詳解LTE MAC層

1、LTE MAC層E-UTRA提供了兩種MAC實(shí)體，一種是位于UE的MAC實(shí)體，一種是位于E-UTRAN的MAC實(shí)體。UE的MAC實(shí)體與E-UTRAN的MAC實(shí)體執(zhí)行不同的功能，圖33從UE的角度給出一種MAC實(shí)體結(jié)構(gòu)。MAC結(jié)構(gòu)和功能E-UTRA提供了兩種MAC實(shí)體，一種是位于UE的MAC實(shí)體，一種是位于E-UTRAN的MAC實(shí)體。UE的MAC實(shí)體與E-UTRAN的MAC實(shí)體執(zhí)行不同的功能，圖1從UE的角度給出一種MAC實(shí)體結(jié)構(gòu)。根據(jù)圖1，UE側(cè)MAC層功能包括以下幾個部分。（1）邏輯信道與傳輸信道之間的映射。（2）將來自一個或多個邏輯信道的MACSDU復(fù)用到一個傳輸塊（TB），通過傳輸信道發(fā)

2、給物理層。（3）將一個或多個邏輯信道的MACSDU解復(fù)用，這些SDU來自于物理層通過傳輸信道發(fā)送的TB。（4）調(diào)度信息上報(bào)。（5）通過HARQ進(jìn)行錯誤糾正。（6）通過動態(tài)調(diào)度在UE之間進(jìn)行優(yōu)先級操作。（7）同一個UE的邏輯信道間進(jìn)行優(yōu)先級的操作。（8）邏輯信道優(yōu)先級排序。（9）傳輸格式選擇。圖1UE側(cè)MAC實(shí)體結(jié)構(gòu)信道及信道映射MAC涉及的信道結(jié)構(gòu)包括3方面內(nèi)容：邏輯信道、傳輸信道和邏輯信道與傳輸信道之間的映射。傳輸信道是MAC層和物理層的業(yè)務(wù)接入點(diǎn)，邏輯信道是MAC層和RLC層的業(yè)務(wù)接入點(diǎn)。傳輸信道包括以下這些。下行方向：BCH，廣播信道；DL-SCH，下行共享信道；PCH，尋呼信道；MCH

3、，多播信道。上行方向：UL-SCH，上行共享信道；RACH，隨機(jī)接入信道。邏輯信道分為業(yè)務(wù)信道和控制信道，其中控制信道包括以下這些。BCCH，廣播控制信道；PCCH，尋呼控制信道；CCCH，公共控制信道；MCCH，多播控制信道；DCCH，專用控制信道。業(yè)務(wù)信道包括以下這些。DTCH，專用業(yè)務(wù)信道；MTCH，多播業(yè)務(wù)信道。上行信道映射如圖2所示。圖2上行信道映射下行信道映射如圖3所示。圖3下行信道映射隨機(jī)接入過程3.1隨機(jī)接入過程產(chǎn)生的原因和分類LTE系統(tǒng)的隨機(jī)接入過程產(chǎn)生的原因包括以下幾種。（1）從RRC_IDLE狀態(tài)接入。（2）無線鏈路失敗發(fā)起隨機(jī)接入。（3）切換過程需要隨機(jī)接入。（4）UE

4、處于RRC_CONNECTED時有下行數(shù)據(jù)到達(dá)。（5）UE處于RRC_CONNECTED時有上行數(shù)據(jù)到達(dá)。異步隨機(jī)接入根據(jù)隨機(jī)接入過程的不同分為2種：基于競爭的隨機(jī)接入和無競爭的隨機(jī)接入。即如果前導(dǎo)碼（Preamble）由UE的MAC選擇，則為基于競爭的隨機(jī)接入；如果Preamble由控制信令分配，則為無競爭的隨機(jī)接入，上述5種隨機(jī)接入的原因中只有切換和有下行數(shù)據(jù)到達(dá)可以使用無競爭隨機(jī)接入過程。用于競爭的Preambles和無競爭的Preambles歸屬不同的分組，互不沖突。LTE系統(tǒng)將基于競爭的隨機(jī)接入過程作為研究重點(diǎn)。3.2隨機(jī)接入過程分析和比較基于競爭的隨機(jī)接入過程如圖4所示。1隨機(jī)接入

