CN107040597B - 一种lte系统中的mac层多实例设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种LTE系统中的MAC层多实例设计方法，具体方法是将LTE系统中的MAC层分成三个子模块，包括MAC层多实例控制子模块、MAC层多实例子模块、测量控制子模块。其中MAC层多实例控制子模块协调MAC多个实例关系，并且处理小区激活/去激活、定时提前量、DRX命令子块，负责组装BSR子块和PHR子块；MAC层多实例子模块由多个MAC实例组成，完成MAC层一个服务小区相关功能，具体支持混合自动重传、逻辑信道优先级处理、数据重传、调度请求、随机接入过程、传输信道和逻辑信道之间映射功能；测量控制子模块完成来自RRC层的测量请求，协助RRC层完成无线资源管理和控制终端测量规划功能。

Description

一种LTE系统中的MAC层多实例设计方法
技术领域
本发明属于移动通信技术领域，涉及到长期演进(简称：LTE)系统中媒体接入控制(简称：MAC)层的实现方法。
背景技术
随着人们物质生活水平的提高，人们对通信需求也越来越高，从第一代的模拟移动通信，到第二代全数字的GSM移动通信系统，再到直接支持话音和数据的第三移动通信系统，基本满足了人们的通信需求，但为了提供更好的音视频图像传输需求，LTE系统应运而生。接着，LTE系统也从第三代合作伙伴计划(简称：3GPP)提供的商用基本版本正式释放版本8(简称：R8)发展到了现在LTE-Advanced-Pro(简称：R13)版本，极大提高了LTE系统中通信能力，当然这对终端的开发和研制提出了更高的要求。每次LTE系统版本的升级都会涉及到空中接口的修改和升级。
LTE系统空中接口亦称增强通用地面接入网络(简称：E-UTRAN)的空中接口，是指用户终端(简称：UE)和E-UTRAN之间的接口。空中接口协议可以区分为控制平面和用户平面。其中控制面负责用户无线资源的管理、无线连接的建立、业务的服务质量(简称：QoS)保证和最终的资源释放，用户面则主要负责数据的正常传输。
LTE用户面的协议栈主要分为无线接入控制层MAC、无线链路控制层RLC、分组数据汇聚层PDCP等子层。其中PDCP层主要负责从无线承载到传输模式的映射，RLC层主要提供从传输模式到逻辑信道的映射，MAC层主要负责从逻辑信道到传输信道的映射，最后PHY层完成从传输信道到物理信道的映射，如图1所示。
LTE控制平面的底层协议和用户平面相似，而上层的无线资源控制(简称：RRC)层和非接入子层(简称：NAS)是控制面最重要的部分，其中空中接口对NAS控制是透明的。在真实网络中，UE既可能处于空闲状态，也可能正进行业务传输。针对UE的不同状态，RRC和NAS子层有不同的协议与之对应，从而对不同状态下的UE进行管理。E-UTRAN的RRC子层主要承担广播、无线接口寻呼、RRC连接管理、无线承载控制、移动性管理、UE测量上报和控制等功能，如图2所示。
在移动通信演进过程中，特别是从LTE R10版本引入的载波聚合通信(简称：CA)，对空中接口(简称:Uu)上的MAC层的影响最大，之后3GPP版本升级中每次新增加的功能都提出了对MAC架构性变动。在LTE-Advanced-Pro版本中，3GPP推荐层2的架构如图3所示。在实际工程实现中，空中接口上PDCP和RLC从前期版本到LTE-Advanced-Pro版本一般都采用了多实例架构设计，所以实现架构上没有方案性的改动，但是MAC层则有方案性的改动。
在出现载波聚合特性之前，MAC层的设计基本都采用了单实例实现，物理层的数据收发链路也只有一套，MAC层主要完成的功能仅仅限于混合自动重传(简称：HARQ)、传输信道和逻辑信道映射、随机接入控制、无线优先级控制等功能。在载波聚合之前MAC不会出现多实例的需求。
从LTE的载波聚合特性开始，每次LTE的版本升级以及LTE新功能的增加，都或多或少的对MAC带来冲击，例如3GPP中支持载波聚合功能的MAC层推荐架构，如图4所示。在LTE系统中引入CA特性之后，每个物理层的载波，都需要MAC存在一个HARQ实体支持。
在LTE中引入载波聚合之后，3GPP增加了双连接功能(简称：DC)，对MAC层又提出了新的需求，具体如图5所示。在DC特性中，新PDCP增加了数据分流功能，剩余的PDCP和RLC基本保持不变，但是MAC层需要支持在两个小区中都可以进行随机接入，这和之前仅仅支持载波聚合的需求存在明显差异。
如何实现LTE终端中的MAC层将是一个难点，不仅需要满足目前的MAC层设计需求，同时也需要考虑未来LTE标准变动对MAC层实现带来的冲击。
纵观LTE技术的演技过程中，行业内存在一个版本升级基本准则，即3GPP推出的新版本或者增加新功能不能影响已经正式发布使用的版本，也就是只能进行兼容性的功能增加或是版本升级，这为实现MAC层的架构设计带来便利。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种LTE系统中的MAC层多实例设计方法，该方法针对在实现LTE终端中的MAC层时，不仅需要满足目前的MAC层设计需求，同时也需要考虑未来LTE标准变动对MAC层实现带来的冲击等问题，通过采用多实例方式进行LTE系统中MAC层的设计，将LTE系统中的MAC层分成三个子模块，有助于更为便捷实现目前LTE系统中MAC层的设计，应对未来LTE标准变动对MAC层带来的冲击。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种LTE系统中的MAC层多实例设计方法，在该方法中，将LTE系统中的MAC层分成三个子模块，包括MAC层多实例控制子模块、MAC层多实例子模块、测量控制子模块；其中MAC层多实例控制子模块，负责完成收到下行共享信道数据包的处理过程、处理网络调度请求以及组装上行共享信道传输的MAC-PDU数据包；MAC层多实例子模块由多个MAC实例组成，完成MAC层一个服务小区相关功能，包括支持混合自动重传、逻辑信道优先级处理、数据重传、调度请求、随机接入过程、传输信道和逻辑信道之间映射功能；测量控制子模块完成来自RRC层的测量请求，协助RRC层完成无线资源管理创建和删除MAC实例包。
