（微电子学与固体电子学专业论文）lte终端媒体访问控制层的研究与实现.pdf

独创性声明 m l ii i iii i i l l l lu l l l q l ll tt l 舳 17 8 7 6 81 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：撇日期： 摘要 摘要 l t e c l o n gt e r me v o l u t i o n ) 是3g p p ( t h e3 mg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 标准 组织设立的一个无线移动通信系统演进计划，其系统设计目标已成为3 g 移动通 信系统的主流演进方向。在l t e 协议栈层次结构中，媒体访问控s t j ( m e d i u m a c c e s sc o n t r o l ，简称m a c ) 层软件是l t e 系统无线网络接口协议栈的重要组成 部分，它将完成逻辑信道和传输信道之间的相互映射，并根据逻辑信道的资源速 率为传输信道选择合适的传输格式( t r a n s p o r tf o r m a t ，简称t f ) 等功能，所以对 m a c 层的研究具有重要的意义。 本文在深入研究l t em a c 层协议标准的基础上设计并实现了基于l t e 系统 的无线网络控制器设备中的媒体访问控制协议( m a c ) 软件。该软件的设计参照 3 g p pt s3 6 3 2 1 ( m a cp r o t o c o ls p e c i f i c a t i o n ) 协议规范第9 版，目标硬件环境是 a r m 公司的a r m 9 系列，目标软件系统是开源的实时嵌入式l i n u x 2 6 ，最终实 现严格遵照协议规范要求的数据传输协议软件系统。本文首先详细介绍和分析了 m a c 层协议规范的内容以及关键技术的算法流程，在此基础上按照自上而下的 模块化设计思想设计了能够基本完成m a c 层功能的软件。该软件设计主要实现 u e c o s e re q u i p m e n t ) 倾, 9m a c 层功能，算法充分考虑m a c 层与上下层的关系并实 现合理的接1 2 1 。同时考虑测试的需要，设计了简化的e n b ( e - n o d eb ) 侧m a c 层， 其功能与l i e 相当。对于每一侧的m a c 层，都各自实现了一个对等的通信m a c 实体，具体是先实现了其所有子功能模块，主要包括发送和接收模块以及m a c 层与其它各层的接口模块。同时，为了满足系统通信的延时要求，本设计还实现 了一个简易的定时器。 该软件目前的开发和运行都主要在仿真环境下。该软件的设计本着高效、可 靠、实时性强的目标。本设计使用的设计思想和实现手段对于实时数据传输协议 软件的开发具有较高的借鉴意义和推广价值。为了验证算法的正确性，在仿真环 境下对e n b 与l i e 间的单端通信进行了模拟实现。通过尽量全面的覆盖测试表 明，本算法已经实现了m a c 层的基本功能，结果符合要求。 关键词m a c 层；信道映射：l t e 北京工、大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) i saw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e me v o l u t i o np r o j e c t e s t a b l i s h e db y3g p p ( t h e3 喇g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ) s t a n d a r do r g a n i z a t i o n i t sp u r p o s eh a sb e c o m et h em a i ne v o l u t i o nd i r e c t i o no f3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) s o f t w a r ei sav i t a lc o m p o n e n to ft h el t ea i r i n t e r f a c ep r o t o c o l s i t sm o s ti m p o r t a n tf u n c t i o n si n c l u d em a p p i n gb e t w e e nl o g i