技術(shù)資料LTE協(xié)議解析

1、第一章 幀格式1.1 下行幀格式LTE中的下行幀結(jié)構(gòu)如下圖1.1所示： 圖1.1 下行幀格式 1個無線幀包含10個子幀、20個時隙，每個下行時隙又分為若干個OFDM符號，根據(jù)CP的長度不同，包含的OFDM符號的數(shù)量也不同。當(dāng)使用常規(guī)CP時，一個下行時隙包含7個OFDM符號；當(dāng)使用擴(kuò)展CP時，一個下行時隙包含6個OFDM符號。（本系列只涉及常規(guī)CP以及幀格式1的情況，其它模式類似，在后面的描述里面將不再提及。）1.2 多天線資源柵格由于LTE引入了多天線技術(shù)，每根天線上傳輸?shù)馁Y源柵格具有一定相似性，但是由于它們對應(yīng)的天線端口往往是不一樣的，因此它們的資源柵格也會不一樣，這主要表現(xiàn)在不同

2、的參考信號的分布上，下圖為多天線端口情況下的資源柵格示意圖1.2： 圖1.2 兩個空間層資源柵格 上圖紅色方塊為參考信號所處位置，而灰色的方塊為空信號。參考信號是為了讓用戶對信號質(zhì)量進(jìn)行測量以及信道估計所用，因此對于多天線端口的情況，在某一天線端口上存在參考信號的話，那么對應(yīng)的另外的天線端口相應(yīng)的位置就不能夠傳任何信號，以避免對參考信號造成干擾。 以上的幀格式對于所有的帶寬情況都是一樣的，他們不同的地方就是資源塊數(shù)不一樣，下表1.1列出了不同帶寬下的資源塊數(shù)：表1.1 不同帶寬下的資源塊數(shù) 帶寬MHz1.435101520資源塊數(shù)615255075100 

3、; 1.3 上行幀格式             FDD LTE的上行幀結(jié)構(gòu)在時隙以上層面完全和下行相同，而在時隙內(nèi)結(jié)構(gòu)也基本和下行相同，區(qū)別在于一個時隙包含7個DFT-S-OFDM塊，而非OFDM符號，這是因為上行采用的是SC-FDMA技術(shù)造成，為什么這里說是DFT-S-OFDM塊呢？因為上行在做資源映射之前，做了一次DFT，相當(dāng)于把時域的信號先擴(kuò)展到所分配的頻域資源上，再做IFFT，從而變換到時域（要深刻了解這個過程還是需要另外看點(diǎn)OFDMA，DFT-SFDM的知

4、識），經(jīng)過這兩個過程后，實(shí)際上開始的一個時域上的符號，已經(jīng)映射到所分配的所有頻域資源上了，而在時域上被壓縮了，這看起來就像一個單載波的信號，所以不再是單純的一個符號了，它包含了多個符號的信息。由于在同一時刻來說只有一個符號了，那么也就不存因為多載波而造成PAPR了。我們可以看一下，下面這個圖【2】（從安捷倫的講座截取的）。圖1.3 OFDMA與SC-FDMA資源映射比較從上圖可以一目了然的看出它們的區(qū)別，對于上面這個例子來說，用戶分配了4個子載波，對于OFDMA來說，每一調(diào)制信號符號占用一個子載波的頻帶，而在時域上占用一個OFDMA符號的長度，而對于SC-FDMA來說，它的最初的調(diào)制信號符號占

5、用了4個子載波的頻帶，但是在時域上壓縮為OFDMA符號的四分之一。    （在這里順便提一下為什么上行選擇SC-FDMA，LTE不采用OFDM做上行，而采用SC-FDMA的主要原因是為了降低峰均比，一般的解釋是SC-FDMA最后發(fā)送的時域上的數(shù)據(jù)而不是頻域上的數(shù)據(jù)，因此PAPR會很低，但是為什么時域上的數(shù)據(jù)的PAPR就低呢？其實(shí)它等同于單載波，PAPR當(dāng)然低，而關(guān)鍵的區(qū)別在于OFDM每個子載波上的相位是隨機(jī)的，能量是固定的，而SC-FDMA的所謂的子載波上相位是有規(guī)律的，能量是不一樣的，所以它在疊加之后，其實(shí)相當(dāng)于串行發(fā)送。首先，SC-FDMA調(diào)制后信號是時域信號

