NR的尋呼機(jī)制學(xué)習(xí)

NR的尋呼機(jī)制（一）

這個(gè)系列介紹NR的尋呼（Paging）。和隨機(jī)接入（RandomAccess）相似，在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，尋呼也是必不可少的。尋呼有什么作用呢？簡(jiǎn)單的說，在大部分時(shí)間里，網(wǎng)絡(luò)不知道終端（MS或UE）“具體”在哪兒，兩者之間只有“松散”的“連接”。終端通過隨機(jī)接入（主動(dòng)）聯(lián)系網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)通過尋呼（主動(dòng)）聯(lián)系終端——“尋呼”中的“尋”就是尋找的意思。按照以往的慣例（掛羊頭賣狗肉），我從上古時(shí)期說起，希望在5G退網(wǎng)前可以寫完。

GSM部分主要參考韓斌杰的《GSM原理及其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化》；LTE部分主要參考金輝老師的《深入理解LTE-A》，ShareTechNote的《Paging》；NB-IoT部分主要參考金輝老師的《深入理解NB-IoT》；NR部分主要參考愛立信的《5GNR標(biāo)準(zhǔn)：下一代無線通信技術(shù)》、人民郵電出版社的《5G空口特性與關(guān)鍵技術(shù)》和《5G移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)詳解》、金輝老師的《Paging：尋呼流程》和Haykey老師的《5G，4GPaging大比拼》。金輝老師的公眾號(hào)是“金輝5G”，網(wǎng)站是“”（不積跬步，無以至千里），Haykey老師的公眾號(hào)是“手機(jī)通信問題集錦”，推薦大家關(guān)注和學(xué)習(xí)。本人理論水平有限，也沒有無線專業(yè)的工作經(jīng)歷，文章難免存在錯(cuò)漏，歡迎各位專家批評(píng)和指正。

說起“尋呼”，上世紀(jì)末流行過這么個(gè)玩意兒，名字就叫“尋呼機(jī)”（Pager），那會(huì)兒也算是身份的象征吧，人們喜歡把它別在腰間（怕別人看不見呀）。你要是在路上見到哪個(gè)人突然一哆嗦，臉上像吃了蜜似的，多半是收到“小甜甜”的呼喚了（過程2）——不過，“小甜甜”要先打電話給尋呼臺(tái)（過程1），“牛魔王”也要找到電話亭才能回應(yīng)（過程3）。由上可見，三個(gè)過程是相互獨(dú)立的，靠人的行為連接起來，從某種意義來說，也算是一個(gè)完整的“移動(dòng)通信系統(tǒng)”?！靶√鹛稹睘樯锻ㄟ^尋呼臺(tái)找“牛魔王”呢？原因是不知道“牛魔王”在哪兒，攜帶“尋呼機(jī)”的用戶是會(huì)移動(dòng)的，如果“牛魔王”一天到晚都待在洞里，把座機(jī)號(hào)告訴“小甜甜”不就得了。不過，這事兒交給尋呼臺(tái)也沒啥不同，尋呼臺(tái)一樣不知道“牛魔王”在哪兒，只能通過廣播“尋”人，這就好像村里的大喇叭，一喊全村都聽見了——“尋呼”中的“呼”就是呼喊的意思。當(dāng)然，“牛魔王”要知道找的是他，廣播得帶上“牛魔王”的名字，為了不暴露身份（萬(wàn)一“牛夫人”聽見了呢），使用呼號(hào)替代，這就“尋呼標(biāo)識(shí)”。

如果只在村里廣播，“牛魔王”在村里能找著，出遠(yuǎn)門就找不著了。相似的，在多大塊地兒能找著用戶，取決于尋呼信號(hào)的覆蓋，這就是“尋呼范圍”。對(duì)用戶來說，“尋呼范圍”越大，服務(wù)體驗(yàn)越好，但對(duì)運(yùn)營(yíng)商來說，“尋呼范圍”越大，投入成本越高。更糟心的是，尋呼是通過廣播實(shí)現(xiàn)的，擴(kuò)大“尋呼范圍”不會(huì)增加用戶容量——好比村里多了幾百號(hào)人，一個(gè)喇叭喊不過來了，加大音量有啥用呢？運(yùn)營(yíng)商要打好小算盤（賺錢），還得考慮系統(tǒng)支持的用戶數(shù)量，這就是“尋呼容量”。

由上可見，“尋呼機(jī)”只能接收信號(hào)，無法上報(bào)位置，因而網(wǎng)絡(luò)只能廣播找人。“大哥大”可以發(fā)送信號(hào)，為啥也要尋呼呢？個(gè)人理解，對(duì)用戶而言，語(yǔ)音業(yè)務(wù)需求是間歇性的，一天到晚電話不停的，那是賣保險(xiǎn)的——在早期的香港影片中，“大哥大”是身份的象征，有的人愛拎在手里，說不好就是個(gè)水壺。別看“大哥大”個(gè)頭大，電池存不了多少電，還特別耗電。所以，在大多數(shù)時(shí)候，“大哥大”還是“安安靜靜”的做個(gè)美男子吧。

