5GNR MAC

1 概述

1.1 架构

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MAC主要负责传输信道和逻辑信道之前的映射，具有复用和解复用，HARQ，随机接入等功能，上图分别是单连接和多连接情况下的架构。

从图可知：

所有的逻辑信道都需要通过MAC层。
PCCH映射到PCH，而且MAC层没有对PCCH数据进行处理，看起来是bypass。
BCCH分别映射到BCH和DL-SCH，BCCH主要承载MIB和SIB，其中MIB是通过BCH，SIBs通过DL-SCH。虽然SIBs也需要HARQ处理，但是这里的HARQ跟我们理解的有一点不同，不期望从接收端等到任何的ACK/NACK响应，而是根据预定义的规则进行重传。
随机接入是在MAC层发起，没有对应的逻辑信道。（Msg1、Msg2）

1.2 功能

逻辑信道和传输信道直接的映射。
将来自一个或不同逻辑信道的MAC SDU多路复用到传输块（TB）上，以在传输信道上传递到物理层
从传输信道上的物理层传输的传输块（TB）中，将MAC SDU多路分解到一个或不同的逻辑信道
调度信息报告
通过HARQ进行纠错
逻辑信道优先顺序

TS38321-Table 4.4-1: The link direction association of MAC functions

MAC function	Downlink	Uplink
Mapping between logical channels and transport channels	X	X
Multiplexing		X
Demultiplexing	X
Scheduling information reporting		X
Error correction through HARQ	X	X
Logical Channel prioritisation		X

1.3 逻辑信道和传输信道映射

上行

channel	UL-SCH	RACH
CCCH	X
DCCH	X
DTCH	X

下行

channel	BCH	PCH	DL-SCH
BCCH	X		X
PCCH		X
CCCH			X
DCCH			X
DTCH			X

2 数据结构

2.1 MAC PDU

MAC PDU由一个或者多个MAC subPDU组成，每个MAC subPDU由以下组成：

仅有MAC subheader（包括填充）
MAC subheader和MAC SDU
MAC subheader和MAC CE
MAC subheader和padding

除固定大小的MAC CE，填充和包含UL CCCH的MAC SDU外的MAC subheader由四个报头字段R / F / LCID / L组成。用于固定大小的MAC CE，填充和包含UL CCCH的MAC SDU的MAC subheader由两个头字段R / LCID组成。如下图：

image-20200330213930407.png

R：保留位，设置为0

L：以字节为单位，表示相应MAC SDU或可变大小的MAC的长度，每个MAC subheader有一个L字段，除了对应于包含UL CCCH的固定大小的MAC CE，填充和MAC SDU的subheader。 L字段的大小由F字段表示。

F：1bit，用于指示长度字段的大小。除了对应于固定大小的MAC CE，填充和包含UL CCCH的MAC SDU之外，每个MAC subheader有一个F字段。0表示长度字段占8bit，1表示长度字段占16bit。

LCID：6bits，每个MAC subheader有一个LCID字段。该字段表示MAC SDU对应的逻辑信道实例，MAC CE 对应的类型或者padding。

TS38321-Table 6.2.1-1 Values of LCID for DL-SCH

Index	LCID values
0	CCCH
1–32	Identity of the logical channel
33-46	Reserved
47	Recommended bit rate
48	SP ZP CSI-RS Resource Set Activation/Deactivation
49	PUCCH spatial relation Activation/Deactivation
50	SP SRS Activation/Deactivation
51	SP CSI reporting on PUCCH Activation/Deactivation
52	TCI State Indication for UE-specific PDCCH
53	TCI States Activation/Deactivation for UE-specific PDSCH
54	Aperiodic CSI Trigger State Subselection
55	SP CSI-RS/CSI-IM Resource Set Activation/Deactivation
56	Duplication Activation/Deactivation
57	SCell Activation/Deactivation (four octets)
58	SCell Activation/Deactivation (one octet)
59	Long DRX Command
60	DRX Command
61	Timing Advance Command
62	UE Contention Resolution Identity
63	Padding

