LTE系統中MAC層狀態研究*

文 武 ，牛丹丹

（1.重慶信科設計有限公司，重慶 400065；2.重慶郵電大學 通信新技術應用研究所，重慶 400065）

責任編輯:孫 卓

1 引言

長期演進（Long Term Evolution，LTE）是 3.9G 的全球標準，它改進并增強了3G的空中接入技術，采用OFDM和MIMO作為其無線網絡演進的唯一標準，改善了小區邊緣用戶的性能，提高小區容量，降低系統延遲，是3G與4G技術之間的一個過渡[1-3]。

媒體接入控制（Media Access Control，MAC）子層對LTE系統數據傳輸和資源配置起著重要的作用。筆者介紹了用戶端MAC層在協議分層中的位置，分析了MAC完成的功能。在終端通信的過程中，提出此過程中MAC狀態劃分的方案，并給出了狀態轉移圖。

2 MAC層結構

E-UTRA定義了兩個MAC實體，一個在用戶端，一個在E-UTRAN。MAC實體在這兩處的作用是不同的，圖1描述的是用戶端（User Equipment，UE）MAC的結構。MAC層位于數據鏈路層，向下直接與物理層連接，向上直接與無線鏈路控制（Radio Link Control，RLC）層連接。從結構圖中可以看出MAC主要完成邏輯信道的控制、不同邏輯信道的復用和邏輯信道到相應傳輸信道的映射[4]。

3 MAC的功能

UE選擇合適的小區進行正常的小區駐留時，即在收到尋呼或是高層發起呼叫之前，MAC主要功能是監聽廣播信道，維護更新服務小區的系統信息，執行鄰近小區的測量，當發現一個更好的小區或者滿足小區重選標準時就進行小區重選，MAC收到高層配置的連接建立請求消息或者需要進行業務請求，此時MAC主要功能是進行自動重傳，解讀網絡端的隨機接入響應消息[5-7]。

4 MAC層狀態劃分實現方案

基于終端，MAC層從開機到呼叫結束分為5個狀態:空（NUL）、小區選擇（SEL）、空閑和小區重選（IDL）、隨機接入（ACC）、連接（CON），這幾個狀態之間是相互轉換的。

4.1 NUL狀態

UE在剛開機、找不到任何可以駐留小區或者收到非接入層的去激活指令時，MAC都會處于NUL狀態。直至RRC請求讀取廣播消息為止，MAC將一直處于NUL狀態。UE需要合適的小區進行正常的駐留，高層就要激活低層，使各個子層處于激活狀態。MAC收到來自RRC的激活請求，就會進入SEL狀態。找不到任何可以駐留的小區，RRC要求MAC進入NUL狀態，此時MAC層釋放資源。

4.2 SEL狀態

當MAC激活就會進入正常的SEL狀態，在該狀態下，MAC主要向高層傳輸物理層解析的系統消息。為了找到一個合適的小區進行駐留，需要在指定頻點或全頻段進行搜索，尋找可用的PLMN，并在可用的PLMN上選擇合適的小區駐留，從而進入IDL狀態。RRC收完MAC發送的系統信息，就會將物理小區ID和MAC主配置發送給MAC，并指示MAC進入IDL狀態，在SEL狀態下，如果RRC要求MAC進入NUL狀態，則MAC會釋放低層資源，回到剛開機時的NUL狀態。圖2是MAC在SEL狀態下的狀態轉移情況。

4.3 IDL狀態

IDL是正常的駐留狀態，此時如果收到物理層發來的鄰近小區測量值優于當前小區，UE則會在測量值較好的鄰近小區中駐留，此時，RRC會重新配置MAC層，MAC不發生狀態躍遷，如圖3所示。

UE正常駐留，收到高層業務請求或是網絡端向UE發起的尋呼，都要進行RRC連接建立，RRC向MAC發出隨機接入請求，建立上行同步。MAC收到RRC的隨機接入請求消息，也會向物理層傳輸此消息，MAC發完該消息進入隨機接入狀態，隨機接入請求消息中包括隨機接入公共配置和專用配置信息、上行同步信息、隨機接入前導信息、上行最大傳輸功率等。