對(duì)終端來說，是為了節(jié)省能源，對(duì)網(wǎng)絡(luò)來說，是為了節(jié)省資源（你省省吧~）。如果網(wǎng)絡(luò)一直保持和終端之間的連接，不僅終端受不了（費(fèi)電），網(wǎng)絡(luò)也受不了，因?yàn)闊o線資源是有限的。在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，通常不會(huì)出現(xiàn)所有用戶同時(shí)通話的情況，如果只為通話用戶建立連接，網(wǎng)絡(luò)容量可以遠(yuǎn)大于連接數(shù)量——反過來，如果發(fā)生突發(fā)事件（比如地震），網(wǎng)絡(luò)很可能會(huì)擁塞，因?yàn)橛型ㄔ捫枨蟮挠脩舳嗔耍瑯I(yè)務(wù)模型和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃不同?！按蟾绱蟆碧b遠(yuǎn)了，說一下稍近的GSM吧。在GSM中，MS（MobileStation）大部分時(shí)間處于空閑模式（IdleMode），通話時(shí)才處于專用模式（DedicatedMode）。更準(zhǔn)確的說，如果BSC（BaseStationController）和MS之間存在RR連接（不一定存在業(yè)務(wù)通道），MS處于專用模式，否則處于空閑模式。RR連接是NAS信令連接的構(gòu)成部分。反過來，如果MS處于空閑模式，NAS信令連接不存在，MSC（MobileSwitchingCenter）不知道MS在哪個(gè)小區(qū)（基站），需要通過尋呼找到MS。由上可見，在CS網(wǎng)絡(luò)中，尋呼是由CN（CoreNetwork），即MSC觸發(fā)的（CNInitiated）。這么看來，MS有點(diǎn)像綁著“尋呼機(jī)”的座機(jī)，把過程2和3（前半部分）連接起來，如果把過程1連接上就完美了。GSM是如何實(shí)現(xiàn)的呢——MSC替代了尋呼臺(tái)，“小甜甜”打電話給尋呼臺(tái)，變成了打給MSC。由于MSC服務(wù)范圍有限，網(wǎng)絡(luò)可能部署多個(gè)MSC，“牛魔王”開機(jī)時(shí)在某個(gè)MSC（MSC-T）登記，MSC-T再向“牛魔王”的HLR（HomeLocationRegister）登記?！靶√鹛稹卑l(fā)起呼叫時(shí)，GMSC（或MSC-O）向“牛魔王”的HLR查詢（SRI），獲得“牛魔王”的MSRN（MobileSubscriberRoamingNumber），就可以將呼叫接續(xù)到MSC-T。（嗯，這段不是很重要…）

MSC如何尋呼呢？

第一，用什么作為“尋呼標(biāo)識(shí)”呢？我們使用排除法：MSISDN（MobileSubscriberInternationalISDNNumber）不合適，相當(dāng)于在大喇叭直接喊“牛魔王”，太危險(xiǎn)了；IMSI（InternationalMobileSubscriberIdentificationNumber）也不合適，對(duì)網(wǎng)絡(luò)來說，IMSI是用戶的永久標(biāo)識(shí)，暴露次數(shù)多了，“牛夫人”容易和“牛魔王”聯(lián)系起來，也不安全。因此，最好的選擇，是MSC分配的TMSI（TemporaryMobileSubscriberIdentity），只有MSC和“牛魔王”知道MSISDN和TMSI的對(duì)應(yīng)關(guān)系，還可以時(shí)不時(shí)更換，增加“牛夫人”猜測(cè)的難度。GSM協(xié)議規(guī)定，如果MSC使用TMSI尋呼失敗，可以嘗試使用IMSI尋呼，取決于運(yùn)營(yíng)商策略。第二，“尋呼范圍”多大合適呢？這好像是句廢話，如果MSC樂意，“尋呼范圍”當(dāng)然可以是MSC服務(wù)范圍，這稱為Global尋呼。不過，這也意味著MSC用戶容量受限于空口（和業(yè)務(wù)模型），不合理。因此，GSM協(xié)議將MSC服務(wù)范圍劃分為若干個(gè)LA（LocationArea，位置區(qū)），在MS附著時(shí)，MSC將MS所在LA記錄下來，MS有來電（或MT短信）時(shí)在對(duì)應(yīng)LA尋呼即可，這稱為L(zhǎng)ocal尋呼。如果Local尋呼失敗，可以嘗試Global尋呼，取決于運(yùn)營(yíng)商策略。由此帶來的問題是，如果MS移動(dòng)到新的LA，需要向MSC報(bào)告一下，否則MSC在舊的LA找不到MS。因此，空閑模式的MS駐留到新的小區(qū)時(shí)，如果新的LA和舊的LA不一樣，會(huì)向MSC發(fā)送LocationUpdate——這個(gè)過程稱為“位置更新”。反過來，空閑模式的MS在同一LA的小區(qū)間移動(dòng)，不會(huì)向MSC發(fā)送任何東西，MSC不知道MS具體在哪個(gè)小區(qū)（所以才需要尋呼）。另一個(gè)極端，如果MS移動(dòng)出MSC服務(wù)范圍，LocationUpdate會(huì)被新的MSC收到，新的MSC需要向HLR報(bào)告一下，否則呼叫會(huì)接續(xù)到舊的MSC，也找不到MS。由上可見，LA規(guī)劃是一件復(fù)雜的事，需要考慮用戶分布、話務(wù)模型和移動(dòng)模型等因素。如果LA范圍太大，包含用戶數(shù)量過多，容易出現(xiàn)尋呼擁塞（尋呼需求過多）；如果LA范圍太小，位置更新次數(shù)過多，又會(huì)增加信令負(fù)荷，且可能影響用戶感知（流程沖突導(dǎo)致業(yè)務(wù)失?。?。無論LA范圍多大，應(yīng)盡量選擇人員移動(dòng)較少的地方作為邊界。

從高層角度看（上帝視角），尋呼的信令很簡(jiǎn)單，一來一回就兩條消息。MSC向選擇LA（MS所在LA，或MSC所有LA）的所有MS發(fā)送Paging，對(duì)應(yīng)MS返回PagingResponse。不過，MSC自己是無法廣播的（畢竟是Core，這種粗活怎么能干，要保持優(yōu)雅），只能將Paging發(fā)送給BSC，由BSC控制基站（BTS）進(jìn)行廣播。MSC知道LA和BSC的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而BSC知道LA和小區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