TS38321-Table 6.2.1-2 Values of LCID for UL-SCH

Index	LCID values
0	CCCH of size 64 bits (referred to as "CCCH1" in TS 38.331 [5])
1–32	Identity of the logical channel
33–51	Reserved
52	CCCH of size 48 bits (referred to as "CCCH" in TS 38.331 [5])
53	Recommended bit rate query
54	Multiple Entry PHR (four octets Ci)
55	Configured Grant Confirmation
56	Multiple Entry PHR (one octet Ci)
57	Single Entry PHR
58	C-RNTI
59	Short Truncated BSR
60	Long Truncated BSR
61	Short BSR
62	Long BSR
63	Padding

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NR MAC PDU中每一个subPDU都包含一个subheader，LTE中是一个MAC PDU包含一个header，header中包含各个subheaders。

上下行中MAC CE放到一起，下行中MAC CE全部再MAC SDU的前面，最后是padding。上行中MAC CE在MAC SDU后面，最后是padding。

2.2 MAC CE

2.2.1 BSR

BSR格式分类：

固定大小的短BSR格式
可变大小的长BSR格式
固定大小的短截断的BSR格式
可变大小的长截断的BSR格式

BSR格式是由LCID指示的。BSR的数据结构：

image-20200331143858344.png

LCGID：逻辑信道组ID，3bits，标识BSR使用的逻辑信道组。

$LCG_i$ ：对于长格式BSR，此字段指示逻辑信道组i的“缓冲区大小”字段的存在， $LCG_i$ 字段设置为1，表示报告了逻辑信道组 $i$ 的缓冲区大小字段。设置为0，表示没有报告逻辑信道组 $i$ 的缓冲区大小字段。对于长截断格式的BSR，该字段表示逻辑信道组 $i$ 是否有可用数据， $LCG_i$ 字段设置为1，表示逻辑信道组 $i$ 有可用数据，设置为0，表示逻辑信道组 $i$ 没有可用数据。

Buffer Size：

TS38321-Table 6.1.3.1-1: Buffer size levels (in bytes) for 5-bit Buffer Size field

Index	BS value	Index	BS value	Index	BS value	Index	BS value
0	0	8	≤ 102	16	≤ 1446	24	≤ 20516
1	≤ 10	9	≤ 142	17	≤ 2014	25	≤ 28581
2	≤ 14	10	≤ 198	18	≤ 2806	26	≤ 39818
3	≤ 20	11	≤ 276	19	≤ 3909	27	≤ 55474
4	≤ 28	12	≤ 384	20	≤ 5446	28	≤ 77284
5	≤ 38	13	≤ 535	21	≤ 7587	29	≤ 107669
6	≤ 53	14	≤ 745	22	≤ 10570	30	≤ 150000
7	≤ 74	15	≤ 1038	23	≤ 14726	31	> 150000

TS38321_Table 6.1.3.1-2: Buffer size levels (in bytes) for 8-bit Buffer Size field 部分

Index	BS value	Index	BS value	Index	BS value	Index	BS value
0	0	64	≤ 560	128	≤ 31342	192	≤ 1754595
1	≤ 10	65	≤ 597	129	≤ 33376	193	≤ 1868488
2	≤ 11	66	≤ 635	130	≤ 35543	194	≤ 1989774
3	≤ 12	67	≤ 677	131	≤ 37850	195	≤ 2118933
4	≤ 13	68	≤ 720	132	≤ 40307	196	≤ 2256475
5	≤ 14	69	≤ 767	133	≤ 42923	197	≤ 2402946
6	≤ 15	70	≤ 817	134	≤ 45709	198	≤ 2558924
7	≤ 16	71	≤ 870	135	≤ 48676	199	≤ 2725027

