LTE_MAC协议总结

3 1 序言序言 刚刚开始学习LTE的一段时间 曾经写过一个幻灯片在我们组内分享 后来发到了网站 承蒙大家厚爱到处传阅 如果现在在google上搜索一下 还是能看到很多网站上都有 但 是现在自己仔细看看原来的幻灯片 发现有很多地方说得过于模糊 还有一些地方存在错 误 内心感到惶恐 趁这个机会 重新整理一下对MAC的理解 结合MAC协议 3GPP 36 321 与自己在MAC层工作的经验 提供更加丰富的内容 同时也希望能够纠正谬误 开 启讨论之门 3 2 概述概述 36 321里面主要描述的是MAC的架构与处于MAC层的功能实体 并没有涉及到具体的实 现 而且由于LTE取消了向以前的协议专门提供的专用信道 所有的用户数据都使用共享信 道 因此对MAC的在资源以及业务调度的功能上提出了很高的要求 这也是不同设备供应商 可以大显神通的地方了 而协议本身主要描述的是接受端的行为 因此在基站端可以发挥 的余地就更大了 3 2 1 MAC 架构架构 MAC协议层在LTE协议栈的位置如下所示 MME ENB UE NAS RRC PDCP PHY MAC RLC RRC PDCP PHY MAC RLC NAS 图3 1 MAC层在LTE协议栈的位置 MAC实体在UE以及eNB上都存在的 它们主要处理如下传输信道 广播信道 Broadcast Channel BCH 下行共享信道 Downlink Shared Channel DL SCH 呼叫信道 Paging Channel PCH 上行共享信道 Uplink Shared Channel UL SCH 随机接入信道 Random Access Channel RACH 其实这些信道只是概念上的 因为传输信道的管理上不像逻辑信道那样设立专门的逻辑信 道号 它只是从功能是进行了描述 因此实现上是否真正存在这样的传输信道 这在于个 厂商自己 对于MAC层与物理层之间的处理 自然可以设置专门的通道 也可以只是通过一 些简单的标识来处理 当然这也是信道的一种表现形式 下图3 1与3 2分别为层二的上下行功能框架图 分段 ARQ等 UE1复用 分段 ARQ等 HARQ UE2复用 HARQ BCCHPCCH 调度 优先级处理 逻辑信道 传输信道 MAC RLC 分段 ARQ等 分段 ARQ等 PDCP ROHCROHCROHCROHC 无线承载 安全保护安全保护安全保护安全保护 CCCH 图3 1 层二下行功能框架图 复用 HARQ 调度 优先级处理 传输信道 MAC RLC PDCP 分段 ARQ等 Segm ARQ etc 逻辑信道 ROHCROHC 无线承载 安全保护安全保护 CCCH 图3 1 层二上行功能框架图 3 2 2 服务服务 3 2 2 1 提供给上层的服务提供给上层的服务 MAC层给上层 RLC层 也可以泛指MAC层以上的协议层 提供的服务有 数据传输 这里面隐含了对上层数据处理 比如优先级处理 逻辑信道数据的复 用 无线资源分配与管理 包括MCS的选择 数据在物理层传输格式的选择 以及无线 资源的使用管理 从这里我们可以知道MAC层掌握了所有物理层资源的信息 3 2 2 2 期待物理层提供的服务期待物理层提供的服务 物理层向MAC层提供以下服务 数据传输 MAC层通过传输信道访问物理层的数据传输服务 而传输信道的特征通 过传输格式进行定义 它指示物理层如何处理相应的传输信道 例如信道编码 交织 速率匹配等 HARQ 反馈信令 HARQ ACK NACK 调度请求信令 SR 测量 比如信道质量CQI 与编码矩阵PMI等 3 2 3 MAC 层功能层功能 MAC 层的各个子功能实体提供以下的功能 实现逻辑信道映射到传输信道 复用从一条或多条逻辑信道下来的数据 MAC SDUs 到传输块 并通过传输信道发 给到物理层 把从传输信道传送上来的传输块解复用成MAC SDU 并通过相应的逻辑信道 上交 给RLC层 调度信息的报告 UE向eNODEB请求传输资源等 基于HARQ机制的错误纠正功能 通过动态调度的方式 处理不同用户的优先级 以及对同一用户的不同逻辑信道 的优先级处理 这里主要在UE端实现 传输格式的选择 通过物理层上报的测量信息 用户能力等 选择相应的传输格 式 从而达到最有效的资源利用 以上功能与上下行以及MAC实体的对应关系如下表所示 表3 1 MAC function location and link direction association MAC 功能功能 UE eNB 下行下行 上行上行 X X X 逻辑信道和传输信道之间的映射 X X X X X复用 X X X X 解复用 X X X X X HARQ X X X 传输格式的选择 X X X 不同用户间优先级处理 X X X 同一用户不同逻辑信道优先级处理 X X X 逻辑信道优先级设置 X X 调度信息报告 X X 3 2 4 信道结构信道结构 在描述与MAC相关的信道前 这里先对信道做一些简单的解释 信道可以认为是不同协 议层之间的业务接入点 SAP 是下一层向它的上层提供的服务 LTE沿用了UMTS里面的 三种信道 逻辑信道 传输信道与物理信道 从协议栈的角度来看 物理信道是物理层的 传输信道是物理层和MAC层之间的 逻辑信道是MAC层和RLC层之间的 它们的含义是 