（信号与信息处理专业论文）tdlte终端mac层协议的研究与实现.pdf

摘要 摘要 t d l t e 是在t d s c d m a 发展基础上研发的新一代移动通信技术，不仅具有 技术先进性，与国际最新移动通信同步发展，而且与现有的3 g 技术相比，l t e 系 统的性能有了较大提升，如在2 0 m h z 频谱带宽下能够提供下行1 0 0 m b i t s 与上行 5 0 m b i t s 的峰值速率，提高小区容量，支持1 0 0 k i n 半径的小区覆盖，并可灵活配置 1 2 5 m h z 到2 0 m h z 多种带宽。目前标准已经完善，并且已有多家相关企业开展了 t d l t e 的芯片的研发与应用，l t e 的产业化工作也已经开始。论文主要依托实验 室承担的国家新一代宽带及网络通信产业化专项“l t et d d 终端基带芯片的开发 与产业化 ，通过项目完成实现与测试。 本文首先对l t e 网络架构进行了介绍，对终端m a c 层协议及m a c 层与r r c 层、物理层、r l c 层的关系进行了研究与描述。然后分析了m a c 层结构及参数， 并按照流程及功能重点研究了随机接入、下行数据接收、上行数据发送等过程， 阐述了m a c 层使用的省电策略d r x 。在对m a c 层的功能及流程进行研究的基础 上，规划了m a c 层的状态，在具体状态的框架下定义了m a c 层与上下各层之间 的原语，设计了m a c 层具体功能实现中所需要的流程图。最后在按照设计的流程 和原语具体实现其功能，搭建s d l t t c n 测试环境对已经实现的代码进行测试， 通过研究m s c 消息序列图和具体的l o g ，验证相关功能实现的正确性。论文囊括 了m a c 层协议分析，具体流程设计与实现到协议的测试整个完整流程。 关键词：l t e ，m a c 层协议，随机接入，d r x a b s t r a c t a b s t r a c t t d l t ei san e wg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt h a td e v e l o p sb a s e do n t d s c d m a ，i tn o to n l yh a st h ea d v a n c e dt e c h n i c a l ，b u ta l s ok e e p sp a c ew i t ht h el a t e s t m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ；c o m p a r e i n g 谢t ht h ee x i s t i n g3 gt e c h n o l o g y ，t h ep e r f o r m a n c eo f l t es y s t e mh a sal a r g ep r o m o t i o n ，s u c ha st h ep e a kr a t eo fd o w n l i n ka n du p l i n kc a r le a c h r e a n c h10 0 m b i t s sa n d5 0 m b i t s sw i t ht h eb a n d w i d t hs p e c t r u mo f2 0 m h z ；i tc a l li n c r e a s e t h ec e l lc a p a c i t ya n ds u p p o r tt h er a d i u so ft h ea r e ac o v e r e dlo o k m ，b e s i d e st h i ss y s t e m s u p p o r tt h ef l e x i b l ec o n f i g u r a t i o no ff r e q u e n c yf r o m1 2 5 m h zt o2 0 m h z t h ep r e s e n t s t a n d a r d sh a v ei m p r o v e d ，a n dan u m b e ro f r e l a t e dc o m p a n i e sh a v eb e g a nt h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no nt d l t ec h i p , t h ei n d u s t r i l a z a t i o no fl t e h a sa l r e a d ys t a r t e d t h ep a p e r m a i n l yr e l i e so nt h ep r o j e c tt a k e no nb yo u rl a b , t h ed e v e l o p m e n ta n di n d u s t r i a l i z a t i o n o fl t et d dt e r m i n a lc h i p w h i c hi st h es p e c i a lp r o