1.2 终端的待机状态
1.2.1 待机状态的使命
前面讲解了LTE终端的各种工作模式，接下来我们就回到本章的主题，介绍待机状态的一些特点。
我们先来了解一下待机状态的使命。就像前一节讲的，待机状态下终端还有很多任务，简要来说，可以归纳为：
● 必须跟对小区，团结在合适的基站周围；
● 时刻准备建立业务连接。
这样终端后面的 Boss——基站就浮出水面了。终端通过基站才能接入移动通信网络，才能建立业务连接。因此，在终端看来，基站相当于移动通信网络的联络人。
基站是移动通信网络的重要组成部分，也是数量最多的网络设备，一个城市的移动通信网络中可以有成千上万个基站。之所以要部署这么多基站，是因为移动通信网络利用基站来实现业务的覆盖，而一个基站的覆盖范围是有限的。
图1.4展示了基站与终端的关系，这里选取了移动通信网络中的一个基站作为代表。
通常，基站采用三扇区来覆盖一片区域，理论上每个扇区可以看成一个六边形，类似一个蜂窝，如图1.4所示。每个扇区对应一个小区（Cell），而终端就处于基站的某个小区内。
图1.4 基站与终端的关系
由于终端可以移动，这样终端所处的小区就会发生改变。这时，如果终端不改变所属的小区，就会有大麻烦：无法进入联机状态。
因此，在待机状态，终端最重要的工作就是找准自己所处的小区，进而找到自己应该归属的基站。这样一旦有业务连接的需求，终端就能尽快建立业务连接。
不过，图1.4中展示的六边形，只是理论上的描述，在实际网络中并不存在，那么终端该怎么实现跟对小区这个使命呢？
终端可以通过下面两个手段来做到：
● 闻——测量周边环境；
● 听——小区广播和寻呼。
请大家注意，我们通常用眼睛来观察周边的环境，而且眼睛能定位目标；但是终端不一样，只能感知到小区信号的强弱，不能定位，换句话说，终端的感知方式更像我们的鼻子，而不是我们的眼睛。
除了感知信号的强弱，如果信号足够强，终端还能监听到小区讲什么，这就是小区的系统信息广播。此外，网络对终端的呼叫，也就是寻呼，终端也可以听到。
通过这两种手段，终端就可以实现跟对小区了，当然这里还牵涉很多细节问题，后面会一一道来。
1.2.2 待机状态的考量
接下来我们介绍待机状态的考量，这是设计待机状态的一个出发点。
待机状态的考量也是两条，如下所述。
● 省电：也就是尽量延长终端的待机时间；
● 响应快：也就是网络寻呼后终端能尽快连接。
第一个要求很容易理解，大家都喜欢用续航时间长的手机，如果能三天一充电最好，最次也希望一天一充电。加大手机的电池容量是一种方法，但是减少手机在待机状态下的耗电量，显然是一种更好的方法。
第二个要求也容易理解，如果你拨打对方的手机号码，半天也没有振铃，你的体验肯定很差，心里很不满意。
怎么实现这两大考量呢？
解决第一个要求的好办法前面已经介绍过了，就是把待机状态再细分为休眠和唤醒两种状态，两种状态周期性地出现，这种机制称为DRX（Discontinuous Receive，不连续接收）。
DRX 机制就是终端平时休眠，短时唤醒，唤醒时才会执行待机状态的相关工作。计时以无线帧为单位，终端唤醒的时刻是固定的，与无线帧的系统帧编号（SFN）相关。我们可以把两个相邻唤醒时刻的时间差定义为一个休眠周期，称为DRX周期。
LTE的技术规范TS36.331定义了4种DRX周期长度，分别是32、64、128或256个无线帧，对应320 ms、640 ms、1.28 s或2.56 s。
基站为每个小区设置了默认DRX周期，具体取值由SIB2广播，参见表A.3。LTE系统还允许终端设置专用DRX周期。终端最终使用其中最短的一个周期作为DRX周期。
图1.5展示了3个终端的DRX周期设置情况，可以看到，UE1与UE2都采用了640 ms的DRX周期，而UE3则采用了1.28 s的DRX周期。
