LTE系统MAC复用实体研究与设计

(重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065)

1 引 言

LTE项目是近年来3GPP启动的最大的新技术研发项目，是未来移动通信发展的重要方向[1]。当前，我国的TD-SCDMA演进标准LTE-TDD，将是未来几年的实施重点，工业和信息化部、发改委、科技部相继启动了相关工作以推动LTE技术和产业发展，保证向未来第四代移动通信系统的平滑演进。

目前LTE的主要规范已基本完成，现共有NTT DoCoMo、Verizon Wireless、TeliaSonera、Telstra等12家一流运营商宣布将在2010年开始部署LTE。在LTE系统中，由于MAC层位于RRC和物理层之间起到一个承上启下的功能，MAC层所处位置也决定了其重要作用，其复用实体会显得尤为重要，MAC层通过逻辑信道为RLC层和RRC提供数据传输功能，PHY通过传输信道为MAC层提供数据传输服务，MAC将负责上下行逻辑信道映射到传输信道，在映射中各个逻辑信道如何复用到传输信道上面，即传输信道如何承载不同类型的数据传输业务，并按照PDCCH所指示的传输格式进行传输，尤其处于连接模式下。基于以上思路，本文展开了对MAC层复用实体的研究，并给出相应的算法与数据支撑，保证各个无线承载数据有效组装。

2 复用功能实体

MAC通过逻辑信道和RLC进行信令、数据交互，根据不同的数据类型，进行逻辑信道的划分，大致分为两类：控制信道和业务信道。控制信道包括广播控制信道(BCCH)、寻呼控制信道(PCCH)、公共控制信道(CCCH)、专用控制信道(DCCH)、专用业务信道(DTCH)，业务信道主要为专用业务信道(DTCH)。在数据的传输，上下行的信道复用结构如图1和图2所示。

图1 下行信道复用Fig.1 Downlink channel multiplexing

图2 上行信道复用Fig.2 Uplink channel multiplexing

从功能图可以看出，MAC要完成逻辑信道和传输信道的映射，除了PCCH与PCH信道能够一一对应，并不是每条逻辑信道都能和唯一一条传输信道对应，那么在信道映射中不可避免要涉及逻辑信道数据如何复用到传输信道上。而在上行数据传输时，各个逻辑信道数据复用到传输信道，是MAC层实现的一个重要功能，也是支持数据并行传输的重要手段。如何实现各个逻辑信道数据复用，也是本文重点研究的内容。

3 复用功能设计

3.1 复用原则

如何实现MAC实体的复用功能，一个简单方法便是按照逻辑信道优先级为每个无线承载提供服务，以此来决定生成的MAC PDU中包含哪些逻辑信道的数据，以及不同逻辑信道包含的数据总量。根据这一原则，优先级高的逻辑信道的数据优先包含在MAC PDU中[2]，接下来次高优先级的数据，直至没有数据待发送或者填满分配的传输资源块。

虽然这种方法会实现复用的目的，也在第三代移动通信中有所应用，而在LTE中，并没有先前专用信道的概念，取而代之的是共享信道，用户之间共享资源。在分配资源一定时，低优先级的无线承载有可能没有机会获得服务，尤其当高优先级的数据占据了所有分配的资源时。为避免这种情况，在LTE复用中引入参量优先比特率(Prioritised Bit Rate，PBR)，即在给逻辑信道分配资源前为各个逻辑信道配置的数据速率。

在复用时，同时考虑逻辑信道优先级和PBR，既可实现复用的目的，又避免了高优先级的无线承载独占资源。虽然依然按逻辑信道优先级获得资源，但包含在MAC PDU中的逻辑信道数据总量在开始就限制在PBR有关的数据量上。当且仅当所有的逻辑信道都已经根据PBR获得服务，接下来如果MAC PDU还有剩余空间，每个逻辑信道会根据优先级的降序再次得到服务。

如果逻辑信道优先级相同，服务等级相同也体现在这个地方。

3.2 复用设计

按照复用原则，需考虑的是各个逻辑信道如何按照信道优先级，同时兼顾PBR，有效完成复用。下面在满足协议规范的前提下，给出复用设计的具体步骤，包括复用涉及的算法设计、展开资源分配完成复用的具体过程。

3.2.1复用算法tokenbucket

在信道复用过程，为了匹配各个逻辑信道的数据，达到有效复用的目的，需要相应的算法支持，在此采用token bucket(令牌桶)算法实现上述功能。该算法的基本思想是基于令牌桶中是否存在令牌来指示什么时候可以发送流量，达到控制组装在MAC PDU中各个逻辑信道数据流量。在给出该算法的原理前首先引入LTE复用实体所涉及的几个重要参数，有助于理解这一算法如何应用在具体实现中。