j e c to fc o u n t r y sn e wg e n e r a t i o n b r o a d b a n da n di n t e r n e t t h r o u g ht h i sp r o j e c tw ec a nr e a l i z ea n dt e s tt h ep e r f o r m a n c eo f t h ec h i p i nt h i sp a p e r ，w ef i r s ti n t r o d u c et h ef r a m e w o r ko fl t en e t w o r k ，t h e nw es t u d ya n d d e s c r i b er e l a t i o n s h i po ft h em a c l a y e rb e t w e e nt h er r cl a y e r 、t h ep h y s i c a ll a y e r 、t h e r l cl a y e r b e s i d e s ，i nt h i sp a p e r ，w ea n a l y s et h es t r u c t u r ea n dp a r a m e t e ro ft h em a c l a y e r ，a n ds t u d yt h ep r o c e s so fr a n d o ma c c e s sp r o c e s s ，d l - s c hd a t a t r a n s f e ra n d u l s c hd a t at r a n s f e r ，a l s o ，w ei n t r o d u c et h ed r xf o u n c t i o nu s e di nl t et e r m i n a l b a s e d o nt h er e s e a r c ho ft h em a c l a y e r sf u n c t i o na n dp r o c e d u r e ，w ed r e wu pt h es t a t u so f t h e m a c l a y e r ，b a s e dw h i c h w ed e f i n et h es i g n a lb e t w e e nm a ca n do t h e rl a y e r ，a n dd e s i g n e d t h ep r o c e s st h a tn e e d e di nr e a l i z a t i o no fm a c l a y e r i nt h ee n d , w er e a l i z et h ef u n c t i o no f i ti na c c o r d a n c ew i t ht h ed e s i g n e dp r o c e s sa n ds i g n a l s ，a n dt h es d lt e s tp l a n ei sa c h i e v e d t ot h ef i n i s h e dc o d e t h r o u g ht h em s ca n dl o g ，w ec a nv e r i f yi ft h er e a l i z a t i o no fr e l a t e d f u n c t i o n si sc o r r e c t t h i sp a p e rc o n t a i n st h ew h o l ep r o c e d u r eo ft h em a cl a y e r a n a n l y z a t i o n ，t h ec o n c r e tp r o c e s sd e s i g na n dt h et e s to f t h ec o d e k e y w o r d s ：l t e ，m a cl a y e rp r o t o c o l ，r a n d o ma c c e s sp r o c e s s ，d r x i l 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 3 g p p 长期演进( l t e ) 项目是近几年来3 g p p 启动的最大的新技术研发项目，这 种以o f d m s c f d m a 为核心的技术可以被看作“准4 g ”技术。l t e 技术的主要性 能目标包括：在2 0 m h z 频谱带宽能够提供下行1 0 0 m b p s 、上行5 0 m b p s 的数据传 输速率；可以提高小区容量，降低系统延迟，用户平面内部单向传输时延低于5 m s ， 控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于5 0 m s ，从驻留状态到激活状态的迁 移时间小于l o o m s ；支持小区内1 0 0 k m 半径的信号覆盖；支持多种频谱组合，并 可灵活配置1 2 5m h z 到2 0 m h z 多种频带。