在CSFB中，終端（UE）平時(shí)待在EPS（EvolvedPacketSystem），通話（MO或MT）時(shí)才回到CS（CircuitSwitching）網(wǎng)絡(luò)，移動(dòng)性管理主要依賴EPS。終端在EPS進(jìn)行“聯(lián)合”（Combined）的附著和位置更新，這可以理解為，MME（MobilityManagementEntity）通過SGS接口“模擬”終端通過A接口進(jìn)行附著和位置更新。MSC記錄終端所在MME。MSC觸發(fā)尋呼流程時(shí)，向MME（而不是BSC）發(fā)送Paging，終端返回ExtendServiceRequest作為響應(yīng)，MME指示終端“Fallback”到CS（示圖沒有呈現(xiàn)），最后終端在CS返回PagingResponse，后續(xù)流程和CS相同。和CS的LA相似，EPS有TA（TrackingArea，跟蹤區(qū)）。終端聯(lián)合附著或位置更新時(shí)，MME根據(jù)TA-LA映射關(guān)系找到對(duì)應(yīng)MSC。終端回落CS后，MME失去對(duì)終端的控制，后續(xù)的事情MME就一無所知了。由于TA和LA不可能完全重疊，終端在MSCPOOL邊界收到Paging（EPS），回落CS后，可能重選另一個(gè)MSCPOOL的小區(qū)，PagingResponse（CS）被另一個(gè)MSC接收，需要MTRF（MobileTerminatingRoamingForward）或MTRR（MobileTerminatingRoamingRetry）來拯救呼叫，這里不展開了。這一篇談GSM尋呼的實(shí)現(xiàn)。從高層角度看，尋呼由MSC觸發(fā)，但從底層角度看，MS接收的信號(hào)來自于BTS。MSC管不著，也不想管BTS，于是MSC將尋呼請(qǐng)求（客氣一下，其實(shí)是要求）傳遞給BSC，BSC再指揮BTS進(jìn)行尋呼廣播。MSC根據(jù)LA（MS所在LA，或MSC所有LA）確定BSC，BSC根據(jù)LA確定BTS（和小區(qū)），示圖只畫了1個(gè)BSC和1個(gè)BTS，實(shí)際上，MSC每生成1個(gè)尋呼請(qǐng)求，都會(huì)有多個(gè)BSC和BTS參與——所謂“領(lǐng)導(dǎo)張張嘴，下屬跑斷腿”啊。GSM引入尋呼，是因?yàn)镸S會(huì)移動(dòng)。因此，在“概念”上尋呼是一個(gè)MM（MobilityManagement）過程。不過，空閑模式的MS和MSC之間沒有NAS信令連接（沒對(duì)上眼），MSC向BSC發(fā)送的Paging不是DTAP（DirectTransferApplicationPart）消息（類似于NAS消息），而是BSSMAP（BSSManagementApplicationPart）消息。相似的，BSC和MS之間一開始也沒有RR連接，MS確認(rèn)MSC找的是自己后（尋呼ID匹配），才構(gòu)成（L3的）PagingRESP，請(qǐng)求建立RR連接，并返回PagingRESP。

在空中接口，MS在PCH（PagingChannel，尋呼信道）接收尋呼。由于尋呼廣播需要被小區(qū)所有MS聽到，PCH映射到“公用”的CCCH（CommonControlChannel，公共控制信道）。反過來，只有網(wǎng)絡(luò)“呼喚”的MS返回PagingRESP，此時(shí)需要“專用”的SDCCH（StandAloneDedicatedControlChannel，獨(dú)立專用控制信道）——誰(shuí)讓我是“天選之子”呢。在MS和BSC之間，被“呼喚”的MS通過RACH（RandomAccessChannel，隨機(jī)接入信道）向BTS發(fā)送ChannelRequest，BTS再向BSC發(fā)送ChannelRequired，以請(qǐng)求SDCCH資源。BSC確認(rèn)信道資源準(zhǔn)備后（ChannelActivation和ChannelActivationACK），向BTS發(fā)送ImmediateAssignCommand，BTS再通過AGCH（AccessGrantChannel，接入許可信道）向MS發(fā)送ImmediateAssignment，以指派SDCCH資源。在BSC和MSC之間，BSC會(huì)向MSC發(fā)送CR（ConnectionRequest），請(qǐng)求建立SCCP（SignalingConnectionPart）連接，同時(shí)攜帶（L3的）PagingRESP給MSC。

這里重點(diǎn)關(guān)注空口。MS待在空閑模式是可以省電，但如果接不了電話，就只是一塊磚頭。因此，MS需要持續(xù)的監(jiān)聽PCH，以確定是否有自己的來電（尋呼）。問題是，MS無法預(yù)知來電（尋呼）的時(shí)間（要是能知道，去干算命多好），如果一直豎著耳朵聽，也不比專用模式輕松多少。由上，對(duì)于特定的MS來說，PCH分布必然不是連續(xù)的，這樣MS才有歇息的機(jī)會(huì)。不過，MS歇太久也不合適，接續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)影響（MO）用戶的感知（你丫死哪兒去了？）。在說PCH之前，簡(jiǎn)單說一下GSM的幀結(jié)構(gòu)。GSM應(yīng)用TDMA（Time-DivisionMultipleAccess，時(shí)分復(fù)用）技術(shù)，1個(gè)TDMA幀包含8個(gè)時(shí)隙，對(duì)應(yīng)8個(gè)物理信道。1326個(gè)TDMA幀構(gòu)成1個(gè)超幀，包含51個(gè)26復(fù)幀，或26個(gè)51復(fù)幀（26x51=1326）。26復(fù)幀時(shí)間間隔為120ms，用于TCH（SACCH/T）和FACCH等業(yè)務(wù)信道，51復(fù)幀時(shí)間間隔約為235ms，用于BCCH、CCCH、SDCCH等控制信道?？刂菩诺赖挠成潢P(guān)系如上圖所示。將51復(fù)幀每一個(gè)TDMA幀的同一時(shí)隙（比如TS0）抽出來，構(gòu)成一行（1個(gè)物理信道）。由于控制信道的交織機(jī)制（為了對(duì)抗干擾），BCCH、CCCH、SDCCH和SACCH橫跨4個(gè)TDMA幀。以第一行為例，共包含5個(gè)F（頻率校正脈沖序列）、5個(gè)S（同步脈沖序列）、1個(gè)B（BCCH，廣播信道）、9個(gè)C（CCCH，公共控制信道）和1個(gè)N，共5+5+4+4x9+1=51時(shí)隙。如果CCCH使用1個(gè)物理信道，且不與SDCCH共用，1個(gè)BCCH復(fù)幀包含9個(gè)CCCH塊（藍(lán)色格子）；如果CCCH使用1個(gè)物理信道，且與SDCCH共用，1個(gè)BCCH復(fù)幀包含3個(gè)CCCH塊。