5、過程初始化以及Msg1的發(fā)送隨機(jī)接入過程初始化由PDCCH命令或MAC子層發(fā)起。如果UE在PDCCH上接收到通過其C-RNTI尋址的PDCCH命令，UE初始化隨機(jī)接入過程。PDCCH命令或RRC指示隨機(jī)接入過程進(jìn)行資源選擇時用到Preamble索引ra-PreambleIndex，該索引共64個；以及物理層隨機(jī)接入信道索引ra-PRACH-MaskIndex，該索引共16種。在隨機(jī)接入過程初始化之前，可以獲知如下信息。（1）用于發(fā)送隨機(jī)接入Preamble的PRACH資源，prach-ConfigurationIndex。（2）隨機(jī)接入Preamble分組（A組和B組，可能不存在B組）以及每組

6、中可用的隨機(jī)接入Preamble。A組和B組及其中的Preamble各自關(guān)系如圖5所示。圖4基于競爭的異步的隨機(jī)接入過程圖5隨機(jī)接入Preambles組示意圖如果sizeOfRA-PreamblesGroupA=numberOfRA-Preambles，則不存在B組。A組中的preamble由0到sizeOfRA-PuesmblesGuoupA1；如果存在B組，則B組中的preamble由sizeOfRA-PuesmblesGuoupA到numberOfRA-Preambles1。如果隨機(jī)接入Preamble存在B組，則在以下幾個條件的約束下，在兩組preamble中選定一組。需考慮的約束條件

7、包括：兩個門限值，即messagePowerOffsetGroupB和messageSizeGroupA，配置的UE發(fā)送功率PCMAX，以及preamble與Msg3之間的偏移deltaPreambleMsg3。（3）隨機(jī)接入響應(yīng)窗口大?。╮a-ResponseWindowSize）。（4）功率遞增因子（powerRampingSiep）。（5）Preamble最大發(fā)送次數(shù)（preambleTransMax）。（6）Preamble初始功率（preambleInitialReceivedTargetPower）。（7）基于偏移量DELTA_PREAMBLE的preamble格式。（8）Msg3

8、最大HARQ發(fā)送次數(shù)（maxHARQ-Msg3Tx）。（9）競爭解決定時器（mac-ContentionResolutionTimer）。隨機(jī)接入初始階段UE完成如下過程。（1）清空Msg3緩存。（2）將PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER置為1。（3）將UE保存的backoff參數(shù)值置為0ms。（4）進(jìn)入隨機(jī)接入資源選擇階段。在隨機(jī)接入資源選擇階段，UE完成以下過程。（1）如果ra-PreambleIndex和ra-PRACH-MaskIndex通過PDCCH或RRC信令顯示指示，并且ra-PreambleIndex不為000000，即該隨機(jī)過程為無競爭的，那么認(rèn)為隨機(jī)

9、接入Preamble和PRACHMASKIndex為信令指示的值。否則，隨機(jī)接入Preamble由UE按如下過程選擇。如果還沒有發(fā)送Msg3，那么如果隨機(jī)接入groupB存在，并且如果可用數(shù)據(jù)與MAC頭以及MAC控制單元之和大于messageSizeGroupA，并且路損小于那么選擇B組中的隨機(jī)接入Preamble；否則，選擇A組。如果Msg3重傳，那么UE選擇Msg3第一次發(fā)送所用的隨機(jī)接入Preamble分組。在選擇的隨機(jī)接入Preamble分組中隨機(jī)選擇一個隨機(jī)接入Preamble，隨機(jī)選擇需要保證每個隨機(jī)接入Preamble被選擇的概率相同。設(shè)PRACHMaskIndex為0。（2）根

10、據(jù)prach-ConfigIndex和thePRACHMaskIndex的限制，確定下一個配置了可用PRACH的子幀。如果當(dāng)前為TDD系統(tǒng)，并且PRACHMaskIndex=0（所有的PRACH資源均可用）。（a）如果ra-PreambleIndex由信令顯示指示，并且其值不為000000，即當(dāng)前隨機(jī)過程為無競爭的隨機(jī)過程，則在選定的子幀中等概率隨機(jī)選擇一個PRACH。（b）如果ra-PreambleIndex由MAC隨機(jī)選擇，即當(dāng)前隨機(jī)過程為基于競爭的隨機(jī)過程，則在選定的子幀及其后兩個連續(xù)的子幀中，隨機(jī)選擇一個PRACH，每個PRACH資源被選擇的概率要保證均等。如果當(dāng)前為FDD系統(tǒng)，或者T

