LTE终端用户平面数据传输的研究与设计

谷向阳

（重庆邮电大学 通信学院，重庆 400065）

0 引言

LTE也被通俗地称为3.9G，具有100Mbps的数据下载能力，被视作从3G向4G演进的主流技术。它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准，改善了小区边缘用户的性能，提高小区容量和降低系统延迟。

1 LTE用户面总体结构

E-UTRAN是LTE的无线接入网部分，E-UTRAN与UTRAN架构完全不同，去掉了RNC（无线网络控制器）这个网络设备，只保留了eNB（演进型基站）网元，目的是简化网络架构和降低时延。E-UTRAN结构中，eNB是在NodeB原有功能基础上，增加了RNC的物理层、MAC（介质接入控制）层、RRC（无线资源管理）层、调度、接入控制、承载控制、移动性管理和相邻小区无线资源管理等功能，提供相当于原来的RLC（无线链路控制）/MAC/PHY以及RRC层的功能。E-UTRAN的协议栈结构还是与UTRAN一样分为用户面和控制面。其中控制面负责用户无线资源的管理、无线连接的建立、业务的QoS保证和最终的资源释放，用户面则主要负责数据的正常传输[1,2]。

图1为LTE系统的用户平面结构，包括物理层、MAC层、RLC层、PDCP（分组数据汇聚协议）层[3]。PDCP层与RLC层之间的接口为SAP（服务接入点），RLC层与MAC层的数据接口为逻辑信道，MAC层与物理层的数据接口为传输信道。以上各层实体在UE和eNB中是分别存在的[4]。

2 协议栈用户面各层

协议栈用户平面主要包括PDCP、RLC、MAC层，下面分别介绍各层的构造及功能。

图1 用户平面结构

2.1 PDCP层

PDCP层执行加密和完整性保护等功能，它的功能由PDCP实体来实现，PDCP实体与一个或两个RLC实体相联系，它通过RRC层来配置。对于一个UE，PDCP支持多实体同时工作，且可以根据配置决定是否对用户面的数据采用头压缩机制，每个PDCP实体处理一个RB（无线承载）的数据。对于用户平面来说，PDCP实体分为映射到AM模式和UM模式两种。

2.2 RLC层

RLC层的功能由RLC实体来完成，它通过RRC层来配置。RLC实体分为3种类型：TM(透明模式)，UM(非确认模式)，AM(确认模式)，相应的RLC可分为TM实体，UM实体，AM实体。其中TM实体和UM实体分为发送实体和接收实体，AM实体本身既包含发送端也包含接收端[7]。TM实体不会存在于用户平面，它直接与RRC层相连，用于控制信息的传送。UM和AM实体与上层的PDCP连接，传送的是用户数据。

2.3 MAC层

UE和eNB的MAC实体分别实现不同功能，它们都由RRC来配置。UE的MAC实体主要功能有：逻辑信道与传输信道之间的映射，调度信息的上报，MAC SDU复用到一个传输块等。上下行数据传输以调度为基础，调度器位于MAC层，其作用是为了充分利用共享资源，为传输信道分配物理层资源。此外，MAC层还负责HARQ(混合重传请求)的控制功能，做出决策使物理层执行具体过程。

3 终端用户平面数据传输过程

3.1 上行数据发送过程

当从高层接收到一个PDCP SDU(服务数据单元)后，PDCP会启动该SDU对应的丢弃定时器，同时将PDCP SDU的序列号设置为当前Next_PDCP_TX_SN(下一个发送的PDCP序列号)的值，对已配置头压缩功能的PDCP SDU进行头压缩，用与该PDCP SDU相关的COUNT值(由TX_HFN和序列号组成)对该SDU加密[8]。此外还需要对PDCP SDU加上D/C(指示是数据PDU还是控制PDU)比特，R(保留)比特，SN(序列号)比特等控制信息，加上这些头信息后的数据单元被称为PDCP PDU(协议数据单元)，生成后的PDCP PDU会通过SAP递交给对应的RLC实体。同时，PDCP实体更新Next_PDCP_TX_SN的值，用于接收下一个SDU后的相应处理。

当从PDCP接收到一个PDCP PDU(RLC SDU)后，若还未处理这个SDU时PDCP的丢弃定时器超时，则PDCP通知RLC丢弃该SDU。若对应的是UM发送实体，UM实体按序发送数据，即当发送UM实体收到一个新RLC SDU后，它会置这个RLC SDU的SN的值为当前VT(US)的值，然后VT(US)的值加1。UE在接收到来自MAC层的传送时机后[7]，根据特定时机通知中指示的数据块大小对发送缓冲区中的SDU进行分段和/或级联并添加RLC头后，成为PDU，才能传送。为了接收端能正确重组为完整的RLC SDU，UM发送实体在分段/级联后应该添加FI,LI比特等头信息。