进一步，所述测量控制子模块完成来自RRC层的测量请求包括以下步骤：
S1：当终端发起小区选择或重选，RRC层发送测量列表请求到测量控制子模块，由测量控制子模块进行小区盲扫和测量规划控制，发送测量命令到物理层；
S2：测量控制子模块收集来自物理层的测量报告，将测量结果上报给RRC层；
S3：RRC层根据MAC层测量上报结果，首先选定一个频点作为服务小区频点，记录服务小区频点号Scell_Arfcn；其次创建一个新的MAC实例，用于完成小区选择和重选过程中系统消息解读控制，记录MAC层实例号MAC-Inst，固定该MAC层实例号的服务小区标识ScellIndex值为0；RRC层创建MAC层实体；最后RRC层将MAC_Inst、SCellIndex和Scell_Arfcn的对应关系发送到MAC层多实例控制子模块中。
进一步，所述MAC层多实例子模块的随机接入过程包括以下步骤：
S1：RRC层在空闲模式中，需要进行数据传输或是收到有效寻呼，则RRC层发起随机接入过程；
S2：RRC层搜索到SCellIndex为0对应的MAC层实例，发送随机接入请求到该MAC层实例中，由该MAC层多实例子模块根据3GPP TS36.321的要求完成随机接入过程。
进一步，所述RRC层完成无线资源管理创建和删除MAC实例包包括以下步骤：
S101：RRC层在连接模式下，收到来自网络的无线资源配置时，如果配置了新的服务载波资源，包括LTE系统中载波聚合中多载波、双连接使用到的多载波以及辅助授权接入载波，那么RRC层将终端配置多个服务小区；
S102：RRC层将根据不同的SCellIndex建立不同的MAC层实体，并且记录每个服务小区SCellIndex、服务频点以及MAC层实例号的对应关系；
S2：当RRC层检查网络修改了小区无线资源配置参数时，RRC层根据网络配置SCellIndex或是频点搜索到对应的MAC层实例，并发送无线资源重配置参数请求到对应的MAC层实体中；
S3：当网络配置无线资源中删除服务小区时，RRC层将删除SCellIndex服务小区对应的MAC层实体，并且删除SCellindex载波号和MAC层实例号的对应关系；
S4：RRC层将增加或是删除的服务小区信息配置到MAC层多实例控制子模块中，配置信息包括SCellIndex、服务载波编号、MAC层实例号对应关系。
进一步，所述MAC层多实例控制子模块收到下行共享信道数据包的处理过程，包括以下步骤：
S1：在MAC层收到来自物理层上报的下行共享信道上的MAC-PDU数据包时，MAC层多实例控制子模块解析出MAC-PDU的各个MAC子头，根据MAC子头类型确定该子头是由MAC层多实例子模块处理还是MAC层实例处理；
S101：如果MAC层子头是载波激活/去激活子头，那么MAC层多实例控制子模块将根据3GPP中MAC协议要求，解析载波激活/去激活MAC子控制块的内容，获得具体哪些载波是网络激活或关闭，然后MAC层多实例控制子模块将根据载波编号搜索到对应的SCellIndex小区号，最后将载波激活/去激活命令发送到对应的SCellIndex标识的MAC层实例中，MAC层实例根据3GPP TS36.321做相应处理；
S102：如果MAC层子头是定时提前量子头,那么MAC层多实例控制子模块将根据3GPP TS36.321要求，解析出定时提前量子头的内容，根据TS36.321的定义，该子头中将包含具体的定时提前量组标识以及定时提前量值，MAC层多实例控制子模块将根据TAG Id搜索到对应的载波组或是SCellIndex组，然后将该信息通知给SCellIndex对应的MAC层实例中，MAC层实例将根据该信息确定MAC层实例使用的载波是否已经失步，处于失步的MAC层实例不能主动发送数据到网络；
S103：如果MAC层子头是逻辑信道子头，那么MAC层多实例控制子模块将解析出逻辑信道数据块，然后根据逻辑信道标识搜索到对应的SCellIndex值，将解析出逻辑信道数据块直接转发到对应MAC层实例中；
S104：如果MAC层子头是非接续接收子头,那么MAC层多实例控制子模块将根据3GPP TS36.321要求，解析出非接续接收子头的内容，并且直接配置到物理层；
S2：解析完成每个子头之后，MAC层多实例控制子模块都检查是否解析完所有MAC-PDU的子头，如果全部解析完，则退出此时MAC-PDU头处理，否则继续上述S101-S104过程。
进一步，所述MAC层多实例控制子模块处理网络调度请求以及组装上行共享信道传输的MAC-PDU数据包，包括以下步骤：
S1：在LTE连接模式下，物理层每帧都需要侦听物理下行控制信道，如果侦听到网络授权上行资源，那么物理层将发送网络上行调度请求到MAC层，物理层上报调度请求中包含了具体被调度上行频点以及数据块大小，数据块大小记为TbSize比特；
S2：MAC层多实例控制子模块根据3GPP TS36.321的要求，检查是否满足缓存状态上报的要求，如果满足上报要求，则MAC层多实例控制子模块计算出MAC层需要上报的BSR需要的比特数，记为BSR_LEN比特；
