LTE_MAC協(xié)議總結(jié)

1、3.1 序言剛剛開始學(xué)習(xí)LTE的一段時間，曾經(jīng)寫過一個幻燈片在我們組內(nèi)分享，后來發(fā)到了網(wǎng)站，承蒙大家厚愛到處傳閱，如果現(xiàn)在在google上搜索一下，還是能看到很多網(wǎng)站上都有。但是現(xiàn)在自己仔細(xì)看看原來的幻燈片，發(fā)現(xiàn)有很多地方說得過于模糊，還有一些地方存在錯誤，內(nèi)心感到惶恐，趁這個機(jī)會，重新整理一下對MAC的理解，結(jié)合MAC協(xié)議（3GPP 36.321）與自己在MAC層工作的經(jīng)驗，提供更加豐富的內(nèi)容，同時也希望能夠糾正謬誤，開啟討論之門。3.2 概述36.321里面主要描述的是MAC的架構(gòu)與處于MAC層的功能實體，并沒有涉及到具體的實現(xiàn)，而且由于LTE取消了向以前的協(xié)議專門提供的專用信道，所有的用

2、戶數(shù)據(jù)都使用共享信道，因此對MAC的在資源以及業(yè)務(wù)調(diào)度的功能上提出了很高的要求，這也是不同設(shè)備供應(yīng)商可以大顯神通的地方了；而協(xié)議本身主要描述的是接受端的行為，因此在基站端可以發(fā)揮的余地就更大了。3.2.1 MAC架構(gòu)MAC協(xié)議層在LTE協(xié)議棧的位置如下所示：圖3.1 MAC層在LTE協(xié)議棧的位置MAC實體在UE以及eNB上都存在的，它們主要處理如下傳輸信道：- 廣播信道（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

3、 Channel, UL-SCH）；- 隨機(jī)接入信道（Random Access Channel,RACH）。其實這些信道只是概念上的，因為傳輸信道的管理上不像邏輯信道那樣設(shè)立專門的邏輯信道號，它只是從功能是進(jìn)行了描述，因此實現(xiàn)上是否真正存在這樣的傳輸信道，這在于個廠商自己。對于MAC層與物理層之間的處理，自然可以設(shè)置專門的通道，也可以只是通過一些簡單的標(biāo)識來處理，當(dāng)然這也是信道的一種表現(xiàn)形式。下圖3.1與3.2分別為層二的上下行功能框架圖：圖3.1 層二下行功能框架圖圖3.1 層二上行功能框架圖3.2.2 服務(wù)3.2.2.1 提供給上層的服務(wù)MAC層給上層（RLC層，也可以泛指MAC層以上的

4、協(xié)議層）提供的服務(wù)有：- 數(shù)據(jù)傳輸，這里面隱含了對上層數(shù)據(jù)處理，比如優(yōu)先級處理，邏輯信道數(shù)據(jù)的復(fù)用；- 無線資源分配與管理，包括MCS的選擇，數(shù)據(jù)在物理層傳輸格式的選擇，以及無線資源的使用管理，從這里我們可以知道MAC層掌握了所有物理層資源的信息。3.2.2.2 期待物理層提供的服務(wù)物理層向MAC層提供以下服務(wù)：- 數(shù)據(jù)傳輸，MAC層通過傳輸信道訪問物理層的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，而傳輸信道的特征通過傳輸格式進(jìn)行定義，它指示物理層如何處理相應(yīng)的傳輸信道，例如信道編碼，交織，速率匹配等；- HARQ 反饋信令（HARQ ACK/NACK）；- 調(diào)度請求信令（SR）；- 測量（比如信道質(zhì)量CQI，與編碼矩陣

5、PMI等）3.2.3 MAC層功能MAC層的各個子功能實體提供以下的功能：- 實現(xiàn)邏輯信道映射到傳輸信道；- 復(fù)用從一條或多條邏輯信道下來的數(shù)據(jù)(MAC SDUs)到傳輸塊，并通過傳輸信道發(fā)給到物理層；- 把從傳輸信道傳送上來的傳輸塊解復(fù)用成MAC SDU，并通過相應(yīng)的邏輯信道，上交給RLC層；- 調(diào)度信息的報告，UE向eNODEB請求傳輸資源等；- 基于HARQ機(jī)制的錯誤糾正功能；- 通過動態(tài)調(diào)度的方式，處理不同用戶的優(yōu)先級；以及對同一用戶的不同邏輯信道的優(yōu)先級處理，這里主要在UE端實現(xiàn)；- 傳輸格式的選擇，通過物理層上報的測量信息，用戶能力等，選擇相應(yīng)的傳輸格式，從而達(dá)到最有效的資源利用。

6、以上功能與上下行以及MAC實體的對應(yīng)關(guān)系如下表所示：表3.1 MAC function location and link direction associationMAC 功能 UE eNB 下行 上行邏輯信道和傳輸信道之間的映射 X X X X X X復(fù)用 X X  X X 解復(fù)用 X X X X HARQ X X X   X X X傳輸格式的選擇 X X X 不同用戶間優(yōu)先級處理 X X X 同一用戶不同邏輯信道優(yōu)先級處理 X X X 邏輯信道優(yōu)先級設(shè)置 X X 調(diào)度信息報告 X X 3.2.4 信道結(jié)構(gòu)在描述與MAC相關(guān)的信道前，這里先對信道做一些簡單的解釋，信道可

7、以認(rèn)為是不同協(xié)議層之間的業(yè)務(wù)接入點（SAP），是下一層向它的上層提供的服務(wù)。LTE沿用了UMTS里面的三種信道，邏輯信道，傳輸信道與物理信道。從協(xié)議棧的角度來看，物理信道是物理層的, 傳輸信道是物理層和MAC層之間的, 邏輯信道是MAC層和RLC層之間的，它們的含義是：- 邏輯信道，傳輸什么內(nèi)容，比如廣播信道（BCCH），也就是說用來傳廣播消息的；- 傳輸信道，怎樣傳，比如說下行共享信道DL-SCH，也就是業(yè)務(wù)甚至一些控制消息都是通過共享空中資源來傳輸?shù)?，它會指定MCS，空間復(fù)用等等方式，也就說是告訴物理層如何去傳這些信息；- 物理信道，信號在空中傳輸?shù)某休d，比如PBCH，也就是在實際的物理位