若对应的是AM实体，在一个AM实体的发送端，RLC控制PDU的发送优先于RLC数据PDU，需重传的RLC数据PDU的发送优先于新RLC数据PDU。在一个AM RLC实体的发送端，根据状态变量VT(A)和VT(MS)来维持一个发送窗口，下面为一个发送窗口控制的一个举例：

图2所示为AM模式发送窗口控制图，白色方块代表该PDU已经发送出去，黑色方块代表该PDU收到相应的ACK, 假设发送窗口的大小为6。初始时，VT(S)和VT(A)均指向即将发送的0号PDU，而此时窗口上限VT(MS)为6，VT(MS)保持VT(MS)=VT(A)+AM_window_size。此后陆续收到来自上层的数据，并在分段/级联以及加头生成相应的PDU，按序发出序号为0，1，2的PDU。在这3个PDU发送出去后，AM实体收到来自对等端的ACK（针对序号为0，1的PDU），此时VT(A)和VT(MS)都向前滑动2个位置，序列号小于VT(A)的PDU若包含一个完整的RLC SDU，则通知PDCP层对等端已正确接收，同时应从重传缓冲中清除。对于AM模式的PDU来说，加头时还需按规则设置P比特位，这是为了在特定条件下尝试从对等端获取一个状态PDU。

图2 用户面数据组装过程

MAC层在收到来自eNB的上行授权后上报给RLC一个传送时机，上行授权通过调度过程来实现。上行授权是通过BSR（缓冲区状态报告）来协助获得，BSR过程是用于向服务eNB报告UE共有多少数据存在于PDCP和RLC的上行的缓冲区，SR（调度请求）用于请求上行授权以发送上行数据[7]，BSR和SR通常是联合使用的。MAC在获取上行授权后会用eNB分配的资源大小减去MAC PDU中MAC控制信息单元加上其对应子头的大小，然后将剩余的资源大小告知RLC。MAC层在收到来自各个逻辑信道的RLC PDU(MAC SDU)后，要对以上数据复为一个MAC PDU，然后根据上行同步HARQ操作与物理层协作，通过PUSCH(物理上行共享信道)传给eNB。上行同步HARQ操作通过下行ACK，NACK信令传输，NDI(新数据指示)和上行数据的重传来完成的，每次重传的信道编码RV和传输格式是预定义好的，不需要额外的信令支持，只需通过NDI指示是新数据的传输还是重传。图3所示为各层数据单元的组装过程。

图3 RLC AM模式发送窗口控制

3.2 下行数据接收过程

如果DL-SCH(下行共享信道)上有数据发送，则相应的下行分配会在PDCCH(物理下行控制信道)上发送，UE就会监听PDCCH获得必要的信息用于解码DL-SCH数据。下行异步HARQ操作是通过上行ACK/NACK信令传输、NDI、下行资源分配信令传输和下行数据的重传来完成的。UE根据收到的NDI值判断是一个新的传输还是重传，然后采取不同规则解码这个TB的数据，若解码成功则将MAC PDU发送到disassembly and demultiplexing(重组及解复用)实体，并指示物理层产生ACK，否则指示物理层产生NACK。

MAC层解复用后得到的数据会通过disassembly and demultiplexing实体发送到相应的逻辑信道上，再传给对应的RLC实体。若是UM接收实体，则通过VR(UH),VR(UR),VR(UX)这几个变量来维护接收窗口，若接收出现乱序，t-reordering(重排序定时器)会启动，对UMD PDU重排序后再对落在接收窗口外的PDU去头，根据FI,LI等头信息重组后还原成RLC SDU，传给PDCP层。若是AM实体，AM实体会先解析PDU的类型，若是状态PDU则交给控制模块，由控制模块控制重传缓冲中哪些PDU需要重传。若是数据PDU，接收端通过VR(R),VR(MS),VR(MR),VR(H),VR(X)等变量来维护接收窗口，若接收出现乱序，t-reordering同样会启动，且在t-reordering超时或收到P比特置“1”的PDU后会生成一个状态PDU，指示哪些AMD PDU已正确接收以及哪些没有正确接收。与UM实体相同，AM实体也对AMD PDU进行重排序，再对落在接收窗口外的PDU去头，根据FI,LI等头信息重组后还原成RLC SDU，传给PDCP层。下面为接收窗口控制的一个举例：

如图4所示，黑色方块代表该PDU已经重组并上传，白色方块代表只是接收到该PDU，假设接收窗口的大小为6。初始时，VR(R),VR(MS)和VR(H)均指向0，而此时窗口上限VR(MR)为6，VR(MR)一直保持VR(MR)=VR(R)+AM_window_size。AM实体接收端收到0号PDU后VR(R),VR(MS)和VR(H)均指向1，由于落在了接收窗口外，若1号PDU能重组成完整的SDU，则对它进行重组并上传。接下来未立即收到1号PDU，而收到了4号PDU，此时出现了乱序，所以t-reordering启动。此后接收端继续收到2号PDU，在某个时刻t-reordering超时，由于还未收到1号和3号PDU，重排序未完成，AM实体会生成一个状态PDU并通过发送端发送。这时应将VR(X)置为空[8]，并将VR(MS)移向VR(H)处。