逻辑信道 传输什么内容 比如广播信道 BCCH 也就是说用来传广播消息的 传输信道 怎样传 比如说下行共享信道DL SCH 也就是业务甚至一些控制消息 都是通过共享空中资源来传输的 它会指定MCS 空间复用等等方式 也就说是告 诉物理层如何去传这些信息 物理信道 信号在空中传输的承载 比如PBCH 也就是在实际的物理位置上采用 特地的调制编码方式来传输广播消息了 进一步解释 逻辑信道按照消息的类别不同 将业务和信令消息进行分类 获得相应 的信道称为逻辑信道 这种信道的定义只是逻辑上人为的定义 传输信道对应的是空中接 口上不同信号的基带处理方式 根据不同的处理方式来描述信道的特性参数 构成了传输 信道的概念 具体来说 就是信号的信道编码 选择的交织方式 交织周期 块内块间交 织方式等 CRC冗余校验的选择以及块的分段等过程的不同 而定义了不同类别的传输信 道 物理信道 就是在特定的频域与时域乃至于码域上采用特地的调制编码等方式发送数 据的通道 物理信道就是空中接口的承载媒体 根据它所承载的上层信息的不同定义了不 同类的物理信道 跟MAC层相关的信道有传输信道与逻辑信道 比如传输信道是物理层提供给MAC的服务 MAC可以利用传输信道向物理层发送与接收数据 而逻辑信道是MAC层向RLC层提供的服务 RLC可以使用这些逻辑信道想MAC层发送与接收数据 3 2 4 1 传输信道传输信道 MAC使用的传输信道如下表所示 表3 2 跟上下行相关的传输信道 传输信道名传输信道名 缩写缩写 下行下行上行上行 Broadcast Channel 广播信道 BCH X Downlink Shared Channel 下行共享信道 DL SCH X Paging Channel 呼叫信道 PCH X Uplink Shared Channel 上行共享信道 UL SCH X Random Access Channel 随机接入信道 RACH X 这些传输信道的用途与处理方式如下 BCH 广播信道 下行 固定的 预定义传输格式的 例如具有固定大小 固定 发送周期 调制编码方式等等 除了MIB消息在专属的物理信道上传输外 其它的 广播消息 SIB 都是在物理共享信道上传输的 不再像UMTS那样留有专门的物理 信道用于传输广播消息 PCH 呼叫信道 下行 支持UE的非连续接收达到省电的目的 映射到物理下行 共享信道 与BCH类似 DL SCH UL SCH 可以传输业务数据以及系统控制信息 RACH 随机接入信道 上行 用于指定传输随机接入前导 发射功率等等信息 由上可知 除了指定特定的资源用于系统广播消息 上行的接入信息以及上下行信道 控制信息外 其他的资源对所有用户来说都是共享的 进行统一调度 如果我们对比UMTS 与LTE的传输信道 就会发现LTE的传输信道要少 例如针对业务数据 不再有专用传输信 道与专用控制信道 通通并入了共享信道 这样的传输信道安排 已经跟WiMAX对资源管理 的方式非常相似 由于业务资源都是共享的 那么MAC的调度就要做到兼顾业务优先级 无 线资源高效使用以及公平性 这对MAC的设计提出了比较高的要求 可以说不同设备商的基 站性能跟MAC层的调度非常相关 3 2 4 2 逻辑信道逻辑信道 MAC提供的逻辑信道如下表3 3所示 表3 3 逻辑信道 逻辑信道名逻辑信道名 缩写缩写 控制信道控制信道 业务信道业务信道 Broadcast Control Channel 广播控制信道 BCCH X Paging Control Channel 呼叫控制信道 PCCH X Common Control Channel 通用控制信道 CCCH X Dedicated Control Channel 专用控制信道 DCCH X Dedicated Traffic Channel 专用数据信道 DTCH X 这些逻辑信道的用途与处理方式如下 BCCH 广播控制信道 下行信道 用于广播系统控制信息 例如系统带宽 天 线个数以及各种信道的配置参数等等 PCCH 呼叫控制信道 下行信道 用于传输呼叫信息 被叫号码等等 以及系 统信息改变时的通知 这个信道用于系统不知道这个UE所在的小区位置时的呼叫 另外 当系统知道UE的具体位置时 可以使用共享信道来呼叫 但是对于系统信 息改变还是必须使用PCCH 因为那时它呼叫的是小区内的所有UE CCCH 通用控制信道 下行信道 用于传递UE与系统之间的控制信息 当UE还 没有RRC连接时 使用这个控制信道来传递控制信息 例如传输接入时 由于还没 有RRC连接 RRCRRC连接请求消息连接请求消息就是发在这个逻辑信道上的 因此没有RRC连接的UE 都可以使用这个信道 DCCH 专用控制信道 上 下行信道 点对点的双向信道 用于传递UE与系统之 间的专用控制信息专用控制信息 因此UE必须建立了RRC连接 DTCH 专用数据信道 上 下行信道 点对点的双向信道 用于传递传递用户数据用户数据 当MAC通过PDCCH物理信道指示无线资源的使用的时候 MAC会根据逻辑信道的类型 把相应的RNTI映射到PDCCH 这样用户通过匹配不同的RNTI可以获取到相应的逻辑信道 的数据 C RNTI Temporary C RNTI and 半静态调度 C RNTI 用于 DCCH 与 DTCH P RNTI 用于 PCCH