8、置上采用特地的調(diào)制編碼方式來傳輸廣播消息了。進(jìn)一步解釋，邏輯信道按照消息的類別不同，將業(yè)務(wù)和信令消息進(jìn)行分類，獲得相應(yīng)的信道稱為邏輯信道，這種信道的定義只是邏輯上人為的定義。傳輸信道對應(yīng)的是空中接口上不同信號的基帶處理方式，根據(jù)不同的處理方式來描述信道的特性參數(shù)，構(gòu)成了傳輸信道的概念，具體來說，就是信號的信道編碼、選擇的交織方式（交織周期、塊內(nèi)塊間交織方式等）、CRC冗余校驗的選擇以及塊的分段等過程的不同，而定義了不同類別的傳輸信道；物理信道，就是在特定的頻域與時域乃至于碼域上采用特地的調(diào)制編碼等方式發(fā)送數(shù)據(jù)的通道，物理信道就是空中接口的承載媒體，根據(jù)它所承載的上層信息的不同定義了不同類的物理

9、信道。跟MAC層相關(guān)的信道有傳輸信道與邏輯信道，比如傳輸信道是物理層提供給MAC的服務(wù)，MAC可以利用傳輸信道向物理層發(fā)送與接收數(shù)據(jù)，而邏輯信道是MAC層向RLC層提供的服務(wù)，RLC可以使用這些邏輯信道想MAC層發(fā)送與接收數(shù)據(jù)。3.2.4.1 傳輸信道MAC使用的傳輸信道如下表所示：表3.2 跟上下行相關(guān)的傳輸信道傳輸信道名 縮寫 下行上行 Broadcast Channel 廣播信道 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-S

10、CH X Random Access Channel 隨機(jī)接入信道 RACH X 這些傳輸信道的用途與處理方式如下：- BCH（廣播信道），下行，固定的，預(yù)定義傳輸格式的，例如具有固定大小，固定發(fā)送周期，調(diào)制編碼方式等等；除了MIB消息在專屬的物理信道上傳輸外，其它的廣播消息（SIB）都是在物理共享信道上傳輸?shù)?，不再像UMTS那樣留有專門的物理信道用于傳輸廣播消息；- PCH（呼叫信道），下行,支持UE的非連續(xù)接收達(dá)到省電的目的；映射到物理下行共享信道，與BCH類似；- DL-SCH/UL-SCH，可以傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)控制信息；- RACH（隨機(jī)接入信道），上行，用于指定傳輸隨機(jī)接入前導(dǎo)，

11、發(fā)射功率等等信息。由上可知，除了指定特定的資源用于系統(tǒng)廣播消息、上行的接入信息以及上下行信道控制信息外，其他的資源對所有用戶來說都是共享的，進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度。如果我們對比UMTS與LTE的傳輸信道，就會發(fā)現(xiàn)LTE的傳輸信道要少，例如針對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，不再有專用傳輸信道與專用控制信道，通通并入了共享信道；這樣的傳輸信道安排，已經(jīng)跟WiMAX對資源管理的方式非常相似。由于業(yè)務(wù)資源都是共享的，那么MAC的調(diào)度就要做到兼顧業(yè)務(wù)優(yōu)先級，無線資源高效使用以及公平性，這對MAC的設(shè)計提出了比較高的要求。可以說不同設(shè)備商的基站性能跟MAC層的調(diào)度非常相關(guān)。3.2.4.2 邏輯信道MAC提供的邏輯信道如下表3.3所示：

12、表3.3 邏輯信道邏輯信道名 縮寫 控制信道 業(yè)務(wù)信道 Broadcast Control Channel 廣播控制信道 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 專用控制信道 DCCH X Dedicated Traffic Channel 專用數(shù)據(jù)信道 DTCH X 這些邏輯信道的用途與處理方式如下：- BCCH（廣播控制信道），下行信道，用于廣播系統(tǒng)控制信息，例如系統(tǒng)帶寬，天線個數(shù)以及各種信道的配置參數(shù)等等；- PCC

13、H（呼叫控制信道），下行信道，用于傳輸呼叫信息（被叫號碼等等）以及系統(tǒng)信息改變時的通知；這個信道用于系統(tǒng)不知道這個UE所在的小區(qū)位置時的呼叫，另外，當(dāng)系統(tǒng)知道UE的具體位置時，可以使用共享信道來呼叫，但是對于系統(tǒng)信息改變還是必須使用PCCH，因為那時它呼叫的是小區(qū)內(nèi)的所有UE；- CCCH（通用控制信道），下行信道，用于傳遞UE與系統(tǒng)之間的控制信息，當(dāng)UE還沒有RRC連接時，使用這個控制信道來傳遞控制信息，例如傳輸接入時，由于還沒有RRC連接，RRC連接請求消息就是發(fā)在這個邏輯信道上的。因此沒有RRC連接的UE都可以使用這個信道- DCCH（專用控制信道），上/下行信道，點對點的雙向信道，用于

