無線接口架構
2.6 RLC 子層
| 2.7 MAC 子層 |
MAC（Media Access Control）子層主要負責邏輯信道和傳輸信道的承接以及對無線資源的排程。
MAC 子層給上層提供的服務主要有如下幾個。
- 資料傳輸，這裡隐含了對上層資料的處理，如優先級處理、邏輯信道資料複用等。
- 無線資源配置設定與管理，包括調制與編碼政策（MCS，Modulation and Coding Scheme）的選擇、資料在實體層傳輸格式的選擇，以及無線資源的使用管理等。
相應地，MAC 子層期待實體層為其提供的服務主要有如下幾個。
- 資料傳輸，MAC 子層通過傳輸信道通路實體層的資料傳輸服務，而傳輸信道的特征通過傳輸格式進行定義，它訓示實體層如何處理相應的傳輸信道，例如信道編碼、交織、速率比對等。
- HARQ 回報。
- 排程請求（SR，Scheduling Request）信令。
- 測量，如信道品質 CQI、預編碼矩陣 PMI 等。
2.7.1 MAC 子層功能
MAC 子層的功能具體包括：
（1）邏輯信道和傳輸信道之間的映射；
（2）複用和解複用；
（3）排程資訊報告；
（4）HARQ 糾錯；
（5）邏輯信道優先級處理。
其中，MAC 子層的複用功能是指将一個或多個 MAC SDU 複用到一個傳輸塊（TB，Transport Block）上并傳輸給實體層的過程，解複用則是将 TB 分解為多個 MAC SDU 并傳遞給一個或多個邏輯信道的反向過程。
MAC 子層實體及功能如圖 2-28 所示。
當網絡配置了雙連接配接（DC，Dual Connectivity）時，主小區組（MCG，Master Cell Group）和輔小區組（SCG，Secondary Cell Group）的 MAC 子層實體如圖 2-29 所示。
2.7.2 邏輯/傳輸信道及其映射
MAC 子層通過邏輯信道為 RLC 子層提供服務。邏輯信道主要根據承載的資訊類型進行定義，因而不存在上下行的區分關系。邏輯信道一般分為兩類，即控制信道和業務信道。
控制信道用于控制面資訊的傳輸，包含以下邏輯信道。
- 廣播控制信道（BCCH）：廣播系統控制消息的下行信道，用于在 UE接入網絡前傳輸 UE 所需的控制和配置資訊。
- 尋呼控制信道（PCCH）：轉發尋呼消息和系統資訊變更的下行信道，用于對網絡未知其小區級位置的 UE 進行尋呼，一般需要同時在多個小區内進行發送。
- 公共控制信道（CCCH）：用于與随機接入相關控制資訊的傳輸（RRC連接配接建立前）。
- 專用控制信道（DCCH）：用于 UE 與網絡間控制消息的傳輸（RRC 連接配接建立後），該信道對 UE 進行獨立配置。
業務信道用于使用者面資訊的傳輸，包含以下邏輯信道：
- 專用業務信道（DTCH）：用于特定 UE 與網絡間使用者業務資料的傳輸。相比 LTE 的邏輯信道，在 R15 中，NR 取消了多點傳播控制信道（MCCH）和多點傳播業務信道（MTCH）。原因主要在于，多點傳播業務的優先級相對其他業務較低，未獲得 3GPP 成員足夠的支援，但不排除後續 NR 版本繼續引入多點傳播信道的可能性。
MAC 子層采用來自實體層的、以傳輸信道的形式表示的服務。傳輸信道主要是根據資訊如何傳輸以及傳輸格式（TF，Transport Format）進行區分的。TF包含了有關傳輸塊（TB）的大小、調制方式和天線映射等資訊。通過不同 TF的選用，可以實作不同的 MAC 層傳輸資料速率。
傳輸信道一般根據上下行關系分為下行傳輸信道和上行傳輸信道。
下行傳輸信道具體包括以下幾類。
- 廣播信道（BCH）。用于傳輸部分 BCCH 系統消息，也即 MIB（Master Information Block）消息。該信道采用規範預定義的固定傳輸格式，一般在整個小區的覆寫區域内廣播。
- 尋呼信道（PCH）。用于傳輸來自 PCCH 的尋呼消息。該信道支援不連續接收（DRX），允許 UE 隻在網絡預定義的時間間隔内喚醒以接收尋呼，進而達到節電的目的。PCH 也要求在整個小區的覆寫區域内進行廣播。
- 下行鍊路共享信道（DL-SCH）。NR 下行鍊路資料傳輸所采用的主要傳輸信道。該信道支援 NR 的主要特征，包括鍊路自适應、帶有軟合并的 HARQ、波束賦形等。此外，DL-SCH 也被用于傳輸部分 BCCH 系統消息，也即 SIB（System Information Block）消息。
上行傳輸信道具體包括以下幾類。
- 随機接入信道（RACH）。名義上歸屬傳輸信道，但實際并不攜帶傳輸塊，隻承載有限的控制資訊，具有沖突碰撞的特征。
- 上行鍊路共享信道（UL-SCH）。NR 上行鍊路資料傳輸所采用的主要傳輸信道，是 DL-SCH 的對等體，具有相類似的特征。
MAC 子層的部分功能是不同邏輯信道的複用以及邏輯信道對應傳輸信道的映射，具體映射關系如圖 2-30 所示。