不是所有CCCH都用于PCH，還要預(yù)留一些給AGCH（準(zhǔn)許接入信道）。BTS通過AGCH指配SDCCH或TCH（TrafficChannel，業(yè)務(wù)信道），如果沒有AGCH，別說語(yǔ)音無路（TCH）可走，尋呼響應(yīng)（SDCCH）都無法返回，這系統(tǒng)也沒啥用了。通過系統(tǒng)參數(shù)CCCHCONF（公共控制信道配置）和BSAGBLKRES（準(zhǔn)許接入保留塊數(shù)），MS可以確定PCH的CCCH塊數(shù)量：如果CCCHCONF為'001'，1個(gè)BCCH復(fù)幀包含9個(gè)CCCH塊，PCH的CCCH塊數(shù)量為9–BSAGBLKRES；如果CCCHCONF不為'001'，1個(gè)BCCH復(fù)幀包含3個(gè)CCCH塊，PCH的CCCH塊數(shù)量為3–BSAGBLKRES。1個(gè)51復(fù)幀的PCH數(shù)量有限，協(xié)議又定義了系統(tǒng)參數(shù)BSPAMFRMS（尋呼信道復(fù)幀數(shù)），編碼為'001'~'111'，分別表示2~9個(gè)51復(fù)幀。由此，CCCHCONF、BSAGBLKRES和BSPAMFRMS定義了一個(gè)PCH集合，包含PCH數(shù)量為((9or3)–BSAGBLKRES)xBSPAMFRMS。以上圖為例，如果CCCHCONF不為'001'，BSAGBLKRES為2，BSPAMFRMS為6，集合包含的PCH數(shù)量為(9–2)x6=42。

如果要求MS監(jiān)聽每一個(gè)PCH，就沒必要定義集合了。盡管PCH分布不是連續(xù)的，但間隔時(shí)間還是太短，MS剛瞇一會(huì)兒又得豎起耳朵，省不了多少電。因此，GSM引入DRX（DiscontinuousReception，不連續(xù)接收）概念，在一個(gè)PCH集合中，MS只需要監(jiān)聽1個(gè)PCH，在其他時(shí)候可以“打盹兒”（測(cè)量另說）。更具體的，PCH集合劃分為若干個(gè)尋呼組（PagingGroup），每組對(duì)應(yīng)1個(gè)PCH，稱為尋呼子信道。MS確定自己的尋呼組，就可以只在對(duì)應(yīng)的尋呼子信道監(jiān)聽。

打個(gè)比方，“牛魔王”住在一個(gè)大院（小區(qū)）里，每天（PCH集合）都去傳達(dá)室，看看“小甜甜”有沒有來信（尋呼），大多數(shù)時(shí)候會(huì)空手而歸。傳達(dá)室大爺看“牛魔王”這么折騰，告訴他每周五（某個(gè)尋呼子信道）去一趟就好，傳達(dá)室收到給“牛魔王”的信，先保存好，等周五再交給“牛魔王”。大院里的其他人（用戶），比如“牛夫人”，告訴她別的天（其他尋呼子信道）去就好。如果大院里人太多，有些人只能安排在同一天（抽屜原理）——這些人就被劃入一個(gè)組（尋呼組）。這里有個(gè)小問題，網(wǎng)絡(luò)因?yàn)檎也恢鳰S，所以才尋呼MS——因此，大爺也不能見到“牛魔王”才告訴他，雙方需要提前約定。GSM的實(shí)現(xiàn)方式，是利用IMSI進(jìn)行分組——PagingGroup=(IMSImod1000)modN——N表示尋呼子信道的總數(shù)。對(duì)于特定的某一次尋呼，BSC和MS使用相同的IMSI計(jì)算，獲得相同的PagingGroup，可以確保MS的尋呼在同一尋呼子信道發(fā)送和接收（3GPPTS05.02表達(dá)有點(diǎn)復(fù)雜，尋呼所在幀號(hào)FN滿足PagingGroupdiv(NdivBSPAMFRMS)=(FNdiv51)modBSPAMFRMS），尋呼在復(fù)幀內(nèi)的索引PagingBlockIndex=PagingGroupmod(NdivBSPAMFRMS)）。另外，根據(jù)IMSI分組，可以均衡PCH的負(fù)荷，因?yàn)槿绻脩魯?shù)足夠大，各尋呼組的用戶數(shù)相近。通常來說，一個(gè)LA用戶數(shù)量可以達(dá)到數(shù)十萬(wàn)，即使分到若干個(gè)尋呼組，單個(gè)尋呼子信道的“負(fù)擔(dān)”也挺重的。幸好，一個(gè)尋呼子信道（CCCH塊）可以同時(shí)攜帶（同一尋呼組）多個(gè)用戶的尋呼，由于IMSI占用位數(shù)比TMSI大，如果全部使用TMSI尋呼，在空中接口，可以比IMSI多一倍容量。不過，無論尋呼ID是IMSI還是TMSI，在A接口，MSC都會(huì)將IMSI發(fā)送給BSC，用于計(jì)算MS的尋呼組。

由上可見，BSPAMFRMS定義了尋呼子信道的循環(huán)周期。在一個(gè)小區(qū)中，如果用戶數(shù)量（和話務(wù)模型）是確定的，BSPAMFRMS越大，尋呼子信道數(shù)量越多，每個(gè)尋呼子信道分配的用戶越少。反過來，BSPAMFRMS越小，尋呼子信道數(shù)量越少，每個(gè)尋呼子信道分配的用戶越多。這么看來，BSPAMFRMS越大越好，盡管不會(huì)增加總體尋呼容量，但可以避免尋呼擁塞。不過，凡事都有兩面，循環(huán)周期過大，也會(huì)增加尋呼到達(dá)MS時(shí)長(zhǎng)，最終影響接續(xù)時(shí)長(zhǎng)。沿用前面的例子，如果“小甜甜”周四來信，“牛魔王”周五來正好，如果“小甜甜”周六來信，得過好幾天才能到“牛魔王”手里。如果BSPAMFRMS再大一點(diǎn)，比如說，“牛魔王”每4周才來看一次，平均時(shí)延會(huì)增加很多。由上，BSPAMFRMS配置需要綜合考慮尋呼負(fù)荷和用戶感知，不能過大（增加尋呼時(shí)延，增加接續(xù)時(shí)延），也不能過?。▽?dǎo)致尋呼擁塞，降低接續(xù)成功率）。

