LTE網(wǎng)絡(luò)端MAC狀態(tài)研究與設(shè)計(jì)

牛丹丹，楊晉霞

（鄭州科技學(xué)院, 鄭州 400005）

LTE系統(tǒng)與TD-SCDMA系統(tǒng)的MAC（Medium Access Control，媒體接入控制）子層相比，不具有加密功能，但增加了HARQ功能，進(jìn)一步提高信道利用率[1～3]。MAC子層位于LTE系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈路層，向下通過傳輸信道與物理層進(jìn)行信息交互，向上以邏輯信道的形式為RLC提供服務(wù)，在通信過程中起著重要的作用[4]。

目前，在LTE通信系統(tǒng)通信過程中，文獻(xiàn)[5]中提出了LTE通信系統(tǒng)的狀態(tài)劃分概念，但沒有具體到每一個(gè)子層，本文提出了網(wǎng)絡(luò)端MAC子層從UE開機(jī)到正常通信整個(gè)過程中的狀態(tài)劃分，將MAC子層劃分為4個(gè)狀態(tài)，設(shè)計(jì)出該方案下狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和隨機(jī)接入正常通信的流程圖，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)設(shè)計(jì)與流程的有效結(jié)合。

1 MAC子層的功能

LTE系統(tǒng)中定義了兩個(gè)MAC實(shí)體，一個(gè)在用戶端，一個(gè)在E-UTRAN。本文主要研究E-UTRAN端MAC實(shí)體。MAC主要完成的功能有：不同邏輯信道的復(fù)用和邏輯信道到相應(yīng)的傳輸信道的映射，圖1描述了下行信道邏輯信道與傳輸信道的映射；MAC SDU的復(fù)用與解復(fù)用；調(diào)度信息上報(bào)；通過HARQ進(jìn)行錯(cuò)誤糾正；UE之間優(yōu)先級(jí)操作；邏輯信道優(yōu)先級(jí)操作；邏輯信道優(yōu)先級(jí)排序；傳輸格式選擇[6～7]。

圖1 下行信道映射

2 MAC狀態(tài)轉(zhuǎn)移設(shè)計(jì)

UE開機(jī)到通話結(jié)束整個(gè)過程中，通過消息與網(wǎng)絡(luò)端對(duì)等層交互以及原語與用戶平面的子層進(jìn)行通信。網(wǎng)絡(luò)端MAC層在通信的整個(gè)過程中，與UE端的MAC進(jìn)行信息交互，所以研究網(wǎng)絡(luò)端MAC子層及狀態(tài)轉(zhuǎn)移為通信順利進(jìn)行提供了基礎(chǔ)。根據(jù)MAC在通信過程中的不同作用劃分為4個(gè)狀態(tài)：空（NUL），空閑（IDL），接入（ACC），連接（CON）。

2.1 通信流程介紹

網(wǎng)絡(luò)端MAC還沒有被RRC（Radio Resources Control，無線資源控制）子層激活，MAC不執(zhí)行任何命令，此時(shí)MAC子層處于空閑狀態(tài)?？臻e狀態(tài)下，網(wǎng)絡(luò)端向UE周期性的發(fā)系統(tǒng)信息，有尋呼時(shí)發(fā)送尋呼信息，網(wǎng)絡(luò)端MAC負(fù)責(zé)傳輸RRC的系統(tǒng)信息和尋呼消息到物理層。網(wǎng)絡(luò)端接收到來自UE的隨機(jī)接入前導(dǎo)請(qǐng)求，并將響應(yīng)信息發(fā)給UE時(shí)，MAC子層就處于接入狀態(tài)，此狀態(tài)下MAC要完成隨機(jī)接入過程。網(wǎng)絡(luò)端接收到UE的連接建立請(qǐng)求信息，就給UE一個(gè)建立信息，MAC會(huì)收到連接下的配置，從而進(jìn)入連接狀態(tài)。

2.2 IDL狀態(tài)設(shè)計(jì)

在網(wǎng)絡(luò)端，不需要進(jìn)行小區(qū)選擇，RRC子層接收到來自高層的激活請(qǐng)求，將系統(tǒng)信息、主信息的調(diào)度信息和非接入層信息配置給MAC。同時(shí)，RRC要求MAC進(jìn)入IDL狀態(tài)。用戶被叫或發(fā)起呼叫時(shí)，UE就會(huì)向網(wǎng)絡(luò)端發(fā)送隨機(jī)接入前導(dǎo)，請(qǐng)求隨機(jī)接入，MAC接收來自物理層的前導(dǎo)指示，說明網(wǎng)絡(luò)端MAC層已收到來自終端的前導(dǎo)。MAC層向RRC層指示終端的隨機(jī)接入請(qǐng)求。RRC收到來自MAC傳送的隨機(jī)接入前導(dǎo)，在資源充足的情況下，發(fā)送隨機(jī)接入響應(yīng)到用戶端。網(wǎng)絡(luò)端RRC分配UL-grant, T-RNTI, TA等給MAC，要求MAC發(fā)送隨機(jī)接入響應(yīng)， MAC向物理層發(fā)送隨機(jī)接入響應(yīng)，MAC由IDL進(jìn)入ACC狀態(tài)。圖2給出了IDL狀態(tài)和各個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。

