协同通信拨号器|走进通信：4G手机如何与基站“通信”

科技进步的直接表现就是越来越多的事情开始被简化和扁平化，可以一步完成的事情，决不能两步完成。拿我们日常生活中最常用的手机，拨打电话、上网等，只需要动动脚趾；而隐藏在右手“下方”的协同通信拨号器，则是通信技术进步的直接体现。明天，笔者就和大家简单聊一聊LTE时代手机和基站是如何“通信”的。（本文以TDD-LTE网络为例）。

LTE网络架构

在此之前，我们先来看看LTE的网络架构。LTE网络架构的特点是全IP化和扁平化。整个TD-LTE系统由核心网（EPC，Core）、接入网（）、用户设备（UE）三部分组成。

和这张照片相比，你已经看过很多次了。LTE网络结构简单明了，虽然通常用户一眼就能知道一两件事。与UMTS相比，由于NodeB和RNC都集成在网元中，TD-LTE缺少Iub套接字。X2 插座类似于 Iur 插座，S1 插座类似于 Iu 插座。我们可以将这种类型的套接字理解为两个“模块”之间进行信息交换的通道。

一般来说，我们把EPC以外的部分称为E-UTRAN（ UMTS Radio ），也就是LTE中的联通通信无线网络，这部分也可以称为无线侧。手机与基站的业务交换就在这里进行协同通信拨号器，通过EPC的协同处理，一次次完成手机业务。

这里我们需要了解几个技术术语：

EPC和EPC之间的业务责任是不同的。具体如右图所示，这里就不过多介绍了。

了解了LTE网络架构和各种系统组成部分之后，我们再来谈谈手机是如何与基站“通信”的。

笔者这里讲两个方面，一是手机开机时的入网过程，二是处于空闲和业务状态的手机与NodeB和EPC的“通信”过程，即是，重选和切换。这两个业务流程都比较简单易懂。其他业务联系本文不做介绍。有兴趣的可以阅读相关资料，如《LTE基本原理》、《LTE鉴权解读》等。

启动到网络

上图是LTE终端开机入网的整体流程。其实上图有点复杂，笔者在这里勾勒一下。

当我们的手机再次开机时，SIM卡指示灯会显示一段时间，这意味着整个LTE终端在短短几秒内就通电并连接到网络。对用户来说，就是一个简单的手机信号指示灯从“X”变成正常显示，而这个简单的背后，是一个复杂的过程。

LTE终端开机后，其首要任务就是寻找网络并与网络取得联系，获取网络服务。因为有数千个基站，所以需要一些“技巧”才能从当前设备中找到最合适的信号。

首先，终端将选择PLMN。这个过程其实就是先确定新村（新村的概念在上篇文章中提到过，基站的一个轨迹称为新村，LTE的新村包含新村ID，PCI，中心频段、显存、TAC等诸多信息），通过对MCC、NCC、TAC等关键信息的判断，首先锁定新村需要停留的大致方位及相关信息。

接下来是需要进行新的村庄搜索。新村搜索的主要目的是：

这一步是终端在获取到周围基站信号的大致位置后，需要通过一系列的操作，确定一个信号最好的新村作为新村落。如果逗留成功，说明您的手机可以正常上网。

终端除了搜索新村外，为了支持连接性（保证运动时也能享受网络服务），终端会不断搜索邻近新村，获取同步，担心信号接收质量（RSRP）新村，所以决定是否进行新村重选（当终端处于状态时）。

这里需要注意的是，终端在开启时并不知道新村系统的带宽，它只知道自己支持的频段和带宽。因此，终端会在可能存在LTE新村的几个中心频点上接收信号（PSS，主同步信号），并通过接收信号的硬度来判断该频点周围是否可能有新村。如果终端在死机时保存了之前的频点和运营商信息，这样终端上电后会先在之前住过的新村进行尝试。如果找到匹配信息，则直接执行新村居；如果没有找到匹配信息，则终端需要在为LTE系统定义的频段内。

这个不断尝试的过程，就是我们所说的新村搜索。这个过程是为了让手机快速找到可以入住的新村庄，并及时连接网络。

至此，LTE终端终于正常开机，可以上网了。那么当我们使用手机时，手机与基站的“交互”是怎样的呢？

重选和切换

仅仅因为您的手机在您开车或开车时躺在那里，并不意味着您的手机无法正常工作。其实只要你的手机开机，即使你不打开数据开关，它也不是闲着，而是还在努力工作。

重选与切换，作者在上一篇文章中简单提到，当你的手机处于空闲状态（ ）时，新村信息的变化，我们称之为重选；当你的手机处于连接状态（ ）时，新村信息发生的变化，我们称之为开关。

我们先来看看连任。

LTE新村重选（小区）是指终端通过检测相邻小区和当前处于空闲模式的新村的信号质量，选择一个最佳的新村提供服务信号的过程。都会涉及到S标准的连任裁决，我们就不提了。

我们可以理解，重选就是只要有符合要求的新村，你的手机就会被手动重选到信号较好的新村。这个过程不需要核心网络的参与。如果我们的手机在线，与基站的“互动”是什么？

在此之前，有必要简单介绍一下切换的基本概念——切换的过程分为三个阶段：切换检测检测、切换判决和切换执行。如果是同一个基站内的切换，即信号截断和接入在同一个基站下的不同新村，那么切换过程非常简单，整个过程不需要基站的参与。核心网，源新村和目标新村的资源信息都在中间进行，没有数据转发，没有终端随机接入。总体流程大致如下：

站内切换是最简单的 LTE 切换类型。不仅站点内切换，站点间切换也很常见。如果遇到不同制式的网络终端，就会进行系统间切换。

当UE从一个新村切换到另一个新村时，两者之间会通过X2接口发生一系列的鉴权交互。详情如下

虽然在实际切换过程中涉及到的认证和节点相当多，但为了便于理解，我们可以将终端、基站侧和核心网视为三个部门。申请报销时，需要向领导汇报。您的领导将与您沟通以获得初步批准，然后您的领导将与他的领导确认。最后，财政部门将批准和分配资金。

总结：

运营商网络本身是一个比较复杂的东西，但是网络也是一个很有意思的东西。如果你对LTE或者5G感兴趣，我们可以在上一篇文章中聊聊其他的知识点，比如你知道的投诉的真实流程是怎样的？投诉处理率是否与客户的星级直接相关，或者为什么运营商和设备制造商喜欢将网络速度表示为Mbps而不是MB/S？

参考：

《LTE基本原理》

《TD-LTE鉴权流程解读》

《LTE网络规划与优化基础知识问答总结》