LTE系統MAC復用實體研究與設計

(重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065)

1 引 言

LTE項目是近年來3GPP啟動的最大的新技術研發項目，是未來移動通信發展的重要方向[1]。當前，我國的TD-SCDMA演進標準LTE-TDD，將是未來幾年的實施重點，工業和信息化部、發改委、科技部相繼啟動了相關工作以推動LTE技術和產業發展，保證向未來第四代移動通信系統的平滑演進。

目前LTE的主要規范已基本完成，現共有NTT DoCoMo、Verizon Wireless、TeliaSonera、Telstra等12家一流運營商宣布將在2010年開始部署LTE。在LTE系統中，由于MAC層位于RRC和物理層之間起到一個承上啟下的功能，MAC層所處位置也決定了其重要作用，其復用實體會顯得尤為重要，MAC層通過邏輯信道為RLC層和RRC提供數據傳輸功能，PHY通過傳輸信道為MAC層提供數據傳輸服務，MAC將負責上下行邏輯信道映射到傳輸信道，在映射中各個邏輯信道如何復用到傳輸信道上面，即傳輸信道如何承載不同類型的數據傳輸業務，并按照PDCCH所指示的傳輸格式進行傳輸，尤其處于連接模式下。基于以上思路，本文展開了對MAC層復用實體的研究，并給出相應的算法與數據支撐，保證各個無線承載數據有效組裝。

2 復用功能實體

MAC通過邏輯信道和RLC進行信令、數據交互，根據不同的數據類型，進行邏輯信道的劃分，大致分為兩類：控制信道和業務信道。控制信道包括廣播控制信道(BCCH)、尋呼控制信道(PCCH)、公共控制信道(CCCH)、專用控制信道(DCCH)、專用業務信道(DTCH)，業務信道主要為專用業務信道(DTCH)。在數據的傳輸，上下行的信道復用結構如圖1和圖2所示。

圖1 下行信道復用Fig.1 Downlink channel multiplexing

圖2 上行信道復用Fig.2 Uplink channel multiplexing

從功能圖可以看出，MAC要完成邏輯信道和傳輸信道的映射，除了PCCH與PCH信道能夠一一對應，并不是每條邏輯信道都能和唯一一條傳輸信道對應，那么在信道映射中不可避免要涉及邏輯信道數據如何復用到傳輸信道上。而在上行數據傳輸時，各個邏輯信道數據復用到傳輸信道，是MAC層實現的一個重要功能，也是支持數據并行傳輸的重要手段。如何實現各個邏輯信道數據復用，也是本文重點研究的內容。

3 復用功能設計

3.1 復用原則

如何實現MAC實體的復用功能，一個簡單方法便是按照邏輯信道優先級為每個無線承載提供服務，以此來決定生成的MAC PDU中包含哪些邏輯信道的數據，以及不同邏輯信道包含的數據總量。根據這一原則，優先級高的邏輯信道的數據優先包含在MAC PDU中[2]，接下來次高優先級的數據，直至沒有數據待發送或者填滿分配的傳輸資源塊。

雖然這種方法會實現復用的目的，也在第三代移動通信中有所應用，而在LTE中，并沒有先前專用信道的概念，取而代之的是共享信道，用戶之間共享資源。在分配資源一定時，低優先級的無線承載有可能沒有機會獲得服務，尤其當高優先級的數據占據了所有分配的資源時。為避免這種情況，在LTE復用中引入參量優先比特率(Prioritised Bit Rate，PBR)，即在給邏輯信道分配資源前為各個邏輯信道配置的數據速率。

在復用時，同時考慮邏輯信道優先級和PBR，既可實現復用的目的，又避免了高優先級的無線承載獨占資源。雖然依然按邏輯信道優先級獲得資源，但包含在MAC PDU中的邏輯信道數據總量在開始就限制在PBR有關的數據量上。當且僅當所有的邏輯信道都已經根據PBR獲得服務，接下來如果MAC PDU還有剩余空間，每個邏輯信道會根據優先級的降序再次得到服務。

如果邏輯信道優先級相同，服務等級相同也體現在這個地方。

3.2 復用設計

按照復用原則，需考慮的是各個邏輯信道如何按照信道優先級，同時兼顧PBR，有效完成復用。下面在滿足協議規范的前提下，給出復用設計的具體步驟，包括復用涉及的算法設計、展開資源分配完成復用的具體過程。