c a l c h a n n e l sa n dt r a n s p o r tc h a n n e l s ，s e l e c t i n gt h ep r o p e rt f ( t r a n s p o r tf o r m a t ) f o re a c h t r a n s p o r tc h a n n e la c c o r d i n gt ot h es y s t e mr b ( r e s o u r c eb l o c k ) i r a t ea n ds oo n s oi ti s w o r t h yt ot a k ear e s e a r c ho nm a cl a y e r i nt h i st h e s i s ，t h ea u t h o rt a k e sad e e pr e s e a r c ho nt h el t em a cp r o t o c o la n d d e v e l o p sam a cp r o t o c o ls o f t w a r eb a s e do ni t t h es o f t w a r er e f e r st o3 g p pt s 3 6 3 21 ( m a cp r o t o c o ls p e c i f i c a t i o n ) r e l e a s e9 i t st a r g e th a r d w a r es y s t e mi sa r m 9 s e r i e sc p ua n di t st a r g e ts o f t w a r es y s t e mi st h eo p e ns o u r c er e a l t i m ee m b e d d e d l i n u x2 6 i ta i m sa td e v e l o p i n gad a t at r a n s m i s s i o ns o f t w a r es y s t e mt h a tw i l lf o l l o w t h ep r o t o c o ls p e cs t r i c t l y t h et h e s i sf i r s ti n t r o d u c e sa n da n a l y z e st h ec o n t e n to ft h e m a c p r o t o c o ls t a n d a r di nd e t a i la n d t h e nd e s i g n st h em a cs o f t w a r et h a tc a l la c h i e v e s o m eb a s i cf u n c t i o n su s i n gt o p t o - d o w nm o d u l a r i t ya p r o a c h i t si m p l e m e n t a t i o n f o c u s e so nt h eu e ( u s e re q u i p m e n t ) m a c t h ea l g o r i t h mt a k e sc o u n to nt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a cl a y e ra n do t h e rl a y e r sa n dd e s i g n ss o m er a t i o n a li n t e r f a c e s h o w e v e r ，i td e s i g n sas i m p l i f i e de n b ( e - n o d eb ) m a cf o rt h et e s t i n gr e q u i r e m e n t c o n s i d e r a t i o n t h e r ei sa ne q u a lc o m m u n i c a t i o nm a ce n t i t yf o re a c hs i d em a cl a y e r a c t u a l l y , i t sd e s i g ni m p l e m e n t sa l lt h eb a s i cm a c f u n c t i o n si n c l u d i n gs e n d i n go r r e c e i v i n gm o d u l ea n dt