LTE協議棧MAC層隨機訪問過程設計與實現

成程

北京工業大學嵌入式系統重點實驗室,北京，100124

LTE協議棧MAC層隨機訪問過程設計與實現

成程

北京工業大學嵌入式系統重點實驗室,北京，100124

隨機接入技術是LTE協議棧MAC層的功能中十分重要的一項技術。在LTE中，隨機接入的主要目的是上行定時同步校正，用戶功率調整和用戶資源需求的申請。文章為了實現LTE協議棧MAC層隨機訪問過程，重點研究了MAC層協議，分別提出實現隨機訪問過程的方案和測試仿真平臺的搭建方法。文章詳細描述了隨機接入的流程、有限自動狀態機的設計原理以及具體實現方法，為了提高LTE協議棧的性能，文章提出了零拷貝技術。使用兩臺PC機做了仿真實驗，得到了基于競爭模式下的隨機訪問過程實現的結果。

LTE；MAC；隨機訪問 ；零拷貝技術

引 言

LTE（Long Term Evolution）項目是3G的演進，是3G與4G技術之間的一個過渡，是3.9G的全球標準，它改進并增強了3G的空中接口技術。在LTE協議棧層次結構中，MAC（Media Access Control）層是LTE系統的主要組成部分之一。在MAC層中隨機訪問過程直接影響到系統的性能，本文在仔細研究隨機訪問過程的基礎上設計并實現了該模塊的功能，并且在系統設計上提出了增強性能的解決方案。

1 LTE MAC層隨機訪問研究

隨機訪問過程

當UE沒有被分配上行無線資源但有數據要傳輸時候或者上行方向時間失同步時候進入隨機訪問過程。隨機訪問過程是FDD和TDD均有的過程，與小區的大小無關。如下的五個事件要執行隨機訪問過程：

1）來自LTE_RRC_IDLE的最初訪問；

2）無線連接失敗之后的初始訪問；

3）需要隨機訪問的切換；

4）在RRC_CONNECTED期間，DL數據到達，并需要隨機訪問；

5）在RRC_CONNECTED期間，UL數據到達，并需要隨機訪問。

隨機訪問過程分成基于競爭的和基于非競爭的，基于競爭的應用于上述五種事件，基于非競爭的應用于切換和下行數據到達情況。

基于競爭隨機訪問：

①：上行隨機訪問前導。包括6-bit，其中5-bit是隨機選擇的ID，另1-bit是其他信息：請求資源控制塊的大小或者CQI等。

②：下行隨機訪問相應。包括校時信息、初始RL授權信息和臨時CRNTI。

③： Msg3。就初始訪問來說包括48-bit 唯一UE標識和RRC建立連接的請求信息，使用HARQ。

④：競爭解決。包括UE標識和傳輸HARQ返回信息。

基于非競爭隨機訪問：

前導配置信息。eNB給UE分配的非競爭隨機訪問前導，6-bit。

①和②與基于競爭的隨機訪問過程大體相同。

初始隨機訪問過程：

（1）初始隨機訪問事件觸發進入隨機訪問過程，因為初始隨機訪問是基于競爭的訪問，所以UE端選擇前導碼、選擇RACH信道發送前導碼，打開定時器，隨機訪問狀態由ra_idle變成ra_preamble_snd;

（2）若定時器超時則隨機選擇指定范圍的延遲時間重新選擇前導碼并發送，重置定時器，隨機訪問狀態由ra_preamble_snd變成ra_preamble_resnd；

（3）若接收線程接收到隨機訪問響應并且通過RA_RNTI判斷出是自己信息之后，通知發送線程隨機訪問狀態由ra_preamble_snd或者ra_preamble_resnd變成ra_rar_rcv.接收線程同時解碼此隨機訪問響應；

（4）由于初始隨機訪問是基于競爭的所以解碼后會通知發送線程將準備好的Msg3發送，打開定時器，隨機訪問狀態由ra_rar_rcv變成cnt_ra_msg3_snd；

（5）若定時器超時或者HARQ模塊提出重傳信號則將Msg3信息重新發送，重置定時器，隨機訪問狀態由cnt_ra_msg3_snd變成cnt_ra_msg3_resnd；

（6）若接收線程接收到競爭解決信息并且通過TEMP_C_RNTI判斷出是自己信息之后，通知發送線程隨機訪問狀態由cnt_ra_msg3_snd或者cnt_ra_msg3_resnd變成cnt_ra_resolut_rcv ，接受線程同時解碼此競爭解決信息；

（7）若從競爭解決信息中找到自己48-bit唯一UE標識，隨機訪問狀態由cnt_ra_resolut_rcv變成ra_success.若找到的UE標識不是自己的，隨機訪問狀態由cnt_ra_resolut_rcv變成ra_fail.

