LTE中MAC层与随机接入过程的梳理

关于LTE中的MAC层，位于Uu接口的RLC层与PHY层之间，如下图所示：

 

EUTRA中定义了两个MAC实体，一个在UE，一个在EUTRAN，它们处理如下传输信道：

 

MAC层具备如下功能：

●逻辑信道与传输信道的映射；

●把一条或不同条逻辑信道上的MAC MSU复用成传输块TB，并以传输信道的形式传递给物理层，反向则进行解复用；

●调度信息上报；

●通过HARQ进行错误检测；

●以动态调度的方式进行不同用户间的优先级处理；

●单用户内的不同逻辑信道的优先级处理；

●传输格式选择

关于MAC层中传输信道和物理信道之间的映射关系如下两图：

 

 

在上行的信道映射中除了物理信号和随机接入以外，信令和数据最终都是映射为UL-SCH传输信道的，也就是说UL-SCH承载的是SRB0/SRB1/SRB2/DRB的数据，进一步映射为PUSCH物理信道。

而在下行方向逻辑信道：

PCCH映射为PCH，进而映射为PDSCH（不存在承载概念）。

BCCH除了MIB信息映射为BCH，进而映射为PBCH以外，其余SIB都映射为DL-SCH，并最终映射为PDSCH（不存在承载概念，SIB信息有HARQ，但不处理。

CCCH（SRB0）、DCCH（/SRB1/SRB2）、DTCH（DRB）这三种信道映射为DL-SCH，并最终映射为PDSCH。

MCCH和MTCH这两种信道在MBMS业务独立组网时映射为MCH，并最终映射为PMCH。

LTE中的调度功能就是位于MAC层，如下两图所示：

 

 

上图中不论是上行还是下行，不论是发射还是接收，MAC层一直是调度和控制物理层工作的，其涉及冗余版本的选择、信道编码与解码、交织、速率适配、数据调制与解调、资源分配对应的映射与解映射、功率分配、天线映射等，可以说MAC层的控制功能贯穿了整个物理层的工作过程。

1 MAC层的数据封装

协议中涉及到的所有数据复用及解复用的框图如下：

 

 

不论上行或下行中只存在一个MAC实体的概念，而RLC/PDCP则存在多个实体，对上述图中涉及到的不同层数据的封装，示意如下：

 

封装成为MAC PDU有三种形式：

1.1 常规MAC PDU （UL SCH/DL SCH/MCH，除透传MAC和RAR外）

该类MAC PDU结构上可包括四种成分：一个MAC头（大小可变）)、0个或多个MAC SDU（大小可变）、0个或多个MAC CE(控制单元)或padding（填充信息，可选项）。其中MAC SDU、MAC CE或padding填充信息均为净负荷。

一个MAC头包含一个或多个MAC子头，每个子头对应着MAC SDU或MAC CE或padding类型的净负荷：

 

MAC子头的逻辑信道标识（LCID）以用来区分净负荷的类型，MAC子头结构如下图：

 

其中每个子头中的“L”代表长度，可7比特位，也可15比特位，具体哪种情况由”F”来标示，”L”长度对应着相应的MAC SDU或MAC CE的长度（字节数）。除了最后一个子头和固定大小的MAC CE的情况外，每个子头都存在“L”字段，针对上下行的LCID定义如下图：

 

根据LCID区分，MAC CE的种类有八种，分别为：

➢缓存状态报告(BSR)

➢小区无线网络临时标识(C-RNTI)

➢非连续接收命令(DRX command)

➢终端竞争解决标识(UE Contention Resolution Identity)

➢时间提前量命令(Timing Advance Command)

➢功率余量(Power Headroom)

➢MCH调度信息(MCH Scheduling Information)

➢SCELL激活或去激活（Activation/Deactivation）。

其它的LCID代表的是MAC SDU或填充信息padding。

1.2 透传的MAC PDU

该类MAC PDU的特征为没有MAC头，也即其全部信息为MAC SDU，且字节长度必须调整为传输块TB大小，比如传递BCCH和PCCH信息，BCCH信息可映射为BCH或DL-SCH传输信道，并进而映射为PBCH或PDSCH物理信道；而PCCH映射为PCH传输信道，并进而映射为PDSCH物理信道：

 

1.3 随机接入响应的MAC PDU

MAC RAR，用于随机接入响应消息，也即massage2。

该类MAC PDU结构上可包括三种成分：一个MAC头（大小可变）、0个或多个MAC RAR或padding（填充信息，可选项）。其中MAC SDU、MAC CE或padding填充信息均为净负荷。

 

随机接入响应的MAC头的结构如下图：

 

该MAC头可由两种类型的子头构成（注意：这两类子头在同一个时间里是互斥的），类型的区别由类型字段“T”来决定，T=0即指示接下来呈现的是随机接入回退指示---”BI”，T=1期指示接下来呈现的是随机接入前导码标识---RAPID。

根据MAC子头中的“E”位置设置为“1”意味着接下来的字段中是否还有随机接入的E/T/RAPID字段，也即同一条的MAC RAR消息可以为多个用户服务（不同RAPID）。

若是某个随机接入响应MAC子头是RAPID类型的，那么其对应的净负荷结构为固定长度：6个字节，如下图：

 

在基于竞争的随机接入响应中，若是msg3携带CCCH的MAC SDU信息（涉及层三消息），那么必须在解码msg4之前，用TC-RNTI地址解码PDCCH信息（TC-RNTI的有效值为0*0001~0*FFF3之间）；而若是msg3携带C-RNTI的MAC CE信息（纯粹MAC层，不涉及层三消息），那么必须在解码msg4之前，用C-RNTI地址解码PDCCH信息，而不采用TC-RNTI，也即手机不理会msg2中分配的TC-RNTI地址。