6、，本身這個時域信號就是QAM調(diào)制信號（PAPR很低，都?xì)w一化在1附近了），經(jīng)過M點(diǎn)的DFT后，變換至頻域上，然后映射至N點(diǎn)FFT大小的M點(diǎn)上，其中映射方式可以集中式或者分散式的。然后再經(jīng)過N點(diǎn)的IFFT再變換至?xí)r域上。其中對于分散式映射，IFFT之后的時域信號相當(dāng)于DFT之前時域信號的重復(fù)(N/M，假設(shè)能整除)，所以其PAPR也會很低；對于集中式映射，相當(dāng)于在頻域上邊帶添0，這樣IFFT之后的時域信號相當(dāng)于對DFT之前時域信號進(jìn)行插值，由于原來的時域信號的PAPR低，所以插值之后時域信號的PAPR依然很低。最直觀還是圖1.3所示。）    由于上行采用的

7、是SC-FDMA技術(shù)，因此為了保持上行的單載波特性，在物理信道的設(shè)置，參考信號的分布都有很大的不同，下圖以一個時隙的上行資源塊為例：圖1.4 上行資源塊格式 1.4 上下行資源塊映射與調(diào)度（待續(xù)）1.3    同步與小區(qū)搜索   LTE小區(qū)搜索過程 UE使用小區(qū)搜索過程識別并獲得小區(qū)下行同步，從而可以讀取小區(qū)廣播信息。此過程在初始接入和切換中都會用到。    為了簡化小區(qū)搜索過程，同步信道總是占用可用頻譜的中間63個子載波。不論小區(qū)分配了多少帶寬，UE只需處理這63個子載波。 

8、0;  UE通過獲取三個物理信號完成小區(qū)搜索。這三個信號是P-SCH信號、S-SCH信號和下行參考信號（導(dǎo)頻）。    一個同步信道由一個P-SCH信號和一個S-SCH信號組成。同步信道每個幀發(fā)送兩次。    規(guī)范定義了3個P-SCH信號，使用長度為62的頻域Zadoff-Chu序列。每個P-SCH信號與物理層小區(qū)標(biāo)識組內(nèi)的一個物理層小區(qū)標(biāo)識對應(yīng)。S-SCH信號有168種組合，與168個物理層小區(qū)標(biāo)識組對應(yīng)。故在獲得了P-SCH和S-SCH信號后UE可以確定當(dāng)前小區(qū)標(biāo)識。    下行參考信號用于

9、更精確的時間同步和頻率同步。    完成小區(qū)搜索后UE可獲得時間/頻率同步，小區(qū)ID識別，CP長度檢測。同步與小區(qū)搜索2.3    參考信號【完整內(nèi)容，請點(diǎn)擊這里】參考信號（Reference Signal，RS），就是常說的“導(dǎo)頻”信號，是由發(fā)射端提供給接收端用于信道估計或信道探測的一種已知信號。2.3.1   下行參考信號下行參考信號有以下目的。（1）下行信道質(zhì)量測量。（2）下行信道估計，用于UE端的相干檢測和解調(diào)。下行參考信號由已知的參考信號構(gòu)成，下行參考信號是以RE為單位的，即一個參考信號占用一個RE。這些

