MAC(Media Access Control) 介質訪問控制層
MAC過程指MAC層傳輸的過程。本詞條以LTE為例介紹LTE技術中MAC過程中的隨機接入過程
基本介紹
- 中文名：介質訪問控制層過程
- 外文名：Media Access Control Process
- 套用學科：通信
LTE,隨機接入過程,隨機接入初始化,隨機接入資源選擇,隨機接入前導碼傳輸,隨機接入回響接受,競爭決議,隨機接入完成,
LTE
LTE（LongTermEvolution，長期演進)，又稱E-UTRA/E-UTRAN，和3GPP2UMB合稱E3G（Evolved3G）
LTE是由3GPP（The3rdGenerationPartnershipProject，第三代合作夥伴計畫）組織制定的UMTS（UniversalMobileTelecommunicationsSystem，通用移動通信系統）技術標準的長期演進，於2004年12月在3GPP多倫多TSGRAN#26會議上正式立項並啟動。LTE系統引入了OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交頻分復用）和MIMO（Multi-Input&Multi-Output，多輸入多輸出）等關鍵傳輸技術，顯著增加了頻譜效率和數據傳輸速率（20M頻寬2X2MIMO在64QAM情況下，理論下行最大傳輸速率為201Mbps，除去信令開銷後大概為140Mbps，但根據實際組網以及終端能力限制，一般認為下行峰值速率為100Mbps，上行為50Mbps），並支持多種頻寬分配：1.4MHz，3MHz，5MHz，10MHz，15MHz和20MHz等，且支持全球主流2G/3G頻段和一些新增頻段，因而頻譜分配更加靈活，系統容量和覆蓋也顯著提升。LTE系統網路架構更加扁平化簡單化，減少了網路節點和系統複雜度，從而減小了系統時延，也降低了網路部署和維護成本。LTE系統支持與其他3GPP系統互操作。LTE系統有兩種制式：FDD-LTE和TDD-LTE，即頻分雙工LTE系統和時分雙工LTE系統，二者技術的主要區別在於空中接口的物理層上（像幀結構、時分設計、同步等）。FDD-LTE系統空口上下行傳輸採用一對對稱的頻段接收和傳送數據，而TDD-LTE系統上下行則使用相同的頻段在不同的時隙上傳輸，相對於FDD雙工方式，TDD有著較高的頻譜利用率。
LTE/EPC的網路架構如圖1所示，其中E-URTAN對應於圖2，E-URTAN無線接入網路架構。
圖1 3GPP接入的非漫遊架構
圖2 E-UTRAN的網路結構LTE無線接入協定體系結構如圖3所示，該接入系統分為三層：層一為物理層（PHY），層二為媒體接入控制子層（MAC）、無線鏈路控制子層（RLC）和分組數據會聚協定子層（PDCP），層三為無線資源控制層（RRC）。其中物理層是無線接入系統最底層，它以傳輸信道為接口，向上層提供服務。
圖3 LTE無線接入協定體系結構隨機接入過程
隨機接入過程是由PDCCH命令或MAC子層自身來觸發，主要由以下幾種狀況觸發。
（1）從RRC_IDLE狀態接入。
（2）無線鏈路失敗發起隨機接入。
（3）切換過程需要隨機接入。
（4）UE處於RRC_CONNECTED時有下行數據到達。
（5）UE處於RRC_CONNECTED時有上行數據到達。
（6）UE處於RRC_CONNECTED狀態，需要進行定位。
隨機接入過程可以分為基於競爭的隨機接入和基於無競爭的隨機接入兩種。如果隨機接入前導碼Preamble由UE的MAC選擇，則為基於競爭的隨機接入；如果隨機接入前導碼Preamble由控制信令分配，則為無競爭的隨機接入。上述幾種觸發隨機接入的原因中，只有切換和下行數據到達時才能使用無競爭的隨機接入過程，其他的情況都採用基於競爭的隨機接入，用於競爭的Preamble和無競爭的Preamble歸屬於不同的分組，互不衝突。
圖4 隨機接入過程流程圖隨機接入初始化
如果UE在PDCCH信道上收到通知其C-RNTI定址的PDCCH命令，UE將觸發隨機接入過程。
在隨機接入過程中會用到以下一些信元和參數，其定義如下。
–ra-PreambleIndex：Preamble索引，共64個。
–ra-PRACH-MaskIndex：物理層隨機接入信道索引，共16個。
–numberOfRA-Preambles：表征Preamble碼的總數量。
–sizeOfRA-PreamblesGroupA：表征Preamble碼組A中碼數量。
–deltaPreambleMsg3：前導碼和Msg3之間的偏移量。
–ra-ResponseWindowSize：隨機接入回響窗的大小。
–powerRampingStep：功率抬升因子。
–preambleTransMax：前導碼最大傳輸次數。
–preambleInitialReceivedTargetPower：前導碼初始發射功率。
–maxHARQ-Msg3Tx：Msg3的最大HARQ傳輸次數。
–mac-ContentionResolutionTimer：競爭決議定時器。