若是基于非竞争的随机接入，那么基站响应RAR中，TC-RNTI设置为0*0000，意味着是无效的TC-RNTI，只是RAR结构上的填充而已，手机只要根据RAR中的RAPID信息，并匹配上已发送的msg1中的RAPID，即认为随机接入过程成功完成，之后手机应用本次随机接入前一步骤msg0明示的C-RNTI。

关于RAR消息的调度，UE必须以RA-RNTI为地址解码PDCCH的调度信息，代表着随机接入的时频信息，RA-RNTI的计算公式为

RA-RNTI=1+t_id+10*f_id

中国移动LTE中由于常规的上下行子帧配比设置为SA2，那么当PRACH配置索引为3时，那么无论何种情况随机接入，RA-RNTI的值为3，而当PRACH配置索引为4时，RA-RNTI的值为8。

这三种MAC PDU中的净负荷为MAC SDU、MAC CE(控制单元)、MAC RAR或填充信息padding，这些净负荷中只有MAC SDU来自于高层，也就是来自于RLC层的数据，其余的都是在MAC本层添加进来的。

2 MAC层与随机接入的关系（36.300-10.1.5/36.321）

随机接入过程分为竞争型和非竞争型，两者之间的区别就在于基站是否明确指示UE一个前导码且为非0值，若是分配了有效前导码即是基于非竞争随机接入，若是由UE自主选择一个前导码即是基于竞争随机接入。

随机接入过程由PDCCH命令或MAC层本身发起。

PDCCH Order命令用于两种情况：基站下行数据到达而判断上行失步情况或定位需求（都处于连接态），由于连接态情况下PDCCH的CRC是被C-RNTI掩码的，因此UE接收调度信息是以C-RNTI为地址的。对于第一种情况，命令中的格式为DCI format1A包含RA Preamble ID，该标识值若是0*0000，则是无效的前导码，那么接下来的随机接入是基于竞争的，若值非0且位于非竞争区段，那么接下来的随机接入是非竞争的。而对于后一种情况则一定需要指定RA Preamble ID，且值非0，且位于非竞争区段。

需要说明的是基站下行数据到达而判断上行失步情况，不同厂家有不同的实现方式，比如某厂家LTE基站设备伪装成小区内切换的方式，从而将随机接入过程由PDCCH order发起转换为MAC层本身发起，其最终效果是一样的。

对于随机接入过程是由MAC本身发起的理解，应认为是由高层也就是RRC层的需求来触发的，分以下情况：

➢空闲态因业务需求而要求建立RRC连接

➢无线链路低层原因报告给RRC而要求RRC连接重建

➢手机判断上行失步/无资源而要求恢复RRC连接

➢因RRC切换命令到达而要求在目标小区发起随机接入

前导码的选择可由MAC自己来选择或可包含在RRC连接重配置命令中（即切换命令），由高层分配的前导码所对应的随机接入过程为非竞争随机接入，随机接入的成功率会比较高，时延也短。而由MAC层自主选择的前导码所对应的随机接入过程则为竞争随机接入，相对来说，随机接入的成功率会低些，时延也较长。

若切换命令中未包含RA Preamble ID或无效的前导码（0值），则本次切换也是基于竞争随机接入。

协议中关于随机接入过程的描述是很复杂的，有很多逻辑判断，在剔除定时器方面的因素外，梳理逻辑关系框图如下：

 

针对随机接入过程中会接触到的几种LCID进行以下描述：

UL-SCH中MAC头中若包含LCID=00000(CCCH)，意味着是UE在空闲时SRB0承载，也即CCCH SDU ，代号是Msg3，用于基于竞争的初始接入或RRC连接重建（无线链路故障场景），该消息包含有UE  Identity ，可分为S-TMSI（40bit）、随机数（40bit）或C-RNTI/PCI/shortMAC-I组合体（41bit），仅用于竞争解决标识，UE根据Msg4中MAC控制单元的UE Contention Resolution Identity (MAC头包含LCID=11100)与Msg3进行匹配，其MAC控制单元有6个字节，若匹配上则表示竞争解决成功。

UL-SCH中MAC头中若包含LCID=11011(C-RNTI)，意味着是UE在连接态时SRB1承载，消息代号也是Msg3，其MAC控制单元有2个字节，用在基于竞争的切换或上下行数据到达而上行失步情况下的massage3。UE在搜索PDCCH时，以C-RNTI为掩码地址。

对于Msg4中MAC层的数据封装，UE仅假设以下六种情况：

 

 

➢case1：若UE ID匹配上说明竞争成功；

➢Case2：若UE ID匹配上说明竞争成功，有CCCH SDU但无数据

➢Case3：若UE ID匹配上说明竞争成功，有CCCH SDU但无数据，另加一个字节填充

➢Case4：若UE ID匹配上说明竞争成功，有CCCH SDU但无数据，另加二个字节填充

➢Case5：若UE ID匹配上说明竞争成功，有不超过128字节长度的CCCH SDU数据，另加填充

➢Case6：若UE ID匹配上说明竞争成功，有超过128字节长度的CCCH SDU数据，另加填充 

作者介绍：周国有，从事核心网工作后转至无线网优，熟悉3GPP协议，熟悉信令流程，擅长234G互操作融合优化，目前在杭州华星公司。