LTE中MAC层与随机接入过程的梳理

发起转换为 MAC 层本身发起，其最终效果是一样的。
对于随机接入过程是由 MAC 本身发起的理解，应认为是由高层也就是 RRC 层的需求
来触发的，分以下情况：
空闲态因业务需求而要求建立 RRC 连接
y
无线链路底层原因报告给 RRC 而要求 RRC 连接重建
手机判断上行失步/无资源而要求恢复 RRC 连接
该类 MAC PDU 结构上可包括四种成分：一个 MAC 头（大小可变）)、0 个或多个 MAC
SDU（大小可变）、0 个或多个 MAC CE(控制单元)或 padding（填充信息，可选项）。其中
g MAC SDU、MAC CE 或 padding 填充信息均为净负荷。
一个 MAC 头包含一个或多个 MAC 子头，每个子头对应着 MAC SDU 或 MAC CE 或
二、MAC 层的数据封装
协议中涉及到的所有数据复用及解复用的框图如下：
y
g
z
不论上行或下行中只存在一个 MAC 实体的概念，而 RLC/PDCP 则存在多个实体，对 上述图中涉及到的不同层数据的封装，示意如下：
封装成为 MAC PDU 有三种形式：
y
2.1 常规 MAC PDU （UL SCH/DL SCH/MCH，除透传 MAC 和 RAR 外）
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。
LTE 中的调度功能就是位于 MAC 层，如下两图所示：
y
g
z
上图中不论是上行还是下行，不论是发射还是接收，MAC 层一直是调度和控制物理层 工作的，其涉及冗余版本的选择、信道编码与解码、交织、速率适配、数据调制与解调、资 源分配对应的映射与解映射、功率分配、天线映射等，可以说 MAC 层的控制功能贯穿了整 个物理层的工作过程。
LTE 中 MAC 层与随机接入过程的梳理
周国有 13958052120
目录
一、概述........................................................................................................................................... 2 二、MAC 层的数据封装 ................................................................................................................5
基于竞争的，若值非 0 且位于非竞争区段，那么接下来的随机接入是非竞争的。着重说明：
后一种情况一定需要指定 RA Preamble ID，且值非 0，且位于非竞争区段。
需要说明的是基站下行数据到达而判断上行失步情况，不同厂家有不同的实现方式，比
如某厂家 LTE 基站设备伪装成小区内切换的方式，从而将随机接入过程由 PDCCH order
y 2.1 常规 MAC PDU （UL SCH/DL SCH/MCH，除透传 MAC 和 RAR 外） ..............6
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
若是基于非竞争的随机接入，那么基站响应 RAR 中，TC-RNTI 设置为 0*0000，意味 着是无效的 TC-RNTI，只是 RAR 结构上的填充而已，手机只要根据 RAR 中的 RAPID 信息， 并匹配上已发送的 msg1 中的 RAPID，即认为随机接入过程成功完成，之后手机应用本次 随机接入前一步骤 msg0 明示的 C-RNTI。
因 RRC 切换命令到达而要求在目标小区发起随机接入
前导码的选择可由 MAC 自己来选择或可包含在 RRC 连接重配置命令中（即切换命令），
g 由高层分配的前导码所对应的随机接入过程为非竞争随机接入，随机接入的成功率会比较高，
时延也短。而由 MAC 层自主选择的前导码所对应的随机接入过程则为竞争随机接入，相对
paddi百度文库g 类型的净负荷：
z
MAC 子头的逻辑信道标识（LCID）以用来区分净负荷的类型，MAC 子头结构如下图：
y 其中每个子头中的“L”代表长度，可 7 比特位，也可 15 比特位，具体哪种情况由”F”
来标示，”L”长度对应着相应的 MAC SDU 或 MAC CE 的长度（字节数）。除了最后一个 子头和固定大小的 MAC CE 的情况外，每个子头都存在“L”字段，针对上下行的 LCID 定 义如下图：
随机接入过程分为竞争型和非竞争型，两者之间的区别就在于基站是否明确指示 UE 一
z
个前导码且为非 0 值，若是分配了有效前导码即是基于非竞争随机接入，若是由 UE 自主选 择一个前导码即是基于竞争随机接入。
随机接入过程由 PDCCH 命令或 MAC 层本身发起。 PDCCH Order 命令用于两种情况：基站下行数据到达而判断上行失步情况或定位需求 （都处于连接态），由于连接态情况下 PDCCH 的 CRC 是被 C-RNTI 掩码的，因此 UE 接收 调度信息是以 C-RNTI 为地址的。对于第一种情况，命令中的格式为 DCI format1A 包含 RA Preamble ID，该标识值若是 0*0000，则是无效的前导码，那么接下来的随机接入是
z 而在下行方向逻辑信道：