h ei n t e r f a c e sb e t w e e nm a c a n do t h e rl a y e r s a l s o ，i n o r d e rt o s a t i s f yt h et i m ed e l a yr e q u i r e m e n tw h i l ec o m m u n i c a t i n g ，i td e s i g n sas i m p l et i m e r a tp r e s e n t ，t h es o f t w a r ei sd e s i g n e da n dr u n sm a i n l yo na nv i r t u a le n v i r o n m e n t t h es o f t w a r ei sd e s i g n e df o rh i g he f f i c i e n c y ，r e l i a b i l i t y , r e a l t i m ep r o p e r t ya n de t c i t s d e g i g nm o d e la n di m p l e m e n t a t i o na r ew o r t h w h i l et od a w nu p o na n dp o p u l a n i z ei nt h e r e a l t i m ed a t at r a n s m i s s i o ns o f t w a r ed e v e l o p m e n t i no r d e rt ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so f t h ea l g o r i t h m ，i ts i m u l a t e si nav i r t u a le n v i r o n m e n tf o rp t o pc o m m u n i c a t i o n a c c o r d i n gt ot h ev e r i f i c a t i o n ，t h ea l g o r i t h mh a si m p l e m e n t e dt h eb a s i cm a cl a y e r f u n c t i o na n di t sr e s u l t sf o l l o wt h er e q u i r e m e n t k e yw o r d sm a cl a y e r ；c h a n n e lm a p p i n g ；l t e - h - 目录 目录 摘要i a b s t r a c t ii 第1 章绪论1 1 1 课题研究的背景1 1 1 1l t e 概述1 1 1 2l t e 的主要技术特征2 1 1 3l t e 的发展现状2 1 1 4l t e 的标准化进程3 1 1 5l t e 的发展前景一4 1 2 课题研究的主要内容4 1 3 论文的组织结构5 第2 章l t em a c 层协议6 2 1l t e 系统的总体框架6 2 2l t e 数据链路层结构7 2 3l t em a c 层协议介绍8 2 3 1m a c 层与上下层之间的关系8 2 3 2m a c 层功能描述9 2 3 3m a c 层结构9 2 3 4m a c 层通信信道10 2 3 5m a c 层通信元素11 2 4 本章小结1 5 第3 章m a c 层关键技术及算法分析16 3 1 随机接入过程。1 6 3 1 1 随机接入过程的初始化1 7 3 1 2 随机接入资源的选择19 3 1 3 随机接入前导的发送1 9 3 1 4 随机接入响应的接收2 0 3 1 5 随机接入竞争消除2l 3 1 6 随机接入过程完成一2 2 3 2 动态调度和半持续调度2 2 - m 北泵工、l k 大学工学硕士学位论文 3 2 1 下行调度2 3 3 2 2 上行调度2 4 3 3d l s c h 数据传输：2 4 3 3 1 下行分配信息接收处理2 4 3 3 2 下行数据的解码与解复用2 5 3 4u l s c h 数据传输2 5 3 4 1 上行授权信息接收处理2 5 3 4 2 上行逻辑信道优先级调度2 6 3 4 3 上行数据的复用与编码2 7 3 5 h a r q 控制一2 8 3 5 1 下行h a r q 操作。