LTE系統(tǒng)MAC復(fù)用實體研究與設(shè)計

(重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065)

1 引 言

LTE項目是近年來3GPP啟動的最大的新技術(shù)研發(fā)項目，是未來移動通信發(fā)展的重要方向[1]。當前，我國的TD-SCDMA演進標準LTE-TDD，將是未來幾年的實施重點，工業(yè)和信息化部、發(fā)改委、科技部相繼啟動了相關(guān)工作以推動LTE技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，保證向未來第四代移動通信系統(tǒng)的平滑演進。

目前LTE的主要規(guī)范已基本完成，現(xiàn)共有NTT DoCoMo、Verizon Wireless、TeliaSonera、Telstra等12家一流運營商宣布將在2010年開始部署LTE。在LTE系統(tǒng)中，由于MAC層位于RRC和物理層之間起到一個承上啟下的功能，MAC層所處位置也決定了其重要作用，其復(fù)用實體會顯得尤為重要，MAC層通過邏輯信道為RLC層和RRC提供數(shù)據(jù)傳輸功能，PHY通過傳輸信道為MAC層提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，MAC將負責上下行邏輯信道映射到傳輸信道，在映射中各個邏輯信道如何復(fù)用到傳輸信道上面，即傳輸信道如何承載不同類型的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，并按照PDCCH所指示的傳輸格式進行傳輸，尤其處于連接模式下?；谝陨纤悸罚疚恼归_了對MAC層復(fù)用實體的研究，并給出相應(yīng)的算法與數(shù)據(jù)支撐，保證各個無線承載數(shù)據(jù)有效組裝。

2 復(fù)用功能實體

MAC通過邏輯信道和RLC進行信令、數(shù)據(jù)交互，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型，進行邏輯信道的劃分，大致分為兩類：控制信道和業(yè)務(wù)信道。控制信道包括廣播控制信道(BCCH)、尋呼控制信道(PCCH)、公共控制信道(CCCH)、專用控制信道(DCCH)、專用業(yè)務(wù)信道(DTCH)，業(yè)務(wù)信道主要為專用業(yè)務(wù)信道(DTCH)。在數(shù)據(jù)的傳輸，上下行的信道復(fù)用結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

圖1 下行信道復(fù)用Fig.1 Downlink channel multiplexing

圖2 上行信道復(fù)用Fig.2 Uplink channel multiplexing

從功能圖可以看出，MAC要完成邏輯信道和傳輸信道的映射，除了PCCH與PCH信道能夠一一對應(yīng)，并不是每條邏輯信道都能和唯一一條傳輸信道對應(yīng)，那么在信道映射中不可避免要涉及邏輯信道數(shù)據(jù)如何復(fù)用到傳輸信道上。而在上行數(shù)據(jù)傳輸時，各個邏輯信道數(shù)據(jù)復(fù)用到傳輸信道，是MAC層實現(xiàn)的一個重要功能，也是支持數(shù)據(jù)并行傳輸?shù)闹匾侄?。如何實現(xiàn)各個邏輯信道數(shù)據(jù)復(fù)用，也是本文重點研究的內(nèi)容。

3 復(fù)用功能設(shè)計

3.1 復(fù)用原則

如何實現(xiàn)MAC實體的復(fù)用功能，一個簡單方法便是按照邏輯信道優(yōu)先級為每個無線承載提供服務(wù)，以此來決定生成的MAC PDU中包含哪些邏輯信道的數(shù)據(jù)，以及不同邏輯信道包含的數(shù)據(jù)總量。根據(jù)這一原則，優(yōu)先級高的邏輯信道的數(shù)據(jù)優(yōu)先包含在MAC PDU中[2]，接下來次高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)，直至沒有數(shù)據(jù)待發(fā)送或者填滿分配的傳輸資源塊。

雖然這種方法會實現(xiàn)復(fù)用的目的，也在第三代移動通信中有所應(yīng)用，而在LTE中，并沒有先前專用信道的概念，取而代之的是共享信道，用戶之間共享資源。在分配資源一定時，低優(yōu)先級的無線承載有可能沒有機會獲得服務(wù)，尤其當高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)占據(jù)了所有分配的資源時。為避免這種情況，在LTE復(fù)用中引入?yún)⒘績?yōu)先比特率(Prioritised Bit Rate，PBR)，即在給邏輯信道分配資源前為各個邏輯信道配置的數(shù)據(jù)速率。