PCCH 映射为 PCH，进而映射为 PDSCH（不存在承载概念）。 BCCH 除了 MIB 信息映射为 BCH，进而映射为 PBCH 以外，其余 SIB 都映射为 DL-SCH， 并最终映射为 PDSCH（不存在承载概念，SIB 信息有 HARQ，但不处理）。 CCCH（SRB0）、DCCH（/SRB1/SRB2）、DTCH（DRB）这三种信道映射为 DL-SCH， 并最终映射为 PDSCH。 MCCH 和 MTCH 这两种信道在 MBMS 业务独立组网时映射为 MCH，并最终映射为 PMCH。
这三种 MAC PDU 中的净负荷为 MAC SDU、MAC CE(控制单元)、MAC RAR 或填充
g 信息 padding，这些净负荷中只有 MAC SDU 来自于高层，也就是来自于 RLC 层的数据，
其余的都是在 MAC 本层添加进来的。
三、MAC 层与随机接入的关系（36.300-10.1.5/36.321）
E/T/RAPID 字段，也即同一条的 MAC RAR 消息可以为多个用户服务（不同 RAPID）。
若是某个随机接入响应 MAC 子头是 RAPID 类型的，那么其对应的净负荷结构为固定
长度：6 个字节，如下图：
g
z
在基于竞争的随机接入响应中，若是 msg3 携带 CCCH 的 MAC SDU 信息（涉及层三 消息），那么必须在解码 msg4 之前，用 TC-RNTI 地址解码 PDCCH 信息（TC-RNTI 的有 效值为 0*0001~0*FFF3 之间）；而若是 msg3 携带 C-RNTI 的 MAC CE 信息（纯粹 MAC 层，不涉及层三消息），那么必须在解码 msg4 之前，用 C-RNTI 地址解码 PDCCH 信息， 而不采用 TC-RNTI，也即手机不理会 msg2 中分配的 TC-RNTI 地址。
该类 MAC PDU 的特征为没有 MAC 头，也即其全部信息为 MAC SDU，且字节长度 必须调整为传输块 TB 大小，比如传递 BCCH 和 PCCH 信息，BCCH 信息可映射为 BCH 或 DL-SCH 传输信道，并进而映射为 PBCH 或 PDSCH 物理信道；而 PCCH 映射为 PCH 传输 信道，并进而映射为 PDSCH 物理信道：
g
z
一、概述
关于 LTE 中的 MAC 层，位于 Uu 接口的 RLC 层与 PHY 层之间，如下图所示：
EUTRA 中定义了两个 MAC 实体，一个在 UE，一个在 EUTRAN，它们处理如下传输
y
信道：
g
MAC 层具备如下功能：
- 逻辑信道与传输信道的映射； - 把一条或不同条逻辑信道上的 MAC MSU 复用成传输块 TB，并以传输信道的形式传递给物理
功率余量(Power Headroom)
MCH 调度信息(MCH Scheduling Information)
SCELL 激活或去激活（Activation/Deactivation）。
其它的 LCID 代表的是 MAC SDU 或填充信息 padding。
2.2 透传的 MAC PDU
y
2.3 随机接入响应的 MAC PDU
MAC RAR，用于随机接入响应消息，也即 massage2。 该类 MAC PDU 结构上可包括三种成分：一个 MAC 头（大小可变）、0 个或多个 MAC
g RAR 或 padding（填充信息，可选项）。其中 MAC RAR 或 padding 填充信息为净负荷。
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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
g
z
y
g
根据 LCID 区分，MAC CE 的种类有八种，分别为：
缓存状态报告(BSR)
小区无线网络临时标识(C-RNTI)

z 非连续接收命令(DRX command)
终端竞争解决标识(UE Contention Resolution Identity)
时间提前量命令(Timing Advance Command)
z 层，反向则进行解复用；
- 调度信息上报； - 通过 HARQ 进行错误检测； - 以动态调度的方式进行不同用户间的优先级处理； - 单用户内的不同逻辑信道的优先级处理； - 传输格式选择
关于 MAC 层中传输信道和物理信道之间的映射关系如下两图：
y
g
在上行的信道映射中除了物理信号和随机接入以外，信令和数据最终都是映射为 UL-SCH 传输信道的，也就是说 UL-SCH 承载的是 SRB0/SRB1/SRB2/DRB 的数据，进一 步映射为 PUSCH 物理信道。
来说，随机接入的成功率会低些，时延也较长。
若切换命令中未包含 RA Preamble ID 或无效的前导码（0 值），则本次切换也是基于
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竞争随机接入。
协议中关于随机接入过程的描述是很复杂的，有很多逻辑判断，在剔除定时器方面的因
素外，梳理逻辑关系框图如下：
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g
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针对随机接入过程中会接触到的几种 LCID 进行以下描述： UL-SCH 中 MAC 头中若包含 LCID=00000(CCCH)，意味着 UE 处于空闲态，未建立 RRC 连接，但可用 SRB0 承载，也即 CCCH SDU ，代号是 Msg3，用于基于竞争的初始接 入或 RRC 连接重建（无线链路故障场景），该消息包含有 UE Identity ，可分为 S-TMSI （40bit，已附着用户的 NAS 标识，用于附着用户 RRC 连接建立请求）、随机数（40bit，