S3：MAC层多实例控制子模块根据3GPP TS36.321的要求，检查是否需要进行发射功率余量报告，如果需要进行上报，则MAC层多实例控制子模块计算出上报PHR需要的比特数，记为PHR_LEN比特；
S4：根据上面的描述，网络授权上行共享信道上行的数据包大小为TbSize比特，那么减去需要上报的BSR和PHRMAC子块的比特数，则MAC层实例可以使用的承载比特，记为(TbSize-BSR_LEN-PHR_LEN)比特；
S5：MAC层多实例控制子模块根据物理层上报调度载波编号，搜索该载波归属的小区，即对应的SCellIndex小区，然后将调度请求发送到对应MAC层实例中，并且告知该实例可以承载(TbSize-BSR_LEN-PHR_LEN)长度的比特数据；
S6：MAC层实例收到来自MAC层多实例控制子模块的调度请求，根据3GPP TS36.321的要求，把RLC层的数据组装成完整的MAC子头数据块，并将该数据块发送到MAC层多实例控制子模块中；
S7：MAC层多实例控制子模块收到来自MAC层实例数据，进行最后的上行共享信道的MAC-PDU组装，并且将MAC-PDU数据块发送到物理层。
本发明的有益效果在于：
1)本发明简化了MAC层设计，将MAC层中每个载波都需要处理的功能归属到MAC层多实例中实现，每增加一个新的小区，仅仅增加了一个MAC层实例即可，既可以满足LTE R10版本中6个载波的载波聚合，也可以满足LTE-Advanced-Pro中的32载波聚合。
2)本发明更容易支持LTE系统中的双连接DC功能。MAC层多实例部分支持随机接入过程，所以支持LTE的DC功能的时候，仅仅增加了一个MAC层实体即可，因此在整个LTE的MAC层实现在上不需要包括两套独立的CA和DC架构。
3)本发明容易实现前向兼容功能。每个独立的载波对应的MAC层实体，可以支持LTE的单载波功能。由于3GPP采用前向兼容方式设计，所以本发明提供的MAC层构架容易实现未来后向兼容功能，从架构上支持未来多载波高速数据传输系统。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为LTE Uu接口用户平面图；
图2为LTE Uu接口控制平面图；
图3为LTE R13版本中的层2结构图；
图4为支持载波聚合特性的层2架构图；
图5为支持载波聚合和双连接特性的层2架构图；
图6为LTE-Advanced-Pro系统中的MAC层架构设计图；
图7为LTE-Advanced-Pro中MAC层小区选择和重选流程图；
图8为LTE-Advanced-Pro中空闲模式寻呼监听流程图；
图9为LTE-Advanced-Pro中空闲模式下系统消息解读流程图；
图10为LTE-Advanced-Pro中空闲模式下随机接入过程流程图；
图11为LTE-Advanced-Pro中连接模式下无线资源重新配置流程图；
图12为LTE-Advanced-Pro中RRC创建或是重新配置RLC实例流程图；
图13为LTE-Advanced-Pro中RLC发送数据到MAC层实体流程图；
图14为LTE-Advanced-Pro中RLC从MAC层实例接收数据处理流程图；
图15为LTE-Advanced-Pro中MAC层实例发送数据到物理层流程图；
图16为MAC层多实例控制子模块收到来自物理层DL-SCH上的数据包流程图；
图17为LTE-Advanced-Pro中MAC收到物理层调度请求流程图。
图18为LTE-Advanced-Pro中MAC层处理调度请求流程图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
为了更好说明本发明在具体LTE协议栈设计中的应用，将采用LTE-Advanced-Pro中的MAC层设计方案进行举例说明。图6给出了LTE-Advanced-Pro版本的MAC层实现架构，根据本发明方法，整个MAC层主要分成两部分，即MAC层实体和MAC控制模块。
MAC层实体由多个MAC层实例组成，每个MAC层实例支持随机接入子模块、HARQ实体、逻辑信道优先级子模块、信道映射子模块、定时处理子模块以及公共控制信道子模块。在多载波系统中，如果网络配置了多个服务小区，那么每个小区都对应一个独立的MAC层实例。在空闲模式下，MAC层只有一个MAC层实体，对应的主服务小区，其SCellIndex默认为0。在连接模式下，根据网络配置的载波情况，每个服务小区都有对应独立的MAC层实例处理。该过程的处理便于代码实现，根据切入式多实例设计方法，每个MAC层实体都有一个独立的实例号，在该实施例中，将记录MAC层实例号和服务小区的SCellIndex一一对应。
在MAC层设计中，除了和服务小区相关的MAC层实体以外，还需要设计一个MAC层控制模块，该模块包括了三个部分，即测量控制子模块、MAC层多实例控制子模块以及物理层接口适配子模块。
测量控制子模块主要用于进行测量规划和管理，协助RRC层完成小区选择和重选中的测量任务；
MAC层多实例控制子模块主要完成不同服务小区之间的协调。在下行方面，将来自物理层中的数据包分拣到对应的MAC层实例中，包括了DL-SCH、PBCH、PCH、PRACH上的数据包。在上行方面，根据网络调度请求，组装完整的MAC-PDU数据包发送到物理层。
物理层接口适配子模块主要负责和物理层交互处理，分析来自物理层的信号是测量控制子模块信号还是MAC层实体信号，以及完成将MAC层的信号正确传递到物理层的功能。
如上所述，根据本发明提供的方法完成了LTE-Advanced-Pro的MAC层设计架构，如图6所示，下面将具体介绍LTE-Advanced-Pro中MAC层相关多实例的工作流程。具体流程有：