从而使移动用户能够享受高清视频流 媒体、视频会议、在线游戏、快速文档传送等需求不断增长的多媒体业务应用。 与3 g 相比，l t e 更具技术优势，具体体现在高数据速率、分组传送、延迟降低、 广域覆盖和向下兼容等方面。l t e 系统对3 g p p 的整个体系架构作了革命性的变 革，逐步趋近于典型的m 宽带网结构。3 g p p 初步确定l t e 的架构为演进型u t r a n 结构。接入网主要由演进型n o d eb 和接入网关两部分构成。后者是一个边 界节点，若将其视为核心网的一部分，则接入网主要由演进型n o d eb 一层构成。 演进型n o d eb 不仅具有原来n o d eb 的功能，还能完成原来r n c 的大部分功能。 新的系统中还引入了一个r r m 服务器进行集中式管理，采用完全分散的管理结构 来解决小区间干扰协调、负载控制等功能，从而提高了系统的效率。另外，在空 中接入技术方面，l t e 的信道数量将比w c d m a 系统有所减少，取消了专用信道， 不再保留广播媒体控制层和u t r a n 的公共业务信道，减少了m a c 层的实体类型。 1 2l t e 的关键技术与研究现状 1 2 1l t e 系统的关键技术介绍 l t e 系统与第三代移动通信相比，其主要应用的关键技术包括以下几种： 1 ) o f d m 技术，o f d m 技术它能够将数据符号调制在传输速率相对较低的、 相互之间具有正交性的多个并行子载波上进行传输。它允许子载波频谱部分重叠， 接收端利用各子载波间的正交性恢复发送的数据。因此，o f d m 系统具有更高的 频谱利用率； 重庆邮电大学硕士论文 2 ) m i m o 技术，要达到l t e 提出的目标数据传输速率，需要通过增加天线数 量以提高峰值频谱效率，即多天线技术。多天线技术是一种有效的提高系统容量 的方法，l t e 已确定m i m o 天线个数的基本配置是下行2 2 、上行1 2 ，但也在 考虑4 x 4 的高阶天线配置； 3 ) 增强的调制技术，高峰值传送输率是l t e 下行链路需要解决的主要问题。 为了实现系统下行1 0 0 m b p s 峰值速率的目标，在3 g 原有的q p s k 、1 6 q a m 基础 上，l t e 系统增加了6 4 q a m 高阶调制； 4 ) 省电机制d r x ，l t e 系统与第三代移动通信相比除了在空闲模式引入省电 机制之外，在u e 与网络处于连接状态时也引入了另外一种省电机制d r x ，通过 这种控制机制能够降低芯片功耗，延长电池使用寿命【1 】【2 1 。 此外，在l t e 系统中还采用了h a r q 、上行异步自适应传输以及能够节省资 源的半静态调度机制等技术，通过上述技术的引入，极大地提高了数据的传输速 率和可靠性，并为其演进技术l t e a 打下了基础。 1 2 2l t e 系统研发现状 l t e 整个技术标准的发展，在2 0 0 8 年1 2 月份正式发布了l t e r 8 的版本，它 定义了l t e 基本功能，在r 9 阶段，是作为3 g p p 很小的版本，预计在今年年底完 成，这个版本里主要增加了一些继续完善l t e 家庭基站，特别在管理和安全方面 的性能，以及l t e 微微基站和自主自组织管理功能的增强。 l t e 是由爱立信、诺基亚西门子、华为等世界主要的电信设备生产商开发的 技术，c d m a 阵营的阿尔卡特朗讯和北电网络也有投入。由于c d m a 近年来日渐 失势，最近阿尔卡特朗讯冲减了3 7 亿美元与c d m a 技术标准相关的资产，并将 和日本n e c 建立研发l t e 的合资公司。3 g p p 对l t e 发展时间表大致情况如下： 2 0 0 5 年3 月到2 0 0 6 年6 月完成可行件研究报告；2 0 0 6 年6 月到2 0 0 7 年6 月完成 核心技术的规范工作；2 0 0 7 年中期完成l t e 相关标准制定；2 0 0 8 年或2 0 0 9 年推 出商用产品。分析家指出，基于o f d m 的l t e 技术市场预计将在今后3 年加速发 展，从2 0 0 8 年到2 0 1 4 年这6 年间，将是打基础的阶段，而此后市场的需求将会 快速膨胀。作为下一步网络演进的首选移动通信平台，l t e 预计将在2 0 1 4 年获得 规模部署。业内分析家称，l t e 是目前欧洲3 g 系统u m t s 向4 g 演进的首选技术， 绝大多数主流移动运营商都将采用l t e 技术。当前，在中国，t d s c d m a 演进标 准t d l t e 技术，将是未来几年的实施重点，工业和信息化部，发改委，科技部相 继启动了相关工作以推动t d l t e 技术和产业发展：工业和信息化部成立了 t d l t e 工作组，全力推动t d l t e 产业化工作，明确了以2 0 1 0 年作为工作目标： 2 第一章绪论 科技部启动十一五重点科技支撑项目，为国家重大专项的实施做准备，中国移动 参与l t e t d d 系统实现，技术评估，网络新技术，实验验证和总体实施等共7 个 项目。学校所在实验室也己经承担起国家项目基金一项从事t d d 模式的l t e 手机 终端芯片的研制与开发。论文方向将会在项目研究的基础上进行论述。 