LTE MAC功能及标准介绍
LTE中MAC层与随机接入过程的梳理
2.2 透传的 MAC PDU............................................................................................................9 2.3 随机接入响应的 MAC PDU ............................................................................................9 三、MAC 层与随机接入的关系（36.300-10.1.5/36.321）...................................................11
z
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。
y
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
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
y 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。
详解LTE MAC层
LTE MAC层E-UTRA提供了两种MAC实体，一种是位于UE的MAC实体，一种是位于E-UTRAN 的MAC实体。
UE的MAC实体与E-UTRAN的MAC实体执行不同的功能，图3-3从UE 的角度给出一种MAC实体结构。
MAC结构和功能E-UTRA提供了两种MAC实体，一种是位于UE的MAC实体，一种是位于E-UTRAN 的MAC实体。
UE的MAC实体与E-UTRAN的MAC实体执行不同的功能，图1从UE的角度给出一种MAC实体结构。
根据图1，UE侧MAC层功能包括以下几个部分。
（1）逻辑信道与传输信道之间的映射。
（2）将来自一个或多个逻辑信道的MACSDU复用到一个传输块（TB），通过传输信道发给物理层。
（3）将一个或多个逻辑信道的MACSDU解复用，这些SDU来自于物理层通过传输信道发送的TB。
（4）调度信息上报。
（5）通过HARQ进行错误纠正。
（6）通过动态调度在UE之间进行优先级操作。
（7）同一个UE的逻辑信道间进行优先级的操作。
（8）逻辑信道优先级排序。
（9）传输格式选择。
图1UE侧MAC实体结构信道及信道映射MAC涉及的信道结构包括3方面内容：逻辑信道、传输信道和逻辑信道与传输信道之间的映射。
传输信道是MAC层和物理层的业务接入点，逻辑信道是MAC层和RLC层的业务接入点。
传输信道包括以下这些。
下行方向：BCH，广播信道；DL-SCH，下行共享信道；PCH，寻呼信道；MCH，多播信道。
上行方向：UL-SCH，上行共享信道；RACH，随机接入信道。
逻辑信道分为业务信道和控制信道，其中控制信道包括以下这些。
BCCH，广播控制信道；PCCH，寻呼控制信道；CCCH，公共控制信道；MCCH，多播控制信道；DCCH，专用控制信道。
业务信道包括以下这些。
DTCH，专用业务信道；MTCH，多播业务信道。
上行信道映射如图2所示。
图2上行信道映射下行信道映射如图3所示。
图3下行信道映射随机接入过程3.1随机接入过程产生的原因和分类LTE系统的随机接入过程产生的原因包括以下几种。
LTE各层功能
RRC协议实体位于UE和eNode B网络实体内，主要负责接入层的管理和控制，实现的功能包括：系统消息广播，寻呼建立、管理、释放，RRC连接管理，无线承载（Radio Bearer，RB）管理，移动性功能，终端的测量和测量上报控制。
PDCP层功能（1）用户面数据的头压缩与解压缩，只支持一种压缩算法，即ROHC（RObust Header Compression，鲁棒性头压缩）算法。
（2）数据传输（用户平面或控制平面）；（3）对PDCP SN 值的维护；（4）切换时对上层PDU的顺序递交；（5）底层SDU的重复检测；（6）对用户平面数据及控制平面数据的加密及解密；（7）控制平面数据的完整性保护及完整性验证；RLC层功能概括如下：（1）高层数据传输；（2）通过ARQ（Automatic Repeat request）机制进行错误修正（仅针对AM数据传输，CRC校验由物理层完成）；（3）RLC SDU串接、分段、重组（针对UM和AM数据传输）；（4）RLC SDU重分段（仅针对AM数据传输）；（5）RLC SDU重排序（针对UM和AM数据传输）；（6）RLC SDU重复检测（针对UM和AM数据传输）；（7）RLC SDU丢弃（针对UM和AM数据传输）；（8）协议错误检测（仅针对AM数据传输）；MAC层的各个子功能块提供以下的功能：（1）实现逻辑信道到传输信道的映射；（2）来自多个逻辑信道的MAC服务数据单元（SDU）的复用和解复用；（3）上行调度信息上报，包括终端待发送数据量信息和上行功率余量信息。
基于HARQ 机制的错误纠正功能；（4）通过HARO机制进行纠错；（5）同一个UE不同逻辑信道之间的优先级管理；（6）通过动态调度进行UE之间的优先级管理；（7）传输格式的选择，通过物理层上报的测量信息，用户能力等，选择相应的传输格式（包括调制方式和编码速率等），从而达到最有效的资源利用；（8）MBMS业务识别；（9）填充功能，即当实际传输数据量不能填满整个授权的数据块大小时使用。
关于3GPP的MAC标准介绍
BCCH
CCCH
DCCH
DTCH
Downlink Logical channels
下行链路映射关系
Downlink Transport channels
PCH
BCH
DL-SCH
协议数据单元
R/R/E/LCID sub-header R/R/E/LCID[/F/L] sub-header R/R/E/LCID/F/L sub-header R/R/E/LCID/F/L sub-header
发送侧HARQ操作
HARQ实体功能：
标识将发送数据的HARQ进程，并且把由物理层转发的接 收端的反馈（ACK/NACK信息），MCS和资源送达对应 的HARQ进程
HARQ进程：
发送侧每个进程维护一个HARQ缓存(位于MAC层)； 指示物理层参照CURRENT_IRV和传输定时采用冗余模式 发起一次传输 达到最大发送次数后，与RRC层和RLC层的交互
数据传输 无线资源分配
从物理层得到的服务
数据传输服务 HARQ反馈通知; 调度请求通知; 相关测量(如：信道质量指示(CQI)).