PDCCH命令或RRC訊息指示隨機接入過程中進行資源選擇時用到的ra-PreambleIndex和ra-PRACH-MaskIndex。
在隨機接入初始化之前，可以獲知如下信息。
（1）用於傳輸隨機接入前導碼的PRACH資源集（prach-ConfigIndex）。
（2）隨機接入前導碼組（碼組A和碼組B）及每組中可用的隨機接入前導碼集。
前導碼組A和碼組B中的前導碼數量通過參數numberOfRA-Preambles和sizeOfRA-PreamblesGroupA來計算。如果sizeOfRA-PreamblesGroupA值等於numberOfRA-Preamble值，只有碼組A不存在碼組B，碼組A中的前導碼從0開始依次編號。如果sizeOfRA-PreamblesGroupA值小於numberOfRA-Preamble值，則存在前導碼組B，其前導碼編號在碼組A中最後一個編號之後開始依次編號到numberOfRA-Preamble-1。
如果碼組B存在，UE需要依據相關參數在兩個前導碼組中選擇一個。
（3）隨機接入回響視窗大小（ra-ResponseWindowSize）。
（4）功率抬升因子（powerRampingStep）。
（5）Preamble最大傳輸次數（preambleTransMax）。
（6）Preamble初始發射功率（preambleInitialReceivedTargetPower）。
（7）基於前導格式的前導碼偏置（DELTA_PREAMBLE）。
（8）Msg3HARQ傳輸最大次數（maxHARQ-Msg3Tx）。
（9）競爭決議定時器（mac-ContentionResolutionTimer）。
在每次隨機接入過程觸發前，高層可以對上述參數配置進行更新。隨機接入過程應按如下步驟執行。
（1）清空Msg3快取。
（2）設定前導碼傳輸計數器PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER為1。
（3）設定UE側backoff參數值為0ms。
（4）開始選擇隨機接入資源。
在任一時刻只進行一個隨機接入過程。如果在一次隨機接入過程中，UE收到新的發起隨機接入的請求，由UE側來決定繼續正在進行的隨機接入過程或啟動新的過程。
隨機接入資源選擇
隨機接入資源選擇過程，UE執行以下操作。
（1）如果ra-PreambleIndex和ra-PRACH-MaskIndex（PRACH掩碼索引）通過PDCCH或RRC信令明確指示，並且ra-PreambleIndex不為000000，則該隨機接入過程為無競爭的，則Preamble碼和PRACHMASKIndex為指示的值。否則為競爭的隨機接入過程，Preamble由UE按照如下過程選擇。
a．如果還沒有傳送Msg3，那么如果隨機接入前導碼組B存在，而且可用數據與MAC頭以及MAC控制單元之和大於messageSizeGroupA值，並且路徑損耗小於PCMAX–preambleInitialReceivedTargetPower–deltaPreambleMsg3–messagePowerOffsetGroupB，則選擇隨機接入前導碼組B，否則選擇前導碼組A。
b．如果Msg3正在重傳，則UE選擇第一次傳輸Msg3時所使用前導碼所在的碼組。
c．在所選擇的前導碼組中隨機選擇一個前導碼。隨機函式應滿足每個前導碼被選中的機率相等。
d．將PRACH掩碼索引設定為0。
（2）根據prach-ConfigurationIndex和PRACHMaskIndex，以及物理層定時要求給出的限制條件，確定下一個包含PRACH的可用子幀。
a．基於PRACHMaskIndex在選定的子幀中確定一個PRACH。
b．在選擇的PRACH上傳送隨機接入前導碼。
隨機接入前導碼傳輸
隨機接入前導碼傳輸過程應按如下步驟執行。
（1）設定隨機接入前導碼的發射功率值，其計算方法是初始Preamble發射功率加上Preamble功率偏置加上功率抬升，其中功率抬升量是Preamble傳送次數減一和功率抬升因子的乘積。
（2）指示物理層使用已選擇的PRACH，相應的RA-RNTI，前導碼索引以及Preamble發射功率傳送隨機接入前導碼。
隨機接入回響接受
一旦隨機接入前導碼傳送完成，為接收到隨機接入回響，UE應在隨機接入回響窗中監測以RA-RNTI為標識的PDCCH。隨機接入回響窗的大小為ra-ResponseWindowSize個子幀，起始子幀為Preamble傳送結束的子幀之後的第3個子幀。RA-RNTI與傳送Preamble使用的PRACH資源有關，通過下式獲得。
RA-RNTI=1+t_id+10×f_id
其中t_id為指定PRACH資源第一個子幀的索引，取值範圍為(0≤t_id<10)；f_id為該子幀指定的PRACH以頻域遞增順序的索引，取值範圍為(0≤f_id<6)。當UE成功接收一個包含與已傳送隨機Preamble相匹配的隨機接入回響後，停止監聽隨機接入回響。
如果UE在該TTI收到以RA-RNTI加擾的PDCCH指示的下行分配，且接收到的TB被成功解碼，則不考慮可能出現的測量間隔，按照下面流程進行處理。