2 0 1 2 年起，l t e 发展将步上正轨，预计2 0 1 5 年用户数将突破3 亿，占全球 3 l 亿6 ，1 0 0 万移动宽频总上网用户数的9 5 。现有技术如t d s c d m a ，t d h s p a ， h s p a ，e v d o 以w i m a x 都有机会升级为t d l t e 。 1 3 论文研究目的和结构安排 本文的主要工作是是针对l t e 终端m a c 层协议进行研究与实现，并最后对 实现的流程进行测试，主要工作包含以下方面： 协议理解，通过阅读m a c 层相关协议和提案，对整个m a c 层的结构和具体 功能进行理解整理具体协议分析。 按照对协议的分析，设计具体的状态和实现流程，并结合原语对相关流程作 出详细说明。 搭建测试环境，对实现的代码进行测试，验证功能实现的正确性。 论文的具体安排如下： 第一章：绪论 第二章：l t e 系统协议栈构架 第三章：终端m a c 层协议的研究与分析 第四章：m a c 层流程及原语设计 二 第五章：m a c 层流程具体实现与测试 第六章：论文工作总结和进一步思考 重庆邮电大学硕士论文 4 第二章l t e 系统协议栈构架 第二章l t e 系统协议栈构架 2 1l t e 系统中协议栈构架 2 1 1 核心网络构架 e u t r a n 系统是由演进的核心网( e p c ) 及演进的基站( e n b ) 组成，其中 e p c 与e n b 之间通过s 1 接口相连，e n b 与e n b 之间通过x 2 接口进行连接。l t e 系统架构图如下图所示【3 】： e p c 。s 1 一 。s 1 e u t r a n x 2 i c n b i e n b ) = x 3c ) ( = ( 3 图2 1l t e 系统核心网络架构图 e j 丌r a n 是嵌入到无线网络层与传输网络层之间的一个系统体系。能够为用 户平面及信令平面提供服务与支持。 e u t r a n 系统能够提供的具体服务与功能如下：1 用户数据传输；2 无线信 道加密和解密；3 头压缩；4 移动性控制功能：( 1 ) 切换：( 2 ) 定位；( 3 ) 寻呼； 5 相邻小区的干扰抑制；6 连接的建立与释放；7 用户间承载的均衡调整；8n a s 消息的分配功能；9n a s 基站的选择；1 0 无线接入网共享；ll 用户与网络之间的 同步；1 2m b m s 功能；1 3 用户归属和设备跟踪；1 4r a n 信息管理 5 重庆邮电大学硕士论文 2 1 2 终端协议栈体系结构 无线网 控制平面用户平面 络层 应用 协议 jljl 传输网传输网络传输网络 络层用户平面用户平面 信令数：居 承藏 鼍乎 i l 物理层 图2 2l t e 终端用户平面结构图 e u t r a n 系统中协议栈的总体架构如上图所示，在协议栈数据系统中存在两 种数据传输机制，一种是专门用于传输信令平面命令的平台，一种是专门用于传 输用户数据的平台【3 1 。二者在逻辑上各自独立。 终端和基站的控制平面的映射关系如下图所示： u us 1 图2 3 控制平面协议栈 l i e 与m m e 之间的控制平面示意图如图2 3 所示，n a s 协议支持移动性管理 功能，以及用户平面承载激活，修改，和去激活等功能。n a s 也有对n a s 信令进 行加密保护的功能。e u t r a n 网络和u e 之间的接口为u u 接口，基站与网关m m e 之间的接口为s l 接口。u e 与网络端之间的映射关系为u e 的n a s 层直接映射网 关的n a s 层，其余的接入层和物理层是直接映射到e n b 侧的接入层和物理层。除 了n a s 层是负责与m m e 之间的信令交互之外，其余各层则直接映射到e n b 的对 应各层。其功能也是相同的。 终端和e n b 之间用户数据传输平面的映射关系如图2 4 所示： 6 第二章l t e 系统协议栈构架 用户平面的结构包含p d c p ，r l c 以及m a c 层，主要完成的功能包含头压缩， 加密，调度，a r q 传输以及h a r q 自动重传。用户之间的层映射关系与控制平面 相比减少了r r c 层与n a s 层，主要完成用户与e n b 之间用户数据的传输，简单 的层映射能够提高数据传输效率。 2 2m a c 层总体结构描述 2 2 1m a c 层结构概述 m a c 层位于物理层与r l c 层之间，是协议栈中层2 的最底层，受r r c 层的 控制【4 】，m a c 层与物理层之间通过传输信道传输相关数据，l t e 系统中的传输信 道数量与t d s c d m a 等3 g 技术相比大大减小，从而降低了实现的复杂度。m a c 层与r l c 层之间通过逻辑信道进行数据传输与通信。m a c 层能够实时动态的扫 描各个砌实例上的数据量大小，并通过调度机制，确保u e 端的上行数据能够 传输至网络端，通过逻辑信道的映射及上行资源分配过程，将多个r l c 实例上的 上行数据块复用为一个m a cp d u ，便于物理层进行传输。在收到下行数据后，能 够根据相应的m a c 子头，将下行数据映射至不同的逻辑信道。m a c 层对与r l c 能够提供数据传输和无线资源调配的服务。