很显然，DRX 周期越长，终端的功耗越低，终端越省电，续航时间越长。不过， DRX 周期也与终端的响应时间成正比。这样看来，在待机状态没有两全其美的事情，如此冲突的两个需求，就需要LTE网络与终端仔细去权衡了。
图1.5 3个终端的DRX周期设置情况
另外，除了DRX周期可以设置，终端的唤醒时刻也是有讲究的，唤醒时刻所在的无线帧的SFN与终端的标识IMSI相关，这样就可以打散终端的唤醒时刻，减轻基站的负荷。
最后，请大家思考一下：
如果终端的DRX周期可以灵活变化，有什么好处？又会带来什么麻烦？
答：
1.2.3 待机状态的任务
1.待机状态的任务
根据待机状态的使命以及设计考量，我们要求终端在待机状态时完成一些具体任务。在LTE的技术规范TS36.304中介绍了LTE终端在待机状态的具体任务，不过由于内容过于复杂，这里进行了简化，用图1.6将LTE终端待机状态的任务展示给大家。
从图1.6中不难看出，LTE终端面临以下三大任务：
● PLMN选择；
● 小区选择与重选；
● 位置登记。
PLMN 选择主要实施于开机过程，也就是 LTE 终端从关机状态变成待机状态的过程中。其他情况下，只有LTE终端从覆盖盲区回到覆盖区域，以及用户手动选择才会涉及PLMN选择。
图1.6 LTE终端待机状态的任务
当然，在待机状态下，LTE终端最关键的任务是小区选择与重选，这也是本章的重点内容。
而本章的最后，将介绍LTE终端位置登记的具体处理过程。
2.PLMN概述
介绍了终端的任务之后，这里再介绍一下图1.6中出现的PLMN这个专用术语。
PLMN（Public Land Mobile Network，公共陆地移动网），是移动通信网络的代名词。具体到我们国家，每个移动通信运营商的网络算一个PLMN，因此，中国移动、中国联通和中国电信的网络是不同的PLMN。
随着技术的演进，为了方便管理，同一运营商不同制式的网络，也可以设置不同的PLMN，比如中国移动的GSM和TD-SCDMA网络，曾经设置成不同的PLMN。不过随着技术的发展，2G、3G、4G的核心网融合在一起，现在又逐渐统一到一个PLMN上了。
对运营商而言，每个用户都属于其中一个PLMN，也就是归属PLMN，用户的信息保存在归属PLMN的数据库中，用户可以在归属PLMN中得到相应的服务。另外，归属PLMN的信息还会保存在用户的USIM卡上。
作为用户，除了归属PLMN，还会遇到等价PLMN，这主要是指同一运营商不同制式的PLMN。通常，用户可以在等价PLMN上得到与归属PLMN同等的服务。
此外，用户还会遇到漫游PLMN，也就是其他国家与地区运营商的PLMN。利用运营商之间的约定，用户可以在漫游PLMN中得到相应的服务。
最后是其他PLMN，这些PLMN会拒绝为用户提供相应的服务，除非是紧急呼叫。例如，中国联通的GSM用户就无法在中国移动的GSM网络中得到服务。
前面说的是从核心网的角度看PLMN，如果从无线网络的角度看，PLMN是这样体现的：
PLMN通过基站来实现业务的覆盖，旗下的基站可以将网络内的用户接入系统，建立相应的业务连接。因此承担待机使命中的合适基站，指的是用户可用PLMN下的基站。
工作频段是基站的重要参数，也就是基站收发信号的频率范围，由无线制式来决定。一个PLMN下的基站往往可以设置多个工作频段，因此PLMN与工作频段间是一对多的关系。换言之，终端可以在多个工作频段上遇到同一个PLMN的信号。
在国内，由于中国移动、中国联通或中国电信的移动通信网络，对应不同的PLMN，这样，在同一个地方，往往会由多个PLMN的基站实现业务覆盖。
