LTE小区搜索过程及SCH/BCH设计

终端开机过程
在小区搜索之前，需要完成PLMN的选定，再去搜索小区相关信息。

PLMN: 公共陆地移动网络，是一个标识，由MCC和MNC组成。比如中国电信46011，460是MCC，11是MNC；。两个标识都是2~3位。

那终端是如何搜索PLMN的呢？如果单纯穷举法的话，学算法的同学就不会陌生，那是相当耗时的。所以对PLMN的优先级，有如下定义：

⑴RPLMN(Registered PLMN 已登记PLMN）：已登记PLMN。是终端在上次关机或脱网前登记上的PLMN。在3GPP 2003年第TSG TP-21次会议上决定，将该参数从USIM卡上删掉，而将其保存在终端的内存中。

⑵EPLMN(Equivalent PLMN 等效PLMN）：为与终端当前所选择的PLMN处于同等地位的PLMN，其优先级相同。
⑶EHPLMN(EquivalentHome PLMN 等效本地PLMN）：为与终端当前所选择的PLMN处于同等地位的本地PLMN。其实：EHPLMN和EPLMN就好比是中移动的新建的158网络，而PLMN就好比是原来的135～139网络。
⑷HPLMN(Home PLMN 归属PLMN）：为终端用户归属的PLMN。也就是说，终端USIM卡上的IMSI号中包含的MCC和MNC与HPLMN上的MCC和MNC是一致的，对于某一用户来说，其归属的PLMN只有一个。
⑸VPLMN(Visited PLMN 访问PLMN）：为终端用户访问的PLMN。其PLMN和存在SIM卡中的IMSI的MCC，MNC是不完全相同的。当移动终端丢失覆盖后，一个VPLMN将被选择。
⑹UPLMN(User Controlled PLMN 用户控制PLMN）：是储存在USIM卡上的一个与PLMN选择有关的参数。
⑺OPLMN(Operator Controlled PLMN 运营商控制PLMN）：是储存在USIM 卡上的一个与PLMN选择有关的参数。
⑻FPLMN(Forbidden PLMN禁用PLMN）：为被禁止访问的PLMN，通常终端在尝试接入某个PLMN被拒绝以后，会将其加到本列表中。
⑼APLMN(Approve PLMN 可捕获PLMN）：为终端能在其上找到至少一个小区，并能读出其PLMN标识信息的PLMN。

终端开始搜索的时候，也是按照以上顺序去选定PLMN的。所以对于一个新的终端，刚开机后搜索的时候势必会长些。因为要全频段搜索。而一旦驻留到某个PLMN后，下次再次搜索进入的时候，因为有了先验信息，就会迅速许多。

另一方面，PLMN的搜索，还分为自动搜索和手动搜索，每个智能手机上都能看到这样的选择。自动搜索基本是按照上面的搜索，手动搜索是全频段搜索，这个时候会把所有搜到的PLMN都列出来，包括禁用的，然后用户按照自己的选择，手工选择去驻留。

而上述过程，基本上是在读取SIB1后，就能得到PLMN。而后便是小区选择过程，这是终端行为，从SIB1中得到的参数，根据算法，做进一步的计算，就最终选择一个小区，并且驻留。

2.小区搜索过程

选定可用频段后，接下来就是进行小区搜索。小区搜索的目的是进行时间同步，在LTE中称为帧时钟同步；还有就是识别出小区ID。小区搜索通过若干下行信道实现，包括同步信道(SCH)、广播信道(BCH)和参考信号。

通过SCH识别小区ID和下行同步，然后解调BCH信号，从BCH信道中解调系统带宽，系统帧号，PHICH配置信息。

3、SCH相关内容

SCH信号结构
在LTE早期研究中考虑了两种方案，一种是分级SCH，即通过不同SCH信号获得同步和小区ID；另一种是不分级SCH。

采用SCH分级结构主要基于以下几点考虑：相比不分级SCH结构，分级SCH结构可以在SINR差的情况下获得更快的小区搜索速度，而不分级的SCH结构虽然在SINR好的情况下有更快的速度，但随着SINR变差，搜索性能严重下降，难以提供稳定的接入性能。