此外，m a c 层能够通过功率报告机制 及混合自动重传( h a r q ) 机制保证链路质量及数据传输的正确性。m a c 层处于 协议栈的最底端，与物理层直接相关，在协议栈与物理层之间起到中转与调度作 用【2 1 。m a c 层总体结构如图2 5 ： 7 重庆邮电大学硕士论文 u p p e r 蛔y e r s p c c hb c c hc c c hd c c hd t c hm a c - c o n t r 0 1 ) 薹鬏i 蓊 豳 燃 鬻錾簇翳懑i 荔缓缓瀚隧鬻疆荔蘩鬻嘲溺荔g 鬻：簇嚣二篓雾j 翔 鬟翰 旧”旧“”剖阶0 m 嘲( u lo n l y ) 箧菱瀚 鞫 c o n t r o l 鬻 簇溺黝搦缀滋戮缀缀隅缓躺黼 蔫 翁 吣。 凰a r a n d c o m 隧麓 斗_ 牛牛 p o h廿u hu l 一5 0 hul-e,0h卜(roh l o w e rl a y e r 图2 5 m a c 层结构图 从图可知m a c 层包含随机接入过程控制实体，上行数据复用实体与下行数据 解复用实体，i - 认r o 实体，及m a c 控制实体，其中m a c 控制实体主要包含调度 进程，上行同步校正进程，d r x 控制进程。m a c 层通过内部的各种实体完成协议 栈与物理层及物理层与协议栈高层的数据通信，并利用自身的传输与调度机制保 证u e 与e n b 之间的数据能够正常通信。 2 2 2m a c 层内部结构及其功能介绍 m a c 层主要包含的结构与功能实体为逻辑信道，m 娘q 实体，随机接入控制 实体，m a c 层控制实体，逻辑信道优先级实体，数据的组合与拆分实体，m a c 层与物理层之间的传输信道等，在r l c 层与物理层之间起着中转作用，其中各个 实体之间又是相互联系的一个整体，每个实体都不能单独执行一项任务，只有通 过不同实体之间的相互协作才能完整的执行正确的流程。下面分别就各个实体的 功能进行介绍。 2 2 2 1 逻辑信道结构与功能 m a c 层与r l c 层之间通过逻辑信道进行数据传输，逻辑信道一般按照其传 输的信息的类别进行分类，m a c 层与物理层之间通过传输信道进行数据传输，按 照传输数据的种类进行划分。逻辑信道与传输信道之间通过m a c 层进行映射。l t e 系统中逻辑信道的包含以下几种【5 j ： 1 ) b c c h ( 广播控制信道) 用于m a c 层从物理层获取系统信息后，从此信道将数据传输至r r c 层，由 于系统信息的不同，b c c h 对应于两种传输信道：广播信道( b c h ) 和下行共享 信道( d l s c h ) 。从广播信道映射至广播控制信道的是主信息数据块，主要包含 第二章l t e 系统协议栈构架 系统帧号及下行带宽等主要系统信息，目的是使u e 能够按照主信息块中的信息接 收其他系统信息。从d l s c h 上映射至b c c h 的信息主要是根据主信息快而接收 的系统信息。 2 ) p c c h ( 寻呼控制信道) 用于接收的寻呼消息的上报，与p c h 进行映射。 3 ) d c c h ( 专用控制信道) 用于传输控制信息。当u e 处切换状态或于r r c 连接状态时，需要传输的控 制信息及相关信元需要通过a m 模式传输至e n b 。每个d c c h 对应一个r l c 实例， 可能含有数条d c c h 。高层在配置d c c h 时，会为每个d c c h 配置一个逻辑信道 标识号及优先级标识 4 ) d t c h ( 专用业务信道) 在用户数据平面传输时需要通过d t c h 进行传输，d t c h 是双向逻辑信道， 既可以传输上行数据也可以接收下行数据。高层在对d t c h 进行配置时，会为每 个d t c h 分配相应的逻辑信道标识及优先级标识，一般d c c h 的优先级要高于 d t c h 。 2 2 2 2 逻辑信道优先级处理实体 由于存在多个逻辑信道，在h a r q 实体得到上行资源时，需要调用逻辑信道 优先级处理进程，为每个逻辑信道按照令牌桶算法进行资源分配。在逻辑信道进 行资源分配过程中采用令牌桶算法【6 】，l t e 系统中上行逻辑信道资源分配方案能够 既保证逻辑信道间的优先性，又能兼顾不同逻辑信道的公平性。目的是防止优先 级高的逻辑信道一直占有资源，使得优先级较低的逻辑信道处于饥饿状态。 在l t e 系统中采用的令牌桶算法的基础原理是，第一轮为每个逻辑信道按照 优先级分配一个有限大小的资源， l t e 系统中采用了改进的令牌桶算法进行资源的分配。既保证了逻辑信道间 的优先性，又兼顾了不同逻辑信道的公平性，使低优先级的逻辑信道不会因为优 先级较低而一直得不到资源。在分配完资源之后，逻辑信道优先级处理进程将会 把每个逻辑信道上得到的资源通过原语上报给相应的r l c 实例，由r l c 实例进行 数据的组装，然后通过逻辑信道将上行数据通过逻辑信道传输给组合与复用实体。 2 2 2 3 组合与复用实体拆分与解复用实体 在进行上行数据复用时，需要调用组合与复用实体进行数据的组装与复用， 因为数据是来自不同逻辑信道的，而且每个逻辑信道有可能有不同类型的数据， 9 重庆邮电大学硕士论文 l t e 系统中同一个r l c 实例上有三种不同类型的数据【7 】【8 】：( 1 ) 状态报告p d u ， ( 2 ) 重传r l cp d u ；( 3 ) 新数据r l cp d u 。