RA RNTI 用于在 DL SCH 上接收随机接入相应 Temporary C RNTI 用于在随机接入过程中接收 CCCH SI RNTI 用于 BCCH 如下图所示 图3 3 RNTI 与逻辑信道映射关系 3 2 4 3 逻辑信道到传输信道的映射逻辑信道到传输信道的映射 MAC实体负责把上行的逻辑信道映射到相应的上行传输信道 映射关系如图3 4与表3 4 所示 CCCHDCCHDTCH UL SCHRACH 上行逻辑信道 上行传输信道 图3 4 上行逻辑信道与传输信道映射 下行映射 BCCHPCCHCCCHDCCHDTCH BCHPCHDL SCH 下行逻辑信道 下行传输信道 图3 5 下行逻辑信道与传输信道映射 3 3 MAC 格式 协议数据单元 格式与参数 格式 协议数据单元 格式与参数 3 3 1 概述概述 MAC PDU 是八位对齐的比特流 最高位第一行的最左边比特 最低位在最后一行的最 右边的比特 MAC SDU 也是八位对齐的比特流 而 MAC PDU 里面的参数也是按照相同 的顺序 高位在左边 低位在右边的顺序 3 3 2 MAC PDU DL SCH 和 UL SCH 除了透明 MAC 和随机接入响应 MAC PDU 具有一个头部 零个或多个 SDU 零个或多个控制单元 可能还有填充位 MAC 头部与 MAC SDU 都是可变长度的 一个 MAC PDU 头部 MAC PDU 头部可能有一个或多个子头部 subheader 每一个 对应一个 SDU 控制信息单元 control element 或者填充位 一个普通 MAC PDU 子头部由六个域 R R E LCID F L 组成 但是对于最后一个子 头部 固定长度的 MAC 控制信息单元以及填充位对应的子头部 它们只包含四个域 R R E LCID LCIDR FL R R E LCID F L 子头部具有7比 特长度域L R R E LCID F L 子头部具有15比 特长度域L RELCIDR FL RE L Oct 1 Oct 2 Oct 1 Oct 2 Oct 3 图图3 3 2 1 R R E LCID F L MAC 子头部子头部 LCIDR R R E LCID 子头部 REOct 1 图图3 3 2 2 R R E LCID MAC 字头部字头部 MAC PDU 子头部的顺序跟 MAC SDU MAC 控制信息单元以及填充部分出现的顺序是相 应的 MAC 控制信息单元处于任何 MAC SDU 的前面 填充部分一般放在 MAC PDU 的最后面 不过如果只有一个字节或者两个字节的填充部分 时 它就放在 MAC PDU 的最前面 填充部分的内容可以是任何值 因为接收方会直接忽 略掉这里面的内容 对于一个 UE 每次一个传输块只能携带一个 MAC PDU 当然它也告诉我们 如果有两个 传输块时 可以携带两个 PDU 这就是当使用空间复用的传输方式时 MAC 控制信 息单元1 R R E LCID 字头部 MAC 头部 MAC 负荷 R R E LCID 字头部 R R E LCID F L 字头部 R R E LCID F L 字头部 R R E LCID F L 字头部 R R E LCID 填充子 头部 MAC 控制信 息单元2 MAC SDU MAC SDU 填充 可选 图图3 3 2 3 具有头部 控制信息单元 具有头部 控制信息单元 SDUs以及填充部分的以及填充部分的MAC PDU例子例子 MAC 头部是可变长的 它包含以下参数 LCID 用于指示逻辑信道 控制消息类型或者填充域 L 指示 SDU 或者控制消息的长度 除了最后一个子头以及固定长度的控制消息对应 的字头 每一个子头都有一个 L 域 它的长度由 F 域指示 F 如果 SDU 或者控制消息的长度大于 128byte 那么设置 F 1 否则设为 0 通过 F 的值 我们就可以知道对应的 L 值的大小了 也就是知道这个内容 MAC SDU 或者 控制消息单元的长度了 E 指示 MAC 头部是否有多个域 当 E 1 时 意味着接下来存在另外一组 R R E LCID 域 如果是 0 那么接下来就是 payload 了 R 预留比特位 设为 0 3 3 3 控制信息单元 由于 MAC 存在多个控制信息单元 这里为了节约篇幅 只对几个重要的控制信息单 元进行说明 3 3 3 1 缓冲状态报告控制信息单元 BSR 这个控制信息单元 对于上行调度是至关重要的 作为 eNB 分配给 UE 资源的一个凭据 UE 有多少数据要发送就是通过它来告诉 eNB 的 BSR 有两种 短BSR和截断BSR格式 一个LCG ID 逻辑信道标识 域以及对应的缓冲区大小 域 eNB收到这个消息后 就知道对应的UE的这个上行逻辑信道组有多少业务数据要发 送 由于eNB是对一个逻辑信道组分配资源 那么就意味着这些资源可以被这个组的逻 辑信道共享 每一个逻辑信道能够获得多少资源这就取决于UE的调度了 因此UE必须按 照业务属性来分配资源 否则无法保证对应的业务的服务质量 QoS 如图3 3 3 1所示 长BSR格式 四个缓冲区大小域 对应于LCG IDs 0 到 3 如图3 3 3 2所示 缓冲区大小LCG IDOct 1 图图3 3 3 1 短短BSR以及截断以及截断BSR MAC控制信息单元控制信息单元 