······

2.2.2 C-RNTI MAC CE

image-20200331172131454.png

C-RNTI MAC CE固定大小为16bit。

2.3 UE竞争冲突解决识别MAC CE

image-20200331174031830.png

固定大小为48bits，包含UL CCCH SDU，如果其值大于48bits，就只包含前48bits。

2.4 定时提前命令MAC CE

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TAG ID：2bits

TA command：6bits，该字段指示用于控制MAC实体必须应用的定时调整量的索引值 $T_A$ （0，1，2…63）

2.5 0长度 MAC CE

下列这些MAC CE大小为0bit：

DRX command MAC CE
Long DRX command MAC CE
配置的授权确认MAC CE

2.6 Single Entry PHR MAC CE

2.7 Multiple Entry PHR MAC CE

2.8 SCell激活/去激活MAC CE

image-20200331210813091.png

SCell激活/去激活MAC CE分为两位格式：

长度为1个字节，由7个C字段和1个R字段组成。
长度为4个字节，有31个C字段和1个R字段组成。

$C_i$ ：表示SCell的SCellIndex i是否激活，如果 $C_i$ 设置为1，表示SCell的SCellIndex i激活，为0则为去激活。

R：保留位。

2.9 复制激活/去激活 MAC CE

image-20200401092333219.png

长度固定为1个字节，由8个D字段组成，每个字段对应一个DRB ID，如果设置为1，表示对应的DRB的复制功能激活，为0，表示去激活。

2.10 SP CSI-RS/CSI-IM资源集

image-20200401092559142.png

该MAC CE是可变长度的：

A/D：1bit，表示是否激活/去激活SP CSI-RS/CSI-IM资源集，设置成1，表示激活。设置成0，表示去激活。

Serving Cell ID：5bits，表示该MAC CE对应的服务小区ID。

BWP ID：2bits，表示该MAC CE使用的DL BWP，对应于DCI bandwidth part indicator字段。

SP CSI-RS资源集ID：6bits，包含半持续NZP CSI-RS资源的NZP-CSI-RS-ResourceSet索引，表示哪个半持续NZP CSI-RS资源集被激活或者去激活。

IM：1bit，表示包含SP CSI-IM资源集ID字段是否存在，1，表示存在，0，表示不存在。

SP CSI-IM资源集ID：6bits，包含半持续CSI-IM资源的CSI-IM-ResourceSe索引，表示哪个半持续CSI-IM资源集被激活或者去激活。

TCI State $ID_i$ ：这个字段包含TCI-StateId，参考TS38331。

R：保留位，设置为0

2.3 MAC（随机接入响应）

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MAC PDU由一个或多个MAC subPDU和可选的padding组成，每个MAC subPDU由以下组成：

仅具有Backoff Indicator的MAC subheader。
仅具有RAPID的MAC subheader（比如SI请求确认）。
具有RAPID和MAC RAR的MAC subheader。

仅具有Backoff Indicator的MAC subPDU放在MAC PDU的最开始位置，另外几种类型的MAC subPDU可以放在仅具有Backoff Indicator和padding之间的任何位置。

padding如果存在的话就放在MAC PDU的最后面。

各个字段的含义：

E：1bit，扩展字段，表示该subPDU是否是MAC PDU的最后一个，如果设置成1，表示该subPDU之后还有其他的subPDU，如果设置成0，表示该subPDU是该MAC PDU的最后一个subPDU。

T：1bit，类型字段，表示该MAC subheader包含随机接入前导ID或者Backoff Indicator。如果是0，表示subheader中包含Backoff Indicator字段，如果是1，表示在subheader中包含随机接入前导ID字段。

R：保留位，设置为0。

BI：4bits，表示小区的负载情况。

RAPID：6bits，随机接入前导ID，MAC subPDU的subheader中的RAPID对应SI请求中的一个随机接入前导配置，MAC RAR不包括在MAC subPDU中。

Backoff参数值：

Index	Backoff Parameter value (ms)
0	5
1	10
2	20
3	30
4	40
5	60
6	80
7	120
8	160
9	240
10	320
11	480
12	960
13	1920
14	Reserved
15	Reserved

UE从两个不同的MAC层命令计算出TA值，对于PRACH之后的第一条上行消息，UE从RACH response中获取TA值，如下图。初始接入之后，UE可以通过接收到MAC CE获取TA值。参考[2.4 定时提前命令MAC CE](#2.4 定时提前命令MAC CE)

image-20200401113043666.png

MAC RAR 结构如上图，大小是固定。