LTE網(wǎng)絡(luò)端MAC層隨機接入的研究及實現(xiàn)

摘 要：本文研究LTE系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)端MAC子層隨機接入過程與實現(xiàn)。分析隨機接入的原因，設(shè)計出隨機接入過程中主要的接口原語，分析隨機接入過程遇到的各種異常情況，以正常情況下的隨機接入過程為例，設(shè)計出隨機接入過程的流程圖，并利用SDL和TTCN協(xié)議仿真，產(chǎn)生MSC圖。仿真結(jié)果表明，設(shè)計方案有效的完成了正常的隨機接入過程。

關(guān)鍵詞：MAC子層；隨機接入；SDL；TTCN

中圖分類號：TN929.5

MAC層處于LTE系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈路層，通過傳輸信道與下面物理層交互信息，通過邏輯信道為上面的RLC層提供服務(wù)[1-3]。當(dāng)用戶需要和網(wǎng)絡(luò)進行通信時，將發(fā)起隨機接入過程，由于接入資源的有限性，多個用戶同時在同一資源上發(fā)起接入時，將會發(fā)生碰撞。LTE系統(tǒng)用戶對網(wǎng)絡(luò)有著更高的要求，設(shè)計快速有效的隨機接入流程對提高系統(tǒng)性能有重要意義[4-5]。

1 隨機接入原因

（1）RRC_IDLE狀態(tài)接入。UE發(fā)起隨機接入，建立正常接入。（2）無線鏈路失敗。UE檢測到無線鏈路故障，規(guī)定時期內(nèi)故障還沒解決，UE發(fā)起隨機接入，完成UE網(wǎng)絡(luò)端的正常接入。（3）切換。UE則從源小區(qū)切換到目標小區(qū)。（4）下行數(shù)據(jù)到達。UE需要接收新的下行數(shù)據(jù)，上行非同步，通過隨機接入建立上行同步。（5）上行數(shù)據(jù)到達。UE上行非同步或者無PUCCH資源傳輸SR信息，需要隨機接入過程[6]。

2 網(wǎng)絡(luò)端隨機接入設(shè)計

2.1 接口原語設(shè)計。在LTE通信的過程中，為了研究方便，設(shè)計了PHY層與MAC層通訊原語：PHY_IDLE_TASK_REQ，尋呼、系統(tǒng)消息的發(fā)送。PHY_DL_TASK_REQ，MAC請求物理層進行數(shù)據(jù)的發(fā)送。PHY_HARQ_REQ，MAC將網(wǎng)絡(luò)端將接收到的信息反饋給終端。PHY_RACH_RECE_IND，DSP將網(wǎng)絡(luò)端DSP將收到的終端隨機接入的請求指示給上層。PHY_UL_RECE_IND，DSP把接收到信息報給MAC。MAC層與RRC層通訊原語：CMAC_RANDOM_ACC_RES，MAC發(fā)隨機接入響應(yīng)。CMAC_CCCH_INFO_REQ，RRC請求MAC發(fā)送RRC連接建立消息。CMAC_CONNECT_CONFIG_REQ，RRC配置MAC進入連接狀態(tài)。CMAC_DEACT_REQ，RRC要求MAC進入NUL狀態(tài)。CMAC_STATUS_IND，MAC子層的異常情況。CMAC_IDL_CONFIG_REQ，RRC配置MAC進入IDL，進行系統(tǒng)消息、尋呼的發(fā)送。CMAC_ACC_IND，MAC向RRC指示接收到用戶的隨機接入請求。CMAC_CCCH_INFO_IND，網(wǎng)絡(luò)端MAC將消息發(fā)送給RRC。CMAC_PCH_INFO_REQ：RRC請求MAC層發(fā)送尋呼。

2.2 狀態(tài)設(shè)計。UE從開機到通話結(jié)束的整個過程中，通過消息與網(wǎng)絡(luò)端對等層進行交互，通過原語與用戶平面的上下子層進行通信。即在通信的過程中，網(wǎng)絡(luò)端MAC層與UE端的MAC進行信息交互，而在UE端，MAC子層通信過程中又處于不同的狀態(tài)，從而為網(wǎng)絡(luò)端MAC層順利通信進行提供基礎(chǔ)。根據(jù)MAC層在通信過程中的不同作用將其劃分為四個狀態(tài)：空（NUL），空閑（IDL），接入（ACC），連接（CON）。圖1是網(wǎng)絡(luò)端MAC各個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移圖。