(1)RRC层对MAC层多实例操作。
(2)RLC层对相关的MAC层多实例操作。
(3)MAC层多实例子模块处理流程。
这些流程对MAC层功能实现起到关键作用，下面将具体介绍各个流程操作过程。
第一：RRC层对MAC层多实例操作
在LTE系统中，RRC主要完成无线资源管理和控制，所以和MAC层有密切联系。RRC层对MAC层多实例操作主要存在于三个场景，场景1：小区选择和重选阶段中，终端进行小区测量以及进入空闲模式的参数配置；场景2：RRC处于空闲模式的操作，主要是寻呼解读过程、系统消息解读过程以及随机接入过程；场景3：终端处于连接模式下，网络可以实时通过无线资源控制消息修改无线资源配置，在该过程中，网络可以增加或删除工作载波。这三种场景具体操作如下。
场景1：终端进行小区选择和重选阶段，根据3GPP的需求，终端在开机、丢失覆盖或是存在更好的邻近小区，用户需要选择其他公众陆地移动网络(简称：PLMN)，都需要发起小区选择或是小区重选。该场景中，RRC层和MAC层交互如下：
步骤1：终端需要发起小区选择或重选，在该实施例中，LTE-Advanced-Pro的RRC首先触发MAC进行相应频点列表测量(记为：FrequencyList)，用于评估周围小区的信号质量。具体过程是RRC发送测量列表请求到MAC层的测量控制子模块，由该模块进行测量规划，然后直接发送测量命令到物理层。如图7中1.1和1.2步。
步骤2：MAC层的测量控制子模块收集来自物理层的测量报告，MAC层将物理层的测量结果直接上报给RRC层。如图7中2.1和2.2步。
步骤3：RRC收到来自MAC层的测量报告，首先选择信号强度最强频点进行系统消息解读，假定RRC层首先记录该频点的频点号(记录为：Scell_Arfcn)，并且创建一个新的MAC层实例，在RRC中记录该MAC层实例号对应SCellIndex为0。该MAC层实例将请求物理层在该频点上进行同步搜索，以及系统消息解读。如图7中3.1。在该过程中，如果解读系统消息失败或是RRC从系统消息中判定该小区不可用，则RRC选择下一个频点，继续进行同步信号搜索以及系统消息解读。
步骤4：RRC创建MAC层实例之后，需要RRC层发送空闲模式参数到MAC层多实例控制子模块中，空闲模式参数包括了SCellIndex、MAC层实例号、SCell_Arfcn对应关系，如图7中4.1步。MAC层多实例控制子模块收到空闲模式参数之后，将物理层参数继续配置到物理层中，如图7中4.2步，小区选择和重选过程中，配置到物理层空闲模式参数主要是小区的频点信息。
步骤5：RRC将发送解读系统消息请求到SCellIndex为0对应的MAC层实例中，由MAC层实例启动解读该频点上的系统消息。该实例收到之后发送系统消息解读请求到物理层。如图7中5.1和5.2步。物理层收到该命令之后首先在SCellIndex对应的频点上搜索同步信息，然后解读物理广播信道信息(简称：PBCH)。
步骤6：物理层根据MAC层解读系统消息要求，将在PBCH物理信道上解读到的系统消息上报给MAC层多实例控制子模块，该模块根据物理层上报系统消息以及频点号找到对应的SCellindex为0的MAC层实例，然后将系统消息发送到该实例中。在MAC层中，MAC层实例不对系统消息进行处理，直接将系统消息转发到RRC层。如图7中6.1、6.2和6.3步
步骤7：在LTE系统中，系统消息分成了很多段，RRC收齐需要接收的系统消息之后，检查该小区是否符合驻留条件，即小区是否被禁止、小区信号质量参数(简称：S准则和R准则)是否满足要求。如果符合驻留条件，则RRC配置MAC层空闲模式参数到对应MAC层实例中。如图7中7.1步。该过程中的空闲模式参数包括了寻呼参数、随机接入信道参数等。
步骤8：RRC正常驻留小区之后，需要配置测量参数到测量控制子模块，由该模块控制终端空闲模式下的测量。如图7中8.1。由于省电考虑，MAC层实例控制寻呼解读时机规划，MAC层实例解读完成寻呼之后，都需要通知测量控制子模块，启动空闲模式测量过程。
步骤9：解读系统消息完成之后，RRC不仅需要配置MAC层实例，还需要配置MAC层的多实例控制子模块，配置参数主要包括物理层参数，由该模块将空闲模式物理层相关参数配置到物理层。如图7中9.1和9.2步。
从上面的流程可以看出，RRC层控制MAC层实例的创建和删除任务，并且记录MAC层实例的SCellIndex小区编号、MAC层实例号以及服务小区频点号的对应关系，并且将这种关系及时配置到MAC层多实例控制子模块中。
场景2：终端处于空闲模式下，需要进行系统消息和寻呼解读流程，以及进行随机接入过程。在该场景中，终端始终存在一个与服务小区对应的MAC层实例，根据场景1的描述，该小区的SCellIndex标识为0。MAC层空闲模式功能具体包括寻呼监听、系统解析解读以及响应来自RRC的随机接入请求。
LTE-Advanced-Pro终端在空闲模式下进行寻呼监听过程如下：
步骤1：终端进入空闲模式的时候，将配置服务小区的寻呼信道信息发到物理层，物理层采用非连续(简称：DRX)模式进行寻呼监听。物理层收到寻呼之后，将寻呼消息(记为：Paging Message)和解读寻呼的频点(记为：Scell_Arfcn)信息上报到MAC层的多实例控制子模块。如图8中1步。
步骤2：MAC层多实例控制子模块，由于记录了SCellIndex、工作频点以及MAC层实例号对应关系，所以MAC层多实例控制子模块根据物理层上报寻呼指示中的Scell_Arfcn找到对应的MAC层实例，并且将寻呼消息转发到该MAC层实例中。如图8中2步。