如果 PLMN 的无线制式不同，那么这些基站的工作频段也是不同的，彼此可以避免干扰。
但是，不同的PLMN可能会采用同样的无线制式，比如都是TD-LTE制式，工作频段都采用B41频段，这时就需要利用不同的工作频点来区分不同的PLMN，就像《LTE教程：结构与实施》（第2版）中第5章介绍的那样。
3.PLMN标识
除了工作频段及工作频点等外在特性，为了让用户搞清楚所处的 PLMN，每个PLMN都应该有明确的标识（编号），并作为系统信息由基站来广播，让基站下的终端都能够接收到。
图1.7展示了PLMN标识，从结构上看，PLMN标识分为两部分，一部分称为MCC（移动设备国家代码，简称国家代码），另一部分称为MNC（移动网络代码）。
图1.7 PLMN标识
中国的国家代码是“460”，国内移动运营商的常用MNC如表1.1所示。
表1.1 国内移动运营商的常用MNC
1.2.4 待机状态的运作过程
讲完了LTE终端在待机状态下的任务，接着我们来看LTE终端在待机状态的运作过程，如图1.8所示。
图1.8 LTE终端在待机状态的运作过程
从图1.8可以看到，终端开机后会进行PLMN选择，PLMN选择的过程与小区选择的过程紧密耦合。
小区选择完成后，终端就驻留到目标小区中，这个小区在规范中称为服务小区。
另外，终端驻留后，需要执行小区重选的流程，以便驻留在最优小区。服务小区变化后，如果有需要，终端还会进行位置登记，这样网络就可以知道终端的位置。
终端驻留后，可以从待机状态进入联机状态，比如进行位置登记或者提供服务；而终端从联机状态返回待机状态后，将执行小区选择这个流程。
值得注意的是，小区选择与小区重选的过程都是终端自主进行的，基站并不会与终端交互，这样可以降低基站信令负荷。不过，基站还是可以控制终端的小区选择与小区重选的。待机状态下终端与基站的互动方式如图1.9所示。
图1.9 待机状态下终端与基站的互动方式
在图1.9中，有两个重要的术语，一个是服务小区，也就是终端当前驻留的小区；另外一个是邻区，也就是终端能感知到的其他小区。通常这些小区与服务小区相邻，所以称为邻区。
从图1.9可以看到，每个小区都会广播系统信息，这些信息包含很多LTE系统参数，可以用来控制终端在小区选择与小区重选时的行为。至于怎么控制，后面会详细介绍。
另外，小区还会广播寻呼消息，通知终端需要建立业务连接。收到寻呼后，终端就会进入联机状态。
当然，这里面还有一个非常重要的前提，就是各个小区广播的信息不能互相干扰，不然终端就无所适从了。避免干扰的技术称为多区技术，大家可以参考《LTE教程：原理与实现》（第2版）第2章的相关内容，这里就不展开了。
1.2.5 待机状态：驻留
在1.2.4节中，我们发现驻留状态是待机状态终端运作的核心，本节就来简单聊一聊驻留。
驻留，英文是 Camp，也就是安营扎寨。换句话，终端找到了一个落脚点。当然，这个落脚点并不是永久的，终端可以通过小区重选，不断改变驻留的小区。
终端可以驻留在什么样的小区呢？一个是小区所属的 PLMN 可用，另外一个是小区的无线信号足够强。
那么，如何衡量终端是否驻留呢？很简单，看终端是否与小区实现信息同步。所谓的信息同步，指的是终端接收到了小区广播的系统信息，包括接入参数、邻区信息等一系列的系统信息。
不过大家不要认为与小区同步很简单，其实小区同步实现起来还是很复杂的，后面将详细介绍小区同步的处理机制，大家就会知道小区同步过程的复杂程度了。
另外，驻留也是单向的，驻留可以看成一种暗恋。网络根本不知道终端驻留了没有，通常也不知道终端驻留在哪里。
虽然网络不会直接控制终端的驻留行为，不过网络对终端还是有要求的，希望驻留后的终端能够满足以下的要求。
（1）核心网