另外，在UTRA系统中也是采用分级SCH方案，是3GPP比较熟悉的方案。

SCH时隙位置
由于开机时，终端上不知道CP的配置，所以在SCH时隙位置的选择上，选择在时隙的最后一个符号，这样就不受CP长短的限制，SCH在时隙内的发送时就总是固定的。这样，主要UE完成了SCH检测就得到了时隙同步。

SCH频域位置
SCH总是在小区带宽的中心位置发送。无论小区带宽多大，对于初始小区搜索，SCH的发送带宽总是1.25MHz。最初也有对较大的系统带宽采用更大的SCH带宽以取得更加的搜索性能的方案，之所以采用1.25MHz，是因为可以实现快速、低复杂度、低开销的小区搜索。相关仿真实验表明，相对带宽发送，只是将相同功率集中在1.25MHz内发送SCH，取得的性能是相似的。

SCH的发送次数
SCH发送次数需要取舍，如果太多，可支持各种移动速度和各种环境下的同步，对于系统间切换也可以有更好的支持，但系统开销过大；如果LTE系统在一个10ms帧内只发送一次SCH，GSM(4.6ms)系统在进行跨系统测量时，很容易错误LTE系统的SCH。

最后作为折中，LTE确定在一个10ms中发送两次SCH(包含PSCH和SSCH)。

PSCH和SSCH的复用方式
1)FDM复用

在早期的研究中，曾考虑PSCH和SSCH进行FDM复用，即在系统带宽中央的1.25MHz频段内的子载波一半用于PSCH，另一半用于SSCH，PSCH和SSCH交叉放置。

持FDM复用方式的主要理由：在一个符号内，可以使用PSCH对SSCH进行相干检测；FDM开销略小于TDM方式；FDM可以降低终端的接收缓存容量；可以避免CP大小的影响

2)TDM复用

最大的就是简单，需要解决的是SSCH的CP检测问题，经过深入研究，认为这个问题是可以解决的，因此确定使用TDM方式。

TDM方式也可以有多种方式，PSCH与SSCH分开方式，PSCH和SSCH符号相邻。

关于相干检测到的问题，通过将SSCH放在PSCH的前一个符号，有利于SSCH相干检调。

4.小区搜索流程

小区ID检测
由于SCH采用的分级结构，及特殊的时隙位置设置，可以保证在PSCH获得检测后即可获得5ms同步。然后进行SSCH检测，进而获得帧同步，小区ID组和BCH天线配置。现在我们知道PSCH获得5ms的同步，即获得了小区参考信号组内的具体小区ID，但是在最开始设计的时候并不是显而易见的。最终选取了PSCH序列数量与组内ID数量一致，即PSCH一个序列对应一个组内ID(0\1\2)。

最终确定小区id的检测充分利用SCH分级结构，分级检测，降低序列长度、检测次数！

小区ID数量设置
从支持多小区组网的能力上讲，小区ID数量当然越多越好。但是，大量ID数量必须有足够数量的高性能SCH序列以支持快速、准确的小区ID搜索。

在wcdma中，小区ID数量是512个，LTE基本延续这一设置，但是具体数量有差别！LTE中采用了ID分组的方法，而每个小区ID组包含3个小区ID，小区数量应该为3的倍数，因此初步确定为510个。结合下行扰码数量应该为6的倍数，所以最终微调为504个！

SCH序列设计
1)PSCH序列的设计

PSC数量的选择需要在PSCH同步性能和复杂度与SSCH相干检测性能之间进行权衡。经过融合和妥协最后决定系统采用3个PSC序列，每个小区选用其中的一个。也就是说，这3个PSC序列和一个小区ID组内的3个小区ID是一一对应的，通过检测接收信号和这3个PSC序列的相关性，就可以判别是3个小区ID中的哪一个。