步骤3：MAC层实例收到寻呼消息之后，根据物理信道标识，直接转发到RRC层，由RRC进行寻呼检查，确认是否是本终端有效寻呼，并且根据3GPP要求做相应处理。如图8中3步。
LTE-Advanced-Pro终端在空闲模式下进行系统消息解读过程如下：
步骤1：LTE-Advanced-Pro终端需要进行系统消息解读，则首先由RRC发起，RRC层直接发送解读系统消息命令到对应MAC层实例中(SCellIndex为0对应的MAC层实例)。由MAC层实例转发到MAC层物理层接口子模块中，最后发送到物理层，请求物理层启动系统消息解读。如图9中1.1和1.2步。
步骤2：物理层收到来自MAC层解读系统消息命令之后，启动解读系统消息过程，并且将解读到的系统消息通过物理层接口子模块发送到MAC层多实例控制子模块中。由MAC层多实例控制子模块转发到对应的MAC层实例中，最后由具体MAC层实例处理完成之后直接发送到RRC层。如图9中2.1、2.2和2.3步。重复步骤2直到RRC判定系统消息解读完成。
步骤3：RRC重新配置MAC层实例参数。RRC重新配置MAC层多实例控制子模块参数，并且MAC层多实例控制子模块将该参数配置到物理层。如图9中3.1、4.1、5.1和5.2步。
LTE-Advanced-Pro终端在空闲模式下发起随机接入过程如下：
步骤1：终端初始随机接入总是由RRC层发起。在空闲模式下，RRC层依据SCellIndex搜索到对应MAC层实例号，接着将发送随机接入请求到对应的MAC层实例中。MAC层实例根据3GPP TS36.321的要求启动随机接入过程。具体如图10中1.1和1.2步。
步骤2：MAC层实例发起随机接入过程中，MAC层多实例控制子模块已经记录了随机接入载波(简称：PRACH_Arfcn)号，所以在PRACH_Arfcn频点上从物理层收到的随机接入相关数据包，MAC层多实例控制子模块中都能顺利搜索到对应的MAC层实例，并且将数据包转发到该实例。
步骤3：在随机接入过程中，由MAC层实例控制，网络将配置无线资源到RRC层，首先RRC根据无线资源所在频点，找到对应的MAC层实例，然后配置连接模式参数到MAC层实例中。如图10中2.1步。
步骤4：RRC配置连接模式参数到MAC层多实例控制子模块中，由该子模块再次配置到物理层。如图10中3.1步。
在LTE-Advanced-Pro版本中，支持双连接DC功能。为了支持现有的LTE-Advanced-Pro版本功能，以及未来可能增加的功能，那么在MAC层实例发起随机接入过程中，所有的发送到物理层的命令都将携带操作载波编号，物理层上报的信息也将携带载波编号。
场景3：连接模式下的无线资源配置，终端在移动过程中，网络将根据终端的业务请求以及网络负载情况，实时进行无线资源调整。RRC层收到来自网络的无线资源请求，发现有新增加的载波，则需要创建对应的MAC层实例，如果已经存在的载波被删除，则需要将对应的MAC层实例删除。
步骤1：LTE-Advanced-Pro终端处于连接模式下，网络根据业务需求以及终端移动情况，都可能实时进行无线资源重新配置。物理层收到服务小区的DL-SCH传输信道的数据块，其中包括了无线资源重配置消息，发送到MAC层多实例控制子模块，由该模块搜索到对应MAC层实例号，并且将数据块转发到对应的MAC层实例中。如图11中1.1、1.2步。
步骤2：在MAC层实例中，MAC层实例根据收到数据块MAC PDU中控制字找到对应的逻辑信道号，由逻辑信道号找到对应的RbId值，最后由RbId确定RLC的实例号。MAC层实例将收到的数据块去掉MAC头之后转发到RLC对应实例中。如图11中1.3步。
步骤3：RLC层的实例收到来自MAC层实例的数据之后，进行RLC数据组装，如果收到一个完整的RLC数据包，并且包括信令数据(根据RRC配置RLC时候，对应的RbId来确定是否是信令数据)，则将数据包转发到RRC层。如图11中1.4步。
步骤4：RRC收到来自RLC的信令数据包，在该步骤中假定为无线资源配置，如果新增加了载波，则RRC首先为每个新增加载波创建一个MAC层实例。然后将载波连接模式参数配置到MAC层实例中。如图11中2.1、2.2、2.3和2.4步。
步骤5：收到RRC无线资源配置消息，如果确定网络删除载波，那么RRC也发送MAC层实例消息，删除MAC层实例。
步骤6：RRC配置完MAC层实例的连接模式参数之后，RRC发送连接模式参数到MAC层多实例控制子模块，该模块记录连接模式参数，并且将物理信道参数配置到物理层。在连接模式参数中包括了SCellIndex、MAC层实例号以及服务频点号对应关系。如图11中3.1和3.2步。
步骤7：如果无线资源控制配置中需要修改测量信息，那么RRC也发送测量控制信息到测量控制子模块中。如图11中4.1。
第二：RLC层相关的MAC层多实例操作
在MAC层多实例设计中，不仅涉及到RRC层，同时还涉及到RLC层，例如在RLC发送数据到MAC层的时候，需要选择对应的具体的MAC层实例。在本发明实施例中RLC也将采用多实例方式设计，RLC实例号和RbId有一一对应关系，下面具体说明RLC多实例和MAC层多实例的操作。
场景1：RRC对RLC实例进行创建、删除和重新配置，如图10流程所示。
步骤1：RRC收到无线资源配置的时候，需要同时处理RLC相关功能。首先RRC创建新的RLC实例，并且将RB id记录为RLC实例号，然后将RLC参数发送RLC实例中。在RLC参数组中包括了该RLC实例对应的MAC层实例号，同时包括了RLC实例对应的SCellIndex值。如图12中1步。
步骤2：RRC需要删除RLC实例，则RRC直接发送RLC删除信号到对应RLC实例中即可。如图12中2步。