缓冲区大小 0 缓冲区 大小 1 缓冲区大小 1缓冲区大小 2 缓冲区 大小 2 缓冲区大小 3 Oct 1 Oct 2 Oct 3 图图3 3 3 2 长长BSR控制信息单元控制信息单元 BSR 格式可以通过 MAC PDU 字头部中 LCID 域来指示 如下表 3 3 3 1 所示 表表3 3 3 1 UL SCH的的LCID值值 IndexLCID values 00000CCCH 00001 01010逻辑信道标识 01011 11001预留 11010功率预留报告 PHR 11011C RNTI 11100截断BSR 11101短BSR 11110长BSR 11111填充 LCG ID 域和缓冲区大小定义如下 LCG ID 逻辑信道组标识域指示了上报的缓冲区状态对应的逻辑信道组 它的长度为两 个比特 也就意味着系统只设置了4个逻辑信道组 缓冲区大小 它指示了在构造了这个BSR控制信息单元之后的逻辑信道组内所有逻辑信所有逻辑信 道总的可以发送的数据量道总的可以发送的数据量 数据量大小的单位是字节数 它应该包含在RLC层以及PDCP 层可以传输的数据 这里的含义是指应该包含从PDCP发送到RLC的业务数据部分以及由 RLC产生的RLC控制信息部分 我们可以参考 3 和 4 值得注意的是这里不包含 RLC以及MAC的头部信息所要占用的字节数 因此我们在给这个逻辑信道组分配资源的 时候需要考虑到这一点 可以适当的多分配一点 这样就可以减少BSR的数量 从而也 就节约了空口资源 这个域由六个比特位来指示 如表3 2所示 MAC层对不同的缓冲大 小区间进行了量化 量化成为64个等级 可以用六比特表示 因此只需要传索引值而 不是实际的大小 这样可以节约控制信息的长度 Table 6 1 3 1 1 BSR承载的缓冲区大小水平承载的缓冲区大小水平 索引索引缓冲区大小缓冲区大小 BS 值值 字节字节 索引索引缓冲区大小缓冲区大小 BS 值值 字节字节 0BS 032 1132 BS 1326 1 0 BS 10 33 1326 BS 1552 2 10 BS 12 34 1552 BS 1817 3 12 BS 14 35 1817 BS 2127 4 14 BS 17 36 2127 BS 2490 5 17 BS 19 37 2490 BS 2915 6 19 BS 22 38 2915 BS 3413 7 22 BS 26 39 3413 BS 3995 8 26 BS 31 40 3995 BS 4677 9 31 BS 36 41 4677 BS 5476 10 36 BS 42 42 5476 BS 6411 11 42 BS 49 43 6411 BS 7505 12 49 BS 57 44 7505 BS 8787 13 57 BS 67 45 8787 BS 10287 14 67 BS 78 46 10287 BS 12043 15 78 BS 91 47 12043 BS 14099 16 91 BS 107 48 14099 BS 16507 17 107 BS 125 49 16507 BS 19325 18 125 BS 146 50 19325 BS 22624 19 146 BS 171 51 22624 BS 26487 20 171 BS 200 52 26487 BS 31009 21 200 BS 234 53 31009 BS 36304 22 234 BS 274 54 36304 BS 42502 23 274 BS 321 55 42502 BS 49759 24 321 BS 376 56 49759 BS 58255 25 376 BS 440 57 58255 BS 68201 26 440 BS 515 58 68201 BS 79846 27 515 BS 603 59 79846 BS 93479 28 603 BS 706 60 93479 BS 109439 29 706 BS 826 61 109439 BS 128125 30 826 BS 967 62 128125 BS 150000 31 967 BS 150000 3 3 3 1 MAC PDU RAR 随机接入响应随机接入响应 随机接入响应对于的 PDU 遵循 MAC PDU 的规则 只是里面的内容有所不同而已 它可以 包含多个随机接入响应 除了 BACKOFF 对应的子头部外 每一个子头部对应于一个 RAR 消息 如果存在 BACKOFF 指示 那么它对应的子头部要放在第一个 MAC 子头部的位置上 并且只能出 现一次 一个 RAR 的 PDU 其实可以不包含 RAR 消息 而只是包含一个 BACKOFF 指示 信息 如图 3 3 3 4 所示 一个 MAC PDU 子头部由三个头部域组成 E T RAPID 如图图 3 3 3 1 所示 但是对于 BACKOFF 指示的子头部包含五个域 E T R R BI 如图图 3 3 3 2 所示 A MAC RAR 包含四个域 R Timing Advance Command UL Grant Temporary C RNTI 图 3 3 3 3 最后也可能存在填充 这个是隐含的 跟通常的填充规则不同 通过传输块大小减去 MAC 头部大小以及 RAR 