14、傳遞UE與系統(tǒng)之間的專用控制信息，因此UE必須建立了RRC連接；- DTCH（專用數(shù)據(jù)信道），上/下行信道,點對點的雙向信道，用于傳遞用戶數(shù)據(jù)當(dāng)MAC通過PDCCH物理信道指示無線資源的使用的時候，MAC會根據(jù)邏輯信道的類型把相應(yīng)的RNTI映射到PDCCH，這樣用戶通過匹配不同的RNTI可以獲取到相應(yīng)的邏輯信道的數(shù)據(jù)- C-RNTI, Temporary C-RNTI and 半靜態(tài)調(diào)度C-RNTI 用于DCCH 與 DTCH;- P-RNTI 用于 PCCH；- RA-RNTI 用于在DL-SCH上接收隨機(jī)接入相應(yīng)；- Temporary C-RNTI 用于在隨機(jī)接入過程中接收CCCH；-

15、SI-RNTI 用于BCCH.如下圖所示：圖3.3 RNTI 與邏輯信道映射關(guān)系3.2.4.3 邏輯信道到傳輸信道的映射MAC實體負(fù)責(zé)把上行的邏輯信道映射到相應(yīng)的上行傳輸信道，映射關(guān)系如圖3.4與表3.4所示：圖3.4 上行邏輯信道與傳輸信道映射下行映射圖3.5 下行邏輯信道與傳輸信道映射3.3 MAC格式（協(xié)議數(shù)據(jù)單元，格式與參數(shù)）3.3.1 概述MAC PDU是八位對齊的比特流，最高位第一行的最左邊比特，最低位在最后一行的最右邊的比特；MAC SDU也是八位對齊的比特流，而MAC PDU里面的參數(shù)也是按照相同的順序，高位在左邊，低位在右邊的順序。3.3.2 MAC PDU（DL-SCH和U

16、L-SCH，除了透明MAC和隨機(jī)接入響應(yīng)）MAC PDU具有一個頭部，零個或多個SDU，零個或多個控制單元，可能還有填充位。MAC頭部與MAC SDU都是可變長度的。一個MAC PDU頭部，MAC PDU頭部可能有一個或多個子頭部（subheader），每一個對應(yīng)一個SDU、控制信息單元(control element)或者填充位。一個普通MAC PDU子頭部由六個域（R/R/E/LCID/F/L）組成，但是對于最后一個子頭部、固定長度的MAC控制信息單元以及填充位對應(yīng)的子頭部，它們只包含四個域（R/R/E/LCID）圖3.3.2-1: R/R/E/LCID/F/L MAC 子頭部圖3.3.2

17、-2: R/R/E/LCID MAC 字頭部MAC PDU子頭部的順序跟MAC SDU，MAC控制信息單元以及填充部分出現(xiàn)的順序是相應(yīng)的。MAC控制信息單元處于任何MAC SDU的前面。填充部分一般放在MAC PDU的最后面，不過如果只有一個字節(jié)或者兩個字節(jié)的填充部分時，它就放在MAC PDU的最前面。填充部分的內(nèi)容可以是任何值，因為接收方會直接忽略掉這里面的內(nèi)容。對于一個UE，每次一個傳輸塊只能攜帶一個MAC PDU，當(dāng)然它也告訴我們，如果有兩個傳輸塊時，可以攜帶兩個PDU（這就是當(dāng)使用空間復(fù)用的傳輸方式時）。圖3.3.2-3: 具有頭部、控制信息單元、SDUs以及填充部分的MAC PDU例

18、子MAC頭部是可變長的，它包含以下參數(shù)：LCID：用于指示邏輯信道、控制消息類型或者填充域；L：指示SDU或者控制消息的長度，除了最后一個子頭以及固定長度的控制消息對應(yīng)的字頭，每一個子頭都有一個L域，它的長度由F域指示；F：如果SDU或者控制消息的長度大于128byte，那么設(shè)置F=1，否則設(shè)為0，通過F的值，我們就可以知道對應(yīng)的L值的大小了，也就是知道這個內(nèi)容（MAC SDU或者控制消息單元的長度了）；E:指示MAC 頭部是否有多個域，當(dāng)E=1時，意味著接下來存在另外一組R/R/E/LCID 域，如果是0，那么接下來就是payload了；-R: 預(yù)留比特位，設(shè)為“0”3.3.3 控制信息單元

19、由于MAC存在多個控制信息單元，這里為了節(jié)約篇幅，只對幾個重要的控制信息單元進(jìn)行說明3.3.3.1緩沖狀態(tài)報告控制信息單元（BSR）這個控制信息單元，對于上行調(diào)度是至關(guān)重要的，作為eNB分配給UE資源的一個憑據(jù)，UE有多少數(shù)據(jù)要發(fā)送就是通過它來告訴eNB的，BSR有兩種：-短BSR和截斷BSR格式：一個LCG ID（邏輯信道標(biāo)識）域以及對應(yīng)的緩沖區(qū)大小域，eNB收到這個消息后，就知道對應(yīng)的UE的這個上行邏輯信道組有多少業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)要發(fā)送，由于eNB是對一個邏輯信道組分配資源，那么就意味著這些資源可以被這個組的邏輯信道共享，每一個邏輯信道能夠獲得多少資源這就取決于UE的調(diào)度了，因此UE必須按照業(yè)務(wù)屬

20、性來分配資源，否則無法保證對應(yīng)的業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量（QoS）如圖3.3.3-1所示；-長BSR格式：四個緩沖區(qū)大小域，對應(yīng)于LCG IDs #0 到#3，如圖3.3.3-2所示。圖3.3.3-1: 短BSR以及截斷BSR MAC控制信息單元圖3.3.3-2: 長BSR控制信息單元BSR格式可以通過MAC PDU字頭部中LCID域來指示，如下表3.3.3-1所示：表3.3.3-1 UL-SCH的LCID值IndexLCID values00000CCCH00001-01010邏輯信道標(biāo)識01011-11001預(yù)留11010功率預(yù)留報告（PHR）11011C-RNTI11100截斷BSR11101短B