在復(fù)用時，同時考慮邏輯信道優(yōu)先級和PBR，既可實現(xiàn)復(fù)用的目的，又避免了高優(yōu)先級的無線承載獨占資源。雖然依然按邏輯信道優(yōu)先級獲得資源，但包含在MAC PDU中的邏輯信道數(shù)據(jù)總量在開始就限制在PBR有關(guān)的數(shù)據(jù)量上。當且僅當所有的邏輯信道都已經(jīng)根據(jù)PBR獲得服務(wù)，接下來如果MAC PDU還有剩余空間，每個邏輯信道會根據(jù)優(yōu)先級的降序再次得到服務(wù)。

如果邏輯信道優(yōu)先級相同，服務(wù)等級相同也體現(xiàn)在這個地方。

3.2 復(fù)用設(shè)計

按照復(fù)用原則，需考慮的是各個邏輯信道如何按照信道優(yōu)先級，同時兼顧PBR，有效完成復(fù)用。下面在滿足協(xié)議規(guī)范的前提下，給出復(fù)用設(shè)計的具體步驟，包括復(fù)用涉及的算法設(shè)計、展開資源分配完成復(fù)用的具體過程。

3.2.1復(fù)用算法tokenbucket

在信道復(fù)用過程，為了匹配各個邏輯信道的數(shù)據(jù)，達到有效復(fù)用的目的，需要相應(yīng)的算法支持，在此采用token bucket(令牌桶)算法實現(xiàn)上述功能。該算法的基本思想是基于令牌桶中是否存在令牌來指示什么時候可以發(fā)送流量，達到控制組裝在MAC PDU中各個邏輯信道數(shù)據(jù)流量。在給出該算法的原理前首先引入LTE復(fù)用實體所涉及的幾個重要參數(shù)，有助于理解這一算法如何應(yīng)用在具體實現(xiàn)中。

(1)參量設(shè)置

通過高層配置參數(shù)邏輯信道優(yōu)先級(priority)、PBR、還有持續(xù)時間參量 (Bucket Size Duration, BSD),實現(xiàn)數(shù)據(jù)的調(diào)度。在數(shù)據(jù)傳輸時，UE對每一個邏輯信道j設(shè)置變量Bj[3]。在建立邏輯信道對Bj進行初始化為0，之后每一TTI增加PBR×TTI的數(shù)據(jù)量，其中PBR是邏輯信道的優(yōu)先級比特率，Bj不能超過PBR×BSD，如果Bj大于PBR×BSD，則設(shè)置為PBR×BSD。其中參數(shù)取值范圍如下：

-- ASN1START

LogicalChannelConfig ::=SEQUENCE {

ul-SpecificParameters SEQUENCE {

priority INTEGER (1…16),

prioritisedBitRate ENUMERATED {

kBps0, kBps8, kBps16, kBps32, kBps64, kBps128,

kBps256, infinity, spare8, spare7, spare6,

spare5, spare4, spare3, spare2, spare1},

bucketSizeDuration ENUMERATED {

ms50, ms100, ms150, ms300, ms500, ms1000, spare2,spare1},

logicalChannelGroup INTEGER (0…3)OPTIONAL-- Need OR

}OPTIONAL,-- Cond UL

...

}

-- ASN1STOP

其中，PBR可以設(shè)置為無限大(infinity)[4]，這是比較特殊的一種情況，因為在上述中，突發(fā)門限被限制在PBR×BSD；當PBR為infinity，資源有限時，其它邏輯信道分配不到資源，但會優(yōu)先滿足該無線承載的數(shù)據(jù)發(fā)送。

(2)復(fù)用算法原理

令牌以PBR的速度注入令牌桶中，每隔1/PBR秒一個令牌被加入到桶中，其中一個令牌代表一個字節(jié)，如果桶中的令牌數(shù)大于或等于RLC SDU，便允許發(fā)送該SDU，同時令牌按SDU長度減少相應(yīng)數(shù)目；如果桶中的令牌數(shù)小于RLC SDU，該SDU不允許發(fā)送，緩存在RLC隊列中，等待有足夠的令牌再發(fā)送，此時桶中的令牌不減少；邏輯信道對應(yīng)的bucket size為令牌桶的容量，最大為PBR×BSD，當達到令牌桶的容量時，新注入的令牌被丟棄。令牌桶算法通過限制令牌桶容量、令牌添加速度，實現(xiàn)速率限制，達到資源分配復(fù)用的效果，同時對約定數(shù)據(jù)傳輸速率、控制突發(fā)會有廣泛的應(yīng)用。