2 9 3 5 2 上行h a r q 操作3 0 3 6 定时器控制3 2 3 6 1 上行时间同步3 2 3 6 2 竞争消除定时器3 3 3 6 3 非连续接收( o r x ) 3 3 3 7 本章小结3 4 第4 章m a c 层软件设计3 5 4 1 总体设计思想3 5 4 1 1m a c 层软件架构3 5 4 1 2m a c 层与上下层间的零拷贝技术3 6 4 2 各接口模块的设计与实现3 9 4 2 1 与r r c 层接口3 9 4 2 2 与r l c 层接口一4 0 4 2 3 与p h y 层接口一4 0 4 2 4 定时器模块4 l 4 2 5h a r q 控制模块4 2 4 2 6 编解码模块4 5 。 4 2 7 发送模块4 6 4 2 8 接收模块_ 51 4 3 本章小结。5 3 第5 章m a c 层软件仿真测试：5 4 目录 5 1 仿真平台5 4 5 2 仿真测试5 5 5 2 1 模块内单元测试- 5 5 5 2 2 模块间联合测试j 5 6 5 2 3 整体测试5 7 5 3 本章小结。6 l 结论6 3 参考文献6 5 附录缩略语6 9 攻读硕士学位期间所发表的学术论文7 3 致谢7 5 北京工、世大学工学硕士学位论文 第l 章绪论 第1 章绪论 现代社会已经步入信息社会，信息在经济发展、社会进步乃至人民生活各个 方面都起着日益重要的作用。人们对于信息的丰富性、及时性和便捷性的要求也 越来越高。能够随时随地、方便而及时地获取所需要的信息是人们一直都在追求 的梦想，而能够使人们美梦成真的就是移动通信。到目前为止，移动通信已经发 展经历了三代，第一代( 1 g ) 为模拟通信，第二代( 2 g ) 为数字通信，第三代( 3 g ) 为 准带宽移动通信。在3 g 大规模商用以后，多媒体服务与应用将会得到广泛推广， 而3 g 在速率、服务质量、无缝传输等方面的局限性也将日益暴露出来，势必需 要带宽更宽的无线系统。为了应对带宽接入技术的挑战，同时为了满足新业务需 求，3 g p p 适时启动了l t e 技术的标准化工作，力求实现容量更大、速率更高、 功能更强的宽带移动通信系统，也就是所谓的准第四代( 4 g ) 无线通信系统l t e 。 本章首先主要针对3 g p pl t e 的主要技术特征、发展现状以及发展前景方面介绍 课题研究的背景：然后基于课题研究的意义和来源简单介绍课题研究的主要内 容；最后概述本论文的组织结构。 1 1 课题研究的背景 1 1 1l t e 概述 l t e 是3 g p p 在2 0 0 4 年年底启动的最大的新技术标准化项目，这是以 o f d m a s c f d m a 为核心的技术，被称作准4 g 技术。它改进并增强了3 g 的无 线接入技术，采用o f d m a 、m i m o 以及智能天线等技术作为其主流技术。其主 要目的在于应对全球微波接入互操作( w i ) 的竞争，保持3 g p p 在移动通 信领域的技术及标准优势，填补第三代移动通信系统和第四代移动通信系统之间 的巨大技术差距，充分利用已分配的第三代移动通信系统的频谱，同时解决第三 代移动通信系统存在的专利过分集中等问题。当前，全球移动通信产业都对l t e 寄予厚望，希望这一新技术能够推动移动通信产业的持续发展。据专家预计，到 2 0 1 4 年全球l t e 用户数将达到3 9 0 0 万，设备收入将达9 0 亿美元【引。 3 g p pl t e 是一个高数据率、低时延和基于全分组的移动通信系统，它在制 定的过程中提出了自己的演进目标：【l j ：实现灵活的频谱带宽配置；提高小区边 缘传输速率：改善用户在小区边缘的体验；增强3 g p pl t e 系统的覆盖性能1 3 j ； 降低系统延迟；进一步增强对多媒体广播和多播业务的支持，满足广播业务、多 播业务和单播业务融合的需求；能够满足高速移动用户提供大于高速接入服务。 北京工、世大学工学硕士学位论文 1 1 2l t e 的主要技术特征 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【1 】【4 】。 ( 1 ) 提高了峰值数据速率，在2 0 m h z 带宽上，下行峰值数据速率达到 10 0 m b p s ，上行达到5 0 m b p s ； ( 2 ) 提高了频谱效率，如频谱利用率为h s p a 的2 4 倍，用户平均吞吐量为 h s p a 的2 4 倍； ( 3 ) 以分组域业务为主要目标，系统在整体架构上将基于分组交换； ( 4 ) q o s 保证，通过系统设计和严格的q o s 机制，保证实时业务( 如v o l p 的 服务质量) ； ( 5 ) 提高系统部署的灵活性，能够支持1 2 5 m h z - 2 0 m h z 间的多种系统带宽， 并支持成对与非成对的频谱分配，保证了将来在系统部署上的灵活性； ( 6 ) 兼容两种子帧长度0 5 m s 和0 6 7 5 m s ，解决了向下兼容的问题并降低了网 络时延，用户平面的时延可低于5 m s ，控制平面的时延可低于1 0 0 m s ： ( 7 ) 在保持目前基站位置不变的情况下，增加了边界比特速率。