21、SR11110長BSR11111填充LCG ID 域和緩沖區(qū)大小定義如下： -LCG ID: 邏輯信道組標(biāo)識域指示了上報的緩沖區(qū)狀態(tài)對應(yīng)的邏輯信道組，它的長度為兩個比特，也就意味著系統(tǒng)只設(shè)置了4個邏輯信道組；-緩沖區(qū)大?。?它指示了在構(gòu)造了這個BSR控制信息單元之后的邏輯信道組內(nèi)所有邏輯信道總的可以發(fā)送的數(shù)據(jù)量，數(shù)據(jù)量大小的單位是字節(jié)數(shù)。它應(yīng)該包含在RLC層以及PDCP層可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，這里的含義是指應(yīng)該包含從PDCP發(fā)送到RLC的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)部分以及由RLC產(chǎn)生的RLC控制信息部分，我們可以參考【3】和【4】；值得注意的是這里不包含RLC以及MAC的頭部信息所要占用的字節(jié)數(shù)，因此我們在給這個邏輯

22、信道組分配資源的時候需要考慮到這一點，可以適當(dāng)?shù)亩喾峙湟稽c，這樣就可以減少BSR的數(shù)量，從而也就節(jié)約了空口資源。這個域由六個比特位來指示，如表3.2所示，MAC層對不同的緩沖大小區(qū)間進(jìn)行了量化，量化成為64個等級（可以用六比特表示），因此只需要傳索引值而不是實際的大小，這樣可以節(jié)約控制信息的長度。Table 6.1.3.1-1: BSR承載的緩沖區(qū)大小水平索引緩沖區(qū)大小 (BS) 值 字節(jié)索引緩沖區(qū)大小 (BS) 值 字節(jié)0BS = 0321132 < BS <= 132610 < BS <= 10331326 < BS <= 1552210 < BS

23、 <= 12341552 < BS <= 1817312 < BS <= 14351817 < BS <= 2127414 < BS <= 17362127 < BS <= 2490517 < BS <= 19372490 < BS <= 2915619 < BS <= 22382915 < BS <= 3413722 < BS <= 26393413 < BS <= 3995826 < BS <= 31403995 < BS <=

24、4677931 < BS <= 36414677 < BS <= 54761036 < BS <= 42425476 < BS <= 64111142 < BS <= 49436411 < BS <= 75051249 < BS <= 57447505 < BS <= 87871357 < BS <= 67458787 < BS <= 102871467 < BS <= 784610287 < BS <= 120431578 < BS <=

25、 914712043 < BS <= 140991691 < BS <= 1074814099 < BS <= 1650717107 < BS <= 1254916507 < BS <= 1932518125 < BS <= 1465019325 < BS <= 2262419146 < BS <= 1715122624 < BS <= 2648720171 < BS <= 2005226487 < BS <= 3100921200 < BS <= 2

26、345331009 < BS <= 3630422234 < BS <= 2745436304 < BS <= 4250223274 < BS <= 3215542502 < BS <= 4975924321 < BS <= 3765649759 < BS <= 5825525376 < BS <= 4405758255 < BS <= 6820126440 < BS <= 5155868201 < BS <= 7984627515 < BS <= 6

27、035979846 < BS <= 9347928603 < BS <= 7066093479 < BS <= 10943929706 < BS <= 82661109439 < BS <= 12812530826 < BS <= 96762128125 < BS <=< BS <=113263BS > 1500003.3.3.1 MAC PDU RAR (隨機(jī)接入響應(yīng))隨機(jī)接入響應(yīng)對于的PDU遵循MAC PDU的規(guī)則，只是里面的內(nèi)容有所不同而已，它可以包含多個隨機(jī)接

28、入響應(yīng)除了BACKOFF對應(yīng)的子頭部外，每一個子頭部對應(yīng)于一個RAR消息，如果存在BACKOFF指示，那么它對應(yīng)的子頭部要放在第一個MAC子頭部的位置上，并且只能出現(xiàn)一次。一個RAR的PDU其實可以不包含RAR消息，而只是包含一個BACKOFF指示信息，如圖3.3.3-4所示。一個MAC PDU 子頭部由三個頭部域組成（E/T/RAPID），如圖圖3.3.3-1 所示。但是對于BACKOFF 指示的子頭部包含五個域（E/T/R/R/BI）如圖圖3.3.3-2 所示。A MAC RAR 包含四個域R/Timing Advance Command/UL Grant/Temporary C-RNTI

29、圖3.3.3-3最后也可能存在填充，這個是隱含的，跟通常的填充規(guī)則不同，通過傳輸塊大小減去MAC頭部大小以及RAR大小就可以推斷出來。 圖3.3.3-1: E/T/RAPID MAC 子頭部圖3.3.3-2: E/T/R/R/BI MAC 子頭部圖3.3.3-3: MAC RAR 圖3.3.3-4: 含有頭部與多個RAR的MAC PDU的例子3.3.3.2RAR消息的MAC頭部RAR消息對應(yīng)的MAC頭部是可變長度的，定義如下-E: 擴(kuò)展域用于指示MAC頭部還有其它域（例如其它RAR消息對于的子頭部），如果E被置為“1”，也就是說隨后至少還有一個（E/T/RAPID）域，否則，就指示隨后是RAR

30、消息或者填充部分，這里我們會發(fā)現(xiàn)對于RAR的填充部分它是緊隨MAC頭部的;-T: 類型域，用于指示這個MAC子頭部包含的是隨機(jī)接入ID（前導(dǎo)序列ID）還是BACKOFF指示，T置為“0”，也就是說這個子頭部包含的是BI值， 如果是“1”，就意味著在這個子頭部出現(xiàn)的是隨機(jī)接入前導(dǎo)ID域；-R: 預(yù)留比特，置為"0"-BI: BACKOFF指示，通常是在小區(qū)過載的情況下，指示UE延后發(fā)送隨機(jī)接入過程。4比特位表示；-RAPID: 隨機(jī)接入前導(dǎo)與指示發(fā)送的隨機(jī)接入前導(dǎo)序列，6比特位表示。3.3.3.3RAR消息內(nèi)容MAC RAR消息大小是固定的，包含如下域：-R: 預(yù)留比特，置為

