LTE系統MAC協議標準研究及軟件系統設計

王遠鴻 黃 伊 石晶林

【摘要】文章分析了LTE協議棧MAc層功能及相關過程，基于對LTE MAc層關鍵過程的分析，設計了LTE MAc層軟件系統。該系統簡潔高效，具有良好的可移植性和可擴展性。

【關鍵詞】LTEMAc隨機接八過程HARQPDCCH

1引言

LTE(Long Te rm EvoIution)是3GPP(The 3 rdGeneratiorl Partnership Project)標準化組織設立的一個無線移動通信系統演進計劃，其系統設計目標已經成為3G移動通信系統的主流演進方向。在LTE協議棧層次結構中，媒體接入控制(MAC，Media Access Control)層是LTE系統空中接口協議規范的主要組成部分之一。MAc層信道設計相比以往系統更加簡潔，取消了專用信道，不再保留廣播媒體控制層；減少了MAC層的實體類型。使用上／下行共享信道完成所有共享數據傳輸。另外，LTE接入系統應滿足用戶面延遲小于5ms、控制面延遲小于100ms的要求。

在實現MAC系統的過程中，要完成這些關鍵指標，必須深入分析LTE空口協議棧以及MAC層協議的特性。并根據分析結果進行合理設計。

圖1所示為LTE系統中用戶面協議棧結構，包括物理層(PHY)、媒體接入控制(MAC)層、無線鏈路控制(RLC)層、分組數據匯聚協議(PDCP)層。RLC層與MAC層的數據接口為邏輯信道，MAC層與PHY層的數據接口為傳輸信道，MAC層需要完成邏輯信道到傳輸信道的映射、數據包復用和解復用、資源調度、混合自動重傳請求控制以及隨機接入等功能。

LTE協議標準中定義了兩個MAC實體，分別位于空口兩側，MAC需要針對不同的傳輸信道設計處理流程。在LTE Rel-8中，MAC實體處理的傳輸信道有：廣播信道(BCH)，下行共享信道(DL-SCH)，尋呼信道(PCH)，上行共享信道(UL-SCH)，隨機接入信道(RACH)；邏輯信道有：尋呼控制信道(PCCH)，廣播控制信道(BCCH)，公共控制信道(CCCH)，專用控制信道(DCCH)，專用傳輸信道(DTCH)。邏輯信道與傳輸信道的映射關系如圖2所示：

MAC實體需要完成MAC SDU和MAC PDU之間的復用和解復用、不同uE之間優先級和同一UE(User Equipment)不同邏輯信道之間優先級的處理。以及對物理層傳輸格式、混合自動重傳請求信息的選擇和控制。

本文接下來對MAC層中的隨機接入過程、共享信道傳輸過程、動態與半持續調度方式等關鍵技術進行分析。

2.1隨機接入過程

空閑狀態下的UE如果需要與e-Node B之間傳輸數據，就必須通過隨機接入過程轉換到連接狀態。通過隨機接入。UE實現上行同步并獲取在小區內的唯一標識，從而與e-Node B進行后續通信；另外，UE可以通過隨機接入來獲取上行授權或進行上行同步。

LTE中的隨機接入分為競爭的隨機接入和非競爭的隨機接入兩種。如圖3，兩種隨機接入的區別是：競爭的隨機接入過程初始發送的前導碼和使用的隨機接入信道(PRACH)資源是UE隨機選擇的。而非競爭的隨機接入過程使用e-Node B指定的前導碼和PRACH資源。

非競爭的隨機接八分為三步：

(1)第一步，e-Node B通過RRC信令或PDCCH配置隨機接入過程中UE使用的前導碼和PRACH資源；

(2)第二步。UE根據配置的前導信息發送前導碼，進行隨機接入；

(3)第三步，e-Node B根據收到的前導信息進行隨機接入響應，如果當前負載允許，e-Node B將發送RAR MACPDU，其中的SDU包括UE使用的前導碼索引。UE收到與第二步中前導信息一致的RAR MAC PDU就完成了隨機接入。