如多媒体广 播和组播业务在小区边界可提供l b s h z 1 的数据速率； ( 8 ) 提高了系统兼容性，强调向下兼容，支持已有的3 g 系统和非3 g p p 规范 系统的协同运作。 1 1 3l t e 的发展现状 目前，全球移动无线技术的演进路径主要有三条【5 】【8 】：一是w c d m a 和 t d s c d m a ，均从h s p a 演进至h s p a + ，进而到l t e ；二是c d m a 2 0 0 0 沿着 e v - d or e v 0 r e v a f r e v b ，最终到u - m b ；三是8 0 2 16 m 的w i m a x 路线。这其 中l t e 拥有最多的支持者，w i m a x 次之。 3 g p p 对l t e 发展时间表大致情况如下【l 】：2 0 0 5 年3 月到2 0 0 6 年6 月为 s i ( s t u d yi t e m ) 阶段，完成可行性研究报告；2 0 0 6 年6 月到2 0 0 7 年6 月为w i ( w o r k i t e m ) 阶段，完成核心技术的规范工作；在2 0 0 7 年中期完成l t e 相关标准制定 ( 3 g p p r 7 ) ：在2 0 0 8 年或2 0 0 9 年推出商用产品。 从2 0 0 8 年到2 0 1 4 年这6 年间，将是4 g 通信打基础的阶段，而至此以后4 g 市场需求将会快速膨胀。此前，英国沃达丰、日本n t td o c o m o 、美国a t & t 和v e r i z o n 等世界最主要电信运营商己决定采用l t e 技术，中国移动加入l t e 技术运营行列，主推t d l t e ( t i m ed i v i s i o nl t e ) 。 目前，t d 二l t e 已经作为我国新一代宽带无线通信网，被列入了国家重大科 第l 苹绪论 技专项，国内的政府有关部门、研发部门、制造商和运营商都对此大力支持。科 技部己将t d l t e 列入十一五国家科技重点支撑项目，加强t d l t e 工作的推动， 中国移动则积极参与新一代无线技术评估、网络新技术、实验验证和总体实施共 4 个项目，在各个技术层次上联合产业各方开展t d l t e 技术创新。 同时t d l t e 的国际标准化以及产业链的发展已经取得了突破性的进展， t d l t e 标准己被国际产业广泛接受，为我国下一代移动通信产业进入国际主流 带来了历史性的机遇，t d l t e 已成为移动通信产业面向移动互联网发展的必然。 1 1 4l t e 的标准化进程 2 0 0 7 年1 1 月在3 g p p 工作组会议上，通过l t et d d 融合技术提案，有2 7 家公司联署。基于t d 的帧结构统一了延续已有标准的两种t d d ( t d s c d m a 即 l c r ，h c r ) 模式；同时，对l t et d d 的进一步优化领域的提案也被会议所接受。 2 0 0 7 年1 1 月底至1 2 月初3 g p pr a n 3 8 全会通过了r a n i 提交的融合帧结 构方案，被正式写入3 g p p 标准1 2 j 。 t d l t e 又可叫做t d s c d m al o n gt e r me v o l u t i o n ，是指t d s c d m a 的长 期演进。在其发展过程中，t d l t e 必将要应对来自其他系统的挑战，主要包括 3 g p p 中l t ef d d 阵营、3 g p p 的u m b 阵营和同样采用t d d 方式的 w i m a x ( i e e e 8 0 2 1 6 e 及演进版本i e e e 8 0 2 1 6 m ) 阵营。其中，3 g p p 2 已确定u m b 为c d m a 2 0 0 0 系列标准的演进升级版本。i e e e 于2 0 0 5 年底推出了支持移动性 的宽带无线接入标准i e e e 8 0 2 1 6 e ，并己成为了国际3 g 标准中的一员，而且 i e e e 8 0 2 1 6 m 业已成为4 g 的有力候选者。 