(1)参量设置

通过高层配置参数逻辑信道优先级(priority)、PBR、还有持续时间参量 (Bucket Size Duration, BSD),实现数据的调度。在数据传输时，UE对每一个逻辑信道j设置变量Bj[3]。在建立逻辑信道对Bj进行初始化为0，之后每一TTI增加PBR×TTI的数据量，其中PBR是逻辑信道的优先级比特率，Bj不能超过PBR×BSD，如果Bj大于PBR×BSD，则设置为PBR×BSD。其中参数取值范围如下：

-- ASN1START

LogicalChannelConfig ::=SEQUENCE {

ul-SpecificParameters SEQUENCE {

priority INTEGER (1…16),

prioritisedBitRate ENUMERATED {

kBps0, kBps8, kBps16, kBps32, kBps64, kBps128,

kBps256, infinity, spare8, spare7, spare6,

spare5, spare4, spare3, spare2, spare1},

bucketSizeDuration ENUMERATED {

ms50, ms100, ms150, ms300, ms500, ms1000, spare2,spare1},

logicalChannelGroup INTEGER (0…3)OPTIONAL-- Need OR

}OPTIONAL,-- Cond UL

...

}

-- ASN1STOP

其中，PBR可以设置为无限大(infinity)[4]，这是比较特殊的一种情况，因为在上述中，突发门限被限制在PBR×BSD；当PBR为infinity，资源有限时，其它逻辑信道分配不到资源，但会优先满足该无线承载的数据发送。

(2)复用算法原理

令牌以PBR的速度注入令牌桶中，每隔1/PBR秒一个令牌被加入到桶中，其中一个令牌代表一个字节，如果桶中的令牌数大于或等于RLC SDU，便允许发送该SDU，同时令牌按SDU长度减少相应数目；如果桶中的令牌数小于RLC SDU，该SDU不允许发送，缓存在RLC队列中，等待有足够的令牌再发送，此时桶中的令牌不减少；逻辑信道对应的bucket size为令牌桶的容量，最大为PBR×BSD，当达到令牌桶的容量时，新注入的令牌被丢弃。令牌桶算法通过限制令牌桶容量、令牌添加速度，实现速率限制，达到资源分配复用的效果，同时对约定数据传输速率、控制突发会有广泛的应用。

对LTE终端复用实体来说，当多个RLC无线承载复用到UL-SCH上时，采用令牌桶算法，约束逻辑信道数据传输量，避免资源被高优先级数据独占，同时又兼顾了低优先级数据传输，可有效完成各个逻辑信道复用在MAC PDU中数据量的分配。

3.2.2实现步骤

在实现中，MAC通过RRC为各个逻辑信道配置参数PBR、BSD，计算令牌桶容量bucketsize，其中：

bucketsize=PBR×BSD；

同时设置参数Bj，代表逻辑信道j当前令牌桶的令牌数目，初始化为0，之后每隔TTI自增PBR×TTI，也就是令牌添加时间固定为一个TTI，直至达到令牌桶容量。每次数据传输时，RLC SDU都会和Bj相比较，来判断该SDU是否准允复用在MAC PDU中。

复用过程设计如图3所示，具体步骤为：

(1)对有数据待发送的令牌数不为空的逻辑信道按照逻辑信道优先级的顺序分配资源，分配资源大小依照令牌桶中的令牌数而定；

(2)桶中令牌数Bj减掉步骤1中准许发送的SDU长度，更新Bj的值；

(3)当依次各个逻辑信道数据获得服务，仍有剩余资源时，严格按照逻辑信道优先级的顺序依次获得资源。

同时，如果整个SDU能填进剩余的资源，UE不应对 RLC SDU分段；如果进行分段，为了达到最大量数据传输的目的,UE应尽量在资源块填入最大分段；当该无线承载被挂起，那么这个无线承载对应的逻辑信道的数据不应被传输。

按照令牌桶原理，当Bj大于此RLC SDU，即Bj-Tsdu>0, 在设计中，该SDU应被组装在MAC PDU中；当Bj-Tsdu<0，如果该SDU放在RLC队列中，等待有足够的令牌再进行传输。虽然SDU缓存在了队列，避免了数据的丢弃，但如果多个TTI造成缓存队列益处，同样会造成SDU的丢弃，这也是在实现中应考虑的问题。