MAC层功能
提供逻辑信道与传输信道之间的映射； 逻辑信道复用：将来自一条或者不同逻辑信道的MAC SDUs复用 到传输块（TB）并在传输信道上发送至物理层； 传输信道解复用：将来自物理层的在传输信道承载的TB块解复为 一条或者不同逻辑信道上MAC SDUs； 调度信息报告; HARQ纠错; 通过动态调度实现不同UE之间的的优先级处理； 同一UE的不同逻辑信道之间的优先级处理； 划分逻辑信道优先级; 传输格式选择
信道映射关系
逻辑信道：
BCCH PCCH CCCH DCCH DTCH
ieee 802.11系列标准中mac帧的数据帧功能
ieee 802.11系列标准中mac帧的数据帧功能IEEE 802.11系列标准，也称为Wi-Fi标准，定义了无线局域网（WLAN）的媒体访问控制（MAC）层和物理层协议。
在MAC层，802.11标准定义了多种类型的帧，用于实现无线网络的通信和控制功能。
其中，数据帧是用于传输数据的一种帧类型。
数据帧在802.11 MAC层中起到了核心的作用。
其主要功能包括以下几点：数据传输：数据帧的主要功能是传输数据。
在无线网络中，数据帧用于在各个设备之间发送和接收数据。
当一个设备需要向另一个设备发送数据时，它会构造一个数据帧，并将数据放入帧的载荷中，然后发送该帧。
确认机制：为了确保数据的可靠传输，802.11引入了确认机制。
当接收设备成功接收到一个数据帧后，它会发送一个确认帧（ACK帧）给发送设备，表示数据已成功接收。
如果发送设备在一定时间内未收到确认帧，它会重新发送数据帧，直到收到确认或达到重传次数上限。
流量控制：802.11标准使用了一种叫做“帧间间隔”（Interframe Spaces, IFS）的机制来控制流量。
当一个设备发送完一个数据帧后，它必须等待一段IFS时间后才能发送下一个帧。
这样可以确保网络中的所有设备都有公平的机会访问媒体，避免冲突和拥塞。
服务质量：802.11标准通过引入多种服务等级（Service Classes）和访问类别（Access Categories），支持不同类型的数据传输需求和服务质量（QoS）。
例如，语音和视频流通常需要更低的延迟和更高的可靠性，而文件下载则对带宽要求更高。
通过不同的访问类别和调度机制，802.11 MAC 层可以满足这些不同的服务质量需求。
安全性：802.11标准支持多种安全协议和技术，如WEP、WPA、WPA2等，以确保数据帧在传输过程中的安全。
这些安全协议提供了加密和认证功能，可以保护数据帧的内容不被窃取或篡改。
综上所述，IEEE 802.11系列标准中的数据帧功能是实现无线局域网中高效、可靠、安全的数据传输的关键。
LTE MAC 解读
逻辑信道
逻辑信道:是指传输什么类型的数 据 当MAC通过PDCCH物理信道指示 无线资源的使用的时候,MAC会根 据逻辑信道的类型把相应的RNTI映 射到PDCCH,这样用户通过匹配不 同的RNTI可以获取到相应的逻辑信 道的数据
DCCH/DTCH C-RNTI, Temporary C-RNTI and Semi-Persistent Scheduling C-RNTI P-RNTI
PCCH DL-SCH 上的随机接入响 应 随机接入过程的 CCCH
RA-RNTI
Temporary C-RNTI
逻辑信道名 Broadcast Control Channel Paging Control Channel Common Control Channel 广播控制信道
Acronym BCCH PCCH CCCH DCCH DTCH
否则
丢弃临时C-RNTI 认为随机接入失败并丢弃这个MAC PDU
如果竞争消除定时器超时,则认为失败
失败后,会按照一定的后腿机制重新开始随机接入过程知道尝试次数超过门限 值,那是则会向上层报告接入失败
PCH接收
当UE需要接收PCH的时候:
PDCCH对于特定的P-RNTI指示了PCH资源 的分配
根据PDCCH信息解码PCH上的传输块(TB)
Step 1. 在发送上行接入前导序列,不过之前终端自然已经和系统下行 同步好了,但是在上行并没有同步.发送上行前导有两个目的:
实现上行同步,eNB发送time-advance消息实现; 根据确认的前导分配相应的资源;
Step 2. eNB通过时隙调整确保上行同步,同时分配上行资源,也就是 相应的UL-SCH信息用于发送用户ID等基本信息; Step 3. 在已经分配的资源上发送用户ID,具体内容跟用户所处的状态 相关; Step 4. 通过DL-SCH发送冲突解决消息到终端. 只有第一步是纯粹的物理层过层,后面三个步骤跟普通的数据传输过 程没有区别