31、“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 s

32、ubclause 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 過程3.4.1 隨機(jī)接入過程3.4.1.1 概述隨機(jī)接入是蜂窩系統(tǒng)一個最基本的功能，它使終端與網(wǎng)絡(luò)建立連接成為可能，誠如其名，這樣的接入的發(fā)起以及采用的資源具有隨機(jī)性，當(dāng)然接入成功

33、也具有隨機(jī)性，那么在什么情況下需要發(fā)起隨機(jī)接入的過程呢？隨機(jī)的接入場景如下： 基于競爭模式的隨機(jī)接入：RRC_IDLE狀態(tài)下的初始接入；無線鏈路出錯以后的初始接入；RRC_CONNECTED狀態(tài)下，當(dāng)有上行數(shù)據(jù)傳輸時，例如在上行失步后“non-synchronised”， 或者沒有PUCCH資源用于發(fā)送調(diào)度請求消息，也就是說在這個時候除了通過隨機(jī)接入的方式外，沒有其它途徑告訴eNB，UE存在上行數(shù)據(jù)需要發(fā)送基于非競爭模式的隨機(jī)接入：RRC_CONNECTED狀態(tài)下，當(dāng)下行有數(shù)據(jù)傳輸時，這時上行失步“non-synchronised”，因為數(shù)據(jù)的傳輸除了接收外，還需要確認(rèn)，如果上行失步的話，eN

34、B無法保證能夠收到UE的確認(rèn)信息，因為這時下行還是同步的，因此可以通過下行消息告訴UE發(fā)起隨機(jī)接入需要使用的資源，比如前導(dǎo)序列以及發(fā)送時機(jī)等，因為這些資源都是雙方已知的，因此不需要通過競爭的方式接入系統(tǒng)；切換過程中的隨機(jī)接入，在切換的過程中，目標(biāo)eNB可以通過服務(wù)eNB來告訴UE它可以使用的資源；是否基于競爭在于在當(dāng)時終端能否監(jiān)聽到eNB傳遞的下行控制信道，以便獲得特定的資源用于傳輸上行前導(dǎo)，當(dāng)然這個判斷是由eNB作出的，而不是UE自己來決定的。3.4.1.2隨機(jī)接入過程初始化隨機(jī)接入過程可以由PDCCH order或者M(jìn)AC子層自己來觸發(fā)，如果UE收到一個發(fā)給它的PDCCH傳輸含有一個PDC

35、CH order，那么它就會發(fā)起一個隨機(jī)接入過程，PDCCH order或者是RRC消息會指示ra-PreambleIndex與ra-PRACH-MaskIndex信息以告訴UE它可以使用的前導(dǎo)序列以及發(fā)送機(jī)會。在發(fā)起隨機(jī)接入過程之前，下面的信息必須已經(jīng)具備了：- 用于發(fā)送隨機(jī)接入前導(dǎo)的PRACH資源已經(jīng)準(zhǔn)備好了，由prach-ConfigIndex指示；- 有可用的隨機(jī)接入前導(dǎo)，在MAC層有可能設(shè)置兩組隨機(jī)接入前導(dǎo):Group B與Group A，分布用于指示發(fā)送的MSG3的大小，Group B的前導(dǎo)序列個數(shù)由下面的參數(shù)推導(dǎo)可得Group B前導(dǎo)序列個數(shù) = numberOfRA-Pream

36、bles - sizeOfRA-PreamblesGroupA 在SIB2里面定義的PRACH的無線資源里面會提供上面的兩個參數(shù)，從上面可以知道如果Group A的前導(dǎo)序列跟總的隨機(jī)接入前導(dǎo)序列相等，那么UE就知道不存在Group B的前導(dǎo)序列，Group A與Group B的前導(dǎo)序列編號如下：0 sizeOfRA-PreamblesGroupA 1以及sizeOfRA-PreamblesGroupA numberOfRA-Preambles 1UE選擇Group A還是選擇Group B就看是否有這個需要以及滿足一定的條件，比如UE希望在發(fā)送MSG3里面攜帶VoIP的包，那么自然需要的資源就

37、要大一些，那么當(dāng)eNB收到UE發(fā)送的前導(dǎo)序列屬于Group B時，它就會分配多一點資源給UE來發(fā)送MSG3-如果存在Group B的前導(dǎo)序列，那么由于Group B對于的MSG3消息比較大，因此必須滿足一些額外的要求， messagePowerOffsetGroupB與messageSizeGroupA, 配置的UE發(fā)射功率 PCMAX ，前導(dǎo)序列與MSG 3的功率偏移量，這些值跟當(dāng)前的UE功率情況決定了最終選擇GroupA還是B的前導(dǎo)序列-獲得了接收隨機(jī)接入響應(yīng)的窗口大小參數(shù)ra-ResponseWindowSize，UE會在這個窗口期監(jiān)聽eNB是否給它回了響應(yīng)，這個響應(yīng)有eNB分配給UE的

38、資源用于發(fā)送MSG3的。因此這個窗口大小就是UE等待的時間了，如果沒有收到響應(yīng)，那么UE就認(rèn)為它發(fā)的前導(dǎo)沒有被eNB收到，那么就要開始后面的處理了；-功率提升步長powerRampingStep.假如在前面發(fā)起的接入過程失敗了，但是還沒有達(dá)到最大嘗試次數(shù)，那么UE就會提升功率發(fā)送下一次前導(dǎo)以提供發(fā)送成功的機(jī)會；-可以嘗試發(fā)送的次數(shù)preambleTransMax，一般超過這個次數(shù)就認(rèn)為UE無法接入了，至少可以認(rèn)為這次的接入是失敗的，會報告給上層協(xié)議層；-eNB期待接收到的前導(dǎo)序列目標(biāo)功率preambleInitialReceivedTargetPower，這個值太高了，會造成干擾，太低了可能無

