7.3. Протоколы управления доступом к среде

На уровне управления доступом к среде (MAC) [5] логические каналы преобразуются в транспортные каналы. УровеньMACтакже отвечает за выбор соответствующего транспортного формата (TF) для каждого транспортного канала, который зависит от мгновенной скорости (ей) источника логических каналов. Транспортный формат выбирается с учетом совокупности комбинаций транспортного формата, которая определяется управлением доступом для каждого соединения.

7.3.1. Архитектура уровня MAC

На рис. 7.2 показана логическая архитектура уровня MAC.

Уровень MACсостоит из трехлогических объектов:

• MAC-bманипулирует широковещательным каналом (BCH). В каждомUEесть один объектMAC-b, и одинMAC-b– вUTRAN(расположенный в узлеB) для каждой ячейки.

Рис. 7.2. Архитектура уровня MAC.

• MAC-c/shманипулирует общими и совмещенными каналами – каналом поискового вызова (PCH), прямым каналом доступа (FACH), каналом случайного доступа (RACH), общим восходящим каналом передачи пакетов (CPCH) и совмещенным нисходящим каналом (DSCH). Есть одинMAC-c/shобъект в каждомUE, который использует совмещенные каналы и одинMAC-c/shвUTRAN(находящийся в управляющемRNC) для каждой ячейки. Отметим, что логический каналBCCHможет быть преобразован либо вBCH, либо в транспортный каналFACH. Так как формат заголовкаMACдляBCCHзависит от используемого транспортного канала, на рисунке приведены два примераBCCH. ДляPCCHзаголовокMACотсутствует, таким образом, единственная функция уровняMAC– направление данных, принятых отPCCHвPCHв момент времени, определенныйRRC.

• MAC-dотвечает за управление выделенными каналами (DCH), назначенными UE в подсоединенном режиме. Существует один объектMAC-dвUEи один объектMAC-dвUTRAN(в обслуживающемRNC) для каждогоUE.

7.3.2. Функции уровня управления доступом к среде (MAC)

Функции уровня MACвключают:

• Преобразование логических каналов в соответствующие транспортные каналы.

• Выбор подходящего транспортного формата (из совокупности комбинаций транспортного формата) для каждого транспортного канала, который зависит от мгновенной скорости источника.

• Установление приоритетов между потоками данных одного UE. Это достигается путем выбора транспортных форматов с «высокой битовой скоростью» и «низкой битовой скоростью» для различных потоков данных.

• Установление приоритетного соединения между UEs путем динамического планирования. Функция динамического планирования может быть применена для общих и совмещенных нисходящих транспортных каналовFACHиDSCH. Для выделенных транспортных каналов неявно включается эквивалент функции динамического планирования как часть функции реконфигурации подуровняRRC.

• Идентификация UEs в общих транспортных каналах. Когда общий транспортный канал (RACH, FACH или CPCH) передает данные из выделенных логических каналов (DCCH,DTCH), тогда идентификацияUE(временный идентификатор сотовой радиосети –C-RNTI) или временный идентификатор радиосетиUTRAN(U-RNTI) включается в заголовокMAC.

• Мультиплексирование/демультиплексирование блоков протоко-льных данных более высокого уровня (PDUs) в/из транспортных блоков, доставляемых к/от физического уровня по общим транспортным каналам.MACосуществляет уплотнение услуг для общих транспортных каналов (RACH/FACH/CPCH ). Это необходимо, поскольку не может быть сделано на физическом уровне.

• Мультиплексирование/демультиплексирование блоков PDUs более высокого уровня в/из совокупностей транспортных блоков, доставляемых к/от физического уровня по выделенным транспортным каналам.MACдопускает уплотнение услуг также для выделенных транспортных каналов. Хотя уплотнение на физическом уровне делает возможным уплотнение любого вида услуг, включая услуги с различным качеством параметров обслуживания, уплотнениеMACвозможно только для услуг с одними и теми же параметрамиQoS. Уплотнение на физическом уровне описывается в главе 6.

• Контроль объема трафика. MAC принимает RLC PDUs вместе с информацией о состоянии объема данных в буфере передачи RLC. MAC сравнивает объем данных, соответствующий транспортному каналу с пределами, установленнымиRRC. Если объем данных слишком велик или слишком мал,MACпередает вRRCсообщение об измерении объема трафика.RRCможет также запроситьMACо периодической передаче этих измерений.RRCиспользует эти сообщения для инициализации реконфигурации широкополосных радиоканалов и/или транспортных каналов.

• Динамическая коммутация вида транспортного канала. Осуществление коммутации между общими и выделенными транспортными каналами базируется на принятии решения о коммутации, принимаемогоRRC.

• Шифрование. Если логический канал использует прозрачный режимRLC, шифрование выполняется в подуровнеMAC(объектMAC-d). Шифрование – это операцияXOR– Булева логическая функция «Исключающее ИЛИ» (используется также вGSMиGPRS), где результатыXORedполучаются с помощью маски шифрования, формируемой алгоритмом шифрования. При шифровании вMACвходной сигнал, изменяющийся во времени (COUNT) для алгоритма шифрования, наращивается с той же самой цикличностью, что и номер фрейма системы (SFN), т.е. один раз каждые 10 мс. Каждый логический канал шифруется по отдельности. Подробно шифрование описывается в спецификацииSGPPTS33.102 [10].