大小就可以推断出来 RAPIDETOct 1 图图3 3 3 1 E T RAPID MAC 子头部子头部 BIEROct 1RT 图图3 3 3 2 E T R R BI MAC 子头部子头部 Timing Advance CommandOct 1 Timing Advance Command UL Grant UL Grant Temporary C RNTI Temporary C RNTI UL GrantOct 2 Oct 3 Oct 4 Oct 5 Oct 6 R 图图3 3 3 3 MAC RAR MAC RAR 1 E T R R BI 字头 部 MAC 头部 MAC 负荷 MAC RAR 2MAC RAR n E T RAPID 子头 部2 E T RAPID 子头 部n E T RAPID 子头 部 1 填充 opt 图图3 3 3 4 含有头部与多个含有头部与多个RAR的的MAC PDU的例子的例子 3 3 3 2RAR 消息的消息的 MAC 头部头部 RAR 消息对应的 MAC 头部是可变长度的 定义如下 E 扩展域用于指示MAC头部还有其它域 例如其它RAR消息对于的子头部 如果E被 置为 1 也就是说随后至少还有一个 E T RAPID 域 否则 就指示随后是RAR消 息或者填充部分 这里我们会发现对于RAR的填充部分它是紧随MAC头部的 T 类型域 用于指示这个MAC子头部包含的是随机接入ID 前导序列ID 还是 BACKOFF指示 T置为 0 也就是说这个子头部包含的是BI值 如果是 1 就 意味着在这个子头部出现的是随机接入前导ID域 R 预留比特 置为 0 BI BACKOFF指示 通常是在小区过载的情况下 指示UE延后发送随机接入过程 4比 特位表示 RAPID 随机接入前导与指示发送的随机接入前导序列 6比特位表示 3 3 3 3RAR 消息内容消息内容 MAC RAR 消息大小是固定的 包含如下域 R 预留比特 置为 0 Timing Advance Command The Timing Advance Command field indicates the index value TA 0 1 2 1282 used to control the amount of timing adjustment that UE has to apply see subclause 4 2 3 of 2 11比特位表示 UL Grant The UpLink Grant field indicates the resources to be used on the uplink see subclause 6 2 of 2 20比特位表示 Temporary C RNTI The Temporary C RNTI field indicates the temporary identity that is used by the UE during Random Access The size of the Temporary C RNTI field is 16 bits 3 4 MAC 过程过程 3 4 1 随机接入过程随机接入过程 3 4 1 1 概述概述 随机接入是蜂窝系统一个最基本的功能 它使终端与网络建立连接成为可能 诚 如其名 这样的接入的发起以及采用的资源具有随机性 当然接入成功也具有随机性 那么在什么情况下需要发起随机接入的过程呢 随机的接入场景如下 基于竞争模式的随机接入 RRC IDLE 状态下的初始接入 无线链路出错以后的初始接入 RRC CONNECTED 状态下 当有上行数据传输时 例如在上行失步后 non synchronised 或者没有 PUCCH 资源用于发送调度请求消息 也就 是说在这个时候除了通过随机接入的方式外 没有其它途径告诉 eNB UE 存在上行数据需要发送 基于非竞争模式的随机接入 RRC CONNECTED 状态下 当下行有数据传输时 这时上行失步 non synchronised 因为数据的传输除了接收外 还需要确认 如果上行失步的 话 eNB 无法保证能够收到 UE 的确认信息 因为这时下行还是同步的 因此可以通过下行消息告诉 UE 发起随机接入需要使用的资源 比如前导序 列以及发送时机等 因为这些资源都是双方已知的 因此不需要通过竞争 的方式接入系统 切换过程中的随机接入 在切换的过程中 目标 eNB 可以通过服务 eNB 来 告诉 UE 它可以使用的资源 是否基于竞争在于在当时终端能否监听到 eNB 传递的下行控制信道 以便获得特定的资源 用于传输上行前导 当然这个判断是由 eNB 作出的 而不是 UE 自己来决定的 3 4 1 2 随机接入过程初始化随机接入过程初始化 随机接入过程可以由 PDCCH order 或者 MAC 子层自己来触发 如果 UE 收到一个发 给它的 PDCCH 传输含有一个 PDCCH order 那么它就会发起一个随机接入过程 PDCCH order 或者是 RRC 消息会指示 ra PreambleIndex 与 ra PRACH MaskIndex 信息以告诉 UE 它 可以使用的前导序列以及发送机会 在发起随机接入过程之前 下面的信息必须已经具备了 用于发送随机接入前导的PRACH资源已经准备好了 