后，若仍得不到系统的立即指派命令，移动台则返回到空闲状态下。2.在系统发生轻微拥塞的情况，我们就可以利用三种不同的方法来控制三种不同的RACH 的业务量负载。第一种办法是通过减少RACH的重发次数和尽量使重发间隔较远，这种控制模式只能处 理短暂的业务高峰或超载的边缘。在存在系统干扰的地方进行R

22、ACH重发很重要，即使在 干扰不明显的地方，因为MS发出的RACH请求也有可能由于无线信号的多径效应而丢失， 建议在业务量很大的微蜂窝和出现明显拥塞的小区，重发次数设为1，业务量一般的小区可 设为2或4，若重发次数设的过大，在一定程度上将浪费系统的资源。二是当目前网络无可指派的信道时，就可以通过发送给移动台一条立即指派拒绝（im mediate assignment reject）的报文来拒绝移动台的信道申请，从而在系统规定的时间内（T3122） 禁止移动台接入网络，通过这种机制可防止在系统无资源的情况下用户频繁的发送信道请求 的消息来无谓的增大网络RACH和PAGCH信道的负荷（一般T312

23、2设为10s，SDCCH信 道的业务量很大时可设为30s），当信道的业务量较轻松时该定时器应尽量的小一些，否则 这会大大增加系统的业务时间，这将在用户侧会感觉网络质量的下降。一种比较常见的情况 是,当用户发起呼叫后但有时却会很快的返回到空闲模式下，当用户重新拨叫时会在一段时 间内拨打不出去，这就是系统启用了立即指派拒绝限时所产牛的影响。第三种办法是利用限制用户接入类别来控制网络的拥塞，这是最有效但也是一种损害用户权 益的办法，因而不建议使用。在GSM的机制中，它将其所有的用户分为15个类别（该类 别的定义被网络运营商直接写在了 SIM卡中），分别为COC9与C11C15，其中前10个 级别被随

24、机的平均的分配给普通用户，C10用于紧急呼叫允许。当必须要用此办法来降低业 务量时，可随意由BSC来决定任意一种被禁止的用户类别如类别1或2等，通过这种措施 可使业务量统计的降低10%、20%等，除了特殊情况如需紧急呼叫等属于禁止类别的移动 台不能接入网络，但为公正起见如系统过载持续的时间较长，BSC必须定期改变允许接入 的类别集（这种处理必须要很小心，因为所有等待位置更新的移动台都要将在它们的类别被 允许时试图接入，系统必须要有处理这个业务高峰期的能力）。但为了避免在拥塞情况下阻 塞特殊类别的用户，因而为非常重要的GSM用户定义了后5个级别，限制类别的消息可通 过BCCH的系统消息来向小区内

25、的用户来广播，该参数为notallowedaccessclasses （在任何 情况下都不允许接入的用户级别）及accessclasscongestion（发生拥塞时允许接入的用户级别）。二、初始信道的分配当BTS对移动台的信道申请正确的解码后，它将通过一条信道需求（channel required）的报 文来发送给BSC，该报文包含重要的附加信息和由BTS对传输延时（TA）的估计（这一 指示对启动定时提前控制很重要）。当BSC收到此消息时，将为该次请求选择一条相应的 空闲信道，并通过向BTS发送一条信道激活（channel active）的报文来将相应的地面资源（传 输电路等）激活，BTS侧

26、在准备好后将返回一条信道激活响应（channel active ack）的报文 来答复BSC，如BSC收到BTS的激活响应后，将会在AGCH信道上发送一条立即指派 （immediate assignment command）的报文，在该指示中包含有对已分配信道的描述、初始的 时间提前量TA及初始的允许发射最大功率及移动台在随机接入时信道请求消息的消息字 段、及BTS收到信道请求时的TDMA帧号和跳频表等消息。如BSC发现无可激活的信道 时，就会发送以上提到的一条立即分配拒绝消息来答复移动台，拒绝的原因有如MSC话 务关闭、无线资源缺乏、TA值超出界限、信道激活无应答、BSC话务超载等。为了提高

27、 AGCH信道的效率，在GSM中引入了立即指派扩展（immediate assignment extended）的报 文格式，在这种报文 中有两个分配命令来对应两个移动台的信道请求，而在立即指派拒绝 扩展的报文中，最多可携带有对四个移动用户的拒绝消息。当收到立即指派拒绝消息后，对应其最后三次信道请求之一（包括重发消息），移动台将停 止T3120的计时，并启动T3122 （在它所指定的时间内，MS不许接入网络），并返回空闲 模式守侯在寻呼信道上，直到T3122逾时，移动台方可进行新的连接尝试。反之当移动台 收到立即指派消息后，MS将收到的分配指令与自身发出的信道请求的所存储的消息字段及 相比较看