详解LTE MAC层
LTE MAC层E-UTRA提供了两种MAC实体,一种就是位于UE得MAＣ实体,一种就是位于Ｅ-UＴＲAN得MAC实体。
UＥ得MＡC实体与E-UＴＲAN得MAC实体执行不同得功能,图33从UE得角度给出一种ＭＡC实体结构。
ＭＡC结构与功能E－ＵTRA提供了两种MAC实体,一种就是位于UE得MＡC实体,一种就是位于E-U ＴＲAN得MAC实体。
UE得MAＣ实体与E-UTRAN得MＡＣ实体执行不同得功能,图1从UE得角度给出一种MAC实体结构。
根据图１,UＥ侧MAC层功能包括以下几个部分。
(１)逻辑信道与传输信道之间得映射。
(２)将来自一个或多个逻辑信道得MＡCＳDＵ复用到一个传输块(TB),通过传输信道发给物理层。
(3)将一个或多个逻辑信道得MAＣSDU解复用，这些SDU来自于物理层通过传输信道发送得ＴB。
(4)调度信息上报。
（5)通过HARQ进行错误纠正。
(6)通过动态调度在UE之间进行优先级操作。
(7)同一个UＥ得逻辑信道间进行优先级得操作。
(8)逻辑信道优先级排序。
(9)传输格式选择。
图１UE侧ＭＡC实体结构信道及信道映射MAＣ涉及得信道结构包括3方面内容:逻辑信道、传输信道与逻辑信道与传输信道之间得映射。
传输信道就是ＭＡC层与物理层得业务接入点，逻辑信道就是MＡC层与RＬC层得业务接入点。
传输信道包括以下这些。
下行方向:BCH,广播信道;DL-SCH,下行共享信道;PＣH,寻呼信道;MＣH,多播信道。
上行方向：ＵL-ＳCH,上行共享信道;RACH,随机接入信道。
逻辑信道分为业务信道与控制信道，其中控制信道包括以下这些。
BCCH,广播控制信道；PCCH，寻呼控制信道;ＣCCH,公共控制信道;MCCH，多播控制信道；DCCH，专用控制信道。
业务信道包括以下这些。
DTCＨ,专用业务信道;ＭTＣH,多播业务信道。
上行信道映射如图2所示。
图２上行信道映射下行信道映射如图3所示。
随机接入过程3、１随机接入过程产生得原因与分类ＬTE系统得随机接入过程产生得原因包括以下几种。
LTE_MAC协议总结
3.1 序言刚刚开始学习LTE的一段时间，曾经写过一个幻灯片在我们组内分享，后来发到了网站，承蒙大家厚爱到处传阅，如果现在在google上搜索一下，还是能看到很多网站上都有。
但是现在自己仔细看看原来的幻灯片，发现有很多地方说得过于模糊，还有一些地方存在错误，内心感到惶恐，趁这个机会，重新整理一下对MAC的理解，结合MAC协议（3GPP 36.321）与自己在MAC层工作的经验，提供更加丰富的内容，同时也希望能够纠正谬误，开启讨论之门。
3.2 概述36.321里面主要描述的是MAC的架构与处于MAC层的功能实体，并没有涉及到具体的实现，而且由于LTE取消了向以前的协议专门提供的专用信道，所有的用户数据都使用共享信道，因此对MAC的在资源以及业务调度的功能上提出了很高的要求，这也是不同设备供应商可以大显神通的地方了；而协议本身主要描述的是接受端的行为，因此在基站端可以发挥的余地就更大了。
3.2.1 MAC架构MAC协议层在LTE协议栈的位置如下所示：图3.1 MAC层在LTE协议栈的位置MAC实体在UE以及eNB上都存在的，它们主要处理如下传输信道：-广播信道（Broadcast Channel，BCH）；- 下行共享信道（Downlink Shared Channel ，DL-SCH ）； - 呼叫信道（Paging Channel ，PCH ）；- 上行共享信道（Uplink Shared Channel, UL-SCH ）； - 随机接入信道（Random Access Channel,RACH ）。
其实这些信道只是概念上的，因为传输信道的管理上不像逻辑信道那样设立专门的逻辑信道号，它只是从功能是进行了描述，因此实现上是否真正存在这样的传输信道，这在于个厂商自己。
对于MAC 层与物理层之间的处理，自然可以设置专门的通道，也可以只是通过一些简单的标识来处理，当然这也是信道的一种表现形式。
下图3.1与3.2分别为层二的上下行功能框架图：MACRLCPDCP图3.1 层二下行功能框架图MACRLCPDCP图3.1 层二上行功能框架图3.2.2 服务3.2.2.1 提供给上层的服务MAC 层给上层（RLC 层，也可以泛指MAC 层以上的协议层）提供的服务有： - 数据传输，这里面隐含了对上层数据处理，比如优先级处理，逻辑信道数据的复用； - 无线资源分配与管理，包括MCS 的选择，数据在物理层传输格式的选择，以及无线资源的使用管理，从这里我们可以知道MAC 层掌握了所有物理层资源的信息。