最后，網(wǎng)絡(luò)只能盡力“呼喚”MS，至于MS聽不聽得到，響應(yīng)回不回得來，就只能看“緣分”了（佛性尋呼）。因?yàn)闊o線環(huán)境變化很快，尋呼又講究“時(shí)機(jī)”，失敗是常有的事。MSC在發(fā)送Paging時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器T3113，在收到PagingRESP時(shí)終止T3113——如果T3113超時(shí)，MSC判定為尋呼失敗。如果第一次尋呼失敗，MSC可以再次發(fā)送Paging，并重啟T3113。對(duì)MSC來說，重發(fā)尋呼和初次尋呼對(duì)應(yīng)同一次MT業(yè)務(wù)（語(yǔ)音或短信），兩者存在關(guān)聯(lián)，而對(duì)BSC和BTS來說，此時(shí)還沒有MS的“記憶”（沒有SCCP連接和RR連接），視重發(fā)尋呼為一次獨(dú)立的尋呼（Thisisthenewshit…），反正分辨初次尋呼和重發(fā)尋呼也沒什么意義。MSC增加尋呼重發(fā)的次數(shù)，可以提高最終的尋呼成功率（R10），但尋呼時(shí)延和接續(xù)時(shí)延會(huì)相應(yīng)增加。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，MSC通常只會(huì)重發(fā)一次。有的廠家支持配置多次重發(fā)，但增益不會(huì)很明顯——這就好像你找一個(gè)人，第一次有回應(yīng)的可能性最大，往后可能性會(huì)越來越小，多喊幾次也不會(huì)有多大幫助。NR的尋呼機(jī)制（三）這一篇談GPRS的尋呼（沒想到吧，我就是這么無聊）。本文參考了愛老師的《GPRS網(wǎng)絡(luò)信令實(shí)例詳解》，本人水平有限，有些地方理解不到位，請(qǐng)讀者以愛老師為準(zhǔn)。在進(jìn)入尋呼主題之前，先簡(jiǎn)單介紹一下GPRS（GeneralPacketRadioService，通用分組無線服務(wù)）。GSM設(shè)計(jì)初衷是提供“移動(dòng)語(yǔ)音”業(yè)務(wù)，GPRS可視為GSM的“補(bǔ)丁”，為GSM用戶提供“移動(dòng)數(shù)據(jù)”業(yè)務(wù)——通俗的說，就是“上網(wǎng)沖浪”（2G沖浪）。傳統(tǒng)GSM網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是為MS建立話音通道，而GPRS的目標(biāo)是為MS建立數(shù)據(jù)通道。

語(yǔ)音業(yè)務(wù)的特點(diǎn)是“連續(xù)”和“獨(dú)占”，MS通話期間連續(xù)占用1個(gè)語(yǔ)音通道（即使用戶沒在說話，此時(shí)MS通過DTX省電），（TCH）資源需求固定；數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的特點(diǎn)是“突發(fā)”和“共享”，（PDTCH）資源需求不固定，MS不一定連續(xù)占用資源（比如WEB業(yè)務(wù)，頁(yè)面下載完成后，用戶會(huì)瀏覽一會(huì)兒，此時(shí)MS和網(wǎng)絡(luò)不一定交互），但需求有時(shí)較大，有時(shí)較?。ㄈQ于訪問內(nèi)容）。語(yǔ)音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的特點(diǎn)不同，為了充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，兩種通道使用不同的交換方式，傳統(tǒng)GSM是典型的CS（CircuitSwitching，電路交換）網(wǎng)絡(luò)，而GPRS是PS（PacketSwitching，分組交換）網(wǎng)絡(luò)。

GPRS利用傳統(tǒng)GSM網(wǎng)絡(luò)的無線部分（BSC和BTS，麻煩擠一擠），新增獨(dú)立的PS核心網(wǎng)絡(luò)（SGSN和GGSN）。為了避免混淆，以下GSM特指?jìng)鹘y(tǒng)GSM網(wǎng)絡(luò)的無線部分，CS和PS分別表示語(yǔ)音業(yè)務(wù)的“電路域”和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的“分組域”。在PS中，為了實(shí)現(xiàn)CN（SGSN）和RAN（BSS）的對(duì)接，BSC需要新增處理分組（Packet）的“技能包”——PCU（PacketControlUnit）。PS網(wǎng)絡(luò)就像一個(gè)“局域網(wǎng)”（LAN），GGSN是“局域網(wǎng)”的邊界（網(wǎng)關(guān)），MS想到“外面的世界”看一看，關(guān)鍵是建立MS到GGSN的通道（PDP），GGSN會(huì)實(shí)現(xiàn)MS和外部PDN（ExternalPacketDataNetwork）之間的數(shù)據(jù)路由和轉(zhuǎn)發(fā)。MS和GGSN之間的一個(gè)通道，由一個(gè)PDP（PacketDataProtocol）上下文描述，包含一個(gè)分配給MS的PDP地址（UEIP）以及其他相關(guān)參數(shù)，比如公網(wǎng)DNS服務(wù)器的IP地址。在控制面（信令面），SGSN和GGSN都參與PDP上下文的創(chuàng)建和維護(hù)；在用戶面（業(yè)務(wù)面），SGSN和GGSN也都參與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。MS要“上網(wǎng)”，得分兩步走。第一步，附著（Attach），MS和SGSN創(chuàng)建MM（MobilityManagement）上下文；第二步，激活PDP上下文（PDPContextActivation），MS、SGSN和GGSN創(chuàng)建PDP上下文。簡(jiǎn)單的說，MS先和SGSN說的上話（建立控制面通道，NAS信令連接），才能和GGSN說的上話（建立用戶面通道，PDP上下文）。PDP狀態(tài)和MM狀態(tài)獨(dú)立，但受限于MM狀態(tài)——如果MM狀態(tài)為IDLE，網(wǎng)絡(luò)完全不知道MS在哪兒，更不可能有PDP上下文，PDP狀態(tài)必然為INACTIVE。在控制面（或信令面），MS和SGSN之間的層3消息（GMM/SM）通過LLC（LogicalLinkConnection）實(shí)現(xiàn)可靠傳輸。在SGSN和BSS（參照協(xié)議，這里將BSC和BTS合并為BSS呈現(xiàn)）之間，LLCPDU由BSSGP（替代CS的BSSMAP）承載。在BSS和MS之間，GPRS借用局域網(wǎng)的協(xié)議分層，增加RLC（RadioLinkControl）和MAC（MediumAccessControl），底層沿用GSM的協(xié)議棧（開始出現(xiàn)EPS和NR的雛形）。在用戶面（或業(yè)務(wù)面），MS和GGSN之間的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)經(jīng)SGSN轉(zhuǎn)發(fā)。在SGSN和GGSN之間，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過GTP-U（GPRSTunnellingProtocol–User，這名字夠直白的）傳輸。在MS和SGSN之間，和控制面相似，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)也通過LLC實(shí)現(xiàn)可靠傳輸，只是在LLC之上增加SNDCP（SubnetworkDependenceConvergenceProtocol），實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的分段/重組和壓縮/解壓。在LLC之下，用戶面和控制面協(xié)議棧完全相同，這意味著，無論是控制面的層3消息，還是用戶面的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，都會(huì)封裝為L(zhǎng)LCPDU傳輸，底層不進(jìn)行區(qū)分——一個(gè)間接的“證據(jù)”是，在Um接口，承載LLCPDU的“RLC/MAC塊”都是“RLC/MAC數(shù)據(jù)塊”，不是“RLC/MAC控制塊”。