这三种数据相互间是不能级联的。 在组装上行数据时，需要单独为不同类型的数据类型分配m a c 子头。在组装来自 不同的r l c 实例上的r l cp d u 时，需要获取r l c 传下来的包含需要传输的上行 数据的原语。内容包含数据大小，数据来源的r b 标识等信息。 在收到下行数据时，需要调用拆分与解复用实体将m a cp d u 进行分解，然 后将分解后的数据传给其m a c 子头对应的r l c 实例中。通过原语上报给r l c 实 例，其中原语中包含了这个数据块属于哪个逻辑信道，数据块的大小等内容。 2 2 2 4h a r q 实体 混合自动重传( h a r q ) 是l t e 采用的一种新的传输机制，h a r q 实体包含 上行h a r q 进程与下行h a r q 进程，每种进程均是多实例的。h a r q 进程在传输 时采用停止等待协议，由于存在多个h a r q 进程，在时隙上互相并不重叠，提高 了传输效率。 在接收下行数据时，如果在h a r q 进程中数据解码错误，将会把错误的数据 保存在h a r q 缓冲域中，等待下一次接收数据后与此次数据进行软合并译码。l t e 系统中下行数据的重传是采用自适应重传机制，即对于同一块数据，每次重传时， 所采用的编码方式及调制方式等与上一次传输是不同的。 在接收上行授权后，h a r q 实体还要负责选择h a r q 进程号，在上行授权中 并不包含上行授权所属的h a r q 进程号，h a r q 实体得到上行授权后，需要根据 收到上行授权的时隙h a r q 进程的关系，将上行授权交给对应的h a r q 进程，并 负责分配上行资源，并将组装好的上行数据发送出去。此外还负责数据的重传， 授权的判定等功能【9 】【1 0 】。 2 2 2 5 随机接入控制实体( r a c h ) 随机接入控制实体是负责发起随机接入过程的控制实体，在上行失步或没有 可用的上行资源时，会发起随机接入请求，r a c h 实体会根据高层分配的参数， 选择随机接入前导组，然后将选好的前导及p r a c h 等参数，连同发送随机接入所 用的功率等参数值，通过原语接口发送到物理层中。此外r a c h 实体还需要负责 计算在收随机接入响应时所用的r a r n t i 值。 2 2 2 6m a c 控制实体 m a c 控制实体，是一个总体结构，其中包含了上行时间校准进程，d r x 进程， 1 0 第二章l t e 系统协议栈构架 调度进程，上行时间校准进程负责调整上行时间同步，d r x 进程负责非连续的监 视p d c c h 以达到省电目的，调度进程负责向网络段申请少量资源，以便u e 能够 利用这些资源向网络端e n b 报告b s r ，即自身缓冲域中含有的待传输的上行数据。 2 2 2 7 传输信道 传输信道是用于物理层向m a c 层上报各种信息的中转路径，在传输过程中应 该包含m a c 层对数据进行处理所必需的各种资料信息。下面对传输信道进行介 绍： b c h ( 广播信道) ：采用固定的预定义的传输格式，用于接收所覆盖小区的广 播信息。 d l s c h ( 下行共享信道) ：用于物理层向m a c 层上报下行数据的信道，支持 h a r q 传输机制，采用动态自适应的调制编码和功率控制方式，支持动态和半静 态的资源分配机制。 p c h ( 寻呼信道) ：用于接收物理层上报的寻呼信息，支持非连续接收( d i ) ， 并能够接收小区内的广播的寻呼信息，能够映射到用于动态业务和其他控制的物 理层信道资源上。与p d s c h 进行映射。 u l s c h ( 上行共享信道) ：支持自适应链路传输，并相应的改变传输功率和 调制编码方式。支持动态和半静态的资源分配机制。 r a c h ( 随机接入信道) ：能够承载有限的控制信息，存在与其他用户冲突的 可能【l l 】。 2 3m a c 层的功能与参数 2 3 1m a c 层的主要功能 m a c 层不仅能够起到实现高层协议栈与物理层之间的衔接与中转作用，还控 制着部分物理层的功能。m a c 层的主要功能主要包含以下几个方面： 1 ) 完成逻辑信道与传输信道之间的映射； 2 ) 将不同逻辑信道上的m a cs d u 复用为一个数据块，并将复用后的数据块 通过传输信道传至物理层； 3 ) 将传输信道上报的m a cp d u ，通过解复用过程，把m a cp d u 中的m a c s d u 传至不同的逻辑信道； 4 ) 为了保证u e 能够有充足的资源传输上行数据，m a c 层中采用调度机制申 请上行资源； 乞 酶 重庆邮电大学硕士论文 5 ) 通过h a r q 传输机制，保证u e 与网络端e n b 之间数据的正确传输； 6 ) 完成同一用户不同逻辑信道之间的逻辑信道优先级处理。并通过令牌桶算 法完成上行资源在不同的逻辑信道之间的资源分配过程； 7 ) 通过随机接入过程在u e 与e n b 之间建立上行同步状态。 