競爭的隨機接入分為四步：

(1)第一步，UE隨機選擇前導碼，并選擇可用的隨機接入信道資源進行發送；

(2)第二步，e-Node B根據負載情況進行隨機接入響應。如果UE所使用的前導信息包含在反饋的RAR MAC PDU中，則可以進行第三步；

(3)第三步，UE根據第二步中收到的上行授權發送一個MAC PDU，根據發起隨機接入的原因，該PDU可能包含RRC信令或UE之前的C-RNTI；

(4)第四步，進行競爭解決。

UE和e-Node B的MAC實體均應支持兩種隨機接入方式，隨機接入過程與上行同步過程、上行授權過程緊密相連，e-Node B端需要統一考慮上行資源與隨機接入資源的分配。

2.2HARQ共享信道傳輸

LTE-TDD系統為時分雙工系統，一個10ms的系統幀中包括10個1ms的子幀，分為上行子幀、下行子幀和特殊子幀，特殊子幀用于上下行子幀切換。

上行傳輸中，TDD系統中e-Node B通過上行調度器對每一個上行子幀進行資源調度，調度結果通過下行子幀的物理下行控制信道(PDCCH)上的下行控制信息(DCI)格式0告知UE。

共享信道的數據傳輸采用前向糾錯編碼和自動重傳請求機制相結合的混合自動重傳請求機制(HARQ)來保證。如果共享信道上傳輸的數據發生錯誤，需要進行混合自動重傳。

LTE中的上行數據傳輸采用N通道同步HARQ，支持自適應的HARQ和非自適應的HARQ。采用N個通道避免了只使用一個通道時浪費在等待反饋上的時間，每次可以采用一個通道進行傳輸，在收到確認信息(ACK)前，可以使用空閑的通道進行后續數據塊的傳輸。所謂同步HARQ就是指多個通道的選擇按照固定的順序進行輪轉。不需要事先通告對端本次傳輸所采用的通道編號。自適應的HARQ是指e-Node B可以根據信道狀況調整上行數據傳輸格式；非自適應的HARQ重傳則發生于uE收到NACK后，此時UE自動進行重傳。不需要e-Node B發送調度信息，傳輸的數據塊不改變傳輸格式，只根據規定的順序改變所采用的重傳冗余版本(RV)。

LTE系統的下行傳輸也采用HARQ機制，不過是異步HARQ傳輸，即每次傳輸采用的HARQ的通道需要e-Node B告知UE，下行重傳也需要e Node B發送下行分配信息進行控制。如果解碼成功，UE需要反饋ACK，否則需要反饋NACK。

MAC層需要控制共享信道上的上下行HARQ過程，支持上行同步HARQ、下行異步HARQ兩種機制，e-Node B端需要支持HARQ多通道調度以及相關HARQ信息的設置。

2.3動態調度與半持續調度

所謂動態調度，是指每一個TTI的上下行資源調度均通過物理下行控制信道上的下行控制信息來指示。上行動態調度用PDCCH DCIO來表示，通常提前4至6個子幀由e-Node B發送給UE，具體的子幀對應關系根據上下行子幀配比而定，見圖4。下行動態調度在當前下行子幀的PDCCH

中給出。

動態的上下行調度機制不利于保證VolP這樣的業務的服務質量，LTE提出Semi-Persistent Scheduling(SPS，半持續調度)來更好地滿足這樣小數據包、持續性傳輸的業務需求。上層配置SPS啟用后，UE將周期性地獲得上行或下行資源，而不必每次傳輸都依賴控制信道上的上行授權或是下行分配信息。

如果要啟用SPS，需要通過PDCCH上的控制信息來激活／重激活SPS；當不需要SPS時，可以通過PDCCH或其他方式來釋放SPS資源。SPS調度后的數據依然通過原有的傳輸信道傳輸。

