成程

北京工業(yè)大學(xué)嵌入式系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京，100124

LTE協(xié)議棧MAC層隨機(jī)訪問(wèn)過(guò)程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

成程

北京工業(yè)大學(xué)嵌入式系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京，100124

隨機(jī)接入技術(shù)是LTE協(xié)議棧MAC層的功能中十分重要的一項(xiàng)技術(shù)。在LTE中，隨機(jī)接入的主要目的是上行定時(shí)同步校正，用戶功率調(diào)整和用戶資源需求的申請(qǐng)。文章為了實(shí)現(xiàn)LTE協(xié)議棧MAC層隨機(jī)訪問(wèn)過(guò)程，重點(diǎn)研究了MAC層協(xié)議，分別提出實(shí)現(xiàn)隨機(jī)訪問(wèn)過(guò)程的方案和測(cè)試仿真平臺(tái)的搭建方法。文章詳細(xì)描述了隨機(jī)接入的流程、有限自動(dòng)狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)原理以及具體實(shí)現(xiàn)方法，為了提高LTE協(xié)議棧的性能，文章提出了零拷貝技術(shù)。使用兩臺(tái)PC機(jī)做了仿真實(shí)驗(yàn)，得到了基于競(jìng)爭(zhēng)模式下的隨機(jī)訪問(wèn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)的結(jié)果。

LTE；MAC；隨機(jī)訪問(wèn) ；零拷貝技術(shù)

引 言

LTE（Long Term Evolution）項(xiàng)目是3G的演進(jìn)，是3G與4G技術(shù)之間的一個(gè)過(guò)渡，是3.9G的全球標(biāo)準(zhǔn)，它改進(jìn)并增強(qiáng)了3G的空中接口技術(shù)。在LTE協(xié)議棧層次結(jié)構(gòu)中，MAC（Media Access Control）層是LTE系統(tǒng)的主要組成部分之一。在MAC層中隨機(jī)訪問(wèn)過(guò)程直接影響到系統(tǒng)的性能，本文在仔細(xì)研究隨機(jī)訪問(wèn)過(guò)程的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了該模塊的功能，并且在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上提出了增強(qiáng)性能的解決方案。

1 LTE MAC層隨機(jī)訪問(wèn)研究

隨機(jī)訪問(wèn)過(guò)程

當(dāng)UE沒(méi)有被分配上行無(wú)線資源但有數(shù)據(jù)要傳輸時(shí)候或者上行方向時(shí)間失同步時(shí)候進(jìn)入隨機(jī)訪問(wèn)過(guò)程。隨機(jī)訪問(wèn)過(guò)程是FDD和TDD均有的過(guò)程，與小區(qū)的大小無(wú)關(guān)。如下的五個(gè)事件要執(zhí)行隨機(jī)訪問(wèn)過(guò)程：

1）來(lái)自LTE_RRC_IDLE的最初訪問(wèn)；

2）無(wú)線連接失敗之后的初始訪問(wèn)；

3）需要隨機(jī)訪問(wèn)的切換；

4）在RRC_CONNECTED期間，DL數(shù)據(jù)到達(dá)，并需要隨機(jī)訪問(wèn)；

5）在RRC_CONNECTED期間，UL數(shù)據(jù)到達(dá)，并需要隨機(jī)訪問(wèn)。

隨機(jī)訪問(wèn)過(guò)程分成基于競(jìng)爭(zhēng)的和基于非競(jìng)爭(zhēng)的，基于競(jìng)爭(zhēng)的應(yīng)用于上述五種事件，基于非競(jìng)爭(zhēng)的應(yīng)用于切換和下行數(shù)據(jù)到達(dá)情況。

基于競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)訪問(wèn)：

①：上行隨機(jī)訪問(wèn)前導(dǎo)。包括6-bit，其中5-bit是隨機(jī)選擇的ID，另1-bit是其他信息：請(qǐng)求資源控制塊的大小或者CQI等。

②：下行隨機(jī)訪問(wèn)相應(yīng)。包括校時(shí)信息、初始RL授權(quán)信息和臨時(shí)CRNTI。

③： Msg3。就初始訪問(wèn)來(lái)說(shuō)包括48-bit 唯一UE標(biāo)識(shí)和RRC建立連接的請(qǐng)求信息，使用HARQ。