言歸正傳。

PS為啥需要尋呼呢？和CS一樣，是為了節(jié)省MS能源和網(wǎng)絡(luò)資源。MS和網(wǎng)絡(luò)（SGSN）之間的連接不能一直保持，有時(shí)網(wǎng)絡(luò)（SGSN）不知道MS具體位置（小區(qū)），就需要“廣播找人”。從MS角度看，在CS中，根據(jù)RR連接（SDCCH）是否存在，MS工作模式分為空閑模式（IdleMode）和專用模式（DedicatedMode）；相似的，在PS中，根據(jù)RR連接（TBF）是否存在，MS工作模式分為分組空閑模式（PacketIdleMode）和分組傳輸模式（PacketTransferMode）。

把CS和PS合并考慮，則稍微復(fù)雜一些。按照MS的服務(wù)能力，可分為三種類型：ClassA、ClassB和ClassC。簡(jiǎn)單的說，ClassA支持同時(shí)打電話（CS）和上網(wǎng)（PS）；ClassB打電話時(shí)不能上網(wǎng)，上網(wǎng)時(shí)不能打電話；ClassC只能打電話或上網(wǎng)。如果MS同時(shí)進(jìn)行CS和PS業(yè)務(wù)，則處于DualTransferMode，簡(jiǎn)稱DTM。ClassA用戶體驗(yàn)好，但實(shí)現(xiàn)也較為復(fù)雜（成本高），大部分MS都是ClassB。由上，ClassA的MS有4種工作模式（組合）：Idle/PacketIdle、Dedicated（CS）、PacketTransfer（PS）、DualTransfer（CS+PS）。根據(jù)CS和PS業(yè)務(wù)發(fā)生的順序，MS先進(jìn)入Dedicatedmode或PacketTransfermode，再?gòu)腄edicatedmode或PacketTransfermode進(jìn)入DualTransfermode。ClassB（或所在網(wǎng)絡(luò)不支持DTM的ClassA）少一種工作模式（DTM）。RR連接存在于MS和BSS的RR實(shí)體之間，對(duì)SGSN不可見。SGSN和MS需要維護(hù)更高層的MM（MobilityManagement）狀態(tài)。和CS不同，PS有三種MM狀態(tài)：Idle、Standby和Ready。在PS中，（Packet）Idle表示MS沒有附著，網(wǎng)絡(luò)對(duì)MS狀態(tài)一無所知，更談不上尋呼了。因此，這里只關(guān)注Standby和Ready，簡(jiǎn)單的說，Standby表示MS已經(jīng)附著，SGSN和MS已經(jīng)建立MM上下文，但（LLC）連接不存在；Ready表示（LLC）連接存在，SGSN知道MS的具體小區(qū)，SGSN和MS之間可以傳輸LLCPDU。由于SGSN無法感知RR連接狀態(tài)，MM狀態(tài)和RR工作模式并不總是“同步”。如果忽略CS，SGSN只在（MM）Standby狀態(tài)發(fā)送（PS）尋呼，MS只在（RR）PacketIdle模式監(jiān)聽（PS）尋呼。對(duì)于特定的MS，如果SGSN的MM狀態(tài)為Ready，以下三種場(chǎng)景會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)镾tandby：1、SGSN和MS之間長(zhǎng)時(shí)間沒有傳輸LLCPDU，Ready定時(shí)器超時(shí)（Readytimerexpiry）；2、SGSN強(qiáng)制進(jìn)入Standby（Forcetostandby，主動(dòng)轉(zhuǎn)變）；3、RLC異常（AbnormalRLCCondition，被動(dòng)轉(zhuǎn)變）。反過來，如果SGSN的MM狀態(tài)為Standby，SGSN接收到MS發(fā)送的任意LLCPDU（除了NullLLCframe），MM狀態(tài)轉(zhuǎn)變Ready——這個(gè)LLCPDU通常是對(duì)尋呼的響應(yīng)，但不再顯性的叫“PagingResponse”，好比“小甜甜”呼喚“牛魔王”，“牛魔王”不一定回“到”，回“親愛的”、“乖乖”、“死樣”都可以。