面对这些挑战，t d l t e 系统具有其自身的优势，这主要是来自于t d 的现 有核心技术大部分得到了继承、扩展和增强，同时也与m i m o 、o f d m 主流技 术有机结合，引入新型技术以显著提高系统性能，为未来4 g 标准中能够取得更 多的专利提供可能。t d l t e 作为t d s c d m a 的长期演进技术，国内企业和相 关的高校研究院所很早就开始针对该标准进行技术研究，包括运营商、信产部电 信研究院、中国通信标准化协会、大唐、普天、中兴通讯、华为、展讯等。其中， 大唐仍是最核心的企业。大唐在2 0 0 5 年6 月的3 g p p 工作组会议上提交了针对 t d s c d m a 后续演进的技术提案，2 0 0 5 年1 1 月在3 g p p 工作组会议( 汉城) 上通 过了大唐提出的t d dl t e 提案，奠定了t d s c d m a 后续演进技术标准的基础。 目前，我国己经完成了关键技术的验证和p h y ( p h y s i c a l ) 层样机的研发工作，随 后于2 0 0 8 年6 月完成了核心规范的第一个完整版本( 包括 毗州1 依a n 2 删3 r a n 4 ) ，2 0 0 8 年底完成了核心网标准规范，并推出了系统 样机。中国移动携手华为己在上海世博会场成功部署运营了全球首个t d l t e 网 北京工、l k 大学工学硕士学位论文 络。 1 - 1 5l t e 的发展前景 随着全球信息化社会步伐的加快、多媒体娱乐的兴起和网络游戏的流行，人 们发现2 m b p s 的r 9 9w c d m a 传输速率、1 4 4 m b p s 的r 5h s d p a 的峰值速率亦 无法满足人们未来的需求。从l t e 制定的目标需求可以看出，1 0 0 m b p s 的传输 能力己远非3 g 所能比的。 2 0 0 8 年2 月的巴塞罗那全球移动大会上，从设备制造商到运营商，都以各 种方式展示出在l t e 方面的积极性。爱立信、诺基亚、西门子、中兴、华为等 都已经或者马上能拿出l t e 的整体解决方案。中国移动等各大运营商也开始了 l t e 的商用测试，推动l t e 技术的快速发展【1 1 。 1 2 课题研究的主要内容 本课题来源于北京市嵌入式系统重点实验室与美国资深工程师合作开发基 于l t e 的b e s 8 0 0 0 无线通信芯片项目。项目的主要目标是针对最新的3 g p pl t e 协议标准进行相应的硬件和软件开发，在实验室条件下开发设计出符合协议标准 的终端s o c 芯片。依据实验室开发w i m a x 系统s o c 芯片的经验，确定系统开 发的目标系统主要包括射频模拟处理模块，负责p h y 层基带通信处理的基带模 块和相应的系统硬件模块，运行于a r m 9 上的协议层软件模块三部分。 本人主要承担的是l 2 ( l a y e r2 ) 协议层的m a c 层软件开发工作，主要工作是 根据3 g p pl t e 的m a c 层协议规范开发遵循协议规范的m a c 层软件。 该软件设计主要实现u e 侧m a c 层功能，算法应充分考虑m a c 层与上下 层的关系并实现合理的接口。同时考虑测试的需要，设计简化的e n b 侧m a c 层，其功能与u e 相当。对于每一侧的m a c 层，都各自实现一个对等的通信 m a c 实体，具体是先实现其所有子功能模块，主要包括发送和接收模块以及 m a c 层与其它各层的接口模块。同时，为了满足系统通信的延时要求，本设计 还应实现一个简易的定时器。为了验证算法的正确性，在仿真环境下对e n b 与 u e 间的单端通信进行模拟实现。测试算法是否能够基本实现m a c 层的功能。 由于本设计现在尚属起步阶段，主要的开发与运行都未在实际平台上实现， 课题着重在仿真环境下完成一定量的功能性测试，同时兼顾实际系统的实时性要 求以及系统设计的可移植性。 第1 章绪论 1 3 论文的组织结构 本文围绕l t e 媒体接入控制层协议的研究与实现进行论述，论文内容安排 如下： 第1 章“绪论”，概述了l i e 的主要技术特征、发展现状、标准化进程以及 其发展前景，然后简单介绍了本课题的主要研究内容。 第2 章“l t em a c 层协议介绍，这一章介绍了l t e 协议，其中详细介绍 了数据链路层中的m a c 层协议。 第3 章“m a c 层关键技术及算法分析，详细分析了m a c 层的关键技术及 其算法实现。 第4 章“m a c 层软件设计”，介绍m a c 层软件设计思想及其接口模块设计。 第5 章“m a c 层软件仿真测试”，在前面几章对m a c 层协议分析的基础上 对m a c 层软件功能进行有效的仿真测试分析。 