3.2.1復用算法tokenbucket

在信道復用過程，為了匹配各個邏輯信道的數據，達到有效復用的目的，需要相應的算法支持，在此采用token bucket(令牌桶)算法實現上述功能。該算法的基本思想是基于令牌桶中是否存在令牌來指示什么時候可以發送流量，達到控制組裝在MAC PDU中各個邏輯信道數據流量。在給出該算法的原理前首先引入LTE復用實體所涉及的幾個重要參數，有助于理解這一算法如何應用在具體實現中。

(1)參量設置

通過高層配置參數邏輯信道優先級(priority)、PBR、還有持續時間參量 (Bucket Size Duration, BSD),實現數據的調度。在數據傳輸時，UE對每一個邏輯信道j設置變量Bj[3]。在建立邏輯信道對Bj進行初始化為0，之后每一TTI增加PBR×TTI的數據量，其中PBR是邏輯信道的優先級比特率，Bj不能超過PBR×BSD，如果Bj大于PBR×BSD，則設置為PBR×BSD。其中參數取值范圍如下：

-- ASN1START

LogicalChannelConfig ::=SEQUENCE {

ul-SpecificParameters SEQUENCE {

priority INTEGER (1…16),

prioritisedBitRate ENUMERATED {

kBps0, kBps8, kBps16, kBps32, kBps64, kBps128,

kBps256, infinity, spare8, spare7, spare6,

spare5, spare4, spare3, spare2, spare1},

bucketSizeDuration ENUMERATED {

ms50, ms100, ms150, ms300, ms500, ms1000, spare2,spare1},

logicalChannelGroup INTEGER (0…3)OPTIONAL-- Need OR

}OPTIONAL,-- Cond UL

...

}

-- ASN1STOP

其中，PBR可以設置為無限大(infinity)[4]，這是比較特殊的一種情況，因為在上述中，突發門限被限制在PBR×BSD；當PBR為infinity，資源有限時，其它邏輯信道分配不到資源，但會優先滿足該無線承載的數據發送。

(2)復用算法原理

令牌以PBR的速度注入令牌桶中，每隔1/PBR秒一個令牌被加入到桶中，其中一個令牌代表一個字節，如果桶中的令牌數大于或等于RLC SDU，便允許發送該SDU，同時令牌按SDU長度減少相應數目；如果桶中的令牌數小于RLC SDU，該SDU不允許發送，緩存在RLC隊列中，等待有足夠的令牌再發送，此時桶中的令牌不減少；邏輯信道對應的bucket size為令牌桶的容量，最大為PBR×BSD，當達到令牌桶的容量時，新注入的令牌被丟棄。令牌桶算法通過限制令牌桶容量、令牌添加速度，實現速率限制，達到資源分配復用的效果，同時對約定數據傳輸速率、控制突發會有廣泛的應用。

對LTE終端復用實體來說，當多個RLC無線承載復用到UL-SCH上時，采用令牌桶算法，約束邏輯信道數據傳輸量，避免資源被高優先級數據獨占，同時又兼顧了低優先級數據傳輸，可有效完成各個邏輯信道復用在MAC PDU中數據量的分配。

3.2.2實現步驟

在實現中，MAC通過RRC為各個邏輯信道配置參數PBR、BSD，計算令牌桶容量bucketsize，其中：

bucketsize=PBR×BSD；

同時設置參數Bj，代表邏輯信道j當前令牌桶的令牌數目，初始化為0，之后每隔TTI自增PBR×TTI，也就是令牌添加時間固定為一個TTI，直至達到令牌桶容量。每次數據傳輸時，RLC SDU都會和Bj相比較，來判斷該SDU是否準允復用在MAC PDU中。

復用過程設計如圖3所示，具體步驟為：

(1)對有數據待發送的令牌數不為空的邏輯信道按照邏輯信道優先級的順序分配資源，分配資源大小依照令牌桶中的令牌數而定；

(2)桶中令牌數Bj減掉步驟1中準許發送的SDU長度，更新Bj的值；

(3)當依次各個邏輯信道數據獲得服務，仍有剩余資源時，嚴格按照邏輯信道優先級的順序依次獲得資源。

同時，如果整個SDU能填進剩余的資源，UE不應對 RLC SDU分段；如果進行分段，為了達到最大量數據傳輸的目的,UE應盡量在資源塊填入最大分段；當該無線承載被掛起，那么這個無線承載對應的邏輯信道的數據不應被傳輸。

按照令牌桶原理，當Bj大于此RLC SDU，即Bj-Tsdu>0, 在設計中，該SDU應被組裝在MAC PDU中；當Bj-Tsdu<0，如果該SDU放在RLC隊列中，等待有足夠的令牌再進行傳輸。雖然SDU緩存在了隊列，避免了數據的丟棄，但如果多個TTI造成緩存隊列益處，同樣會造成SDU的丟棄，這也是在實現中應考慮的問題。

