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。
：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，
字段设置为1，表示报告了逻辑信道组
的缓冲区大小字段。设置为0，表示没有报告逻辑信道组
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
是否有可用数据，
字段设置为1，表示逻辑信道组
有可用数据，设置为0，表示逻辑信道组
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
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C-RNTI MAC CE固定大小为16bit。
2.3 UE竞争冲突解决识别MAC CE
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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
image-20200331191323962.png
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（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。
：表示SCell的SCellIndex i是否激活，如果
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
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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 ：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)
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MAC RAR 结构如上图，大小是固定。
R：保留位，设置为0。
Timing Advance Command：12bits，
UL Grant：27bits，用于上行传输的资源，参考TS38213。
Temporary C-RNTI：16bits，MAC实体随机接入期间使用的临时标识。
TS38213 Table 8.2-1: Random Access Response Grant Content field size
| RAR grant field | Number of bits |
|---|---|
| Frequency hopping flag | 1 |
| PUSCH frequency resource allocation | 14 |
| PUSCH time resource allocation | 4 |
| MCS | 4 |
| TPC command for PUSCH | 3 |
| CSI request | 1 |
| TPC Command | Value (in dB) |
|---|---|
| 0 | -6 |
| 1 | -4 |
| 2 | -2 |
| 3 | 0 |
| 4 | 2 |
| 5 | 4 |
| 6 | 6 |
| 7 | 8 |
reference
TS38321-Medium Access Control (MAC) protocol specification
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