對LTE終端復(fù)用實體來說，當多個RLC無線承載復(fù)用到UL-SCH上時，采用令牌桶算法，約束邏輯信道數(shù)據(jù)傳輸量，避免資源被高優(yōu)先級數(shù)據(jù)獨占，同時又兼顧了低優(yōu)先級數(shù)據(jù)傳輸，可有效完成各個邏輯信道復(fù)用在MAC PDU中數(shù)據(jù)量的分配。

3.2.2實現(xiàn)步驟

在實現(xiàn)中，MAC通過RRC為各個邏輯信道配置參數(shù)PBR、BSD，計算令牌桶容量bucketsize，其中：

bucketsize=PBR×BSD；

同時設(shè)置參數(shù)Bj，代表邏輯信道j當前令牌桶的令牌數(shù)目，初始化為0，之后每隔TTI自增PBR×TTI，也就是令牌添加時間固定為一個TTI，直至達到令牌桶容量。每次數(shù)據(jù)傳輸時，RLC SDU都會和Bj相比較，來判斷該SDU是否準允復(fù)用在MAC PDU中。

復(fù)用過程設(shè)計如圖3所示，具體步驟為：

(1)對有數(shù)據(jù)待發(fā)送的令牌數(shù)不為空的邏輯信道按照邏輯信道優(yōu)先級的順序分配資源，分配資源大小依照令牌桶中的令牌數(shù)而定；

(2)桶中令牌數(shù)Bj減掉步驟1中準許發(fā)送的SDU長度，更新Bj的值；

(3)當依次各個邏輯信道數(shù)據(jù)獲得服務(wù)，仍有剩余資源時，嚴格按照邏輯信道優(yōu)先級的順序依次獲得資源。

同時，如果整個SDU能填進剩余的資源，UE不應(yīng)對 RLC SDU分段；如果進行分段，為了達到最大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?UE應(yīng)盡量在資源塊填入最大分段；當該無線承載被掛起，那么這個無線承載對應(yīng)的邏輯信道的數(shù)據(jù)不應(yīng)被傳輸。

按照令牌桶原理，當Bj大于此RLC SDU，即Bj-Tsdu>0, 在設(shè)計中，該SDU應(yīng)被組裝在MAC PDU中；當Bj-Tsdu<0，如果該SDU放在RLC隊列中，等待有足夠的令牌再進行傳輸。雖然SDU緩存在了隊列，避免了數(shù)據(jù)的丟棄，但如果多個TTI造成緩存隊列益處，同樣會造成SDU的丟棄，這也是在實現(xiàn)中應(yīng)考慮的問題。

也就是當會發(fā)生Bj-size(RLC SDUs)<0時，不應(yīng)只是采取將數(shù)據(jù)堆放在隊列中，而應(yīng)采取“借貸”的方式，暫時準許數(shù)據(jù)完成MAC PDU的復(fù)用，即當令牌桶中有令牌，但此時令牌數(shù)目不足發(fā)送該SDU，在MAC傳輸塊大小滿足的情況下，也可以進行數(shù)據(jù)的發(fā)送，等待添加的令牌還完借貸時方可繼續(xù)數(shù)據(jù)傳輸，這種實現(xiàn)方式也滿足協(xié)議Bj能夠小于0的規(guī)范。

圖3 復(fù)用過程設(shè)計Fig.3 The design of multiplexing process

按邏輯信道優(yōu)先級組裝數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)類型的優(yōu)先級有以下約定：MAC控制元素比其它邏輯信道有更高的優(yōu)先級，這是因為它控制MAC實體的運行。因此在組合MAC PDU且要發(fā)送MAC控制元素時，MAC控制元素會被首先包含進去，剩下的空間才會被用來包含其它邏輯信道的數(shù)據(jù)。