北京工、l k 大学工学硕士学位论文 第2 章l t em a c 层协议 2 1l t e 系统的总体框架 3 g p p r e l 6 版本的网络架构如图2 1 ( a ) 所示【3 】【刀。从图中可以看出3 g 网络由 基站( e n b ) 、无线网络控制器( r n c ) 、服务通用分组无线业务支持节点( s g s n ) 币a 网关通用组分组无线业务支持节点( g g s n ) 四种网络节点组成。e n b 为终端提供 接入点并控制终端的无线接入，同时负责网络流量的控制与管理；r n c 负责对 e n b 进行整体管理，包括对无线资源、本地移动用户和接入情况进行管理和控制、 并对传输情况进行优化；s g s n 负责分组交换数据流量的控制和管理，并在e n b 与g g s n 之间完成移动分组数据的接收与发送；g g s n 负责与核心网的连接， 是本地网与外部分组交换网之间的网关，因此也被称作通用无线分组业务( g p r s ) 路由器，s g s n 与g g s n 之间通过基于i p ( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 协议的骨干网连接。 囝 g g i s n 囝 s g s n 夕n c 广弋 e 龟曼夕e 萏be 蔓 ( a ) 3 g p pr 6 网络拓扑结构 e n b 毋 u e ( b ) 3 g p pl t e 网络拓扑结构 图2 13 g p pr 6 和3 g p pl t e 网络拓扑结构 f i g u r e2 - 1n e t w o r kt o p o l o g i c a ls t r u c t u r eo f 3 g p pr 6a n d3 g p p l t e 为了达到简化信令流程、缩短延迟和降低系统成本的目的，3 gl t e 系统对 原有的网络架构进行了较大的改进，使其仅由e n b 和接入网关( a g 组成，如 图2 。1 ( b ) 所示。演进通用陆地无线接入网络( e u t r a n ) 与通用陆地无线接入网络 ( u t r a n ) l 匕较起来，有两点较为突出的变化瞵j ： ( 1 ) 没有r n c ，空中接1 ：2 1 的用户平面和控制平面功能由e n b 进行管理和控制， 包括完成基站之间的切换；原来的三层结构演化为两层结构，使得对用户平面的 囝囝 第2 覃l t em a c 层防议 数据传送和无线资源的控制变得更加迅捷。 ( 2 ) 新的网络结构舍弃了r n c 、s g s n 和g g s n 节点，引入了一个新的节点 a g w 。a g w 承担了接入网用户数据的分组数据汇聚子层( p d c p ) 的功能，也 承担了部分核心网的功能。从整体网关结构的角度看，接入网和核心网的界限开 始变得模糊。 值得一提的是，在e n b 之间的底层都是采用i p 传输，这是为了便于支持 u e 在整个网络内的移动性，保证用户的无缝切换。 e u t r a n 的各网络节点功能划分如图2 2 所示【1 1 。由图可知，e n b 的主要 功能包括：建立连接的a g w 的选择；确定在无线资源控制依r c ) 激活时向a g w 的路由；下行的动态资源配置；链路的配置和测量；无线承载控制；无线接入控 制；终端在激活状态时的连接移动性管理等。 e n l a 小区内无线资源管理 无线系统控制 连接移动性控制 无线接纳控制 e n 8 测量配置与检验 f 动态资源配置 ( 调度器) 固 圃 r l c m a c p f t y m m e n a s 安全子层 空闲状态移动性处理 8 a e 承载控制 图2 2e - u t r a n 各个网络节点的功能划分 f i g u r e2 - 2n e t w o r kn o d ef u n c t i o ns p l i t i n gi ne - u t r a n a g w 主要分为移动性管理实体( m m e ) $ u 用户面实体( u p e ) 两部分，承担的 功能包括：寻呼的发起；u e 空闲状态下的移动管理；非接入层信令和用户数据 的加密等。 2 2l t e 数据链路层结构 l t e 数据链路层被划分为以下子层：m a c 层、r l c 层和p d c p 层。图2 3 和图2 4 从整体上分别给出了下行和上行数据链路层各个子层的服务和功能。本 章将在下一节详细介绍m a c 层协议的相关内容。 