圖1 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

2.3 隨機接入過程設(shè)計。正常的隨機接入，流程見圖2：（1）用戶被叫或用戶發(fā)起呼叫時，UE向網(wǎng)絡(luò)端發(fā)送隨機接入前導(dǎo)，請求接入，網(wǎng)絡(luò)端物理層收到該消息就向MAC上報，MAC也向RRC發(fā)送原語，請求隨機接入。（2）RRC層收到MAC層傳送的隨機接入前導(dǎo)，在資源足夠的情況下，給用戶端發(fā)送隨機接入響應(yīng)。MAC層向物理層發(fā)送隨機接入響應(yīng)，此時MAC層由IDL進入ACC狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)端向UE發(fā)送隨機接入相應(yīng)消息，告知UE隨機接入前導(dǎo)已收到，可進行連接請求消息的發(fā)送。（3）UE收到來自網(wǎng)絡(luò)端的響應(yīng)消息，就發(fā)送RRC連接建立請求消息。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)端沒有收到隨機接入前導(dǎo)，MAC請求物理層自動重傳隨機接入前導(dǎo)，物理層收到此消息向網(wǎng)絡(luò)端發(fā)送競爭解決消息，本次隨機接入是成功的，進行連接建立。RRC發(fā)送連接建立消息給MAC層，要求MAC進入連接狀態(tài)。物理層將連接建立消息發(fā)送到UE端。

圖2 隨機接入流程

隨機接入并不是每次都成功，也存在異常情況：（1）UE沒收到隨機接入網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)消息時，一直等待響應(yīng)消息，不發(fā)送RRC連接建立請求消息，若計時器T400超時，網(wǎng)絡(luò)還沒收到UE端的RRC連接建立請求消息，網(wǎng)絡(luò)端RRC請求MAC進入IDL狀態(tài)，則引起了MAC從ACC到IDL的躍遷。（2）UE收到隨機接入響應(yīng)消息同時向網(wǎng)絡(luò)端發(fā)送RRC連接建立請求消息，由于在傳輸中該消息丟失或沒發(fā)出去導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)沒收到該消息，RRC請求MAC進入IDL狀態(tài)，從而引起ACC到IDL狀態(tài)的躍遷。（3）競爭解決成功之后，網(wǎng)絡(luò)端RRC向MAC發(fā)送CMAC_CONNECT_CONFIG_REQ原語，要求MAC進入正常的連接狀態(tài)。

3 測試與仿真

圖3 隨機接入過程正常MSC圖

對于上述設(shè)計的隨機接入過程，本文在系統(tǒng)實現(xiàn)時采用Telelogic AB公司的SDL和C語言結(jié)合的方式，C語言進行條件編譯控制仿真測試，采用TTCN編寫測試例，利用SDL和TTCN協(xié)議仿真觸發(fā)信號流程圖，從SDL的MSC跟蹤圖看出MAC子層隨機接入的執(zhí)行過程，測試結(jié)果如圖3所示。協(xié)議執(zhí)行的過程以及狀態(tài)躍遷表現(xiàn)在MSC圖上，與前面設(shè)計的隨機接入過程流程圖一致，證明了設(shè)計的正確與可行性。

4 小結(jié)

本文首先對LTE系統(tǒng)隨機接入過程進行了模塊設(shè)計，專門設(shè)計了一個模塊用于隨機接入。然后對隨機接入相關(guān)的信號進行了設(shè)計，對重要信號的原語進行定義。分析隨機接入過程中遇到的各種情況，限于篇幅，本文只對正常的隨機接入過程進行了設(shè)計，給出了設(shè)計方案的仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果看，該方案完成了正常的隨機接入功能，這也對LTE系統(tǒng)商用提供了重要的參考價值。

參考文獻：

[1]張克平.LTE-B3G/4G移動通信系統(tǒng)無線技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[2]沈嘉等.3GPP長期演進技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[3]趙訓(xùn)威等.3GPP長期演進（LTE）系統(tǒng)架構(gòu)與技術(shù)規(guī)范[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[4]陳昌.LTE隨機接入流程研究[J].數(shù)字通信，2009，8：23-25.

[5]文武，牛丹丹.LTE系統(tǒng)中MAC層狀態(tài)研究[J].電視技術(shù)，2010，12：33-47.

[6]3GPP.TS 36.300 3GPP. TS 36.300 V8.7.0 3rd Generation Partnership Project；Technical Specification Group Radio Access Network；（2008-12）.http：//www.3gpp.org.

作者簡介：牛丹丹（1985.11-），女，河南人，碩士研究生，助教，研究方向：移動通信；楊晉霞（1984.1-），女，山西人，碩士研究生，助教，研究方向：語音信號處理；何建倉（1984-），男，河南人，碩士研究生，助教，研究方向：數(shù)學(xué)邏輯。