最终PSC选择用ZC序列，序列长度为62个。

PSC序列的频域结构如下图所示，除DC子载波外，PSC占用系统带宽的中央1.08MHz，除左右各5个空闲子载波用于提供干扰保护外，ZC序列映射到其余62个子载波上。

2)SSCH序列的设计

a)SSCH数量

SSCH序列的数量，取决于UE需要通过SSCH辨别的假定的数量。

UE需要通过SSCH辨别的内容包括：小区组数量；帧时钟；广播信道的发送分级配置。经过研究帧时钟可以通过SSCH检测隐性传输，不需要考虑。

这样，需要通过SSC确定的假定数量=168(小区ID组)xN（用户广播信道发送分级的天线数量）。N的可能值有以下几种：

N=1，广播信道是否采用发送分集，及采用何种发送分集方法都是确定的。

N=2，告知UE是否采用发送分集，但一旦采用发送分集，分集方法是确定的。

N=3，告知UE发射天线数量(不超过4)，对于某一种天线数量，分集方法是确定的。

经过讨论，发送分集的方法应与发射天线数量绑定，在2天线情况下采用SFBC，在4天线情况下采用SFBC+FSTD。这样，只需要增加1bit就可以指示PBCH的发射分集方法。因此，取N=2，即SSC需要指示的总的假定数量为340。

b)SSCH序列的选择

SSC序列由两个二进制序列级联而成，10ms内两个SSC采用不同的序列，以确定帧时钟。序列是一个31位的M序列经过循环移位得到一组序列，然后从中选取两个序列(称为SSC短码)。这个短码对由一个和PSC对应的二进制扰码加扰，以抑制不同小区之间的SSC互干扰。

这两个SSC短码被映射到SSCH占用的62个子载波上，可能的映射方式包括Localized和交错(Interleaved)映射两种。最终研究，采用InterLeaved方式可以取得更佳的频率分集增益。

在一个无线帧内，子帧0和子帧10的SSCH采用不同的SSC短码排序(SSC1-SSC2/SSC2-SSC1)，这样通过一个SSCH符号的检测就可以获得帧同步。

BCH设计
在PBCH和DBCH上广播的信息分别是主消息块(MIB)和系统信息块(SIB)。需要在BCH中传送的系统广播信息包括以下几种：

下行系统带宽；

天线配置；

系统帧号(SFN)：支持切换前的邻小区测量。

PHICH的时域长度；

1)PBCH的结构

PBCH传送的TTI(PBCH信息的更新周期)为40ms，关于在40ms周期内传送几次PBCH，经过讨论最终确定为4次，位于每一个无线帧的第1子帧，这4个PBCH中的每一个都应能够独立解码，也就是说，如果一个UE的信道条件足够好，则只要在40ms内接收一个子帧就可以解调。由于PBCH的TTI为40ms，还需要获得40ms时钟，经过研究决定采用盲检测方法获得。

BCH所映射到的资源单元的总数相较于BCH传输块的大小是很大的。这意味着编码中包含了大量的重复编码，即BCH传输有很大的处理增益。这样做到目的是可以使得邻小区终端也能接收并能正确解调BCH数据。

注：SFN位长为10bit，取值从0-1023的循环，在PBCH中广播前8为，剩下两位根据该帧在PBCH周期窗口位置确定，第一个子帧为00，第二个为01，第三个为10，第四个为11。SFN中帧编号分两部分，这样做的目的是缩短bit长度，充分利用PBCH盲检测获得后两位。

2)PBCH带宽

无论小区带宽为多少，均将BCH信道额传输限定在中间的72个子载波上，其原因在于终端在接收BCH信道的时候可能还不知道下行小区的带宽。