步骤3：RRC需要重新配置RLC参数，则RRC首先搜索到网络重配RLC对应的SCellIndex小区标识，然后将重配置RLC参数发送到对应的RLC实例中，如图12中3步。
在实际工程中，RRC配置RLC参数时候，可以仅仅配置RLC对应的MAC层实例号即可，但是考虑到未来可能存在的扩展，在配置RLC对应的MAC层实例号同时还配置了RLC实例归属的小区的SCellIndex编号。
场景2：RLC发送数据到MAC层实例
步骤1：在创建和配置RLC实例的时候，RRC都会配置Rb Id以及对应MAC层多实例的实例号到RLC实例中，任何一个RLC实例需要发送数据到MAC层实例，首先是组装发送数据。如图13中1步。
步骤2：RLC实例根据RRC配置的MAC层实例号或是SCellIndex值搜索MAC层实例号，确定数据发送MAC层实例。如图13中2步。
步骤3：RLC将准备好的数据发送对应MAC层实例中，如图13中3步。
场景3：RLC从MAC层接收数据
步骤1：MAC层实例处理完来自网络的数据，需要将数据转发到对应RLC实例中，如图14中1步。
步骤2：MAC层实例从MAC PDU中取出数据所述的逻辑信道号，如图14中2步。
步骤3：MAC层实例根据数据包所述逻辑信道编号，搜索到对应的RLC实例号，如图14中3步。
步骤4：MAC层实例将数据转发到对应的RLC实例中。如图14中4步。
第三：MAC层多实例控制子模块流程
根据本发明的思路，在LTE-Advanced-Pro中，如何完成将来自物理层传输信道上的数据包分拣到不同MAC层实例，以及来自不同的载波上的调度请求发送到不同MAC层实例，是本发明关键技术点。下面将从两个方面进行说明。
场景1：MAC层收到来自物理层的上报数据
步骤1：物理层发送信号到MAC层的物理层接口子模块中，如果在该模块中确定该数据是属于测量类内容，则直接转发到测量控制子模块中，如果是其他类别的数据，则直接转到MAC层多实例控制子模块中。如图15中1.1和1.2步。如果物理层上报是测量结果，那么测量控制子模块收集完测量结果之后，将测量结果上报给RRC层。
步骤2：MAC层多实例控制子模块收到来自物理层的数据之后，进行MAC-PDU数据块解析，如果是多个MAC层实例的MAC控制子块，例如小区激活/去激活子块、定时提前量子块、DRX控制子块，那么这些子块在MAC层多实例控制子模块中处理。如果仅仅涉及一个MAC层实例的MAC控制子头或是MAC业务数据，则MAC层多实例控制子模块首先根据接收MAC-PDU载波编号，通过载波编号、SCellIndex以及MAC层实例对应关系，搜到对应的MAC层实例号，并且将MAC子头数据块发送对应的MAC层实例中，如图15中2.1和3.1步。
步骤3：MAC层实例收到来自MAC层多实例控制子模块MAC子头数据包，根据3GPPTS36.321进行处理，如图15中4.1步。
物理层上报的数据可以分成三中数据类型：测量数据、公共控制信道数据(例如BCH、PCH信道数据)以及DL-SCH下行共享信道数据。其中测量数据和MAC层多实例没有关系，在MAC层测量控制子模块直接处理；公共控制信道数据包则由MAC层多实例控制子模块根据接收BCH和PCH频点，确定对应的SCellIndex值，找到对应MAC层实例，并且将数据直接转发到MAC层实例中；DL-SCH下行共享信道数据处理最为复杂，为了说明该类型数据处理方式，下面结合本发明方法具体进行说明。
步骤1：MAC层收到来自物理层上报DL-SCH信道上的MAC-PDU数据包，由于一个完整的MAC-PDU是由多个MAC层子头构成，所以在MAC层多实例控制子模块中首先解析出各个MAC子头，根据MAC子头类型确定是MAC层多实例子模块处理还是MAC层实例处理。如图16中1步。根据本发明方案MAC层多实例控制子模块将处理小区激活/去激活、定时提前量、DRX控制子块处理。
步骤2：如果MAC层子头是小区激活/去激活(简称：Activation/Deactivation)子头，那么MAC层多实例控制子模块将根据3GPP中MAC层协议(简称：TS36.321)要求，解析激活/去激活MAC子控制块的内容。依据在MAC层多实例控制块中获得网络请求激活/去激活具体载波列表，MAC层多实例控制子模块将根据载波编号搜索到对应的SCellIndex小区号，最后将载波激活/去激活命令发送到对应的SCellIndex标识的MAC层实例中。MAC层实例根据3GPP TS36.321做相应处理。如图16中2、2.1、2.2、2.3步。
步骤3：如果MAC层子头是定时提前量(简称：Timing Advance Command)子头,那么MAC层多实例控制子模块将根据3GPP TS36.321要求，解析出定时提前量子头的内容。根据TS36.321的定义，该子头中将包含具体的定时提前量组标识(简称：TAG Id)以及定时提前量值。MAC层多实例控制子模块将根据TAG Id搜索到对应的载波组或SCellIndex组，然后将该信息通知给SCellIndex对应的MAC层实例中。MAC层实例将根据该信息确定MAC层实例使用的载波是否已经失步，处于失步的MAC层实例不能主动发送数据到网络。如图16中3、3.1、3.2、3.3、3.4步。
步骤4：如果MAC层子头是逻辑信道(简称：Identity of the logical channel)子头，那么MAC层多实例控制子模块将解析出逻辑信道数据块，然后根据逻辑信道标识搜索到对应的SCellIndex值，将解析出逻辑信道数据块直接转发到对应MAC层实例中。如图16中4、4.1、4.2步。