圖2 IDL狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

2.3 ACC狀態(tài)設(shè)計(jì)

MAC處于隨機(jī)接入狀態(tài)，收到由物理層解讀的由UE端發(fā)送的RRC連接請(qǐng)求消息。網(wǎng)絡(luò)端MAC將連接請(qǐng)求消息通過原語傳遞給RRC。

圖3 ACC狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)端沒有收到隨機(jī)接入前導(dǎo)，要求UE進(jìn)行自動(dòng)重傳，自動(dòng)重傳請(qǐng)求由MAC傳輸給物理層，物理層收到此消息就向網(wǎng)絡(luò)端發(fā)送競(jìng)爭(zhēng)解決消息，說明此次隨機(jī)接入是成功的，可以進(jìn)行連接建立。RRC發(fā)送連接建立消息給MAC并配置連接狀態(tài)下的參數(shù)給MAC要求其進(jìn)入連接狀態(tài)。物理層也會(huì)將連接建立消息發(fā)送到UE端。圖3 給出了ACC狀態(tài)向各個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。

隨機(jī)接入并不是每次都成功的，成功的隨機(jī)接入，在狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖上表現(xiàn)為由接入狀態(tài)到連接狀態(tài)，不成功的隨機(jī)接入是從接入狀態(tài)到空閑狀態(tài)。不成功的原因有以下兩點(diǎn)：

（1）UE沒有收到隨機(jī)接入響應(yīng)消息，就會(huì)一直等待網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)消息，不會(huì)發(fā)送RRC連接建立請(qǐng)求消息，當(dāng)計(jì)時(shí)器T400超時(shí)，網(wǎng)絡(luò)還是沒有收到UE的RRC連接建立請(qǐng)求消息，網(wǎng)絡(luò)端RRC要求MAC進(jìn)入IDL狀態(tài)，就會(huì)引起的ACC到IDL的躍遷。

（2）UE收到了隨機(jī)接入響應(yīng)消息并向網(wǎng)絡(luò)端發(fā)送RRC連接建立請(qǐng)求消息，由于該消息在傳輸中丟失或沒有發(fā)出去導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)沒有收到該消息，RRC要求MAC進(jìn)入IDL狀態(tài)，引起ACC到IDL的躍遷。

2.4 CON狀態(tài)設(shè)計(jì)

隨機(jī)接入成功，進(jìn)入正常的連接狀態(tài)。在連接狀態(tài)下，由于UE端切換會(huì)引起連接到連接狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。圖4給出了CON狀態(tài)下的轉(zhuǎn)移圖。

圖4 CON狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

正常的連接情況下，遇到下面兩種情況，MAC不會(huì)再進(jìn)行ACC，會(huì)直接由CON狀態(tài)到IDL狀態(tài)。

（1）網(wǎng)絡(luò)沒有收到UE端的RRC連接建立完成消息，從而引起狀態(tài)CON到IDL躍遷。

（2）低層的無線鏈路失敗。

MAC收到RRC的去激活請(qǐng)求，不論出于那個(gè)狀態(tài)都會(huì)回到NUL狀態(tài)，重新進(jìn)行配置。

3 隨機(jī)接入流程

隨機(jī)接入主要在MAC層的控制下完成，本文設(shè)計(jì)了隨機(jī)接入的主要步驟，圖5描述了從隨機(jī)接入前導(dǎo)發(fā)起到隨機(jī)接入完成正常的隨機(jī)接入流程，使MAC狀態(tài)躍遷在隨機(jī)接入過程中體現(xiàn)出，從圖中可以看出隨機(jī)接入經(jīng)歷了3個(gè)狀態(tài)的躍遷。

圖5 隨機(jī)接入流程

本文采用了TTCN與SDL協(xié)仿真的測(cè)試方法驗(yàn)證隨機(jī)接入流程設(shè)計(jì)的正確性。圖6是經(jīng)過協(xié)仿真測(cè)試生成的MSC仿真圖。例如：CMAC_CONNECT_CONFIG_REQ原語是RRC請(qǐng)求MAC進(jìn)入連接狀態(tài)，收到該原語后MAC進(jìn)入到CON狀態(tài)，與設(shè)計(jì)的基本一致。通過設(shè)計(jì)隨機(jī)接入圖5與對(duì)測(cè)試得出的MSC圖6進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比，把設(shè)計(jì)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移、隨機(jī)接入流程與生成的MSC圖中的信號(hào)流程、消息交互等與預(yù)期的情況進(jìn)行比較，驗(yàn)證了隨機(jī)接入流程設(shè)計(jì)的正確性。

圖6 MSC圖

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)LTE系統(tǒng)通信過程進(jìn)行分析，將網(wǎng)絡(luò)端MAC狀態(tài)進(jìn)行劃分，設(shè)計(jì)了4個(gè)狀態(tài)，根據(jù)通信過程設(shè)計(jì)了狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，通過隨機(jī)接入過程的流程圖使?fàn)顟B(tài)劃分的優(yōu)越性在流程圖中體現(xiàn)，證明狀態(tài)設(shè)計(jì)的有效性。該設(shè)計(jì)方案具體到每一個(gè)消息的發(fā)送與接收，在LTE系統(tǒng)中較好的體現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸與資源管理的配置，為L(zhǎng)TE系統(tǒng)的通信實(shí)現(xiàn)提供有效方案。

[1]胡宏林，徐景. 3GPP LTE無線鏈路關(guān)鍵技術(shù)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2008.

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