由prach ConfigIndex指示 有可用的随机接入前导 在MAC层有可能设置两组随机接入前导 Group B与Group A 分布用于指示发送的MSG3的大小 Group B的前导序列个数由下面的参数推导 可得 Group B前导序列个数 numberOfRA Preambles sizeOfRA PreamblesGroupA 在SIB2里面定义的PRACH的无线资源里面会提供上面的两个参数 从上面可以知道 如果Group A的前导序列跟总的随机接入前导序列相等 那么UE就知道不存在Group B的前导序列 Group A与Group B的前导序列编号如下 0 sizeOfRA PreamblesGroupA 1 以及 sizeOfRA PreamblesGroupA numberOfRA Preambles 1 UE选择Group A还是选择Group B就看是否有这个需要以及满足一定的条件 比如UE 希望在发送MSG3里面携带VoIP的包 那么自然需要的资源就要大一些 那么当eNB 收到UE发送的前导序列属于Group B时 它就会分配多一点资源给UE来发送MSG3 如果存在Group B的前导序列 那么由于Group B对于的MSG3消息比较大 因此必须 满足一些额外的要求 messagePowerOffsetGroupB与messageSizeGroupA 配置的UE 发射功率 PCMAX 前导序列与MSG 3的功率偏移量 这些值跟当前的UE功率情况决 定了最终选择GroupA还是B的前导序列 获得了接收随机接入响应的窗口大小参数ra ResponseWindowSize UE会在这个窗口 期监听eNB是否给它回了响应 这个响应有eNB分配给UE的资源用于发送MSG3的 因此这个窗口大小就是UE等待的时间了 如果没有收到响应 那么UE就认为它发的 前导没有被eNB收到 那么就要开始后面的处理了 功率提升步长powerRampingStep 假如在前面发起的接入过程失败了 但是还没有达 到最大尝试次数 那么UE就会提升功率发送下一次前导以提供发送成功的机会 可以尝试发送的次数preambleTransMax 一般超过这个次数就认为UE无法接入了 至少可以认为这次的接入是失败的 会报告给上层协议层 eNB期待接收到的前导序列目标功率preambleInitialReceivedTargetPower 这个值太 高了 会造成干扰 太低了可能无法收到前导序列 前导序列格式对应的功率偏移量 我们知道有5种前导序列 每一种格式都对应一个 基准选择发射功率 MSG3 HARQ重传最大次数maxHARQ Msg3Tx 竞争消除定时器mac ContentionResolutionTimer 注 在某一时刻只能有一个随机接入过程 如果这个UE在处于一个随机接入过程 但是同 时又收到新的随机接入的请求 这取决于UE的实现 是继续当前的过程 还是取消当 前过程 然后根据新的请求发起一个新的过程 3 4 1 3 初始随机接入初始随机接入 这里我们对这种最初需要使用的接入模式进行详细的介绍 这个过程一般分成四步 如前一页图所示 随机接入前导 消息3 竞争消除 随机接入响应 UE eNB 图 3 4 1 1 竞争随机接入过程 步骤一 在发送上行接入前导序列之前 终端应该已经和系统下行同步好了 下行同步意 味着 UE 获得了帧同步以及系统广播消息 但是上行并没有同步 通过前导序列 让 eNB 知道存在一个终端试图跟基站建立连接 根据确认的前导分配相应的资源用于发送消息 3 MSG3 步骤二 eNB 通过时隙调整确保上行同步 也就是发送 time advance 消息实现 同时分配 上行资源 这些内容就是由随机接入响应消息携带 步骤三 在已经分配的资源上发送用户 ID 以及相应的 UL SCH 信息用于发送用户 ID 以 及 RRC 连接请求之类的等基本信息 也就是所谓的消息 3 了 MSG3 具体内 容跟用户所处的状态相关 步骤四 通过 DL SCH 发送冲突解决消息到终端 只有第一步是纯粹的物理层过层 后面三个步骤跟普通的数据传输过程没有区别 看 MAC 协议经常看到 MSG3 或者 MSG4 等等 因为在随机接入的过程中 这些消息的内容 不是固定 有时候可能携带的是 RRC 连接请求 有时候可能会带一些控制消息甚至业务数 据包 因此简称为消息 3 之类 其意思就是第三条消息 步骤一 步骤一 发送随机接入前导发送随机接入前导 一个无线帧10ms 预留用于发送随机接 入前导上行资源 6RB 1 08MHz 一个子帧1ms 图3 4 1 2 随机接入资源 预留的资源带宽为 6 个 RB 那么对于 LTE 支持的所有带宽都是可以满足的 这样可 以非常方便的实现系统扩展 在物理层设计都会基于这样的考虑的 比如同步信道以及物 理广播信道都是如此 考虑到在发送前导序列时 上行并没有同步 需要防止对其他非接入资源的干扰 因 此前导的序列长度大约 0 9ms 留下 0 1ms 作为保护时间 前导序列基于 Zadoff Chu ZC 通过特定的移位获得 这种序列有一些很好的特性 比如具有很好的自相关性 恒定幅度等 具体的前导序列设计与检测原理看本系列的物理 信道设计部分 使用什么样的前导 终端通过广播消息获得 然后从某一范围的序列随机 