28、是否是分配给自己的，对应其最后三次信道请求之一（包括重发消息），移动台将 停止T3120的计时，并切换到所分配的信道上，然后它使用包含信息字段的SABM （设置 异步平衡模式），来建立主信令链路。问题研究：值得注意的是，立即指派命令可能出现在51复帧的任何CCCH消息块内，这就 需要MS在发送信道请求后监视全体CCCH块，即对整个寻呼子信道的消息都要进行解码， 来保证及时获得网络的应答（在处于空闲模式下时MS仅收听属于它的寻呼子信道的消息， 即处于不连续收听状态）。还应注意的一种情况是，当系统对移动台的信道申请反应较慢时，以至于不可避免的导致移 动台的重发，由于系统无法知道一条信道申请的报文是

29、否是上一次的重发，所以可能再次甚 至多次的发送给该移动台立即指派命令的报文来给移动台指派信道。移动台将使用它所解码 的第一条立即指派的报文中所指派的信道，其它的将被当作无效，但规范规定移动台必须接 收对最后三条信道申请的报文的网络应答。这种情况被称为是重复分配，当网络的重复分配 次数较多时且产生了 CCCH信道的拥塞，可通过减少移动台的重发次数，或降低T3101的 时间等办法来解决，该措施可以防止浪费系统资源。三、初始化报文当MS收到立即指派命令后，就将它的收发配置调整到指定信道上来，按照BSC指定的TA 值和初始化最大发射功率（为BCCH系统广播消息中的参数msTxPwrMaxCCH所定义的

30、） 开始传输信令。MS在所分配上的新的SDCCH/TCH信道上所做的第一件事情是发送一个 SABM帧建立异步平衡模式（服务接入点类别SAPI=O），用于建立证实模式下的信令消息 连路层连接。在GSM规范中SABM带有一条信令报文即“初始化报文”，该消息中包含着第 三层业务请求消息。在标准HDLC协议中，SABM帧除了携带链路层所必须的消息外并不 含有其它消息，GSM与标准不一样的原因是因为这是为了对MS接收正确性的确认，当两 个MS同时发送报文内容完全一样的信道请求时（这种概率在高负载时是存在的）此时BSS 只会应答其中之一，而此时两个MS却都可响应到同一专用信道上，BTS在收到SABM帧 后

31、就会不经过任何修改向MS发一个内容与初始化报文完全一样的UA帧（无序号证实）， 如MS收到的UA帧的信息与SABM帧发出的不一样，它就放弃这个信道，开始重新接入 过程，只有核对一致的 MS 留在这个信道上。根据产生信道申请的原因不同，有四种不同的信令报文可用做初始化报文分别是CM的业 务请求（呼叫建立、短信息、附加业务管理等）、位置更新请求（正常位置更新、周期性位 置更新、IMSI附着）、IMSI分离及寻呼响应。但所有这些报文都包括移动台的身份、更详 细的说明接入的原因及移动台类标classmark（用来指示移动台的一些关键特性如传输功率等 级、加密算法、短信息能力及频率容量）。一旦BTS收到

32、了一条初始化报文它会同时向BSC发出一条建立指示（establish indication） 的报文。BSC收到建立指示消息后，就会向MSC发出三层 业务请求消息（complete layer3 info.）的报文，用来申请与MSC建立SCCP层连接，该消息中带有申请CM业务的原因如移 动主叫、紧急呼叫、位置更新及短消息业务等；并带有密钥序列号；带有该MS的一些物理 消息如发射功率等级、支持加密算法否、伪同步的能力及短消息的能力等，并有该MS的识 别号。在MSC收到此消息后，即向BSC发出connection confirmed消息，若无资源则发出 SCCP refused消息，至此接入过程结

33、束，MS与MSC之间的信令链路已经建立，MSC已经 能够控制RR管理的传输特性，BSS处于监视传输质量和随时准备切换的运行状态。在下面 的信令流程中网络就可以根据需要来判断是否触发鉴权加密过程了。问题研究：在立即指派的过程中，BSC还要触发一个T3101的定时器，该定时器在BSC向 BTS发送信道激活(channel active)的报文启动，在收到BTS发出的建立指示(establish indication )时，将该定时器复位。该定时器逾时一般是由于重复分配(double allocation )或 上下行链路存在干扰的原因，通过经验值，系统平均有30%左右的信令资源会被MS所发 送的第二次RACH信息所占用，因而该定时器越长，系统无效占用的时间也就越长。为了 优化信令资源的使用，当通过OMC-R原始报告发现重复分配较多时，应适当减小该定时 器, BSC发送信道激活和收到建立指示的最小时间间隔是600ms,最长的情况为1.8s建议 在信令资源较紧张且重复分配现象较严重的地区将T3101设为3s,