ii；i；ii；一一； 北京工、世大学工学硕士学位论文 )( 无线承载 通用m a cp d u ( d l - s c h 和u l s c h ) ： 它由一个头部，零个或多个s d u ，零个或多个控制元( c o n t r o le l e m e n t ，简 称c e ) 以及可选的填充位组成。其头部可能有一个或者多个子头部( s u b h e a d e o ， 每一个子头部依次对应一个s d u 或者一个控制元或者填充( p a d d i n g ) 单元。如图 2 8 所示。 i 端旧i 黜旧i 繁i 嘲秕l - i 鬻儿l 叼蛐9 于头部子头部 子头部予头部子头部子头部 7 ； j ， 7 。 三三二卫翌压堑e 互 i _ 一m a c 承霸| _ 卜 图2 8 通用m a cp d u 示例，包含m a c 头部，控制元，s d u 以及填充【1 l l f i g u r e2 - 8e x a m p l eo f m a cp d uc o n s i s t i n go f m a ch e a d e r , m a cc o n t r o le l e m e n t s ，m a c s d u sa n dp a d d i n g t “】 透明m a cp d u ( t r a n s p a r e n tm a c ) ： 它仅由单独一个m a cs d u 组成，它的大小与一个t b 对齐。如图2 - 9 所示。 一i _ 一m a cp d u 1 - - 图2 9 透明m a c 协议数据单元示例【l l 】 f i g u r e2 - 9e x a m p l eo fm a cp d u ( t r a n s p a r e n tm a c ) 1 随机接入响应m a cp d u ( r a n d o ma c c e s sr e s p o n s e ) ： 它由一个头部，零个或多个m a c 随机接入响应( 删以及可选的填充位组 成。其头部可能有一个或者多个子头部( s u b h e a d e 0 ，每一个子头部依次对应一 个m a cr a r ，但如果r a p , 包含了一个回退指示符( b i ) ，其对应的子头部只会出 现一次，而且是作为第一个子头部。如图2 1 0 所示。 第2 章l t e m a c 层协议 f i r r b ie r r a p l 0e ，r r a p i d 子头部子头部1子头部2 i ，一7 7 ， j 三二正三叵叵正 i _ m a c 承鬻：- 图2 1 0m a cr a rp d u 示例，包含m a c 头部和r a r t l l 】 f i g u r e2 1 0e x a m p l eo f m a cp d uc o n s i s t i n go f am a ch e a d e ra n dm a cr a r s t l l 】 ( 2 ) m a c 头部格式 由( 1 ) 所述，在3 g p pl t e 中存在两种格式不同的m a c 头部，通用m a c 头 部和随机接入响应m a c 头部。 通用m a c 头部 通用m a c 头部由一系列子头部组成，除了最后一个定长m a c 控制元对应 的子头部外，每一个子头部都有r r e f l c i d f l 六个域( 如图2 11 所示) 。最后 一个定长m a c 控制元和所有填充元对应的子头部都只有r r e l c i d 四个域( 如 图2 1 2 所示1 。 _ _ _ l + _ _ 卜- 一 _ _ - _ _ _ _ - i 一 r ，r ，e ，l c i d ，f ，l7 位l 域的子头部 参数说明： 字节1 字节2 r p d e l c l d f 几15 位l 域的子头部 图2 11r r e l c i d f lm a c 子头部【l l 】 f i g u r e2 11 r p - d e l c i d f f lm a cs u b h e a d e r t l 1 】 困卫丑二二 矧 r p d e l c l d 子头部 图2 1 2r j r e l c i dm a c 子头部【l i 】 f i g u r e2 1 2r z r e l c i dm a cs u b h e a d e r t l l 】 字节1 字节2 字节3 北京工、比大学工学硕士学位论文 e ：1 位，用于指示m a c 头部是否有更多个子头部，当e = i 时，意味 着接下来存在另外一组r r e l c i d 域，如果e = 0 ，那么接下来就是承载了。 l ：根据f 域设定位宽，用于指示s d u 或者控制元的字节长度，除了 最后一个子头部以及定长控制元对应的子头部外，每一个子头部