④：競(jìng)爭(zhēng)解決。包括UE標(biāo)識(shí)和傳輸HARQ返回信息。

基于非競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)訪問(wèn)：

前導(dǎo)配置信息。eNB給UE分配的非競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)訪問(wèn)前導(dǎo)，6-bit。

①和②與基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)訪問(wèn)過(guò)程大體相同。

初始隨機(jī)訪問(wèn)過(guò)程：

（1）初始隨機(jī)訪問(wèn)事件觸發(fā)進(jìn)入隨機(jī)訪問(wèn)過(guò)程，因?yàn)槌跏茧S機(jī)訪問(wèn)是基于競(jìng)爭(zhēng)的訪問(wèn)，所以UE端選擇前導(dǎo)碼、選擇RACH信道發(fā)送前導(dǎo)碼，打開定時(shí)器，隨機(jī)訪問(wèn)狀態(tài)由ra_idle變成ra_preamble_snd;

（2）若定時(shí)器超時(shí)則隨機(jī)選擇指定范圍的延遲時(shí)間重新選擇前導(dǎo)碼并發(fā)送，重置定時(shí)器，隨機(jī)訪問(wèn)狀態(tài)由ra_preamble_snd變成ra_preamble_resnd；

（3）若接收線程接收到隨機(jī)訪問(wèn)響應(yīng)并且通過(guò)RA_RNTI判斷出是自己信息之后，通知發(fā)送線程隨機(jī)訪問(wèn)狀態(tài)由ra_preamble_snd或者ra_preamble_resnd變成ra_rar_rcv.接收線程同時(shí)解碼此隨機(jī)訪問(wèn)響應(yīng)；

（4）由于初始隨機(jī)訪問(wèn)是基于競(jìng)爭(zhēng)的所以解碼后會(huì)通知發(fā)送線程將準(zhǔn)備好的Msg3發(fā)送，打開定時(shí)器，隨機(jī)訪問(wèn)狀態(tài)由ra_rar_rcv變成cnt_ra_msg3_snd；

（5）若定時(shí)器超時(shí)或者HARQ模塊提出重傳信號(hào)則將Msg3信息重新發(fā)送，重置定時(shí)器，隨機(jī)訪問(wèn)狀態(tài)由cnt_ra_msg3_snd變成cnt_ra_msg3_resnd；

（6）若接收線程接收到競(jìng)爭(zhēng)解決信息并且通過(guò)TEMP_C_RNTI判斷出是自己信息之后，通知發(fā)送線程隨機(jī)訪問(wèn)狀態(tài)由cnt_ra_msg3_snd或者cnt_ra_msg3_resnd變成cnt_ra_resolut_rcv ，接受線程同時(shí)解碼此競(jìng)爭(zhēng)解決信息；

（7）若從競(jìng)爭(zhēng)解決信息中找到自己48-bit唯一UE標(biāo)識(shí)，隨機(jī)訪問(wèn)狀態(tài)由cnt_ra_resolut_rcv變成ra_success.若找到的UE標(biāo)識(shí)不是自己的，隨機(jī)訪問(wèn)狀態(tài)由cnt_ra_resolut_rcv變成ra_fail.

（8）若隨機(jī)訪問(wèn)狀態(tài)是ra_fail則延遲指定的一段時(shí)間后重新進(jìn)行前導(dǎo)碼的選擇過(guò)程回到步驟（1）；

（9）若隨機(jī)訪問(wèn)狀態(tài)是ra_success則通知上層隨機(jī)訪問(wèn)過(guò)程成功，并將TEMP_C_RNTI賦值給C_RNTI.

2 仿真平臺(tái)搭建和提高性能設(shè)計(jì)方案

2.1 仿真平臺(tái)搭建

圖3－1 初始隨機(jī)訪問(wèn)實(shí)體圖

（1）采用socket通信方式來(lái)模擬物理層通信?？紤]到UDP模式是不可靠傳輸，可以很好的模擬實(shí)際通信中信道條件不好的情況，所以socket 采用UDP模式。

（2）Transport Channel和Logic Channel的設(shè)計(jì)：參考“生產(chǎn)者消費(fèi)者算法”，利用windows系統(tǒng)提供的信號(hào)量和互斥量機(jī)制將傳輸信道和邏輯信道設(shè)計(jì)成類似于消息隊(duì)列的訪問(wèn)方式。可以實(shí)現(xiàn)socket線程和MAC層收發(fā)線程的訪問(wèn)同步。