演進分組系統移動性管理 （EPS Mobility Management，EMM）丟失覆蓋，同時服務小區沒有鄰近小區信息或者由丟失覆蓋引起的小區重選失敗，RRC發送去激活消息給MAC，要求MAC釋放低層資源，進入NUL狀態。

4.4 ACC狀態

隨機接入失敗，MAC會重新回到IDL或者進入NUL狀態，下面分別說明MAC回到兩種狀態的條件:

1）MAC由ACC回到IDL的情況

（1）網絡沒有收到UE端的RRC連接建立消息。網絡端無法將RRC連接建立響應消息傳給UE，則隨機接入失敗。

（2）UE沒有收到隨機接入響應消息。隨機接入響應失敗，物理層則會發出隨機接入失敗消息，當MAC收到物理層指示，就會發出一條消息給RRC，指示隨機接入失敗。

（3）隨機接入響應成功，但競爭解決失敗的話，即UE沒有收到來自網絡端的RRC連接建立消息，則物理層會發出一條隨機接入響應失敗消息，用來指示隨機接入競爭失敗，MAC收到該消息就會向RRC發出，說明低層隨機接入競爭解決失敗。

這三種情況下，MAC都會由ACC狀態到IDL狀態，然后重新進行隨機接入，直到達到最大次數，終止隨機接入，進入NUL狀態，如圖4所示。

2）MAC由ACC到NUL的情況

（1）UE高層發起突然中斷連接請求，高層由于丟失覆蓋等原因造成的中斷連接請求。

（2）定時器 T30X（X=2，3，5）正在運行的時候發生小區重選。

（3）定時器T300超時，UE在規定的時間內沒有收到網絡的連接建立或連接拒絕消息時，T300就會超時，此時MAC也會回到NUL狀態。

如果隨機接入成功，RRC就會要求MAC進入正常連接狀態，RRC會配給MAC小區、RB標識和上行共享配置。

4.5 CON狀態

隨機接入成功，UE進入正常的連接狀態。在正常的連接狀態下，用戶的移動性可能造成小區間的切換，當有切換存在時，RRC重新配置MAC，使其仍然處于正常的連接狀態，連接重配置成功，RRC也會重新配置MAC。

在正常的連接情況下，連接重配置失敗、完整性失敗或者切換失敗都會造成UE重新回到小區SEL狀態，RRC就會指示MAC釋放低層資源回到NUL狀態。C O N狀態轉移如圖5所示。

5 小結

對用戶端MAC狀態進行了研究，UE從開機到呼叫結束，MAC經歷了5個狀態。筆者詳細分析了各個狀態相互轉換的條件，便于MAC數據傳輸和資源管理，為RLC到物理層正常過渡提供了橋梁，有助于LTE系統功能實現。

[1]張克平.LTE-B3G/4G移動通信系統無線技術[M].北京:電子工業出版社，2008.

[2]沈嘉，索士強，全海洋，等.3GPP長期演進技術原理與系統設計[M].北京:人民郵電出版社，2008.

[3]LESCUYER P，LCUIDARME T.演進分組系統（EPS）:3G UMTS 的長期演進和系統結構演進[M].北京:機械工業出版社，2009.

[4]3GPP.TS 36.321 V8.7.0，3rd generation partnership project；technical specification group radio access network；Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）Medium Access Control（MAC）protocol specification[S].2009.

[5]3GPP.TS 36.3003GPP.TS 36.300 V8.7.0，3rd generation partnership project； technical specification group radio access network；Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN）[S].2008.

[6]3GPP.TS 36.331 V8.7.0，3rd generation partnership project；technical specification group radio access network；Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）Radio Resource Control （RRC）[S].2009.

[7]3GPP.TS 36.133 V8.7.0，3rd generation partnership project；technical specification group radio access network；Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）requirements for support of radio resource management[S].2009.