也就是当会发生Bj-size(RLC SDUs)<0时，不应只是采取将数据堆放在队列中，而应采取“借贷”的方式，暂时准许数据完成MAC PDU的复用，即当令牌桶中有令牌，但此时令牌数目不足发送该SDU，在MAC传输块大小满足的情况下，也可以进行数据的发送，等待添加的令牌还完借贷时方可继续数据传输，这种实现方式也满足协议Bj能够小于0的规范。

图3 复用过程设计Fig.3 The design of multiplexing process

按逻辑信道优先级组装数据时，数据类型的优先级有以下约定：MAC控制元素比其它逻辑信道有更高的优先级，这是因为它控制MAC实体的运行。因此在组合MAC PDU且要发送MAC控制元素时，MAC控制元素会被首先包含进去，剩下的空间才会被用来包含其它逻辑信道的数据。

3.2.3方案验证

下面依据36-523协议[5]测试例验证该方案是否满足协议规范。在测试例中，配置DRB1、DRB2、DRB3 3个无线承载，对应的逻辑信道优先级(priority)、PBR和BSD，如表1所示。

表1 优先级、PBR和BSD的设置Table 1 Priority, PBR and bucket delay settings

同时，规定每个DRB对应的RLC SDU大小均为320个字节，综合测试仪(和测试例中和网络信号发生器SS同样的作用)每20 ms或10 ms分配一个ul-grant,也就约束了MAC一次可传的数据块大小。每次分配的ul-grant用D表示。为了保证验证效果，独立地进行4次实验，每次实验互不影响，并每次均使用表1规定的参数值，具体如表2所示。

表2 测试参数变量Table 2 Test parameter values

表2中，N1、N2、N3分别表示DRB1、DRB2、DRB3有待传输的数据，例如13表示13个320 byte的SDU；T2表示数据传输统计的时间量。

由表1可以分别计算出，每一个20 ms，B1新填充令牌为8 kbyte/s×20 ms=160 byte，即160个令牌；B2新填充令牌为16 kbyte/s×20 ms=320 byte，即320个令牌；B3新填充令牌为32 kbyte/s×20 ms=640 byte，即640个令牌；同时可以计算出各个逻辑信道对应的bucketsize。bucketsize1=8 kbyte/s×100 ms=800个令牌；bucketsize2=16 kbyte/s×100 ms=1 600个令牌；bucketsize3=32 kbytes/s×100 ms=3 200个令牌。

在验证实验中，4次独立的实验每轮分25次进行数据传输，统计每个DRB传输的数据量。

按照设计思路，从统计的数据传输量以及最后每个DRB传输的数据总量上看出，和测试例的统计值基本吻合，最终差值即一个SDU的大小，由于空口传输率每个TTI限制在1 143 byte，差值中的1，体现在第七次传输，此时DRB1只剩182 byte，MAC组装PDU需要相应填充位，占去对应字节，同时MAC控制元也会暂用部分字节，这也使得在资源有限时，DRB3未能完成这个SDU的传输。其中即便低优先级的承载也会有机会进行数据传输，通过限定每个承载对应令牌桶中的令牌数量，完成各个承载的资源分配，达到预期的设计效果。

4 结 论

按照设计思路，从统计的数据传输量以及每个DRB传输的数据总量上看出，和测试例的统计值吻合。在复用时候既考虑了逻辑信道高优先级优先，同时通过限定每个承载对应令牌桶中的令牌数量，低优先级的承载也会有机会进行数据传输，有效实现了各个承载的资源配置，达到了预期的设计效果。

参考文献：

[1] 冯川，李小文. LTE终端小区选择方案设计及实现[J].电讯技术，2010，50(3)：81-84.

FENG Chuan, LI Xiao-wen. Research of LTE terminal cell selection strategy and schematic design[J].Telecommunication Engineering, 2010，50(3)：81-84.(in Chinese)

[2] Stefania Sesia,Issam Toufik,Matthew Baker. LTE:The UMTS Long Term Evolution From Theory to Practice [M].England：John Wiley & Sons Ltd,2009．

[3] 3GPP.TS36.321 V9.0.0,3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Medium Access Control(MAC)protocol specifieation[S].

[4] 3GPP.TS36.331 V9.0.0,3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Resource Control(RRC)[S].

[5] 3GPP.TS36.523 V9.0.0,3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network;Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Packet Core (EPC);User Equipment (UE) conformance specification[S].