选取一前导序列 步骤二 步骤二 随机接入响应随机接入响应 当 eNB 检测到这个前导序列 则在 DL SCH 上发送一个响应 包含 该序列索引号 时间调整信息 资源调度信息 也就是分配给该用户的上行资源 以及临时 RNTI 用于 接下来的交互过程中让 UE 监听相应的 PDCCH 信道 所有发送前导序列的终端则使用一个预留给随机接入响应使用的 ID RA RNTI 监听来 L1 L2 控制信道用于解码 DL SCH 从而获得上面的的信息 RA RNTI 1 t id 10 f id 其中 t id 指定 PRACH 的第一个 subframe 索引号 0 t id 0 其中 SFNstart time 和 subframestart time 是配置资源分配的起始 SFN 与起始子帧 这两个值的设 置可以在初始化或者重配的时候告诉 UE 的 3 4 4 2 2上行上行 当上行 SPS 授权 Grant 配置好 则 UE 认为在满足下式的子帧都会存在这个授权 10 SFN subframe 10 SFNstart time subframestart time N semiPersistSchedIntervalUL Subframe Offset N modulo 2 modulo 10240 N 0 其中 SFNstart time 和 subframestart time 是配置资源分配的起始 SFN 与起始子帧 这两个值的设 置可以在初始化或者重配的时候告诉 UE 的 UE 在经过连续 implicitReleaseAfter 次在 SPS 分配的资源上空传 MAC PDU 不包含任何 MAC SDU 后就要清掉这个配置好的上行授权 注 在清掉配置的上行授权后 还可以继续发送 SPS 的重传 当然这个资源就要按照通常 的调度来获得了 3 4 5调度请求调度请求 调度请求 SR 用于请求上行共享信道资源用于发送上行数据所用 当触发了 SR 时 它就会一直处于挂起的状态直到它被取消为止 也就是要么当这次请求得到满足或者这个 SR 没有必要了等 由于必须有上行资源 UE 才能够发送上行的数据 UE 要求被调度的 缓冲区状态报告 BSR 它是 MAC 控制信息单元 在共享信道上发送的 也是需要资源 来发送的 那么如何获得用于发送 BSR 的上行资源呢 这就要先在 PUCCH 上发送 SR 或 者通过 PRACH 发送 由于分配给分配给 UE 的的 PUCCH 是周期性的独占式的资源是周期性的独占式的资源 UE 应该总是 有资源的 但是如果在 PUCCH 上发送的 SR 总是失败 那么也就需要通过 PRACH 的竞争 方式来获得调度机会 如果触发了一个 SR 并且同时没有其它的 SR 被挂起 那么 UE 就要把 SR COUNTER 设 置为 0 只要有一个 SR 正被挂起 那么在每一个 TTI UE 都要按照下面流程处理 如果在这个TTI 没有UL SCH资源可用于发送数据 如果在任何TTI内 UE都没有合法的PUCCH资源用于发送SR 那么就要发起一个随机接 入的过程 并且取消所有挂起的SR 这段话的意思就是 当当UE有数据要发送 这是有数据要发送 这是 就要向就要向eNB请求上行资源 但是却没有请求上行资源 但是却没有PUCCH来发送来发送SR 那么就要通过 那么就要通过随机接入随机接入来来 发送调度请求发送调度请求 如果在这个TTI UE有合法的PUCCH资源用于发送SR 并且这个TTI不属于测量时间 由 于在切换的情况下 UE要测量邻小区的信号 根本无法处理当前服务小区的服务 因此即使在当前属于UE的服务时间 它也不能够做任何发送与接收的任务 其它过 程跟SR类似 如果 SR COUNTER dsr TransMax 把SR COUNTER加1 只是物理层在PUCCH上发送SR信号 否则 指示RRC释放PUCCH SRS资源 一般来说eNB会响应UE的SR请求 但是如果SR 连续在空口丢失了 那么我们可以任何链路出错了 此时相当于释放连接 清掉任何的配置的下行分配的资源 下行 SPS 等 以及上下授权 上行 SPS 发起随机接入过程并且取消所有挂起的SR 如果在这个TTI里有可用的上行资源 那么就取消所有挂起的SR 因为此时请求已经 得到eNB的确认 并且被eNB调度了 3 4 6缓冲区状态报告缓冲区状态报告 BSR 在介绍 SR 时 我们已经知道上行数据的传输需要的资源是通过 BSR 来获得 缓冲区 状态报告过程是用于向服务向服务 eNB 提供提供 UE 共有多少数据存在上行的缓冲区里需要发送的信共有多少数据存在上行的缓冲区里需要发送的信 息息 RRC 通过配置两个定时器 periodicBSR Timer 和 retxBSR Timer 以及对每一个逻辑信 道指示其 logicalChannelGroup 也就是这个逻辑信道属于哪一个逻辑信道组 LCG 在前 面的章节里我们讨论了 上行的调度是针对一个逻辑信道组而不是一个逻辑信道 RB 的 下面的事件发生时就会触发一个 BSR 消息 存在一个属于某一个逻辑信道组的逻辑信道 它对应的RLC或者PDCP实体里存在要发送 的上行数据 例如RLC PDCP的控制信息以及业务数据等 或者有一个逻辑信道 它的 优先级高于任何属于某一逻辑信道组的信道 有数据需要发送 或者任何属于某一逻辑 