由上可見，在PS中，尋呼是由CN，即SGSN觸發(fā)的（CNInitiated）。在CS中，尋呼標(biāo)識(shí)可為TMSI或IMSI，由于TMSI是MSC分配的，SGSN不知道，使用自己分配的P-TMSI（PS的TMSI）替代。P-TMSI長(zhǎng)度也為32，最高位（MSB）為“11”，以和CS的TMSI區(qū)分。和TMSI相似，如果SGSN組成SGSNPOOL，P-TMSI一部分用于表示NRI（NetworkResourceIdentity）。SGSN和MS基于P-TMSI生成（Local和Foreign）TLLI（TemporaryLinkLayerIdentity），作為L(zhǎng)LC的用戶標(biāo)識(shí)。和CS不一樣，在PS中，IMSI尋呼用于錯(cuò)誤恢復(fù)（ErrorRecovery），如果網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤導(dǎo)致P-TMSI不可用，網(wǎng)絡(luò)可以觸發(fā)IMSI尋呼。如果MS收到IMSI尋呼，應(yīng)停止T3346，在本地去激活所有PDP，并進(jìn)行Detach和Re-Attach。這就好像你媽平常都喊你小名（P-TMSI），有一天突然喊你大名（IMSI），你馬上意識(shí)到出了什么狀況，立馬停下手里的事（DeactivatePDP和Detach），向老媽報(bào)到（Re-Attach）。在CS中，尋呼范圍是MS所在LA（LocationArea，位置區(qū)）。相似的，在PS中，尋呼范圍是MS所在RA（RoutingArea，路由區(qū)）。由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是“突發(fā)”的，MM狀態(tài)變更比CS頻繁，PS尋呼需求比CS會(huì)多一些，協(xié)議將RA定義為L(zhǎng)A的子區(qū)域——一個(gè)LA可劃分為多個(gè)RA，RA的標(biāo)識(shí)RAI（RoutingAreaIdentification）由LAI（LocationAreaIdentification）和RAC（RoutingAreaCode）構(gòu)成。大概是PS用戶規(guī)模沒達(dá)到預(yù)期，現(xiàn)網(wǎng)大部分LA沒有劃分，只包含一個(gè)RA。在CS中，如果MS移動(dòng)到新的LA，需要向MSC發(fā)送LocationUpdateRequest（位置區(qū)更新），如果移動(dòng)到新MSC服務(wù)范圍，新MSC還會(huì)向HLR發(fā)送UpdateLocation。相似的，在PS中，如果MS移動(dòng)到新的RA，需要向SGSN發(fā)送RoutingAreaRequest（路由區(qū)更新），如果移動(dòng)到新SGSN服務(wù)范圍，新SGSN也會(huì)向HLR發(fā)送UpdateLocation。在CS中，GMSC（語(yǔ)音）或SMSC（短信）通過HLR找到MS所在MSC，在HLR更新MSC地址很重要，否則被叫業(yè)務(wù)（MT語(yǔ)音或MT短信）無法接續(xù)。在PS中，如果PDP上下文是MS主動(dòng)建立的（ActivatePDPContextRequest），下行數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，GGSN已有PDP上下文，不需要向HLR查詢就可以找到SGSN；如果下行數(shù)據(jù)（PDPPDU）到達(dá)時(shí)，GGSN沒有PDP上下文，GGSN向HLR查詢SGSN信息，通過SGSN要求MS啟動(dòng)PDP上下文激活流程（RequestPDPContextActivation）——問題是，GGSN和HLR之間的Gc接口使用SS7（7號(hào)信令），而GGSN產(chǎn)品通?；诼酚善髌脚_(tái)開發(fā)，為了降低實(shí)現(xiàn)難度（省錢），大部分產(chǎn)品沒有實(shí)現(xiàn)Gc接口。一些“貌似”由網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)PDP上下文建立的業(yè)務(wù)（比如說，彩信），實(shí)際是通過“帶外”方式（比如說，短信）通知MS，MS再觸發(fā)PDP上下文建立。

最后，CS和PS共用無線網(wǎng)絡(luò)，從高層角度看，MS的CS模塊和PS模塊捆綁在一起，移動(dòng)性可以“聯(lián)合”管理——MS可以只向SGSN“報(bào)告”位置（RoutingAreaUpdateRequest），SGSN再通過Gs接口轉(zhuǎn)告MSC（LocationUpdateRequest），這稱為CombinedRA/LAUpdate，和CSFB的聯(lián)合位置更新相似（相應(yīng)的，CS業(yè)務(wù)的尋呼經(jīng)Gs接口發(fā)送給SGSN，尋呼請(qǐng)求以PS方式發(fā)送給MS，尋呼響應(yīng)以CS方式返回MSC）。在聯(lián)合位置更新中，MS向SGSN“報(bào)告”，而不是向MSC“報(bào)告”，原因是RA比LA小，選擇RAU而不是LU，可以及時(shí)反映MS位置變化。換個(gè)說法，聯(lián)合位置更新大概是這么回事：MS的CS模塊和PS模塊就像外出旅行的小兩口，為了讓家長(zhǎng)（CN）放心，男方（CS）給婆家（MSC）打電話（LU），女方（PS）給娘家（SGSN）打電話（RAU），如果婆家（MSC）和娘家（SGSN）常有聯(lián)系（Gs接口），女方給娘家打電話，娘家再轉(zhuǎn)告婆家就可以了?，F(xiàn)實(shí)是，婆家和娘家大多不怎么來往，相似的，Gs接口通常也沒有部署。NR的尋呼機(jī)制（四）這一篇談GPRS（PS）尋呼的實(shí)現(xiàn)。在Gb接口，PS尋呼請(qǐng)求通過BSSGP（對(duì)應(yīng)CS的BSSMAP）發(fā)送給BSC，BSC指示BTS進(jìn)行尋呼廣播，在相反方向，被“呼喚”的MS向SGSN發(fā)送任意LLCPDU作為尋呼響應(yīng)。對(duì)于特定的MS，只有MM狀態(tài)為Standby，SGSN才會(huì)發(fā)送PS尋呼請(qǐng)求——由于SGSN和MS之間沒有連接，PS尋呼請(qǐng)求由PSPagingPDU攜帶，而不是DLUNIDATAPDU（封裝了下行LLCPDU，類似于CS的DTAP消息）。如果MM狀態(tài)為Ready，SGSN不會(huì)發(fā)送PS尋呼請(qǐng)求（沒有必要），但可能會(huì)發(fā)送（來自Gs接口的）CS尋呼請(qǐng)求，由CSPagingPDU攜帶。在Um接口，PS尋呼請(qǐng)求通過PPCH（PacketPagingChannel）發(fā)送，在相反方向，作為尋呼響應(yīng)的LLCPDU通過PDTCH（PacketDataTrafficChannel）發(fā)送。如果和CS對(duì)照，PPCH和CS的PCH（PagingChannel）對(duì)應(yīng)，屬于“公共”信道；PDTCH和SDCCH（StandAloneDedicatedControlChannel）對(duì)應(yīng)，屬于“專用”信道。相似的，MS通過PRACH（PacketRandomAccessChannel，對(duì)應(yīng)RACH）請(qǐng)求PDTCH資源（ChannelRequest），BSS通過PAGCH（PacketAccessGrantChannel，對(duì)應(yīng)AGCH）指派PDTCH資源（PacketUplinkAssignment）。