当接收到来自RLC层的PDCP PDU后，除了发生重建时，PDCP无需再进行重排序，只需对PDCP PDU解密和头解压缩。映射到AM模式和UM模式的DRB处理过程不同，AM模式较为复杂，下面举例说明其中一种情况：

图4 RLC AM模式接收窗口控制

这里假设PDCP序列号为0—9，Reordering_Window为序列号空间一半长度的重排序窗，所以窗口大小为5。RX_HFN为接收端当前HFN，接收端上一次提交给高层的PDCP SDU序列号为Last_Submitted_PDCP_RX_SN，接收端期待的下一个接收的PDCP序列号为Next_PDCP_RX_SN[8]。Mid指每一帧的中间位置，如果接收的PDCP PDU序列号为SN，当SN-Last_Submitted_PDCP_RX_SN >Reordering_Window且SN > Next_PDCP_RX_SN这两个条件满足时，则用RX_HFN-1和SN作为COUNT值进行解密，然后头解压缩，最后丢弃该PDCP SDU。

图5 PDCP滑动窗口控制

如图5所示，要保证SN - Last_Submitted_PDCP_RX_SN >Reordering_Window的话，Last_Submitted_PDCP_RX_SN只可能处于前半帧，这里选定为2。为了满足条件，Next_PDCP_RX_SN取6，received PDCP SN取8。received PDCP SN的位置有3种可能(如图中 received PDCP SN1、2、3)， 以Last_Submitted_PDCP_RX_SN为中心来看，只有取前一帧时received PDCP SN位于重排序窗内(图中红色部分)，所以应用RX_HFN-1作为COUNT值的一部分来解密。

4 缓冲区及流程设计

在LTE系统用户平面中，PDCP，RLC，MAC三层都存在缓冲区。可定义一个指针数组，指针数组保存的是PDU在内存中的地址，发送时根据每个单元的地址指针调出PDU的数据再进行传输。若在系统设计时内存有限，PDCP和RLC可共用一个缓冲区，这样的话PDCP就不必通过信令对RLC传送数据。PDCP对PDCP SDU加头后生成PDCP PDU，然后将PDCP PDU放入公用缓冲区，RLC调用函数get_pdcp_data()得到来自公用缓冲区的数据。这种方法可节约内存资源，但实时性还有待验证。若内存足够大，则PDCP和RLC分别定义一个发送缓冲，PDCP在有新数据发送时通过将参数data封装在RLC_DATA_REQ中传送。

根据前面所述可以设计一个信令流程，图6为根据设计方案在SDL环境中生成的MSC图，验证了所设计方案的可行性。其中涉及到重传以及再分段。RLC根据MAC_RESOURCE_IND提供的资源大小对数据进行分段和/或级联，CRLC_STATUS_IND是在RLC传输达到最大次数时通知RRC使用的。

图6 层间通信MSC图

5 结束语

LTE是当前最热门的通信技术之一，目前LTE标准基本冻结，但离大规模商用还有较长时间。在接下来的研究和开发工作中，我们将进一步调研实现LTE协议栈的RRC,NAS,PHY等子层，并完成TD-LTE无线综合测试仪表和终端基带芯片的开发，应用于下一代移动通信系统中。

[1]赵训威、林辉、张明，等.3GPP长期演进(LTE)系统架构与技术规范[M].北京:人民邮电出版社，2009：6-20.

[2]Stefania SESIA, Issam TOUFIK, Matthew BAKER.LTE – The UMTS Long Term Evolution : From Theory to Practice[M].A John Wiley and Sons, Ltd, Publication，2009 : 62-65.

[3]3GPP TS 36.300 V8.9.0:3GPP Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN);Overall description; Protocol specification[S].2009-06.

[4]Erik DAHLMAN, Stefan PARKVALL, Johan SKOLD, Per BEMING.3G Evolution: HSPA and LTE for Mobile Broadband.Academic Press, 2008:107.

[5]3GPP TS 36.322 V8.7.0: 3GPP Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA) Radio Link Control (RLC); Protocol specification [S].2009-09.

[6]3GPP TS 36.323 V8.6.0: 3GPP Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA) Packet Data Convergence Protocol (PDCP); Protocol specification [S].2009-6.

[7]3GPP TS 36.321 V9.0.0: 3GPP Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA) Medium Access Control (MAC); Protocol specification[S].2009-9.

[8]邓亚平、付红、谢显中,等：3GPP LTE协议栈RLC层AM传输模式的设计与实现[J].重庆邮电大学学报，2009(12).