（8）若隨機訪問狀態是ra_fail則延遲指定的一段時間后重新進行前導碼的選擇過程回到步驟（1）；

（9）若隨機訪問狀態是ra_success則通知上層隨機訪問過程成功，并將TEMP_C_RNTI賦值給C_RNTI.

2 仿真平臺搭建和提高性能設計方案

2.1 仿真平臺搭建

圖3－1 初始隨機訪問實體圖

（1）采用socket通信方式來模擬物理層通信。考慮到UDP模式是不可靠傳輸，可以很好的模擬實際通信中信道條件不好的情況，所以socket 采用UDP模式。

（2）Transport Channel和Logic Channel的設計：參考“生產者消費者算法”，利用windows系統提供的信號量和互斥量機制將傳輸信道和邏輯信道設計成類似于消息隊列的訪問方式。可以實現socket線程和MAC層收發線程的訪問同步。

2.2 提高性能設計方案：

（1）MAC層與上下層間采用零拷貝技術，即MAC層與上下層協議都處在同一個地址空間，因此數據傳輸可以利用傳地址方式，從而減少了數據復制次數，一定程度上提高了軟件執行效率。

（2）采用了內存池技術，通過對申請空間小而申請頻繁的對象進行有效管理，減少內存碎片的產生，合理分配管理用戶內存，從而減少系統中出現有效空間足夠，而無法分配大塊連續內存的情況。

（3）采用了線程池技術，當系統中有大量線程時，采用此技術可以有效減少線程創建和銷毀的時間。

3 功能測試

上面圖1是隨機訪問狀態機中的初始訪問實例，共有四個線程：用于模擬物理層發送的線程Sock_Phy_Send,用于模擬物理層接收的線程Sock_Phy_Recv,用于Mac層發送的線程Mac_Send,用于Mac層接收的Mac_Recv.具體流程如下：

（1）Mac_Send獲得選取的前導碼；

（2）Mac_Send將前導碼封裝成傳輸信道統一的結構單元并將它插入RACH信道；

（3）Sock_Phy_Send從RACH取出單元；

（4）Sock_Phy_Send將之發送到eNB；

（5）Sock_Phy_Recv收到eNB的信息；

（6）Sock_Phy_Recv從內存池獲得內存塊來存儲收到的信息；

（7）Sock_Phy_Recv將此信息插入到DL_SCH中；

（8）Mac_Recv從DL_SCH中取得信息并解碼

（9）Mac_Recv將狀態改變信息通知Mac_Send；

（10）Mac_Send從CCCH中獲得將要建立RRC連接的請求信息；

（11）Mac_Send獲得48-bit的UE ID；

（12）Mac_Send將這些信息封裝成傳輸信道統一的結構單元并將它插入UL_SCH；

（13）Sock_Phy_Send從UL_SCH取得單元；

（14）Sock_Phy_Send將之發送到eNB；

（15）Sock_Phy_Recv收到eNB的信息；

（16）Sock_Phy_Recv從內存池獲得內存塊來存儲收到的信息；

（17）Sock_Phy_Recv將此信息插入到DL_SCH中；

（18）Mac_Recv從DL_SCH中取得信息并解碼；

（19）Mac_Recv將狀態改變信息通知Mac_Send；

（20）Mac_Send通知上層初始隨機訪問成功或者失敗，要是失敗則會推遲規定時間后重新進行隨機訪問。

4 總結與展望

文章對LTE 協議棧 MAC層隨機訪問過程進行深入分析，在此基礎上設計了MAC層的整體架構并實現了初始接入的隨機訪問過程，重點研究的是基于競爭模式下的隨機訪問過程。該隨機訪問過程在仿真平臺上得到了驗證。有限自動狀態機具有全面性和簡單性特點，便于在多線程環境下實現。隨機接入過程的實現對RRC層和物理層功能的實現具有重大意義。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.04.039