11、DD系統(tǒng)PRACHMaskIndex不為0的情況，根據(jù)PRACHMaskIndex在選定的子幀中選擇一個PRACH。在選擇的PRACH上發(fā)送隨機(jī)接入Preamble。進(jìn)入Msg1發(fā)送過程的UE，進(jìn)行如下處理。（1）設(shè)置PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER為（2）指示物理層用選擇的PRACH資源，根據(jù)6比特的ra-PreambleIndex發(fā)送隨機(jī)接入Preamble，同時指示該UE的RA-RNTI和PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER。2隨機(jī)接入Msg2的接收Msg2即隨機(jī)接入響應(yīng)（RAR），是對Msg1的響應(yīng)。UE通過窗口機(jī)制控制Msg2的接收

12、。忽略可能的測量gap，由發(fā)送Msg1的子幀起加上3個子幀作為窗口的起始點(diǎn)，UE開始監(jiān)聽PDCCH上通過其RA-RNTI的尋址，進(jìn)行Msg2的接收；經(jīng)過ra-ResponseWindowSize子幀，認(rèn)為到達(dá)窗口結(jié)束點(diǎn)，停止Msg2的接收。RA-RNTI按下式計(jì)算。其中，t_id為PRACH資源的第一個子幀的索引，0t_id<10；f_id為發(fā)送Msg1的PRACH資源的頻域升序的索引，0f_id<6。在Msg2的接收窗口內(nèi)，如果UE成功接收RAR，即RAR中攜帶的隨機(jī)接入Preamble索引與Msg1的發(fā)送一致，則停止監(jiān)聽RAR。對于當(dāng)前TTI在PDCCH上通過UE的RA-RNT

13、I尋址被接收的下行分配，如果成功解碼接收的TB，UE應(yīng)忽略可能的測量gap，進(jìn)行以下處理。（1）如果RAR中包含一個BI子頭（詳見3.3.10.2節(jié)），那么按照BI子頭中的BI域指示的值來設(shè)置UE的回退參數(shù)。（2）如果RAR中沒有包含BI子頭，則將UE的回退參數(shù)設(shè)為0。（3）如果RAR中包含的RAPID與發(fā)送Msg1時MAC指示給物理層的Preamble索引相同。UE認(rèn)為RAR接收成功。按以下過程處理接收到的定時提前命令。（a）如果隨機(jī)接入Preamble不是由UEMAC選擇，那么應(yīng)用當(dāng)前接收的定時提前命令；啟動或重啟定時器timeAlignmentTimer。（b）如果隨機(jī)接入Preambl

14、e由UEMAC選擇，并且定時器timeAlignmentTimer沒有計(jì)時，那么應(yīng)用當(dāng)前接收的定時提前命令；啟動定時器timeAlignmentTimer；當(dāng)確認(rèn)競爭解決失敗時，停止定時器timeAlignmentTimer。（c）如果隨機(jī)接入Preamble由UEMAC選擇，并且定時器timeAlignmentTimer正在計(jì)時，則忽略當(dāng)前接收的定時提前命令。將preambleInitialReceivedTargetPower以及最后一次preamble發(fā)送使用的功率爬坡量指示給物理層。處理接收的上行資源授權(quán)并將該授權(quán)指示給物理層。如果ra-PreambleIndex通過信令顯式通知，并且

15、該參數(shù)不為000000，即當(dāng)前隨機(jī)過程為無競爭的隨機(jī)過程，那么認(rèn)為該隨機(jī)接入過程已成功完成。隨機(jī)接入Preamble由UEMAC層選擇，即當(dāng)前隨機(jī)過程為基于競爭的隨機(jī)過程，完成以下過程。（a）在進(jìn)行Msg3的首次發(fā)送前將接收到的RAR中分配的臨時C-RNTI（TemporaryC-RNTI）設(shè)置為UEID。（b）如果當(dāng)前接收的RAR為本次隨機(jī)接入過程中的首次成功接收，完成以下過程。如果本次隨機(jī)接入過程的觸發(fā)原因不是邏輯信道CCCH上有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則在Msg3發(fā)送時，將C-RNTIMAC控制單元包括進(jìn)復(fù)用和裝配實(shí)體中。由復(fù)用和裝配實(shí)體獲取MACPDU，并將其存儲在Msg3的緩存中。考慮到隨機(jī)接