10、參考信號可分為兩列：第1參考信號和第2參考信號。第1參考信號位于每個0.5ms時隙的第1個OFDM符號，第2參考信號位于每個時隙的倒數(shù)第3個OFDM符號。第1參考信號位于第1個OFDM符號有助于下行控制信號被盡早解調(diào)。在頻域上，每6個子載波插入一個參考信號，這個數(shù)值是在信道估計性能和RS開銷之間求取平衡的結(jié)果，RS過疏則信道估計性能無法接受；RS過密則會造成RS開銷過大。每6個子載波插入一個RS既能在典型頻率選擇性衰落信道中獲得良好的信道估計性能，又能將RS控制在較低水平。RS的時域密度也是根據(jù)相同的原理確定的，每個時隙插入兩行RS既可以在典型的運(yùn)動速度下獲得滿意的信道估計性能，RS的開銷又不

11、是很大。在參考信號的設(shè)置上的考慮主要是基于對高速移動性的支持，有興趣大家可以參考【3】這本書里面的推算。另外，第0參考信號和第1參考信號在頻域上是交錯放置的。而且，下行參考信號的設(shè)計還必須有一定的正交性，以有效地支持多天線并行傳輸（最多需支持4個并行流），實(shí)際上通過在時域上錯開放置第2與第3參考信號來解決這個問題。如圖：                       &

12、#160;    圖2.3.1-1 天線端口對應(yīng)的參考信號下圖是摘自3GPP 36.211，不過它那個圖有點(diǎn)問題，在單天線的時候，其實(shí)它也假設(shè)是同時存在天線端口0，1的，因此，對應(yīng)到天線端口1的資源粒子是空著的，不能使用。這有個好處就是不會對其它系統(tǒng)配置，比如說另外同時存在的支持兩天線端口的系統(tǒng)的參考信號造成干擾，因此單天線端口的圖應(yīng)該畫成如下： 圖單天線端口資源柵格圖雖然圖畫的有點(diǎn)問題，不過在協(xié)議里面有明確說明，在天線端口0的情況下，它必須假設(shè)同時存在天線端口0，1。那么在實(shí)現(xiàn)的時候就不會造成誤解了。 【完整內(nèi)容，請點(diǎn)擊這里】2.4 下行公共

13、控制信道【點(diǎn)擊查看全文】這一節(jié)主要介紹下行物理控制信道，簡紹它的處理流程以及資源映射方式。結(jié)合協(xié)議定義，分析具體實(shí)現(xiàn)方式以及考量的因素。下行控制信道包括：物理控制格式指示信道（PCFICH），指示用多少個OFDM 符號來傳輸PDCCH物理HARQ指示信道（PHICH），用來反饋上行HARQ接收結(jié)果物理下行控制信道（PDCCH），指示相應(yīng)PDSCH信息以及其它的控制信息物理廣播信道（PBCH），用來傳輸MIB信息的物理廣播信道在介紹這些信道之前，我們先了解一下相關(guān)知識-資源粒子組（REG），單一REG有時又稱為mini-CCE，前面三種物理信道都是按照REG的資源單位來做資源映射的。其二就是下行

14、的處理過程。 【購買請點(diǎn)擊】第三章 LTE MAC協(xié)議解讀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.

15、321里面主要描述的是MAC的架構(gòu)與處于MAC層的功能實(shí)體，并沒有涉及到具體的實(shí)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(shí)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

16、，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）； · 隨機(jī)接入信道（Random Access Channel,RACH）。 其實(shí)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(shí)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)

17、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MA

18、C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PMI等） 3.2.3 MAC層功能       MAC層的各個子功能實(shí)體提供以下的功能：· 實(shí)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

19、 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(shí)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。 以上功能與上下行以及MAC實(shí)體的對應(yīng)關(guān)系如下表所示：表3.1 MAC 功能與鏈路方向的關(guān)聯(lián)

20、MAC 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 &

21、#160;  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   

22、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，信道可以認(rèn)為是不同協(xié)議層之間的業(yè)務(wù)接入點(diǎn)（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M

23、AC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(shí)際的物理位置上采用特地的調(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

24、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)

25、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

26、 呼叫信道 PCH   X    Uplink Shared Channel  上行共享信道 UL-SCH    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消息再專屬的物理信道上傳輸外，其它的