3.2.3方案驗證

下面依據(jù)36-523協(xié)議[5]測試例驗證該方案是否滿足協(xié)議規(guī)范。在測試例中，配置DRB1、DRB2、DRB3 3個無線承載，對應(yīng)的邏輯信道優(yōu)先級(priority)、PBR和BSD，如表1所示。

表1 優(yōu)先級、PBR和BSD的設(shè)置Table 1 Priority, PBR and bucket delay settings

同時，規(guī)定每個DRB對應(yīng)的RLC SDU大小均為320個字節(jié)，綜合測試儀(和測試例中和網(wǎng)絡(luò)信號發(fā)生器SS同樣的作用)每20 ms或10 ms分配一個ul-grant,也就約束了MAC一次可傳的數(shù)據(jù)塊大小。每次分配的ul-grant用D表示。為了保證驗證效果，獨立地進行4次實驗，每次實驗互不影響，并每次均使用表1規(guī)定的參數(shù)值，具體如表2所示。

表2 測試參數(shù)變量Table 2 Test parameter values

表2中，N1、N2、N3分別表示DRB1、DRB2、DRB3有待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，例如13表示13個320 byte的SDU；T2表示數(shù)據(jù)傳輸統(tǒng)計的時間量。

由表1可以分別計算出，每一個20 ms，B1新填充令牌為8 kbyte/s×20 ms=160 byte，即160個令牌；B2新填充令牌為16 kbyte/s×20 ms=320 byte，即320個令牌；B3新填充令牌為32 kbyte/s×20 ms=640 byte，即640個令牌；同時可以計算出各個邏輯信道對應(yīng)的bucketsize。bucketsize1=8 kbyte/s×100 ms=800個令牌；bucketsize2=16 kbyte/s×100 ms=1 600個令牌；bucketsize3=32 kbytes/s×100 ms=3 200個令牌。

在驗證實驗中，4次獨立的實驗每輪分25次進行數(shù)據(jù)傳輸，統(tǒng)計每個DRB傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。

按照設(shè)計思路，從統(tǒng)計的數(shù)據(jù)傳輸量以及最后每個DRB傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量上看出，和測試例的統(tǒng)計值基本吻合，最終差值即一個SDU的大小，由于空口傳輸率每個TTI限制在1 143 byte，差值中的1，體現(xiàn)在第七次傳輸，此時DRB1只剩182 byte，MAC組裝PDU需要相應(yīng)填充位，占去對應(yīng)字節(jié)，同時MAC控制元也會暫用部分字節(jié)，這也使得在資源有限時，DRB3未能完成這個SDU的傳輸。其中即便低優(yōu)先級的承載也會有機會進行數(shù)據(jù)傳輸，通過限定每個承載對應(yīng)令牌桶中的令牌數(shù)量，完成各個承載的資源分配，達到預(yù)期的設(shè)計效果。

4 結(jié) 論

按照設(shè)計思路，從統(tǒng)計的數(shù)據(jù)傳輸量以及每個DRB傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量上看出，和測試例的統(tǒng)計值吻合。在復(fù)用時候既考慮了邏輯信道高優(yōu)先級優(yōu)先，同時通過限定每個承載對應(yīng)令牌桶中的令牌數(shù)量，低優(yōu)先級的承載也會有機會進行數(shù)據(jù)傳輸，有效實現(xiàn)了各個承載的資源配置，達到了預(yù)期的設(shè)計效果。

參考文獻：

[1] 馮川，李小文. LTE終端小區(qū)選擇方案設(shè)計及實現(xiàn)[J].電訊技術(shù)，2010，50(3)：81-84.

FENG Chuan, LI Xiao-wen. Research of LTE terminal cell selection strategy and schematic design[J].Telecommunication Engineering, 2010，50(3)：81-84.(in Chinese)

[2] Stefania Sesia,Issam Toufik,Matthew Baker. LTE:The UMTS Long Term Evolution From Theory to Practice [M].England：John Wiley & Sons Ltd,2009．

[3] 3GPP.TS36.321 V9.0.0,3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Medium Access Control(MAC)protocol specifieation[S].

[4] 3GPP.TS36.331 V9.0.0,3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Resource Control(RRC)[S].

[5] 3GPP.TS36.523 V9.0.0,3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network;Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Packet Core (EPC);User Equipment (UE) conformance specification[S].