如果需要釋放對UE的SPS資源分配，可以通過隱式或顯式的方式。顯示的方式使用PDCCH上的控制消息，上行使用DCIO，下行使用DCI 1A。隱式的釋放方式是，當連續n個上行子幀的數據包沒有實際數據時，釋放SPS配置。

3LTE MAC層設計

MAC層的功能可分為數據傳輸和無線接入控制兩個部分：傳輸部分負責邏輯信道到傳輸信道的映射，完成數據復用，解復用、MAC PDU收發等功能；控制部分則涉及隨機接入控制、上下行調度、功率控制、時間調整等多個方面。

LTE MAC軟件系統實現具有以下特點：

◆將依賴于操作系統的部分統一到操作系統抽象層。提高系統的軟件平臺兼容性；

◆加2kMAC底層，使MAC核心處理與PHY實體特性無關，易于硬件平臺移植；

◆模塊化設計降低系統間耦合度，易于系統維護和擴展：

◆結合TDD系統特性。獨立時序邏輯管理，簡化模塊內時序處理。便于兼容FDD系統。

本文設計了滿足LTE Rel-8協議的MAC層系統，系統結構見圖5，包括LowMAC子系統、MAC管理子系統、數據收發子系統、調度子系統四個部分。

(1)LowMAC子系統

該子系統完成對底層硬件平臺的屏蔽和PHY操作的封裝，完成TDD系統時序管理。通過LowMAC子系統，MAC核心部分可以透明地訪問特定接口。

(2)MAC管理子系統

主要包括MAC管理模塊、隨機接入模塊、信道測量模塊、RNTI管理模塊、DRX管理模塊。完成接收高層配置、物理層配置、接收／發送控制單元信息等。

◆MAC管理模塊：完成MAC配置／重配置、MAC層參數管理。

◆隨機接入模塊：完成競爭和非競爭隨機接入各步驟，e-Node B端需要管理隨機接八資源。

◆功率控制模塊：UE端完成PHR構造和發送，e-Node B端處理收到的PHR，發送UE上行功率控制信息。

◆RNTI管理模塊：UE端完成C—RNTl、Semi—Pe rsistent c-RNTI、Tempora ry c-RNTI等的管理，e-Node B端完成小區內RNTl分配、收回等管理功能。

◆DRX模塊：完成兩端DRX周期同步，e Node B端完成對UE的DRX周期調度和控制。

(3)數據收發子系統

由四個部分構成。包括MAC接收模塊、MAC發送模塊、PDU生成模塊以及HARQ控制模塊，主要實現數據的接收發送功能，完成MAC PDU的構造與解析。

◆MAC接收模塊：接收來自底層的信息，完成PDU解析。

◆MAC發送模塊：組織各傳輸信道數據，完成共享傳輸信道上MAC PDU和其他傳輸信道上數據的發送。

◆PDU生成模塊：按照調度結果。構造符合傳輸塊大小要求的MAC PDU。

◆HARQ模塊：管理多HARQ進程上的傳輸塊接收發送狀態，負責傳輸反饋的接收和發送，實現半持續調度和動態調度對HARQ進程的共享。

(4)調度子系統

包括上行調度模塊和下行調度模塊(UE端無下行調度模塊)，分別完成上行和下行調度。e-Node B端的調度子系統是MAC層的核心系統，我們設計了若干核心算法保證調度結果的高效、公平。UE端的調度子系統處理來自物理下行控制信道的動態調度資源、半持續調度資源和隨機接入反饋中的上行授權，并根據這些授權資源進行邏輯信道調度。

該UE端和eNB端的MAC系統，能成功運行于LTE核心協議棧軟件中。測試表明。此系統支持功能如表1所列：

4總結與展望

本文在對LTE MAC層協議進行深入分析的基礎上，設計了MAC軟件系統。該系統遵循當前版本的LTE協議，具有高效性、可移植性和可擴展性等特點。下一步的工作重點是完善和豐富MAC系統中的核心算法，同時進一步完善MAC底層封裝子系統，進行實際系統測試，使其能穩定運行于實際物理平臺。