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3G
DTCHSAP MAC SAPs
上行3条传输信道 下行5条传输信道
BCH PCH
CPCH
(FDD only)
RACH FACH USCH DSCH DCH Channels
(TDD only)
Transport
LTE
上行2条传输信道 下行4条传输信道
CCCH
DCCH
DTCH
PCCH
BCCH
MAC PDU---随机接入响应格式
E/T/RAPID subheader 1 E/T/RAPID subheader 2
...
E/T/RAPID subheader n
TA TA UL Grant UL Grant UL Grant Temporary CRNTI Temporary CRNTI
MAC payload
每个MAC子头对应一个MAC RAR，过载指示子头除外
MAC实体的功能介绍---协议数据单元
MAC控制单元
BSR MAC控制单元
上报UE的缓存信息
C-RNTI MAC控制单元
用于连接状态下上行失步的场景
DRX命令MAC控制单元
启动或重启DRX周期
时间校准MAC控制单元
User #4
MAC实体的功能介绍---HARQ
同步非自适应HARQ UE#1 1st Transmission UE#1 Retransmission 异步HARQ UE#2 1st Transmission UE#2 Retransmission 自适应HARQ UE#3 1st Transmission UE#3 Retransmission
MAC实体提供的服务
资源调度的实现策略
MAC实体的功能介绍
数据传输 资源分配 HARQ
DRX 协议数据单元
MAC实体的功能介绍---数据传输
RLC
长度可变 RLC PDU RLC PDU RLC PDU 发送时机 RLC PDU大小
MAC
长度可变
MAC PDU
MAC PDU
MAC PDU
CQI
PHY
FACH
RACH
CPCH
FDD only
USCH
TDD only
USCH
TDD only
DSCH
DSCH
Iur or local
DCH
DCH
BCH
Signalling
LTE
MAC
DL-SCH MCH DL BCH PCH DL-SCH UL RACH
目录
1 2 3 4
MAC实体的演进过程
MAC实体的功能介绍
MAC-b
-
E - DCH Associated Downlink Signalling Associated Uplink Signalling
HS - DSCH Associated Downlink Signalling
HS - DSCH
Iub Associated Uplink
PCH
FACH
DCCH
DTCH
DTCH
BCCH
MAC Control
MAC-es MAC-d
Configuration without MAC - c / sh Configuration with MAC c / sh
MAC- e
MAC- hs
Configuration with MAC - c / sh
MAC- c/sh
MAC实体提供的服务---随机接入
共享资源
普通用户
专用资源
普通用户
普通用户
普通用户
共享资源
切换用户 竞争模式
共享资源
切换用户 非竞争模式
资源共享，随机接入更为重要；
非竞争随机接入，降低切换时延，保证切换成功率；
非竞争随机接入，保证高QoS业务随机接入成功率。
MAC实体提供的服务---逻辑信道优先级
ENodeB
带宽使用率低
UE
带宽使用浪费
资源专用
ENodeB
UE
频 域 复 用
时域复用
资源共享
MAC实体的演进过程—实体的演进
3G
MAC Control MAC Control PCCH BCCH CCCH CTCH SHCCH
TDD only
MAC Control
MAC Control
MAC Control
重传 PDU X 重传 PDU X
ENodeB
RLC MAC
ARQ重传
RLC MAC
UE
HARQ重传
MAC实体的功能介绍---DRX