步骤5：如果MAC层子头是非接续接收(简称：DRX Command/Long DRX Command)子头,那么MAC层多实例控制子模块将根据3GPP TS36.321要求，解析出非接续接收子头的内容，并且直接配置到物理层。如图16中5、5.1。
步骤6：解析完成每个子头之后，MAC层多实例控制子模块都检查是否解析完所有MAC-PDU的子头，如果全部解析完，则退出MAC-PDU头处理，否则继续上面步骤2～5过程。
上述为下行共享信道DL-SCH上MAC-PDU解析方法，下面给出MAC层收到来自物理层的调度请求处理，重点描述本发明如何组装上行共享信道UL-SCH的MAC-PDU数据包。
在LTE系统中，对于多载波情况下网络调度上行传输资源存在两种方式：一种是每个载波都有自己独立的物理层下行控制信道(简称：PDCCH),，所以物理层在检查下行载波PDCCH时候，如果是对应的载波，则将上行调度请求以及载波编号一同发送到MAC层多实例控制子模块中；一种是网络进行垮载波调度方式，物理层在检测到有效的PDCCH后，判定上行调度属于哪个载波，最后将调度信息连同载波编号一起发送到MAC层多实例控制子模块中。
步骤1：物理层根据网络的配置，解析物理下行控制信道(简称：PDCCH)上的下行控制信息(简称：DCI)，如果DCI信息中指示网络调度本终端，则物理层发送调度指示到MAC层。如图17中1.1步。
步骤2：物理层接口子模块收到调度指示以后，则将该消息转发给MAC层多实例控制子模块。在该模块中，MAC层搜索到对应的MAC层实例，并且将调度请求发送到MAC层实例中。如图17中1.2步。
步骤3：MAC层实例根据调度指示需求，组装数据包，并且将数据包通过物理层接口子模块发送到物理层。如图17中2.1步。
MAC层实例控制子模块收到调度请求进行MAC-PDU组装的具体操作如下：
步骤1：LTE连接模式下，物理层每帧都需要侦听物理下行控制信道(简称：PDCCH)，如果检测到网络授权调度上行资源，那么物理层将网络上行调度请求发送到MAC层。如图18中1步。物理层上报调度请求中包含了具体被调度上行频点以及数据块大小，采用TbSize比特来表示。
步骤2：MAC层多实例控制子模块根据3GPP TS36.321的要求，检查是否满足缓存状态上报(简称：BSR)的要求。如果满足上报要求，则MAC层多实例控制子模块计算出MAC层需要上报的BSR比特数，记录为BSR_LEN比特。如图18中2、2.1步。
步骤3：MAC层多实例控制子模块根据3GPP TS36.321的要求，检查是否需要进行发射功率余量(简称：PHR)报告。如果需要进行上报，则MAC层多实例控制子模块计算出上报PHR需要的比特数，记录为PHR_LEN比特。如图18中3、3.1步。
步骤4：根据上面的描述，网络授权UL-SCH上行的数据包大小为TbSize比特，那么减去需要上报的BSR和PHR比特，则MAC层实例可以使用的承载比特，具体为：(TbSize-BSR_LEN-PHR_LEN)比特。如图18中4步。
步骤5：MAC层多实例控制子模块根据物理层上报调度载波编号，搜索该载波归属的小区，即对应的SCellIndex小区。然后将调度请求发送到对应MAC层实例中，并且告知该实例可以承载(TbSize-BSR_LEN-PHR_LEN)长度的比特数据。如图18中5步。
步骤6：MAC层实例收到来自MAC层多实例控制子模块的调度请求，根据3GPPTS36.321的要求组装RLC层的数据，组装成完整的MAC子头数据块，并且将该数据块发送到MAC层多实例控制子模块中。如图18中6步。
步骤7：MAC层多实例控制子模块收到来自MAC层实例数据，进行最后的UL-SCH的MAC-PDU组装，并且将MAC-PDU数据块发送到物理层。如图18中7步。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种LTE系统中的MAC层多实例设计方法，其特征在于：在该方法中，将LTE系统中的MAC层分成三个子模块，包括MAC层多实例控制子模块、MAC层多实例子模块、测量控制子模块；其中MAC层多实例控制子模块，负责完成收到下行共享信道数据包的处理过程、处理网络调度请求以及组装上行共享信道传输的MAC-PDU数据包；MAC层多实例子模块由多个MAC实例组成，完成MAC层一个服务小区相关功能，包括支持混合自动重传、逻辑信道优先级处理、数据重传、调度请求、随机接入过程、传输信道和逻辑信道之间映射功能；测量控制子模块完成来自RRC层的测量请求，协助RRC层完成无线资源管理创建和删除MAC实例包。
2.如权利要求1所述的一种LTE系统中的MAC层多实例设计方法，其特征在于：所述测量控制子模块完成来自RRC层的测量请求包括以下步骤：
S1：当终端发起小区选择或重选，RRC层发送测量列表请求到测量控制子模块，由测量控制子模块进行小区盲扫和测量规划控制，发送测量命令到物理层；
S2：测量控制子模块收集来自物理层的测量报告，将测量结果上报给RRC层；
S3：RRC层根据MAC层测量上报结果，首先选定一个频点作为服务小区频点，记录服务小区频点号Scell_Arfcn；其次创建一个新的MAC实例，用于完成小区选择和重选过程中系统消息解读控制，记录MAC层实例号MAC-Inst，固定该MAC层实例号的服务小区标识SCellIndex值为0；RRC层创建MAC层实体；最后RRC层将MAC_Inst、SCellIndex和Scell_Arfcn的对应关系发送到MAC层多实例控制子模块中。
3.如权利要求1所述的一种LTE系统中的MAC层多实例设计方法，其特征在于：所述MAC层多实例子模块的随机接入过程包括以下步骤：
S1：RRC层在空闲模式中，需要进行数据传输或是收到有效寻呼，则RRC层发起随机接入过程；