2 3 2m a c 层数据单元格式与参数 m a c 层数据传输时，m a cp d u 不仅包含来自r l c 层的数据，还包含m a c 层自身所触发的控制元，如b s r ，p h r 等包含u e 数据及功率信息的固定控制元。 此外m a cs d u 是来自不同的r l c 实例的，在组装m a cp d u 时，需要根据m a c 子头区分来自不同逻辑信道上的m a cs d u 。m a cp d u 是按照每八字节一组排列 的比特流。在进行m a cp d u 中数据排列的时候，最重要的的比特排列在m a c p d u 的最左边，最右边是优先级最低或是填充数据。在m a cp d u 中排在最左边 的为m a c 子头，m a c 子头之后为m a cs d u 或m a c 控制元。m a c 控制元的顺 序排在m a cs d u 之前。 l t e 系统中m a cp d u 共有三种不同类型：( 1 ) 通过u l s c h 和d l s c h 进 行用户数据传输的常规m a cp d u ；( 2 ) 在随机接入响应中收到的m a cp d u ；( 3 ) 在随机接入中发送的消息3 为透明m a cp d u 。 常规m a cp d u 是u e 在进行数据传输时选择的数据格式，常规m a cp d u 包 含两个部分，m a c 子头部分，及m a c 子头对应的m a c 控制元或m a cs d u 。 l t e 系统中m a c 层数据的格式采用的是以字节为最小单元的数据排列格式， 即m a cp d u 中最小的数据单位是字节，m a cp d u 组装的格式为m a c 子头排在 m a cp d u 的最前面，采用一个m a c 子头对应一个m a cs d u 的映射关系，所有 的m a c 子头均放在m a cs d u 之前。其中m a c 子头与m a cs d u 的排列规则是 按照数据的优先级情况进行分配的，m a c 子头之后的m a cs d u 是第一个m a c 子头对应的数据块，以后的数据块依次对应。多个m a c 子头及m a cs d u 组成的 m a cp d u 如图2 6 所示【2 j ： 一m c p a y k 墙k 卜- - - - - i 卜 图2 6 m a c p d u 结构图 1 2 第二章l t e 系统协议栈构架 图2 6 包含m a c 子头，m a cp d u 以及m a c 控制元和填充的m a cp d u 。 m a c 子头与m a cs d u 的大小都是变量，下面将会对m a cp d u 中的数据格 式与参数进行介绍。 2 3 2 1m a cp d u 子头结构 一个m a cp d u 包含了一个m a c 头，多个或一个m a cs d u ，以及数量可变 的m a c 控制元，以及填充。m a cs d u 对应的m a c 子头共有两种类型，一种为 两字节型m a c 子头，它对应的m a cs d u 的数据小于1 2 7 字节，一种为三字节型 m a c 子头，它对应的m a cs d u 的数据大于1 2 7 字节。两种类型的m a c 子头结 构如下图： 图2 7 两字节m a c 子头结构图 图2 8 三字节m a c 子头结构图 对于固定的m a c 控制元或m a c 头中的最后一位m a c 子头及用于填充m a c 子头，其m a c 子头为一个字节，因为其对应的控制元或数据完全可以由其中的标 识l c i d 表示出来，其格式如下图所示： 圈卫丑二j 丑。d ， 图2 9 一字节m a c 子头结构图 m a c 子头中r 表示冗余位，用于以后数据的扩展，e 为扩展位表示这个m a c 子头是不是m a c 头的最后一个m a c 子头，如果e 被置为1 ，表示后面还有其他 的m a c 子头，如果e 被置为0 ，表示这个子头是最后一个m a c 子头。 l c i d 表示逻辑信道标识号或m a c 控制元标识信息，下面分别给出上下行 l c i d 所表示的意义1 2 】： 重庆邮电大学硕士论文 表2 1 下行l c i d 的标识含义 l c i d 索引值l c i d 所代表的s d u 的含义 0 0 0 0 0c c c h 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 逻辑信道的标识 0 1 0 1 1 - 1 1 0 1 l 保留 1 1 l o o u e 竞争解决标志元 1 1 1 0 1 定时提前命令 1 1 1 1 0 d r x 命令 1 1 1 1 1 填充 表2 2 上行l c i d 标识的含义 l c i d 索引值 l c i d 所代表的s d u 的含义 0 0 0 0 0c c c h 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 逻辑信道标识 0 1 0 11 0 1 0 1 0 保留 1 1 0 1 0 p h r 控制元 1 1 0 1 l c r n t i 控制元 1 1 1 0 0 截短b s r 控制元 1 1 1 0 l 短b s r 控制元 1 1 1 1 0 长b s r 控制元 1 1 l l l 填充 2 3 2 2m a c 控制元结构 c r n t i 控制元是服务小区为当前处于r r c 连接状态的l i e 提供的标识符，在 该小区内，这个标识符是唯一分配的，用来区分不同的终端。