（1）如果隨機接入回響包含一個回退指示BI（BackoffIndicator）子頭，則根據BI子頭指示的值來設定UE側的回退參數值。
（2）如果隨機接入回響沒有包含一個BI（BackoffIndicator）指示子頭，則設定UE側的回退參數值為0ms。
（3）如果隨機接入回響包含一個與已傳輸Preamble相同的前導碼標識，則UE應進行以下操作。
a．認為此次隨機接入回響接收成功。
b．處理收到的時間提前命令。
c．向低層指示preambleInitialReceivedTargetPower和最近一次前導碼傳送過程的功率抬升總量（即(PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER–1)×powerRampingStep）。
d．處理接收的上行授權，並將其指示給低層。
e．如果ra-PreambleIndex被顯示指示並且不為000000，則認為隨機接入過程成功完成。
f．如果隨機接入前導碼由UEMAC選擇，則在上行授權的第一次傳輸前，將C-RNTI設定為隨機接入回響中攜帶的值。如果這是本次隨機接入過程中第一次成功收到的隨機接入回響，並且次傳輸不用於CCCH邏輯信道，則指示在接下來的上行傳輸中包含一個C-RNTIMAC控制單元；從復用和組合實體中獲得將要傳輸的MACPDU，並將其存儲在Msg3快取中。
當UE需要上行傳輸時，eNodeB應在隨機接入回響中提供不小於56bit的上行授權。
如果在隨機接入回響窗內沒有收到隨機接入回響，或者所有收到的隨機接入回響中都與已傳輸的前導碼不匹配，則認為隨機接入回響接收不成功，UE應執行如下操作。
（1）將PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER加1。
（2）如果PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER=preambleTransMax+1，則向高層指示隨機接入問題。
（3）如果在隨機接入過程中，隨機接入前導碼是由MAC選擇的，則根據UE側的回退參數隨機選取一個回退時間，根據回退時間延遲發起下一次隨機接入傳輸。
競爭決議
當多個UE同時在相同的物理資源上使用相同的Preamble發起隨機接入時就會產生競爭，但只能有一個UE能夠接入成功，競爭決議基於PDCCH上的C-RNTI或者DL-SCH上的UE競爭決議標識來進行。
一旦Msg3被傳輸，UE應進行如下操作。
（1）啟動MAC競爭決議定時器mac-ContentionResolutionTimer，並在每次HARQ重傳時重啟該定時器。
（2）監測PDCCH直到定時器mac-ContentionResolutionTimer逾時或被終止。
（3）如果在定時器期間收到來自低層PDCCH傳輸的通知，並且Msg3中包含C-RNTIMAC控制單元，則進行如下判斷。
a．如果隨機接入過程由MAC子層自身觸發且以C-RNTI標識的PDCCH傳輸中包含上行授權信息，則認為競爭決議成功。
b．如果隨機接入過程由PDCCH命令觸發且PDCCH傳輸以C-RNTI標識，則認為競爭決議成功。
c．終止定時器mac-ContentionResolutionTimer，丟棄臨時C-RNTI，本次隨機接入過程成功完成。
（4）如果在定時器期間收到來自低層PDCCH傳輸的通知，並且Msg3中包含CCCHSDU，並且PDCCH傳輸以臨時C-RNTI標識，若MACPDU被成功解碼，則進行如下操作。
a．終止定時器mac-ContentionResolutionTimer。
b．如果MACPDU包含一個UE競爭決議標識MAC控制單元並且MAC控制單元中的UE競爭決議標識與Msg3中傳輸的CCCHSDU相匹配，則認為此次競爭決議成功，執行MACPDU的拆分和解復用，將臨時C-RNTI設定為C-RNTI值，丟棄臨時C-RNTI，認為本次隨機接入過程成功完成。
c．其他情況認為本次競爭決議不成功，丟棄臨時C-RNTI，丟棄成功解碼的MACPDU。
（5）如果定時器mac-ContentionResolutionTimer逾時，則丟棄臨時C-RNTI，認為競爭決議不成功。
（6）如果競爭決議不成功，則UE應進行以下操作。
a．清空用於傳輸Msg3快取中MACPDU的HARQ快取。
b．將計數器PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER加1。
c．如果PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER=preambleTransMax+1，則向高層指示隨機接入問題。
d．根據UE側的回退參數，隨機選取一個回退時間，在回退時間後延遲進行下一次隨機接入傳輸。
e．重新開始隨機接入資源選擇過程。
隨機接入完成
當隨機接入過程成功完成時，UE應進行以下操作。
（1）如果存在，丟棄顯示指示的ra-PreambleIndex及ra-PRACH-MaskIndex。
（2）清空用於傳輸Msg3快取中MACPDU的HARQ快取。