27、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)已經(jīng)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)，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)

28、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?？梢哉f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：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 &#

29、160; 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

30、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； · PCCH（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），上/下行信道，用于

31、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(diǎn)對點(diǎn)的雙向信道，用于傳遞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(diǎn)對點(diǎn)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

32、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； · SI-RNTI 用于BCCH。 如下圖所示：                圖3.3

33、 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(shí)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UL-SCH

34、，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MACSDU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  

35、圖3.3.2-2: R/R/E/LCID MAC 子頭部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

36、充部分的MAC PDU例子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

37、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       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。1.1.1.1 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

38、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，如下表所示：表3.3.3-1 UL-SCH的LCID值IndexLCI

39、D 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BSR11110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)對于的邏輯信道組，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?。核甘玖嗽跇?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

40、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信道組分配資源的時候需要考慮到這一點(diǎn)，可以適當(dāng)?shù)亩喾峙湟稽c(diǎn)，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(shí)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

41、沖區(qū)大小 (BS) 值 字節(jié)0BS = 0321132 < BS <= 132610 < BS <= 10331326 < BS <= 1552210 < BS <= 12341552 < BS <= 1817312 < BS <= 14351817 < BS <= 2127414 < BS <= 17362127 < BS <= 2490517 < BS <= 19372490 < BS <= 2915619 < BS <= 22382915 <

42、; BS <= 3413722 < BS <= 26393413 < BS <= 3995826 < BS <= 31403995 < BS <= 4677931 < BS <= 36414677 < BS <= 54761036 < BS <= 42425476 < BS <= 64111142 < BS <= 49436411 < BS <= 75051249 < BS <= 57447505 < BS <= 87871357 < BS

43、 <= 67458787 < BS <= 102871467 < BS <= 784610287 < BS <= 120431578 < BS <= 914712043 < BS <= 140991691 < BS <= 1074814099 < BS <= 1650717107 < BS <= 1254916507 < BS <= 1932518125 < BS <= 1465019325 < BS <= 2262419146 < BS <=

44、1715122624 < BS <= 2648720171 < BS <= 2005226487 < BS <= 3100921200 < BS <= 2345331009 < BS <= 3630422234 < BS <= 2745436304 < BS <= 4250223274 < BS <= 3215542502 < BS <= 4975924321 < BS <= 3765649759 < BS <= 5825525376 < BS <=

45、4405758255 < BS <= 6820126440 < BS <= 5155868201 < BS <= 7984627515 < BS <= 6035979846 < BS <= 9347928603 < BS <= 7066093479 < BS <= 10943929706 < BS <= 82661109439 < BS <= 12812530826 < BS <= 96762128125 < BS <=< BS &

46、lt;=113263BS > 150000 3.3.3.1 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(shí)可以不包含RAR消息，而只是包含一個BACKOFF指示信息，如圖所示。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

47、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圖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 字頭部圖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.

48、2     RAR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

49、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。 6.2.3   RAR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“0”；-     Timing Advance Command: The Timing Advance Command fi

50、eld 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；-

51、0;    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)

52、然接入成功也具有隨機(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

53、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，eNB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

54、0;  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PDCCH 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資源以及準(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):G

55、roup 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-Preambles - 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

56、及sizeOfRA-PreamblesGroupA numberOfRA-Preambles 1 · UE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(diǎn)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

57、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

58、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-ContentionResol

59、utionTimer. 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(shí)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：圖競爭隨機(jī)接入過程步驟一、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

60、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(shí)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

61、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(shí)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。考慮到在發(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

62、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)使用的ID(RA-RNTI )監(jiān)聽來L1/L2控制信道用于解碼DL-SCH，

63、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T

64、DD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（SIB2）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(diǎn)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)里面獲得臨時C-RNTI用于隨后的通信，知道獲得最終的C-RNTI，最后發(fā)送前導(dǎo)序列的功率信息； 2. 如果