39、法收到前導(dǎo)序列；-前導(dǎo)序列格式對應(yīng)的功率偏移量，我們知道有5種前導(dǎo)序列，每一種格式都對應(yīng)一個基準(zhǔn)選擇發(fā)射功率；-MSG3 HARQ重傳最大次數(shù)maxHARQ-Msg3Tx.-競爭消除定時器mac-ContentionResolutionTimer.注：在某一時刻只能有一個隨機(jī)接入過程，如果這個UE在處于一個隨機(jī)接入過程，但是同時又收到新的隨機(jī)接入的請求，這取決于UE的實現(xiàn)，是繼續(xù)當(dāng)前的過程，還是取消當(dāng)前過程，然后根據(jù)新的請求發(fā)起一個新的過程3.4.1.3初始隨機(jī)接入這里我們對這種最初需要使用的接入模式進(jìn)行詳細(xì)的介紹，這個過程一般分成四步，如前一頁圖所示：圖3.4.1-1競爭隨機(jī)接入過程步驟一、

40、在發(fā)送上行接入前導(dǎo)序列之前，終端應(yīng)該已經(jīng)和系統(tǒng)下行同步好了，下行同步意味著UE獲得了幀同步以及系統(tǒng)廣播消息，但是上行并沒有同步。通過前導(dǎo)序列，讓eNB知道存在一個終端試圖跟基站建立連接；根據(jù)確認(rèn)的前導(dǎo)分配相應(yīng)的資源用于發(fā)送消息3（MSG3）；步驟二、 eNB通過時隙調(diào)整確保上行同步，也就是發(fā)送time-advance消息實現(xiàn)；同時分配上行資源，這些內(nèi)容就是由隨機(jī)接入響應(yīng)消息攜帶；步驟三、在已經(jīng)分配的資源上發(fā)送用戶ID，以及相應(yīng)的UL-SCH信息用于發(fā)送用戶ID以及RRC連接請求之類的等基本信息，也就是所謂的消息3了（MSG3），具體內(nèi)容跟用戶所處的狀態(tài)相關(guān)；步驟四、通過DL-SCH發(fā)送沖突解決

41、消息到終端。只有第一步是純粹的物理層過層，后面三個步驟跟普通的數(shù)據(jù)傳輸過程沒有區(qū)別，看MAC協(xié)議經(jīng)?？吹組SG3或者M(jìn)SG4等等，因為在隨機(jī)接入的過程中，這些消息的內(nèi)容不是固定，有時候可能攜帶的是RRC連接請求，有時候可能會帶一些控制消息甚至業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包，因此簡稱為消息3之類，其意思就是第三條消息。步驟一、發(fā)送隨機(jī)接入前導(dǎo)圖3.4.1-2 隨機(jī)接入資源預(yù)留的資源帶寬為6個RB，那么對于LTE支持的所有帶寬都是可以滿足的，這樣可以非常方便的實現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展，在物理層設(shè)計都會基于這樣的考慮的，比如同步信道以及物理廣播信道都是如此?？紤]到在發(fā)送前導(dǎo)序列時，上行并沒有同步，需要防止對其他非接入資源的干擾，因

42、此前導(dǎo)的序列長度大約0.9ms，留下0.1ms作為保護(hù)時間前導(dǎo)序列基于ZadoffChu (ZC)，通過特定的移位獲得，這種序列有一些很好的特性，比如具有很好的自相關(guān)性，恒定幅度等，具體的前導(dǎo)序列設(shè)計與檢測原理看本系列的物理信道設(shè)計部分，使用什么樣的前導(dǎo)，終端通過廣播消息獲得，然后從某一范圍的序列隨機(jī)選取一前導(dǎo)序列。步驟二、 隨機(jī)接入響應(yīng)當(dāng)eNB檢測到這個前導(dǎo)序列，則在DL-SCH上發(fā)送一個響應(yīng)，包含：該序列索引號、時間調(diào)整信息、資源調(diào)度信息（也就是分配給該用戶的上行資源）以及臨時RNTI，用于接下來的交互過程中讓UE監(jiān)聽相應(yīng)的PDCCH信道所有發(fā)送前導(dǎo)序列的終端則使用一個預(yù)留給隨機(jī)接入響應(yīng)使

43、用的ID(RA-RNTI )監(jiān)聽來L1/L2控制信道用于解碼DL-SCH，從而獲得上面的的信息；RA-RNTI =1 + t_id + 10*f_id 其中，t_id， 指定PRACH的第一個subframe索引號 (0 <= t_id < 10)f_id， 在這個subframe里的PRACH索引，也就是頻域位置索引，不過對于FDD系統(tǒng)來說，只有一個頻域位置，因此f_id永遠(yuǎn)為零，但是對于TDD就不一樣了，由于本文不涉及TDD系統(tǒng)，因此不再延伸來講。監(jiān)聽時間從發(fā)送前導(dǎo)后的三個子幀開始，并持續(xù)ra-ResponseWindowSize 個子幀數(shù)，該窗口大小通過讀取系統(tǒng)廣播消息（SI

44、B2）獲得，在前面有說明。這個值最大可設(shè)為10，因為大于10的話，有可能造成誤解，因為在下一個無線幀里也有發(fā)生隨機(jī)接入的機(jī)會，因此為了防止這種情況，這個窗口最大設(shè)為10，大家可以去查看36.331里面這個參數(shù)范圍就知道，具體原理如下圖所示： 圖3.4.1-3隨機(jī)接入響應(yīng)監(jiān)聽示意圖紅色為發(fā)送RA的地方，綠色部分為UE最大可監(jiān)聽隨機(jī)接入響應(yīng)的窗口范圍，點格子是窗口之外的地方。如果在同一時間，多個終端選擇同一個前導(dǎo)，這些終端都可能獲得這些信息，那么就會導(dǎo)致沖突，而沖突的解決消除需要在后面兩個步驟里面來消除，接收響應(yīng)的過程如下：1. 當(dāng)終端成功接收RA響應(yīng)，終端調(diào)節(jié)上行發(fā)送時間，保存從這個響應(yīng)里面獲得