16、入過程可能的觸發(fā)原因，以及各種觸發(fā)原因?qū)?yīng)的Msg3格式，RAR中提供的上行資源授權(quán)不應(yīng)小于56比特。如果RAR接收窗口結(jié)束，UE都沒有收到RAR，或者UE收到的RAR中攜帶的RAPID與其發(fā)送的Preamble索引都不相符，則認(rèn)為本次隨機(jī)接入過程失敗，UE進(jìn)行以下操作。（1）將PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER加1。（2）如果PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER已達(dá)到最大值，則向高層報(bào)告隨機(jī)接入失敗。（3）如果本次隨機(jī)接入過程的隨機(jī)接入Preamble由UEMAC選擇，完成以下過程。根據(jù)UE保存的回退參數(shù)，在0和回退參數(shù)值之間，隨機(jī)選擇一個回退值

17、；按照選擇的回退值延遲下一次隨機(jī)接入的發(fā)送。（4）按照上節(jié)的資源選擇過程，進(jìn)行隨機(jī)接入資源選擇。3隨機(jī)接入Msg4的接收Msg4主要用于競爭解決。當(dāng)多個UE同時在物理資源使用相同的preamble發(fā)起隨機(jī)接入時，就會發(fā)生競爭，而此時競爭相同資源的UE最多只有一個UE能夠接入成功，因此為盡快解決UE之間的競爭，對Msg4接收可靠性的要求就比較高。Msg4采用特殊的HARQ過程，即UE接收到Msg4并檢測到Msg4中包含有自己的UEID（C-RNTI或Msg2中分配的TemporaryC-RNTI）時才給eNB發(fā)送ACK反饋，如果沒有自己的UEID則不發(fā)送ACK反饋。同時，LTE競爭解決機(jī)制在MA

18、C層引入MACCR（ContentionResolution，競爭解決）定時器。根據(jù)上述分析，在競爭解決的過程中，eNB首先通過Msg2中給UE分配的TemporaryC-RNTI尋址或通過在DL-SCH發(fā)送UEC-RNTI競爭解決ID的方式完成競爭解決。被尋址的UE（發(fā)送Msg3時啟動CR定時器，如果此時CR定時器沒有超時）檢測Msg4中是否包含自己的UEID。如果有，則向eNB發(fā)送ACK，并認(rèn)為隨機(jī)接入成功，將Msg2中分配的TemporaryC-RNTI作為C-RNTI；如果UE檢測到Msg4包含的UEID與自己的UEID不同，則認(rèn)為競爭失敗，刪除TemporaryC-RNTI，并根據(jù)是

19、否采用回退機(jī)制確定下一次隨機(jī)接入的時機(jī)。一旦Msg3發(fā)送，則UE進(jìn)行如下操作。（1）啟動或在每次Msg3重傳時重啟mac-ContentionResolutionTimer，該定時器用于限定競爭解決的時間。（2）不考慮可能存在的測量gap，在mac-ContentionResolutionTimer超時或由于競爭解決成功而停止之前，保持監(jiān)聽PDCCH。（3）如果物理層通知接收到PDCCH上的發(fā)送，則UE進(jìn)行如下判決。如果在Msg3中攜帶了C-RNTIMAC控制單元，即認(rèn)為該UE處于RRC連接狀態(tài)，并且如果隨機(jī)接入過程由MAC層發(fā)起，以及在PDCCH上通過UE的C-RNTI尋址，同時為新數(shù)據(jù)發(fā)送