可見，PCCH 與 PCH 是一對一映射的關系。BCCH 上的 MIB 消息映射到 BCH，而 SIB 消息映射到 DL-SCH。CCCH、DCCH 和 DTCH 則對應映射到 UL/DL-SCH。
2.7.3 資源排程
NR MAC 子層的核心功能之一是無線資源排程。gNB MAC 子層的排程器（Scheduler）根據上下行信道的無線鍊路狀态為 DL-SCH 和 UL-SCH 進行時頻資源的動态配置設定。此外，排程器也決定了每條鍊路上可達的資料速率。是以，排程器在很大程度上決定了整體上下行鍊路的系統性能，尤其是對于高負荷網絡。
NR 上下行鍊路的排程是獨立進行的。如圖 2-31 所示，下行鍊路排程器負責動态地控制 UE 進行發送，并為每個 UE 配置設定相應的 DL-SCH 上的資源塊集合。下行鍊路的傳輸格式（TF）以及邏輯信道的複用，均是由 gNB 進行控制的。作為排程器控制資料速率的結果，RLC 子層的分割和 MAC 子層的複用也都将受到排程決策的影響。上行鍊路排程器負責控制 UE 在相應 UL-SCH 的時頻資源上進行發送。需要指出的是，雖然 gNB 排程器為 UE 指定了傳輸格式，但是上行鍊路排程決策實際上是基于每個 UE 而非每個無線承載來實作的。是以，資料傳輸所采用的無線承載，還是由 UE 自行控制，這也意味着上行鍊路邏輯信道複用的功能處于 UE 的 MAC 子層。
盡管 R15 并未規定排程政策的具體實作，但排程器的最終目的無非是跟蹤信道的時域和頻域變化，使 UE 排程在具有良好信道狀況的資源上進行傳輸。這種方式稱為信道相關排程（Channel-dependent Scheduling）。
下行信道相關排程通常基于信道狀态訓示參考信号（CSI-RS）的測量。CSI測量報告既可以反映時域和頻域的瞬時信道品質，又可以在空分複用條件下提供決定相應天線處理所需的資訊。上行信道相關排程通常基于探測參考信号（SRS）進行信道估計。SRS 發自每個 UE，gNB 通過 SRS 的測量為每個 UE 預測上行信道鍊路品質。對于參考信号的具體細節，留待後續讨論。
2.7.4 HARQ
HARQ 也是 NR MAC 子層的核心功能之一。與 LTE 類似，帶有軟合并功能（Soft Combining）的 HARQ 是 NR 有效對抗傳輸錯誤、提高系統可靠性的重要機制。需要特别說明的有兩點，其一，實際的軟合并是由實體層控制的；其二，HARQ 并非适用于所有的業務。例如，廣播信道所攜帶的資訊是多個使用者所需的公共資訊，通常并不依賴于 HARQ 來保證傳輸可靠性。是以，HARQ隻支援 DL-SCH 和 UL-SCH。
NR HARQ 協定上下行均支援最大 16 個并發的停等（Stop-and-Wait）程序，具體由高層 RRC 配置。如果高層未提供對應的配置參數，則下行預設的 HARQ程序數為 8，上行的最大程序數始終為 16。
基于傳輸塊（TB）的接收，接收機嘗試對 TB 進行解碼并通過單一确認比特 ACK/NACK 告知發射機有關解碼操作的結果，以訓示解碼成功或是否需要進行重傳。顯然，接收機必須知道接收到的 ACK/NACK 确認資訊具體與哪個HARQ 程序相對應。這可以通過确認資訊定時與某一特定 HARQ 程序相關的方法，或者通過确認資訊在 HARQ 碼本中位置的方法（針對同一時間存在多個确認資訊傳輸的情況）來實作。
與 LTE 不同，NR 上下行鍊路采用的都是異步 HARQ。在異步 HARQ 協定中，初始傳輸之後的任意時間内都有可能存在上行/下行鍊路重傳，并且直接采用 HARQ 程序數來訓示目前被關注的是哪一個特定程序。原則上，被排程的重傳與初始傳輸的處理過程相類似。NR 上行鍊路不采用同步 HRAQ 而改用異步HARQ 的原因，一方面是為了縮短等待時延；另一方面是為了更好地支援動态TDD 技術的應用。由于在動态 TDD 下，不存在固定的上下行配置，因而繼續采用同步 HARQ 将帶來極大的操作複雜性。
注意，LTE 僅支援最大 5 個 HARQ 程序（FDD 模式下）或 15 個 HARQ 程序（TDD 模式下）。顯然，NR 支援更大的程序數。這主要是為了迎合高頻小站場景下的低處理時延需求。這裡可能存在疑惑，直覺上可能會認為，更多的HARQ 程序會引起更大的往返時延。實際上，并不是所有的程序數都會被應用。16 個 HARQ 程序的設計隻是限定了重傳次數的上限，并且帶來了更多的重傳版本的選擇。
此外，需要說明的是，MAC 子層 HARQ 機制與 RLC 子層重傳機制的側重有所不同。HARQ 機制可以提供快速重傳，但由于回報出錯而産生的殘留出錯率通常是比較高的。而 RLC 重傳機制可以保證無錯的資料發送，但在重傳速度方面的表現不如 HARQ。因而，HARQ 與 RLC 重傳功能互為補充，可以實作較小往返時延與可靠資料傳送的良好結合。
2.7.5 NR 與 LTE MAC 子層對比
NR 與 LTE MAC 子層的功能及處理流程大同小異。表 2-2 從提供給上層的服務、MAC 子層功能、期望實體層提供的服務 3 個方面，對比總結了二者的異同。