也就是當會發生Bj-size(RLC SDUs)<0時，不應只是采取將數據堆放在隊列中，而應采取“借貸”的方式，暫時準許數據完成MAC PDU的復用，即當令牌桶中有令牌，但此時令牌數目不足發送該SDU，在MAC傳輸塊大小滿足的情況下，也可以進行數據的發送，等待添加的令牌還完借貸時方可繼續數據傳輸，這種實現方式也滿足協議Bj能夠小于0的規范。

圖3 復用過程設計Fig.3 The design of multiplexing process

按邏輯信道優先級組裝數據時，數據類型的優先級有以下約定：MAC控制元素比其它邏輯信道有更高的優先級，這是因為它控制MAC實體的運行。因此在組合MAC PDU且要發送MAC控制元素時，MAC控制元素會被首先包含進去，剩下的空間才會被用來包含其它邏輯信道的數據。

3.2.3方案驗證

下面依據36-523協議[5]測試例驗證該方案是否滿足協議規范。在測試例中，配置DRB1、DRB2、DRB3 3個無線承載，對應的邏輯信道優先級(priority)、PBR和BSD，如表1所示。

表1 優先級、PBR和BSD的設置Table 1 Priority, PBR and bucket delay settings

同時，規定每個DRB對應的RLC SDU大小均為320個字節，綜合測試儀(和測試例中和網絡信號發生器SS同樣的作用)每20 ms或10 ms分配一個ul-grant,也就約束了MAC一次可傳的數據塊大小。每次分配的ul-grant用D表示。為了保證驗證效果，獨立地進行4次實驗，每次實驗互不影響，并每次均使用表1規定的參數值，具體如表2所示。

表2 測試參數變量Table 2 Test parameter values

表2中，N1、N2、N3分別表示DRB1、DRB2、DRB3有待傳輸的數據，例如13表示13個320 byte的SDU；T2表示數據傳輸統計的時間量。

由表1可以分別計算出，每一個20 ms，B1新填充令牌為8 kbyte/s×20 ms=160 byte，即160個令牌；B2新填充令牌為16 kbyte/s×20 ms=320 byte，即320個令牌；B3新填充令牌為32 kbyte/s×20 ms=640 byte，即640個令牌；同時可以計算出各個邏輯信道對應的bucketsize。bucketsize1=8 kbyte/s×100 ms=800個令牌；bucketsize2=16 kbyte/s×100 ms=1 600個令牌；bucketsize3=32 kbytes/s×100 ms=3 200個令牌。

在驗證實驗中，4次獨立的實驗每輪分25次進行數據傳輸，統計每個DRB傳輸的數據量。

按照設計思路，從統計的數據傳輸量以及最后每個DRB傳輸的數據總量上看出，和測試例的統計值基本吻合，最終差值即一個SDU的大小，由于空口傳輸率每個TTI限制在1 143 byte，差值中的1，體現在第七次傳輸，此時DRB1只剩182 byte，MAC組裝PDU需要相應填充位，占去對應字節，同時MAC控制元也會暫用部分字節，這也使得在資源有限時，DRB3未能完成這個SDU的傳輸。其中即便低優先級的承載也會有機會進行數據傳輸，通過限定每個承載對應令牌桶中的令牌數量，完成各個承載的資源分配，達到預期的設計效果。

4 結 論

按照設計思路，從統計的數據傳輸量以及每個DRB傳輸的數據總量上看出，和測試例的統計值吻合。在復用時候既考慮了邏輯信道高優先級優先，同時通過限定每個承載對應令牌桶中的令牌數量，低優先級的承載也會有機會進行數據傳輸，有效實現了各個承載的資源配置，達到了預期的設計效果。

參考文獻：

[1] 馮川，李小文. LTE終端小區選擇方案設計及實現[J].電訊技術，2010，50(3)：81-84.

FENG Chuan, LI Xiao-wen. Research of LTE terminal cell selection strategy and schematic design[J].Telecommunication Engineering, 2010，50(3)：81-84.(in Chinese)

[2] Stefania Sesia,Issam Toufik,Matthew Baker. LTE:The UMTS Long Term Evolution From Theory to Practice [M].England：John Wiley & Sons Ltd,2009．

[3] 3GPP.TS36.321 V9.0.0,3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Medium Access Control(MAC)protocol specifieation[S].

[4] 3GPP.TS36.331 V9.0.0,3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Resource Control(RRC)[S].

[5] 3GPP.TS36.523 V9.0.0,3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network;Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Packet Core (EPC);User Equipment (UE) conformance specification[S].