On Duration UE shall monitor PDCCH Opportunity for DRX
DRX Cycle
On Duration Timer :定义为UE需要连续监听PDCCH信道以获得可能的配置信息的 PDCCH子帧数。持续期定时器为DRX周期的一部分。 DRX Inactivity Timer:当UE对PDCCH信道成功解码，并且PDCCH信道指示该UE的 上行/下行新数据传输后，UE应连续监听PDCCH的PDCCH子帧数。 DRX Retransmission Timer:当UE期望接收到下行重传时，UE应连续监听PDCCH 信道的最大PDCCH子帧数。
f(RB)
t(subframe)
MAC实体的功能介绍---HARQ
Rx ARQ Rx HARQ PDU X NACK Tx HARQ Tx ARQ
„
PDU X NACK Loss detection
重传 PDU X Local NACK 重传 PDU X
减少重传数据包 传输时延
Status report PDU X lost
(RRC Connection Setup)
17 UE MAC RRC CRNTI IND
17 ENB RRC RLCMAC CONFIG 17 ENB RRC PHY CONFIG
18 RRC CONNECTION SETUP 19 UE RRC RLCMAC CONFIG 19 UE RRC PHY CONFIG
Oct 1 Oct 2 Oct 3 Oct 4 Oct 5 Oct 6
类型域，表明MAC子 头中包含的是RAPID 还是过载指示 随机接入标识，指明 已发送的随机接入前 同步码，6bits 扩展域，指示 MAC头中是 否还有其它域
MAC header
MAC RAR 1
MAC RAR 2
...
MAC RAR n
MAC header
MAC Control element 1
MAC Control element 2
MAC SDU
...
MAC SDU
Padding (opt)
MAC payload
MAC PDU中各单元的排列顺序为：MAC控制单元、MAC SDU、填 充。
MAC实体的功能介绍---协议数据单元
HARQ RTT Timer:该参数定义了当UE接收到下行HARQ重传前需要等待的最少子帧 数。
Contention Resolution Timer：在从高层递交的包含C-RNTI MAC控制单元，或与 UE竞争决议相关的上行消息被发送后，UE应当连续监听PDCCH的PDCCH子帧数。
MAC实体的功能介绍---协议数据单元
LTE MAC功能及标准介绍
系统架构研发部 胡静
引言
LTE系统用户面协议栈结构
UE PDCP RLC MAC PHY eNB PDCP RLC MAC PHY
目录
1 2 3 4
MAC实体的演进过程
MAC实体的功能介绍
MAC实体提供的服务
资源调度的实现策略
MAC实体的演进过程—信道的演进
BCCH- PCCHSAP SAP DCCHSAP CCCH- SHCCH- CTCHSAP SAP SAP (TDD only)
MAC实体提供的服务---DRX模式
DRX & VoIP – DL asynchronous HARQ:
20 ms 8 ms eNB DL数据发送: 控制信息: UE侧数据接收： DRX 模式 10 ms 11 ms
UE侧数据接收： 非 DRX模式
彩色部 分表示 监听 PDCCH 的TTI
用于保持上行同步
功率剩余空间MAC控制单元
上报UE的发射功率与最大发射功率的差值
目录
1 2 3 4
MAC实体的演进过程
MAC实体的功能介绍
MAC实体提供的服务
资源调度的实现策略
MAC实体提供的服务
随机接入
DRX模式
逻辑信道优先级划分
分组调度
MAC实体提供的服务---随机接入
应用场景： RRC_IDLE状态下的初始接入； 无线链路失败后的初始接入；
CCCH
DCCH
DTCH
MCCH
MTCH
Uplink Logical channels
Downlink Logical channels
RACH
UL-SCH
Uplink Transport channels
PCH
BCH
DL-SCH
MCH
Downlink Transport channels
MAC实体的演进过程—资源的演进
空口
完成MAC SDU 到MAD PDU的转换
MAC实体的功能介绍---资源分配
语音和流媒体
•数据速率稳定
UE 1 . . . UE n
分组数据