需要终端始终监听网络的寻呼，从而实现一呼即应，就像孩子时刻听从父母的召唤一样。
（2）无线网
需要终端始终驻留在无线信号最强的小区中，这样可以保证终端在建立业务连接后，业务效果是最好的。这就要求终端不间断地感知周边的环境。
1.2.6 待机状态：PLMN选择
讲完驻留后，从本节开始，我们逐一介绍待机状态运作过程中涉及的PLMN选择、小区选择和小区重选的过程，至于位置更新的过程，将在1.6节中介绍。
首先来看PLMN选择，为什么终端要进行PLMN选择呢？
前面说过，在同一个地方，往往会有多个 PLMN 的基站覆盖。作为用户，只能在归属PLMN、等价PLMN和漫游PLMN上得到服务，因此必须在多个PLMN的基站中找到最合适的PLMN的基站，这就需要进行PLMN选择。
PLMN选择基于PLMN在无线侧的三大特性：工作频段、频点和PLMN标识来展开。
工作频段与终端的制式有关，现在的LTE终端普遍都是多模终端，还可以支持3G或者2G的制式。终端根据硬件配置，可以确定进行PLMN选择的具体频段。
终端还可以设置优先选择的制式，比如4G优先，也就是优先在4G工作频段上进行PLMN选择；也可以只选择某些制式，比如只在4G工作频段上进行PLMN选择。
PLMN 选择的过程分为以下两步。
● PLMN 搜索：这一步与频点和PLMN标识相关；
● PLMN 注册。
PLMN 搜索是终端扫描所在区域的PLMN信息，产生一个可用PLMN列表，列表中包括工作频点和PLMN标识，PLMN标识也就是 MCC和 MNC。
PLMN注册是终端根据PLMN列表的信息注册到PLMN中，PLMN注册又称为附着，终端需要与网络交互。
接下来我们就来了解PLMN 搜索和PLMN注册的具体过程。
1.PLMN搜索
PLMN搜索可以人工触发，也可以自动进行，终端开机以及从覆盖盲区回到覆盖区域都会自动进行PLMN搜索。
终端在进行 PLMN 搜索时，将进行初始小区选择（全频段扫描）的过程，以获得PLMN 标识和工作频点。初始小区选择是小区选择的一种方式，1.2.7节将详细介绍。
在初始小区选择（全频段扫描）的过程中，终端扫描工作频段上的各个频点，得到PLMN标识，加入到一个可用PLMN列表中。可用 PLMN列表中包括 USIM卡上存储的PLMN信息，还包含 PLMN搜索过程中得到的 PLMN。可用PLMN列表中的PLMN按优先级进行排序。
由于PLMN搜索是终端全制式以及全频段的搜索，相当耗时，通常在30秒以上。
为了加快PLMN选择的速度，终端开机后会利用存储在 USIM卡和终端上的信息，主要是上一次注册成功的 PLMN的相关信息，包括PLMN的标识、制式、频率等信息，跳过PLMN搜索步骤，直接确定 PLMN信息，然后实施PLMN注册。
当然，如果终端无法得到上一次注册的 PLMN 的相关信息，或者无法注册到上一次注册的PLMN中，终端就必须进行PLMN搜索。
2.PLMN注册
得到可用 PLMN 列表后，终端根据可用 PLMN 列表，进行人工或自动的 PLMN选择。
所谓人工 PLMN选择，就是终端列出可用的 PLMN，由用户从中选择一个 PLMN进行PLMN注册。
所谓自动 PLMN选择，就是终端从列表中最优先的 PLMN开始，逐个尝试 PLMN注册，不需要用户的干预。
无论终端是通过上一次注册信息、人工 PLMN选择还是自动 PLMN选择，只要终端选定了一个PLMN，接下来终端就会执行PLMN注册进程。
PLMN 注册从常规小区选择过程开始，到终端驻留到一个合适的小区结束。常规小区选择是小区选择的另外一种方式，1.2.7节将详细介绍。
终端在选定 PLMN 对应的频点上完成常规小区选择过程，找到目标小区后，终端进行附着，注册到PLMN中。注册成功后，终端进入驻留状态。