20、分配了上行資源授權(quán)；或者如果隨機(jī)接入過程由PDCCH命令發(fā)起，以及在PDCCH上通過UE的C-RNTI尋址，那么認(rèn)為本次競爭解決成功，同時停止mac-ContentionResolutionTimer、丟棄TemporaryC-RNTI、認(rèn)為本次隨機(jī)接入過程成功完成。如果在Msg3中攜帶CCCHSDU，即Msg3發(fā)送了RRC連接建立或重建請求，并且在PDCCH上通過UE的TemporaryC-RNTI尋址。如果MACPDU成功解碼，則進(jìn)行如下操作。（a）停止mac-ContentionResolutionTimer。（b）如果接收的MACPDU中帶有一個UEContentionResoluti

21、onIdentityMAC控制單元，并且如果UEContentionResolutionIdentityMAC控制單元中的消息內(nèi)容與Msg3中發(fā)送的CCCHSDU相符，那么認(rèn)為本次競爭解決成功，同時完成MACPDU的解裝配和解復(fù)用過程、將TemporaryC-RNTI設(shè)為該UE的C-RNTI、丟棄TemporaryC-RNTI、認(rèn)為本次隨機(jī)接入過程成功完成。（c）其他情況，UE丟棄保存的TemporaryC-RNTI，并且認(rèn)為本次競爭解決失敗，丟棄成功解碼的MACPDU。（4）如果mac-ContentionResolutionTimer超時UE仍沒有收到Msg4的情況，進(jìn)行如下操作。丟棄Te

22、mporaryC-RNTI。認(rèn)為競爭解決失敗。（5）如果競爭解決失敗，UE進(jìn)行如下處理。清空HARQ緩存，該緩存用于存儲Msg3的MACPDU。將PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER加1。如果已到達(dá)最大發(fā)送次數(shù)，即，則向高層上報(bào)隨機(jī)接入問題。根據(jù)UE保存的回退參數(shù)，在0和回退參數(shù)值之間，按照平均分布隨機(jī)選擇一個回退值。按照選擇的回退值延遲下一次隨機(jī)接入的發(fā)送。按照3.3.3.2節(jié)的過程，選擇隨機(jī)接入資源。成功完成隨機(jī)接入過程的UE應(yīng)進(jìn)行如下操作。（1）如果在隨機(jī)接入初始化階段由PDCCH命令或RRC顯式指示了ra-PreambleIndex和ra-PRACH-MaskIn

23、dex，則丟棄上述兩個值。（2）清空HARQ緩存，該緩存用于存儲Msg3的MACPDU。維持上行同步UE通過一個配置的定時器timeAlignmentTimer來控制其上行同步保持的時間。除了在隨機(jī)接入過程中會用到該定時器外，該定時器還有以下應(yīng)用過程。（1）當(dāng)接收到一個定時提前命令MAC控制單元時，UE應(yīng)完成以下過程。應(yīng)用接收到的定時提前命令。啟動或重啟定時器timeAlignmentTimer。（2）當(dāng)定時器timeAlignmentTimer超時，UE應(yīng)完成以下過程。清空所有HARQ緩存。通知RRC釋放PUCCH/SRS的配置。釋放所有配置的下行資源分配和上行資源授權(quán)。數(shù)據(jù)傳輸5.1下行數(shù)

24、據(jù)傳輸E-UTRAN在每個下行TTI內(nèi)通過PDCCH給UE動態(tài)分配資源（包括PRB和MCS），UE識別通過C-RNTI實(shí)現(xiàn)。非DRX狀態(tài)下，UE持續(xù)監(jiān)聽PDCCH以確定是否有針對它的調(diào)度信令。在下行方向，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)位于eNB，eNB可以準(zhǔn)確地知道每個UE、每個RB對應(yīng)的緩沖區(qū)數(shù)據(jù)量，因此一般采用基于RB的調(diào)度，以便于更好地滿足RB的QoS要求。E-UTRAN還可以為UE的HARQ進(jìn)程的初始傳輸分配預(yù)定義下行資源，重傳則通過PDCCH調(diào)度。在有預(yù)定義資源的子幀內(nèi)，UE如果沒有監(jiān)聽到PDCCH通過其C-RNTI尋址的調(diào)度信令，則按預(yù)定義資源分配來接收下行數(shù)據(jù)；否則，按PDCCH指示接收下行數(shù)據(jù)，即調(diào)度信令優(yōu)先于預(yù)定義資源分配。5.2