由上可見，PS尋呼和CS尋呼實(shí)現(xiàn)整體相似，最明顯的差異是尋呼響應(yīng)，以及返回的方式。在CS中，尋呼響應(yīng)是層3消息（PagingResponse），通過特定的控制信道（SDCCH）發(fā)送；在PS中，尋呼響應(yīng)可以是任意LLCPDU（除了NullLLCPDU），無論是層3消息還是業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，在底層都以相同的方式傳送。更具體的，在PS中，MS和BSS的RR實(shí)體之間，需要建立MS到BSS的上行TBF，承載作為尋呼響應(yīng)的LLCPDU。

TBF（TemporaryBlockFlow）是RR實(shí)體之間的邏輯連接，只在數(shù)據(jù)傳送時(shí)存在。在某種程度上，TBF有一點(diǎn)像EPS（EvolvedPacketSystem）的RB（RadioBearer，無線承載）——只是GPRS還沒有PDCP（PacketDataConvergenceProtocol）實(shí)體。TBF都是單向的，根據(jù)傳送方向（上行/下行）和TFI（TemporaryFlowIdentity，取值為0~31）區(qū)分。在CS中，一個(gè)MS只占用一個(gè)物理信道（SDCCH或TCH），反正多了也沒用，在PS中，一個(gè)MS可能占用多個(gè)物理信道，具體表現(xiàn)是TBF可能對(duì)應(yīng)多個(gè)PDTCH，如果網(wǎng)絡(luò)樂意，可以把物理信道資源都給一個(gè)用戶，以提升單個(gè)用戶的速率——廣告上的峰值速率都是這么算出來的。

在PS中，多個(gè)MS也可以共享同一物理信道（大丈夫，能伸能屈）。更具體的，MS在ChannelRequest攜帶標(biāo)識(shí)自己的隨機(jī)數(shù)（RandomNumber），然后監(jiān)測(cè)PAGCH，等待上行資源分配，如果PacketImmediateAssignment攜帶的隨機(jī)數(shù)和自己匹配，則認(rèn)為獲得“不完全”授權(quán)。接著，MS根據(jù)PacketImmediateAssignment攜帶的TN（TimeslotNumber）和USF（UplinkStateFlag）監(jiān)測(cè)下行鏈路，如果對(duì)應(yīng)TN的下行塊包含分配的USF，則認(rèn)為獲得“完全”授權(quán)，在上行方向?qū)?yīng)TN發(fā)送數(shù)據(jù)?？梢钥吹?，GPRS開始出現(xiàn)“上行調(diào)度”的影子。

如果ChannelRequest的建立原因（EstablishmentCause）為SingleBlockPacketAccess（二次接入方式），PAGCH分配的上行資源會(huì)用于上報(bào)MS能力（MSCapability，比如支持多時(shí)隙），BSS根據(jù)MS能力，通過PACCH再次分配上行資源（包括TLLI、ARFCN、TN、TFI和USF）。如果ChannelRequest的建立原因?yàn)镺nePhasePacketAccess（一次接入方式），則沒有這兩步，過程如上文所述。從上往下看，在MS側(cè)，如果LLCPDU（包含LLChead、LLCpayload和FCS）較大，先分段，然后封裝為多個(gè)“RLC/MAC數(shù)據(jù)塊”（包含RLC/MAChead和RLC/MACpayload）,再由TBF對(duì)應(yīng)的PDTCH傳送。再往下，每個(gè)PDTCH對(duì)應(yīng)一個(gè)“無線塊”（RadioBlock）——在PS中，無線資源的分配單位就是“無線塊”。那么，“無線塊”是什么呢？在GSM中，用于PS的物理信道（時(shí)隙）稱為PDCH。和CS的51復(fù)幀（控制）或26復(fù)幀（業(yè)務(wù)）不同，PS使用52復(fù)幀（控制+業(yè)務(wù)）。如果把連續(xù)4幀的同一時(shí)隙抽取出來，就構(gòu)成1個(gè)“無線塊”——每個(gè)“無線塊”包含4個(gè)NormalBurst（常規(guī)突發(fā)脈沖序列），最多攜帶114x4=456位信息。52復(fù)幀包含12個(gè)“無線塊”（B0~B11）。剩余52–4x12=4幀，2幀（X）為IdleFrame（空閑幀），用于識(shí)別鄰區(qū)BSIC（BaseStationIdentityCode），進(jìn)行干擾測(cè)量，2幀（T）為PTCCH（PacketTimingAdvanceControlChannel），用于傳送TA（時(shí)間提前）信息。除了PDTCH，前面提到的各種PS邏輯信道，包括PPCH，也各對(duì)應(yīng)一個(gè)“無線塊”，具體信道類型可由“RLC/MAC塊”頭部和RLC/MAC控制消息類型確定——PRACH除外（在各種移動(dòng)通信系統(tǒng)中，隨機(jī)接入信道總是與眾不同，因?yàn)閿y帶的是“信號(hào)”（隨機(jī)接入突發(fā)脈沖），而不是“數(shù)據(jù)”（常規(guī)突發(fā)脈沖））。由上，PS也有一套獨(dú)立的邏輯信道，分為業(yè)務(wù)信道和控制信道。業(yè)務(wù)信道包括上行的PDTCH/U和下行的PDTCH/D，用于傳送LLCPDU?？刂菩诺腊≒BCCH（PacketBroadcastControlChannel）、“公用”的PCCCH（PacketCommon