信道组的逻辑信道没有任何数据要发送 也就是发送缓冲区大小为0的BSR 可能是用于 eNB与UE之间的缓冲区信息同步用 这些情况触发的BSR 称为 常规BSR 已经分配了上行资源 并且填充比特数大于或者等于BSR控制信息但与加上它的子头 部 此时触发的BSR属于 填充BSR retxBSR Timer 超时 任何属于某一个逻辑信道组的逻辑信道有数据要发送 此时的BSR 称为 常规BSR 这种情况主要是在此前发送了BSR 但是经过一段时间后却没有相 应的上行资源时 这个定时器是在RAN2 63会议R2 83891引入的 大家可以了解一下它的 用法 当下面的条件满足时 允许UE触发一个SR 调度请求 1 当上一次的BSR已经超过了BSR RETX时间 2 从那时起 还没有收到上行授权 3 UE还有数据要发送 periodicBSR Timer 超时 此时的BSR称为 周期性BSR 这种BSR in which case the BSR is referred below to as Periodic BSR 对于常规和周期 BSR 如果在发送BSR的当前TTI有多于一个逻辑信道组 LCG 有数据要发送 则报告长BSR 否则报告短BSR 关于长短BSR参考前面的MAC格式章节 对于填充 BSR 如果填充比特数大于或者等于短BSR控制信息但与加上它的子头部但是小于长BSR控制 信息但与加上它的子头部 如果在发送BSR的当前TTI有多于一个逻辑信道组 LCG 有数据要发送 报告截断 BSR 这个BSR里携带的是具有数据要发送的最高优先级逻辑信道所属的逻辑信道 组 否则报告短BSR 如果填充比特数大于或者等于长BSR控制信息但与加上它的子头部 报告长BSR 如果 BSR 报告流程发现至少有一个 BSR 已经触发了 并且没有取消 如果UE在这个TTI有上行资源用于发起新的传输 指示产生一个BSR控制信息单元 启动或者重启定时器periodicBSR Timer 除了此时的BSR是截断BSR 启动或者重启retxBSR Timer 否则 如果常规BSR已经被触发 如果此时有上行资源用于新的传输 则不会触发 SR 则触发一个SR消息 一个 MAC PDU 最多只能包含一个 MAC BSR 控制信息单元 即使在可以发送一个 BSR 时 有多个事件触发有一个 BSR 可以发送 此时常规 BSR 与周期性 BSR 要优先于填充 BSR 当收到在上行发起新的传输 重传的指示不需要 的指示的上行授权时 UE 应该重 启 retxBSR Timer 定时器 当一个 MAC PDU 包含了一个 BSR 时 则要取消所有触发的 BSR 但是有一种情况要除 外 也就是当 UL 授权可以容纳所有的要发送的数据但是不能够再容纳一个 BSR 控制信息 单元加上它的子头部时 3 4 5 HARQ 基本原理基本原理 3 4 5 1 LTE HARQ 快速重传 只涉及到 L2 L1 层 重传合并产生合并增益 N process Stop And Wait DL 自适应异步 HARQ UL ACK NAK 在 PUCCH PUSCH 发送 PDCCH 携带 HARQ 进程号 重传总是通过 PDCCH 调度 这是因为它采用异步自适应 HARQ UL 同步 HARQ 相对于第一次传输 会在固定的地方重传 最大传输次数是针对 UE 的而不是 RB 在 PHICH 发送 DL ACK NAK 3 4 5 1 1 概述 除了传统的Chase合并的HARQ技术 LTE还采用了增量冗余 增量冗余 IRIR HARQHARQ 既通过第一次 传输发送信息bit和一部分的冗余bit 而通过重重发送额外的冗余bit 如果第一次传输没 有成功解码 则可以通过重传更多的冗余bit降低信道的编码率 从而实现更高的解码成功 率 如果加上重重的冗余bit仍无法正确解码 则进行再次重传 随着重重次数的增加 冗 余bit不断积累 信道编码率不断降低 从而可以获得更好的解码效果 HARQ正对每个传输 块进行重传 下行下行HARQHARQ采用多进程的 停止 等待 HARQ实现方式 即对于某一个HARQ进程 在等待 ACK NACK反馈之前 此进程暂时中止传输 当收到反馈后 再根据反馈的是ACK还是NACK选 择发送新的数据还是重传 按照重传发生的时刻来区分 可以将按照重传发生的时刻来区分 可以将 HARQHARQ 可以分为同步和异步两类可以分为同步和异步两类 这也是目前在 3G LTE 中讨论比较多的话题之一 同步同步 HARQHARQ 是指一个 HARQ 进程的传输 重传 是发生在固 定的时刻 由于接收端预先已知传输的发生时刻 因此不需要额外的信令开销来标示 HARQ 进程的序号 此时的 HARQ 进程的序号可以从子帧号获得 异步异步 HARQHARQ 是指一个 HARQ 进程的 传输可以发生在任何时刻 接收端预先不知道传输的发生时刻 因此 HARQ 进程的处理序号 需要连同数据一起发送 由于同步 HARQ 的重传发生在固定时刻 在没有附加进程序号的同步 HARQ 在某一时刻 只能支持一个 HARQ 进程 实际上 HARQ 操作应该在一个时刻可以同时支持多个 HARQ 进程的 发生 此时同步 HARQ 需要额外的信令开销来标示 HARQ 的进程序号 而异步 HARQ 本身可以 支持传输多个进程 另外