2.2 提高性能設(shè)計(jì)方案：

（1）MAC層與上下層間采用零拷貝技術(shù)，即MAC層與上下層協(xié)議都處在同一個(gè)地址空間，因此數(shù)據(jù)傳輸可以利用傳地址方式，從而減少了數(shù)據(jù)復(fù)制次數(shù)，一定程度上提高了軟件執(zhí)行效率。

（2）采用了內(nèi)存池技術(shù)，通過(guò)對(duì)申請(qǐng)空間小而申請(qǐng)頻繁的對(duì)象進(jìn)行有效管理，減少內(nèi)存碎片的產(chǎn)生，合理分配管理用戶內(nèi)存，從而減少系統(tǒng)中出現(xiàn)有效空間足夠，而無(wú)法分配大塊連續(xù)內(nèi)存的情況。

（3）采用了線程池技術(shù)，當(dāng)系統(tǒng)中有大量線程時(shí)，采用此技術(shù)可以有效減少線程創(chuàng)建和銷毀的時(shí)間。

3 功能測(cè)試

上面圖1是隨機(jī)訪問(wèn)狀態(tài)機(jī)中的初始訪問(wèn)實(shí)例，共有四個(gè)線程：用于模擬物理層發(fā)送的線程Sock_Phy_Send,用于模擬物理層接收的線程Sock_Phy_Recv,用于Mac層發(fā)送的線程Mac_Send,用于Mac層接收的Mac_Recv.具體流程如下：

（1）Mac_Send獲得選取的前導(dǎo)碼；

（2）Mac_Send將前導(dǎo)碼封裝成傳輸信道統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)單元并將它插入RACH信道；

（3）Sock_Phy_Send從RACH取出單元；

（4）Sock_Phy_Send將之發(fā)送到eNB；

（5）Sock_Phy_Recv收到eNB的信息；

（6）Sock_Phy_Recv從內(nèi)存池獲得內(nèi)存塊來(lái)存儲(chǔ)收到的信息；

（7）Sock_Phy_Recv將此信息插入到DL_SCH中；

（8）Mac_Recv從DL_SCH中取得信息并解碼

（9）Mac_Recv將狀態(tài)改變信息通知Mac_Send；

（10）Mac_Send從CCCH中獲得將要建立RRC連接的請(qǐng)求信息；

（11）Mac_Send獲得48-bit的UE ID；

（12）Mac_Send將這些信息封裝成傳輸信道統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)單元并將它插入U(xiǎn)L_SCH；

（13）Sock_Phy_Send從UL_SCH取得單元；

（14）Sock_Phy_Send將之發(fā)送到eNB；

（15）Sock_Phy_Recv收到eNB的信息；

（16）Sock_Phy_Recv從內(nèi)存池獲得內(nèi)存塊來(lái)存儲(chǔ)收到的信息；

（17）Sock_Phy_Recv將此信息插入到DL_SCH中；

（18）Mac_Recv從DL_SCH中取得信息并解碼；

（19）Mac_Recv將狀態(tài)改變信息通知Mac_Send；

（20）Mac_Send通知上層初始隨機(jī)訪問(wèn)成功或者失敗，要是失敗則會(huì)推遲規(guī)定時(shí)間后重新進(jìn)行隨機(jī)訪問(wèn)。

4 總結(jié)與展望

文章對(duì)LTE 協(xié)議棧 MAC層隨機(jī)訪問(wèn)過(guò)程進(jìn)行深入分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了MAC層的整體架構(gòu)并實(shí)現(xiàn)了初始接入的隨機(jī)訪問(wèn)過(guò)程，重點(diǎn)研究的是基于競(jìng)爭(zhēng)模式下的隨機(jī)訪問(wèn)過(guò)程。該隨機(jī)訪問(wèn)過(guò)程在仿真平臺(tái)上得到了驗(yàn)證。有限自動(dòng)狀態(tài)機(jī)具有全面性和簡(jiǎn)單性特點(diǎn)，便于在多線程環(huán)境下實(shí)現(xiàn)。隨機(jī)接入過(guò)程的實(shí)現(xiàn)對(duì)RRC層和物理層功能的實(shí)現(xiàn)具有重大意義。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.04.039