LTE系统中MAC层状态研究*

文 武 ，牛丹丹

（1.重庆信科设计有限公司，重庆 400065；2.重庆邮电大学 通信新技术应用研究所，重庆 400065）

责任编辑:孙 卓

1 引言

长期演进（Long Term Evolution，LTE）是 3.9G 的全球标准，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，降低系统延迟，是3G与4G技术之间的一个过渡[1-3]。

媒体接入控制（Media Access Control，MAC）子层对LTE系统数据传输和资源配置起着重要的作用。笔者介绍了用户端MAC层在协议分层中的位置，分析了MAC完成的功能。在终端通信的过程中，提出此过程中MAC状态划分的方案，并给出了状态转移图。

2 MAC层结构

E-UTRA定义了两个MAC实体，一个在用户端，一个在E-UTRAN。MAC实体在这两处的作用是不同的，图1描述的是用户端（User Equipment，UE）MAC的结构。MAC层位于数据链路层，向下直接与物理层连接，向上直接与无线链路控制（Radio Link Control，RLC）层连接。从结构图中可以看出MAC主要完成逻辑信道的控制、不同逻辑信道的复用和逻辑信道到相应传输信道的映射[4]。

3 MAC的功能

UE选择合适的小区进行正常的小区驻留时，即在收到寻呼或是高层发起呼叫之前，MAC主要功能是监听广播信道，维护更新服务小区的系统信息，执行邻近小区的测量，当发现一个更好的小区或者满足小区重选标准时就进行小区重选，MAC收到高层配置的连接建立请求消息或者需要进行业务请求，此时MAC主要功能是进行自动重传，解读网络端的随机接入响应消息[5-7]。

4 MAC层状态划分实现方案

基于终端，MAC层从开机到呼叫结束分为5个状态:空（NUL）、小区选择（SEL）、空闲和小区重选（IDL）、随机接入（ACC）、连接（CON），这几个状态之间是相互转换的。

4.1 NUL状态

UE在刚开机、找不到任何可以驻留小区或者收到非接入层的去激活指令时，MAC都会处于NUL状态。直至RRC请求读取广播消息为止，MAC将一直处于NUL状态。UE需要合适的小区进行正常的驻留，高层就要激活低层，使各个子层处于激活状态。MAC收到来自RRC的激活请求，就会进入SEL状态。找不到任何可以驻留的小区，RRC要求MAC进入NUL状态，此时MAC层释放资源。

4.2 SEL状态

当MAC激活就会进入正常的SEL状态，在该状态下，MAC主要向高层传输物理层解析的系统消息。为了找到一个合适的小区进行驻留，需要在指定频点或全频段进行搜索，寻找可用的PLMN，并在可用的PLMN上选择合适的小区驻留，从而进入IDL状态。RRC收完MAC发送的系统信息，就会将物理小区ID和MAC主配置发送给MAC，并指示MAC进入IDL状态，在SEL状态下，如果RRC要求MAC进入NUL状态，则MAC会释放低层资源，回到刚开机时的NUL状态。图2是MAC在SEL状态下的状态转移情况。

4.3 IDL状态

IDL是正常的驻留状态，此时如果收到物理层发来的邻近小区测量值优于当前小区，UE则会在测量值较好的邻近小区中驻留，此时，RRC会重新配置MAC层，MAC不发生状态跃迁，如图3所示。

UE正常驻留，收到高层业务请求或是网络端向UE发起的寻呼，都要进行RRC连接建立，RRC向MAC发出随机接入请求，建立上行同步。MAC收到RRC的随机接入请求消息，也会向物理层传输此消息，MAC发完该消息进入随机接入状态，随机接入请求消息中包括随机接入公共配置和专用配置信息、上行同步信息、随机接入前导信息、上行最大传输功率等。

演进分组系统移动性管理 （EPS Mobility Management，EMM）丢失覆盖，同时服务小区没有邻近小区信息或者由丢失覆盖引起的小区重选失败，RRC发送去激活消息给MAC，要求MAC释放低层资源，进入NUL状态。

4.4 ACC状态

随机接入失败，MAC会重新回到IDL或者进入NUL状态，下面分别说明MAC回到两种状态的条件:

1）MAC由ACC回到IDL的情况

（1）网络没有收到UE端的RRC连接建立消息。网络端无法将RRC连接建立响应消息传给UE，则随机接入失败。

（2）UE没有收到随机接入响应消息。随机接入响应失败，物理层则会发出随机接入失败消息，当MAC收到物理层指示，就会发出一条消息给RRC，指示随机接入失败。

（3）随机接入响应成功，但竞争解决失败的话，即UE没有收到来自网络端的RRC连接建立消息，则物理层会发出一条随机接入响应失败消息，用来指示随机接入竞争失败，MAC收到该消息就会向RRC发出，说明低层随机接入竞争解决失败。

这三种情况下，MAC都会由ACC状态到IDL状态，然后重新进行随机接入，直到达到最大次数，终止随机接入，进入NUL状态，如图4所示。

2）MAC由ACC到NUL的情况

（1）UE高层发起突然中断连接请求，高层由于丢失覆盖等原因造成的中断连接请求。

（2）定时器 T30X（X=2，3，5）正在运行的时候发生小区重选。

（3）定时器T300超时，UE在规定的时间内没有收到网络的连接建立或连接拒绝消息时，T300就会超时，此时MAC也会回到NUL状态。

如果随机接入成功，RRC就会要求MAC进入正常连接状态，RRC会配给MAC小区、RB标识和上行共享配置。

4.5 CON状态

随机接入成功，UE进入正常的连接状态。在正常的连接状态下，用户的移动性可能造成小区间的切换，当有切换存在时，RRC重新配置MAC，使其仍然处于正常的连接状态，连接重配置成功，RRC也会重新配置MAC。

在正常的连接情况下，连接重配置失败、完整性失败或者切换失败都会造成UE重新回到小区SEL状态，RRC就会指示MAC释放低层资源回到NUL状态。C O N状态转移如图5所示。

5 小结

对用户端MAC状态进行了研究，UE从开机到呼叫结束，MAC经历了5个状态。笔者详细分析了各个状态相互转换的条件，便于MAC数据传输和资源管理，为RLC到物理层正常过渡提供了桥梁，有助于LTE系统功能实现。

[1]张克平.LTE-B3G/4G移动通信系统无线技术[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]LESCUYER P，LCUIDARME T.演进分组系统（EPS）:3G UMTS 的长期演进和系统结构演进[M].北京:机械工业出版社，2009.

[4]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[S].2009.

[5]3GPP.TS 36.3003GPP.TS 36.300 V8.7.0，3rd generation partnership project； technical specification group radio access network；Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN）[S].2008.

[6]3GPP.TS 36.331 V8.7.0，3rd generation partnership project；technical specification group radio access network；Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）Radio Resource Control （RRC）[S].2009.

[7]3GPP.TS 36.133 V8.7.0，3rd generation partnership project；technical specification group radio access network；Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）requirements for support of radio resource management[S].2009.