S2：RRC层搜索到服务小区标识SCellIndex为0对应的MAC层实例，发送随机接入请求到该MAC层实例中，由该MAC层多实例子模块根据3GPP TS36.321的要求完成随机接入过程。
4.如权利要求1所述的一种LTE系统中的MAC层多实例设计方法，其特征在于：所述RRC层完成无线资源管理创建和删除MAC实例包包括以下步骤：
S101：RRC层在连接模式下，收到来自网络的无线资源配置时，如果配置了新的服务载波资源，包括LTE系统中载波聚合中多载波、双连接使用到的多载波以及辅助授权接入载波，那么RRC层将为终端配置多个服务小区；
S102：RRC层将根据不同的服务小区标识SCellIndex建立不同的MAC层实体，并且记录每个服务小区SCellIndex、服务频点以及MAC层实例号的对应关系；
S2：当RRC层检查网络修改了小区无线资源配置参数时，RRC层根据网络配置SCellIndex或是频点搜索到对应的MAC层实例，并发送无线资源重配置参数请求到对应的MAC层实体中；
S3：当网络配置无线资源中删除服务小区时，RRC层将删除SCellIndex服务小区对应的MAC层实体，并且删除SCellIndex载波号和MAC层实例号的对应关系；
S4：RRC层将增加或是删除的服务小区信息配置到MAC层多实例控制子模块中，配置信息包括SCellIndex、服务载波编号、MAC层实例号对应关系。
5.如权利要求1所述的一种LTE系统中的MAC层多实例设计方法，其特征在于：所述MAC层多实例控制子模块收到下行共享信道数据包的处理过程，包括以下步骤：
S1：在MAC层收到来自物理层上报的下行共享信道上的MAC-PDU数据包时，MAC层多实例控制子模块解析出MAC-PDU的各个MAC子头，根据MAC子头类型确定该子头是由MAC层多实例子模块处理还是MAC层实例处理；
S101：如果MAC层子头是载波激活/去激活子头，那么MAC层多实例控制子模块将根据3GPP中MAC协议要求，解析载波激活/去激活MAC子控制块的内容，获得具体哪些载波是网络激活或关闭，然后MAC层多实例控制子模块将根据载波编号搜索到对应的服务小区标识SCellIndex小区号，最后将载波激活/去激活命令发送到对应的SCellIndex标识的MAC层实例中，MAC层实例根据3GPP TS36.321做相应处理；
S102：如果MAC层子头是定时提前量子头,那么MAC层多实例控制子模块将根据3GPPTS36.321要求，解析出定时提前量子头的内容，根据TS36.321的定义，该子头中将包含具体的定时提前量组标识以及定时提前量值，MAC层多实例控制子模块将根据定时提前量组标识TAG Id搜索到对应的载波组或是SCellIndex组，然后通知给SCellIndex对应的MAC层实例中，MAC层实例将根据该信息确定MAC层实例使用的载波是否已经失步，处于失步的MAC层实例不能主动发送数据到网络；
S103：如果MAC层子头是逻辑信道子头，那么MAC层多实例控制子模块将解析出逻辑信道数据块，然后根据逻辑信道标识搜索到对应的SCellIndex值，将解析出逻辑信道数据块直接转发到对应MAC层实例中；
S104：如果MAC层子头是非接续接收子头,那么MAC层多实例控制子模块将根据3GPPTS36.321要求，解析出非接续接收子头的内容，并且直接配置到物理层；
S2：解析完成每个子头之后，MAC层多实例控制子模块都检查是否解析完所有MAC-PDU的子头，如果全部解析完，则退出此时MAC-PDU头处理，否则继续上述S101-S104过程。
6.如权利要求1所述的一种LTE系统中的MAC层多实例设计方法，其特征在于：所述MAC层多实例控制子模块处理网络调度请求以及组装上行共享信道传输的MAC-PDU数据包，包括以下步骤：
S1：在LTE连接模式下，物理层每帧都需要侦听物理下行控制信道，如果侦听到网络授权上行资源，那么物理层将发送网络上行调度请求到MAC层，物理层上报调度请求中包含了具体被调度上行频点以及数据块大小，数据块大小记为TbSize比特；
S2：MAC层多实例控制子模块根据3GPP TS36.321的要求，检查是否满足缓存状态上报的要求，如果满足上报要求，则MAC层多实例控制子模块计算出MAC层需要上报的BSR需要的比特数，记为BSR_LEN比特；
S3：MAC层多实例控制子模块根据3GPP TS36.321的要求，检查是否需要进行发射功率余量报告，如果需要进行上报，则MAC层多实例控制子模块计算出上报PHR需要的比特数，记为PHR_LEN比特；
S4：根据上面的描述，网络授权上行共享信道上行的数据包大小为TbSize比特，那么减去需要上报的BSR和PHR子块的比特数，则为MAC层实例可以使用的承载比特，记为TbSize-BSR_LEN-PHR_LEN比特；
S5：MAC层多实例控制子模块根据物理层上报调度载波编号，搜索该载波归属的小区，即对应的服务小区标识SCellIndex小区，然后将调度请求发送到对应MAC层实例中，并且告知该实例可以承载TbSize-BSR_LEN-PHR_LEN比特长度的比特数据；
S6：MAC层实例收到来自MAC层多实例控制子模块的调度请求，根据3GPP TS36.321的要求，把RLC层的数据组装成完整的MAC子头数据块，并将该数据块发送到MAC层多实例控制子模块中；
S7：MAC层多实例控制子模块收到来自MAC层实例数据，进行最后的上行共享信道的MAC-PDU组装，并且将MAC-PDU数据块发送到物理层。
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