LTE网络端MAC状态研究与设计

牛丹丹，杨晋霞

（郑州科技学院, 郑州 400005）

LTE系统与TD-SCDMA系统的MAC（Medium Access Control，媒体接入控制）子层相比，不具有加密功能，但增加了HARQ功能，进一步提高信道利用率[1～3]。MAC子层位于LTE系统的数据链路层，向下通过传输信道与物理层进行信息交互，向上以逻辑信道的形式为RLC提供服务，在通信过程中起着重要的作用[4]。

目前，在LTE通信系统通信过程中，文献[5]中提出了LTE通信系统的状态划分概念，但没有具体到每一个子层，本文提出了网络端MAC子层从UE开机到正常通信整个过程中的状态划分，将MAC子层划分为4个状态，设计出该方案下状态转移图和随机接入正常通信的流程图，实现状态设计与流程的有效结合。

1 MAC子层的功能

LTE系统中定义了两个MAC实体，一个在用户端，一个在E-UTRAN。本文主要研究E-UTRAN端MAC实体。MAC主要完成的功能有：不同逻辑信道的复用和逻辑信道到相应的传输信道的映射，图1描述了下行信道逻辑信道与传输信道的映射；MAC SDU的复用与解复用；调度信息上报；通过HARQ进行错误纠正；UE之间优先级操作；逻辑信道优先级操作；逻辑信道优先级排序；传输格式选择[6～7]。

图1 下行信道映射

2 MAC状态转移设计

UE开机到通话结束整个过程中，通过消息与网络端对等层交互以及原语与用户平面的子层进行通信。网络端MAC层在通信的整个过程中，与UE端的MAC进行信息交互，所以研究网络端MAC子层及状态转移为通信顺利进行提供了基础。根据MAC在通信过程中的不同作用划分为4个状态：空（NUL），空闲（IDL），接入（ACC），连接（CON）。

2.1 通信流程介绍

网络端MAC还没有被RRC（Radio Resources Control，无线资源控制）子层激活，MAC不执行任何命令，此时MAC子层处于空闲状态。空闲状态下，网络端向UE周期性的发系统信息，有寻呼时发送寻呼信息，网络端MAC负责传输RRC的系统信息和寻呼消息到物理层。网络端接收到来自UE的随机接入前导请求，并将响应信息发给UE时，MAC子层就处于接入状态，此状态下MAC要完成随机接入过程。网络端接收到UE的连接建立请求信息，就给UE一个建立信息，MAC会收到连接下的配置，从而进入连接状态。

2.2 IDL状态设计

在网络端，不需要进行小区选择，RRC子层接收到来自高层的激活请求，将系统信息、主信息的调度信息和非接入层信息配置给MAC。同时，RRC要求MAC进入IDL状态。用户被叫或发起呼叫时，UE就会向网络端发送随机接入前导，请求随机接入，MAC接收来自物理层的前导指示，说明网络端MAC层已收到来自终端的前导。MAC层向RRC层指示终端的随机接入请求。RRC收到来自MAC传送的随机接入前导，在资源充足的情况下，发送随机接入响应到用户端。网络端RRC分配UL-grant, T-RNTI, TA等给MAC，要求MAC发送随机接入响应， MAC向物理层发送随机接入响应，MAC由IDL进入ACC状态。图2给出了IDL状态和各个状态之间的转换。

图2 IDL状态转移图

2.3 ACC状态设计

MAC处于随机接入状态，收到由物理层解读的由UE端发送的RRC连接请求消息。网络端MAC将连接请求消息通过原语传递给RRC。

图3 ACC状态转移图

当网络端没有收到随机接入前导，要求UE进行自动重传，自动重传请求由MAC传输给物理层，物理层收到此消息就向网络端发送竞争解决消息，说明此次随机接入是成功的，可以进行连接建立。RRC发送连接建立消息给MAC并配置连接状态下的参数给MAC要求其进入连接状态。物理层也会将连接建立消息发送到UE端。图3 给出了ACC状态向各个状态转换图。

随机接入并不是每次都成功的，成功的随机接入，在状态转移图上表现为由接入状态到连接状态，不成功的随机接入是从接入状态到空闲状态。不成功的原因有以下两点：

（1）UE没有收到随机接入响应消息，就会一直等待网络的响应消息，不会发送RRC连接建立请求消息，当计时器T400超时，网络还是没有收到UE的RRC连接建立请求消息，网络端RRC要求MAC进入IDL状态，就会引起的ACC到IDL的跃迁。

（2）UE收到了随机接入响应消息并向网络端发送RRC连接建立请求消息，由于该消息在传输中丢失或没有发出去导致网络没有收到该消息，RRC要求MAC进入IDL状态，引起ACC到IDL的跃迁。

2.4 CON状态设计

随机接入成功，进入正常的连接状态。在连接状态下，由于UE端切换会引起连接到连接状态的转换。图4给出了CON状态下的转移图。

图4 CON状态转移图

正常的连接情况下，遇到下面两种情况，MAC不会再进行ACC，会直接由CON状态到IDL状态。

（1）网络没有收到UE端的RRC连接建立完成消息，从而引起状态CON到IDL跃迁。

（2）低层的无线链路失败。

MAC收到RRC的去激活请求，不论出于那个状态都会回到NUL状态，重新进行配置。

3 随机接入流程

随机接入主要在MAC层的控制下完成，本文设计了随机接入的主要步骤，图5描述了从随机接入前导发起到随机接入完成正常的随机接入流程，使MAC状态跃迁在随机接入过程中体现出，从图中可以看出随机接入经历了3个状态的跃迁。

图5 随机接入流程

本文采用了TTCN与SDL协仿真的测试方法验证随机接入流程设计的正确性。图6是经过协仿真测试生成的MSC仿真图。例如：CMAC_CONNECT_CONFIG_REQ原语是RRC请求MAC进入连接状态，收到该原语后MAC进入到CON状态，与设计的基本一致。通过设计随机接入图5与对测试得出的MSC图6进行详细的对比，把设计的状态转移、随机接入流程与生成的MSC图中的信号流程、消息交互等与预期的情况进行比较，验证了随机接入流程设计的正确性。

图6 MSC图

4 结束语

本文通过对LTE系统通信过程进行分析，将网络端MAC状态进行划分，设计了4个状态，根据通信过程设计了状态转移图，通过随机接入过程的流程图使状态划分的优越性在流程图中体现，证明状态设计的有效性。该设计方案具体到每一个消息的发送与接收，在LTE系统中较好的体现了数据传输与资源管理的配置，为LTE系统的通信实现提供有效方案。

[1]胡宏林，徐景. 3GPP LTE无线链路关键技术[M]. 北京：电子工业出版社，2008.

[2]沈嘉，索士强，全海洋等. 3GPP长期演进技术原理与系统设计[M]. 北京：人民邮电出版社，2008.

[3]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，2010.

[4]Larmo A, Lindström M, Meyer M. The LTE link-layer design[J].Communications Magazine, 2009,47(4): 52ö59.

[5]3GPP. TS 36.331 V9.0.0 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Resource Control (RRC); (2009-09)[S].http://www.3gpp.org.

[6]Sacristan D M, Cabrejas J, Calabuig D，Monserrati J F. MAC layer performance of different channel estimation techniques in UTRAN LTE downlink[A]. Vehicular Technology Conference[C]. 2009,1ö5.

[7]3GPP. TS 36.321 V8.7.0 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA)Medium Access Control (MAC)Protocol Specification;(2009-09)[S]. http://www.3gpp.org.