一旦终端注册不成功，如果是根据上一次注册信息进行的注册，终端将进行 PLMN搜索；如果是自动 PLMN选择，终端将选择下一个 PLMN，再进行新 PLMN的注册；如果是人工 PLMN选择或者是已经到达可用PLMN列表的结尾，终端将进入受限服务，这时终端只能进行紧急呼叫。
最后，如果终端处于覆盖盲区，也就是终端的PLMN列表中所有PLMN都无法选择小区，终端将显示无覆盖。
1.2.7 待机状态：小区选择
接下来，我们就来介绍待机状态的重要过程：小区选择。在1.2.6节中我们讲到，小区选择分为初始小区选择（全频段扫描）和常规小区选择两种方式，如图1.10所示。
图1.10 小区选择的两种方式
两种小区选择方式有明显的差别：
在进行初始小区选择（全频段扫描）时，终端并不确定工作频点；而在进行常规小区选择时，终端已经确定了工作频点。工作频点的信息，可能来自终端和USIM卡中存储的信息，也可能来自全频段扫描得到的可用PLMN列表。
此外，初始小区选择（全频段扫描）用于终端开机后以及从覆盖盲区回到覆盖区域的PLMN搜索过程中；而常规小区选择用于终端开机后的PLMN注册过程或者从联机状态返回待机状态。
在这两种小区选择方式中，常规小区选择是我们关注的重点。
1.常规小区选择
图1.11展示了常规小区选择的相关过程，常规小区选择执行完毕后，终端就进入驻留状态，因此是个一次性的过程。
图1.11 常规小区选择的相关过程
常规小区选择的步骤如图1.12所示，图中展示了具体处理方法，分为4个步骤。为了方便大家记忆，我们用“见贤思齐”这个成语来概括常规小区选择的步骤，当然这里的“见”要理解为“现”。
图1.12 常规小区选择的步骤
所谓“见”，就是终端对环境感知，针对的是确定的频点；而“贤”，就是终端在频点上感知到了可驻留的强小区；至于“思”，就是判决，也就是终端根据小区选择需要遵循的判据来做判断和决策；最后的“齐”，代表小区同步的过程。
通过“见贤思齐”，终端可以实现小区选择，驻留到合适的小区。
2.初始小区选择（全频段扫描）
与常规小区选择相比，初始小区选择（全频段扫描）的步骤有明显的差别：
● 终端在进行初始小区选择（全频段扫描）时需要了解所有频段的环境，因此会在每个频段上扫描频点；
● 在每个频点上终端只关注最强的小区信号，并与之同步；
● 终端同步后只需要获得PLMN标识，而且不需要驻留到目标小区中。
简言之，初始小区选择（全频段扫描）是个循环过程，直到扫描完整个频段。
1.2.8 待机状态：小区重选
介绍了待机状态的小区选择，接下来我们来了解更常见的过程：小区重选。终端在待机状态做的事情，十有八九，就是小区重选。
小区重选的相关过程可以参考图1.13。
图1.13 小区重选的相关过程
从图1.13可以看到，在驻留的状态下，终端不断进行小区重选，从而可以驻留在无线信号最强的小区。在驻留时，终端随时会进入联机状态。终端只有关机或者进入无覆盖区域，才会停止小区重选。
与常规小区选择类似，小区重选具体的处理方法也分为4个步骤，可以用“见异思迁”这个成语来概括，当然这里的“见”同样要理解为“现”。小区重选的步骤如图1.14所示。
图1.14 小区重选的步骤
其中“见”，还是终端对环境的感知；而“异”，就是终端感知到了邻区，当然这个邻区要足够强；至于“思”，还是判决，也就是终端根据小区重选需要遵循的判据来进行判断和决策；最后的“迁”，同样代表小区同步的过程。
通过“见异思迁”，终端可以实现始终驻留在合适的小区中。
大家不难发现，无论是小区选择还是小区重选，都离不开“见”与“思”，也就是感知周围的环境和作出相关的决策下一节我们就来讲解“见”与“思”，也就是测量与判决。