45、臨時C-RNTI用于隨后的通信，直到獲得最終的C-RNTI，最后發(fā)送前導(dǎo)序列的功率信息；2. 如果沒有成功接收到響應(yīng)；（出現(xiàn)了退避問題）計數(shù)器PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER 加一a. 如果計數(shù)器等于PREAMBLE_TRANS_MAX + 1，以及達(dá)到最大發(fā)送次數(shù)了: 向上層報告隨機(jī)接入出錯了。b. 如果RA前導(dǎo)是由MAC選擇的，那么從0到backoff時間之間隨機(jī)選擇一個值，然后延遲上面所選擇值的時間，重新開始一個RA過程。c. 否則，重選RA資源，例如功率，前導(dǎo)，相應(yīng)的PRACH，發(fā)起新的隨機(jī)接入過程。為了避免完全翻譯協(xié)議，中間一些過程省略了，具體過程請大家看協(xié)

46、議。步驟三、終端識別通過前面兩步，終端已經(jīng)獲得上行同步，以及隨后通信的必要信息，但是要能夠?qū)崿F(xiàn)上行數(shù)據(jù)傳輸，則必須獲得唯一的C-RNTI，根據(jù)不同的用戶狀態(tài)，這個過程會有不同的消息交互；如果需要消除競爭，那么還有可能發(fā)送競爭消除ID以備在第四步的時候用做競爭消除確認(rèn)操作。因為多個UE可能選擇了相同的前導(dǎo)序列，因此在第二步他們獲得的資源是一樣的，那么發(fā)送消息3時，就會在相同的地方選擇相同的方式發(fā)送，那么自然就會有沖突，這就相當(dāng)于大家都要競爭接入了。也許大家會問，大家使用相同的資源發(fā)送，不是會沖突么，為什么還要做競爭消除呢？那是因為雖然有沖突，但是eNB還是有可能解出某個UE發(fā)送的MSG3，那么通

47、過第四步的競爭消除消息，就可以讓這個UE成功接入了。例如某一個UE離基站比較遠(yuǎn)，信號比較弱，而另外一個UE離基站近，信號比較強(qiáng)，較遠(yuǎn)的UE可能造成的干擾并不是很大，那么eNB還是可以解出較近的那個UE的消息3了。另外在消息3，還會攜帶競爭消除ID，這個ID是唯一的，不會跟其他UE重復(fù)的，因此最好就是這個UE IMSI之類的。提前說一下，在消息4里面會把這個ID帶上，發(fā)給UE，那么UE自然知道它已經(jīng)成功接入了。步驟四、競爭消除我們知道消息3是有可能沖突的，在發(fā)完消息后就要立刻啟動競爭消除定時器（而隨后每一次重傳消息3都要重啟這個定時器）。對于初始接入來說，如果在第三步上行消息包含CCCH SDU

48、(例如RRC連接請求消息)，而收到下行PDCCH發(fā)送給臨時C-RNTI：如果MAC PDU解碼成功：停止競爭消除定時器，如果MAC PDU包含UE競爭消除ID的控制消息單元并且這個ID跟上行發(fā)送的競爭消除ID匹配，則認(rèn)為競爭消除成功，并對這個MAC PDU 解復(fù)用并提取里面的內(nèi)容，把臨時C-RNTI設(shè)置為C-RNTI，同時丟棄臨時C-RNTI，然后確認(rèn)隨機(jī)接入成功；否則，丟棄臨時C-RNTI，UE會認(rèn)為隨機(jī)接入失敗并丟棄這個MAC PDU；如果競爭消除定時器超時，則認(rèn)為接入失??；失敗后，會按照后退機(jī)制重新開始隨機(jī)接入過程直到嘗試次數(shù)超過門限值，那時則會向上層報告接入失敗。（出現(xiàn)了退避問題）注：

49、值得注意的是，消息四是沒有重傳機(jī)制的，我們設(shè)想一下，如果消息四采用重傳，由于這個時候競爭沒有消除，那么如果有些UE解碼成功，有些解碼失敗；或者有些收到有些沒有收到，那么就會出現(xiàn)同時ACK/NACK的情況；雖然消息三也會出現(xiàn)類似的情況，但是由于會確認(rèn)信息的是eNB，它一次只會回一種確認(rèn)信息，因此不會影響后面的處理。3.4.1.4 后退機(jī)制在系統(tǒng)處于過載的情況下，例如它無法再分配更多的MSG3使用的資源等等，這個時候它自然希望一些UE能夠晚一點發(fā)，我們也注意到了在接收隨機(jī)接入響應(yīng)的時候以及RAR消息格式里面有一個backoff的東西，這就是后退機(jī)制的參數(shù)了，如果監(jiān)聽RAR消息的UE發(fā)現(xiàn)有一個bac

50、koff指示，那么它就會把這個值保存起來，在隨后需要重新做隨機(jī)接入的時候，可以隨機(jī)從0到backoff值里的選一個值作為推遲發(fā)前導(dǎo)序列的時間。在通信系統(tǒng)里面我們碰到很多的后退機(jī)制，比如WiMAX系統(tǒng)的截斷二進(jìn)制后退機(jī)制，那么這兩者的區(qū)別是什么呢？LTE系統(tǒng)里，后退的范圍是由基站確定的，基站可以根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的負(fù)載情況來選擇一個恰當(dāng)?shù)闹?；而在WiMAX里面由UE自己確定，當(dāng)UE發(fā)現(xiàn)沒有收到基站響應(yīng)，就會按照二的指數(shù)增加后退窗口的長度，然后在這個窗口里面隨機(jī)選一個時延來發(fā)送前導(dǎo)序列。兩者各有優(yōu)劣。下表是backoff取值情況：IndexBackoff Parameter value (ms)0011