大小为2 个字节， 在上下行数据解扰或扰码时都会用到这个控制元，以便区分不同用户的数据，下 面给出c r n t i 控制元的结构： c r n t i c - r n t i o d1 o c i2 图2 1 0c r n t i 控制元 上行校准控制元的作用是调整上行同步时间差值，其格式是固定的，对应的 1 4 第二章l t e 系统协议栈构架 m a c 子头为一个字节，在t a 控制元中前两个b i t e 为冗余位， 单位，上行校准控制元的结构如下： 困卫亘亟亟囹o d ， 图2 1 1 上行校准控制元 此外在m a c 控制元中还存在d r x 控制元，b s r 控制元， 会在后面应用中给出具体介绍。 2 4 本章小结 后六位为实际调整 关于这些控制元将 本章对l t e 的网络架构和m a c 层协议的结构进行了相关概述，并就m a c 层 的参数和相关功能给出了描述，为下一章对m a c 层的详细流程分析打下基础。 重庆邮电大学硕士论文 1 6 第三章终端m a c 层协议的研究与分析 第三章终端m a c 层协议的研究与分析 前面章节已经就协议栈系统的结构，功能和利用原理进行了介绍，本章节将 会就m a c 层的主要功能进行具体研究与分析，为后续的实现提供可靠的理论依 据。在这一章节中主要介绍的m a c 层功能与流程为： 1 随机接入功能：主要实现u e 与e n b 之间的状态连接过程，通过该过程u e 与e n b 能够建立上行同步状态，并使双方共同处于r r c 连接状态。 2 下行数据接收过程，针对下行数据进行h a r q 接收，并负责拆分m a cp d u 。 根据拆分的结果及m a cp d u 中的m a c 子头标识，将解析出来的r l cp d u 上报 给相应的r l c 实体。 3 上行数据发送过程，当u e 处于r r c 连接状态时，并且需要传输上行数据 时则会立即由m a c 层触发相应的调度机制，获取网络端的授权，然后根据授权传 输上行数据。 m a c 层的各个流程在实现原理上是互相关联，其中处于r r c 连接状态时， 如果有下行数据需要接收，但是上行处于不同步状态，此时会调用随机接入过程， 上行数据传输时，如果上行不同步或者没有可用的上行资源时，也会调用随机接 入进程。 下面就每个进程的具体原理及流程进行介绍与具体分析。 3 1 随机接入流程分析 3 1 1 随机接入概述 当u e 与e n b 处于上行失步状态时，u e 发起随机接入过程的目的是建立u e 与e n b 的上行同步，以便进行上行数据传输或下行数据传输，随机接入按照发起 与确认机制的不同分为两种机制： 基于竞争解决的随机接入过程，这种随机接入过程在具体实现中分为四部步， 分别是：1 ) 随机接入前导的产生与发送；2 ) 随机接入响应的接收；3 ) m s 9 3 消 息的发送；4 ) 竞争解决。具体流程图如下： 重庆邮电大学硕士论文 o u e枷 图3 1 基于竞争的随机接入过程流程图 基于竞争的随机接入主要的应用场景分为五种： 1 ) l y e 由空闲模式进入m a c 层的r r c 连接状态而发起的随机接入，此过程 能够获取r r c 无限资源专用配置，随机接入成功之后将会进入r r c 连接状态。 2 ) 由l i e 发起的r r c 连接重建过程。在系统消息发生改变时将会在读取系统 消息之后，发起随机接入，重新建立r r c 连接状态，并且重新配置r r c 连接状 态下的系统参数。 3 ) 切换之后的随机接入。在切换发生时首先进行的是r r c 无线资源专用配 置的接收，在收到目标小区的无线资源专用配置之后，u e 端首先进行自身参数的 重新配置，如果需要传输下行数据或发送上行数据则需要立即发起随机接入过程， 建立上行同步，获取上行授权或下行数据。 4 ) u e 处于r r c 连接状态，e n b 需要向l i e 传输数据，但上行不同步，此时 不能传输下行反馈，则需要网络通过命令指示u e 发起随机接入过程。 5 ) l i e 处于r r c 连接状态，u e 需要向e n b 发送数据，但上行不同步，且没 有上行授权，需要发起随机接入，申请获取上行授权。 基于非竞争的随机接入过程。这种机制的随机接入过程在具体实现上共分为 三步：l 前导的分配；2 前导的发送；3 随机接入响应的接收。具体流程如下： u ee n b o 图3 2 基于非竞争的随机接入流程图 第三章终端m a c 层协议的研究与分析 基于非竞争模式的随机接入主要应用于以下两种场景： 1 ) u e 处于r r c 连接状态，但上行失步，而网络端有需要向u e 端传输的下 行数据时，网络端e n b 将会向u e 发送随机接入命令，在非竞争模式下带有e n b 分配的随机接入前导。 2 ) u e 在发生小区切换时，源小区会在发送切换命令时，会在切换命令中包含 显示通知的随机接入前导。 基于竞争的随机接入与非竞争的随机接入的主要区别是，基于竞争的随机接 入的前导选择过程是u e 自身发起的，同时其他进行随机接入过程的u e 也可能选 择相同的前