51、022033044056068071208160924010320114801296013Reserved14Reserved15Reserved基站在發(fā)送RAR消息的時候，根據(jù)負(fù)載情況選擇backoff值的一個索引發(fā)給UE。由于協(xié)議的撰寫，每一步都需要考慮所有的情況，因此里面存在大量的ifelse，這造成了閱讀上的不便，在這里，我建議大家，把不同場景從里面抽取出來。例如隨機(jī)接入，那么我們可以先分別出那些是描述初始接入，那些事描述非競爭接入的，比如非競爭接入，我們自然不需要查看競爭消除部分的內(nèi)容了。3.4.3 DRX(非連續(xù)接收)DRX，在一段時間里停止監(jiān)聽PDCCH信道，DRX分兩種：IDL

52、E DRX，顧名思義，也就是當(dāng)UE處于IDLE狀態(tài)下的非連續(xù)性接收，由于處于IDLE狀態(tài)時，已經(jīng)沒有RRC連接以及用戶的專有資源，因此這個主要是監(jiān)聽呼叫信道與廣播信道，只要定義好固定的周期，就可以達(dá)到非連續(xù)接收的目的。但是UE要監(jiān)聽用戶數(shù)據(jù)信道，則必須從IDLE狀態(tài)先進(jìn)入連接狀態(tài)。而另一種就是ACTIVE DRX，也就是UE處在RRC-CONNECTED 狀態(tài)下的DRX， 可以優(yōu)化系統(tǒng)資源配置，更重要的是可以節(jié)約手機(jī)功率，而不需要通過讓手機(jī)進(jìn)入到RRC_IDLE 模式來達(dá)到這個目的，例如一些非實時應(yīng)用，像web瀏覽，即時通信等，總是存在一段時間，手機(jī)不需要不停的監(jiān)聽下行數(shù)據(jù)以及相關(guān)處理，那么D

53、RX就可以應(yīng)用到這樣的情況，另外由于這個狀態(tài)下依然存在RRC連接，因此UE要轉(zhuǎn)到支持狀態(tài)的速度非?？?。這里我們先介紹ACTIVE DRX，而IDLE DRX我打算放在呼叫那部分來介紹。而要理解DRX，我們就必須理解下面要描述的幾個定時器與概念（所有的時間都是基于子幀的，也就是ms為單位）：On duration TimerUE每次從DRX醒來后維持醒著的時間,UE在該段時間內(nèi)會搜索PDCCH。Inactivity TimerUE在醒著時每次成功解碼HARQ初始發(fā)送的PDCCH后保持active的時間，它的意思就是，當(dāng)UE收到的PDCCH指示的是一個UL/DL的初始傳輸，而不是重傳。UE在醒著時

54、每次成功解碼HARQ初始發(fā)送的PDCCH后保持active的時間Active TimeUE從DRX醒來后保持醒著的總時間，在此時間段，UE監(jiān)聽PDCCH，包括所有導(dǎo)致UE處于ACTIVE的狀態(tài)，比如是DRX周期開始“On Duration”，或者收到初始傳輸?shù)腜DCCH，或者是監(jiān)聽重傳，等等，在36.321 5.7節(jié)，是這樣定義ACTIVE TIME的：如果配置了DRX，那么ACTIVE Time 包括以下時間： -onDurationTimer、drx-InactivityTimer、drx-RetransmissionTimer 以及 mac-ContentionResolutionTim

55、er 運行的時間，或者-有SR（調(diào)度請求）已近發(fā)送到PUCCH，并且處于掛起的狀態(tài)（也就是這個調(diào)度請求還沒有滿足，如此之類的）或者，-對一個掛起的HARQ重傳存在上行授權(quán)，并且在對應(yīng)的HARQ 緩沖區(qū)里面有數(shù)據(jù)；或者-在非競爭隨機(jī)接入后，成功收到隨機(jī)接入響應(yīng)消息，此時應(yīng)該有PDCCH發(fā)送給UE指示一個新的傳輸，但是這個PDCCH還沒有收到，此時UE還是必須處于ACTIVE狀態(tài)HARQ RTT TimerUE預(yù)期DL Retransmission到達(dá)的最少間隔時間，也就是說重傳最早會什么時候到，那么UE暫且不需要理會，也就是說這一段時間，改怎樣就怎樣，等到這個定時器超時了，那么它就要處于醒著的狀

56、態(tài)。DRX Retransmission TimerUE預(yù)期接收DL Retransmission的時間，也就是需要這么多時間來接受下行重傳。DRX cycle lengthDRX cycle length一旦配置/重配置就固定，即不會因為active time大于on duration而變化。DRX運行：-如果在使用短DRX周期，檢查當(dāng)前子幀是否滿足下面的公式：-或者在使用長DRX周期，那么檢查如下的公式：當(dāng)上面的兩個條件滿足其中之一，那么就啟動定時器onDurationTimer，此時UE就要開始監(jiān)聽PDCCH信道了-如果在這個子幀HARQ RTT 定時器超時，從前面的定時器介紹我們已經(jīng)知道它是期望重發(fā)的最短時間，那么這個定時器超時后，重發(fā)就有可能到來了。如果這時對于的HARQ進(jìn)程的軟緩沖區(qū)還有沒有解碼成功的數(shù)據(jù)（也就是前面的數(shù)據(jù)接收失敗了，要求重傳的數(shù)據(jù)），那么就啟動定時器drx-RetransmissionTimer開始監(jiān)聽PDCCH重傳相關(guān)的內(nèi)容。-如果收到DRX MAC控制信息單元，也就意味著eNB要求UE進(jìn)入睡眠狀態(tài)，那么這時就會停止兩個定時器onDurationTi