• Выбор класса обслуживания доступа (ASC) для передачи RACH. РесурсыPRACH(т.е. слоты доступа и сигнатуры преамбулы дляFDD) можно разделить между различными классами обслуживания доступа для того, чтобы обеспечивать различные приоритеты использованияRACH. Максимальное число ASCs равно 8. MAC указывает на класс ASC, связанный с PDU для физического уровня.

7.3.3 Логические каналы

Услуги по передаче данных на уровне MACобеспечиваются по логическим каналам. Определено множество логических каналов для различных видов услуг по передаче данных, предоставляемыхMAC. Каждый тип логического канала определяется видом передаваемой информации. Общая классификация логических каналов делится на две группы: каналы управления, которые используются для передачи информации в плоскости управления, и каналы передачи трафика для передачи информации в плоскости пользователя.

Каналы управления подразделяются на:

• Широковещательный канал управления (BCCH). Нисходящий канал для информации об управлении широковещательной системой.

• Канал управления поисковым вызовом ( PCCH). Нисходящий канал, который передает информацию поискового вызова.

• Выделенный канал управления (DCCH). Двусторонний двухпунктовый канал, который передает выделенную информацию управления междуUEи сетью. Этот канал устанавливается во время процедуры установления соединенияRRC.

• Общий канал управления (CCCH). Двунаправленный канал для передачи информации между сетью иUEs(абонентскими устройствами). Этот логический канал всегда преобразуется в транспортные каналыRACH/FACH. Требуется длинный идентификаторUEUTRAN(U-RNTI) для того, чтобы можно было направлять восходящие сообщения на правильный обслуживающий контроллер радиосети (RNC), если дажеRNC, принимающий сообщения, не является обслуживающимRNCэтогоUE.

Каналы передачи трафика подразделяются на:

• Выделенный информационный канал (DTCH). DTCH – это канал между двумя пунктами, выделенный какому-то абонентскому оборудованию (UE) для передачи информации пользователя. DTCH может быть восходящим и нисходящим.

• Общий информационный канал передачи трафика (CTCH). Однонаправленный канал от одной точки ко многим точкам для передачи выделенной информации пользователя для всех или группы определенных устройствUEs.

7.3.4. Взаимосвязи между логическими и транспортными каналами

На рис. 7.3 показаны взаимосвязи между логическими и транспортными каналами.

Рис. 7.3. Взаимосвязи между логическими и транспортными каналами

в восходящем и нисходящем направлениях.

Между логическими и транспортными каналами существуют следующие взаимосвязи:

• PCCHподключается кPCH.

• BCCHподключается кBCHи может быть также подключен кFACH.

• DCCH и DTCH могут быть подключены либо к RACH и FACH, к CPCH и FACH, к RACH и DSCH, к DCH и DSCH, либо к DCH и DCH.

• CCCHподключается кRACHиFACH.

• CTCHподключается кFACH.

7.3.5. Пример потока данных, передаваемого на уровне MAC

Для иллюстрации работы на уровне MAC в блок-схеме 7.4 показаны функции MAC, когда данные обрабатываются на этом уровне. Для того, чтобы рисунок был доступен для чтения, выбирается передающий объект со стороны сети, а транспортные каналы RACHиCPCHв восходящем направлении опускаются. В правой части рисунка описывается построение блока протокольных данныхMACPDUв том случае, когда пакет, принимаемый от логического канала DCCH или DTCH, обрабатывается функциями MAC, которые показаны в левой части рисунка. В этом примереMACPDUнаправляется к транспортному каналуFACH.

Пакет данных, поступающий из логического канала DCCH/DTCH, прежде всего, запускает выбор типа транспортного канала на уровнеMAC. В этом примере выбирается транспортный каналFACH. На следующем этапе мультиплексное устройство добавляет полеC/T, указывающее на пример логического канала, где подготавливаются данные. Для общих транспортных каналов, таких какFACH, всегда требуется это поле. Для выделенных транспортных каналов (DCH) оно необходимо только, если в нескольких примерах логических каналов устанавливается конфигурация для использования одного и того же транспортного канала. ПолеC/Tимеет 4 бита, которые допускают наличие до 15 одновременных логических каналов на транспортный канал (значение «1111» для поляC/Tрезервируется для будущего использования).

Дескриптер (селектор) приоритетов для FACH и DACH устанавливается в MAC-d, и используется MAC-c/sh при планировании передачи данных транспортным каналам. Приоритет для FACH может быть установлен на UE; для DSCH (совмещенного нисходящего канала), он может быть установлен на PDU. Функция управления потоком необходима для ограничения буферизации между MAC-d и MAC-c/sh (которые могут размещаться даже в различных RNCs). После приема данных от MAC-d объект MAC-c/sh вначале добавляет тип идентификации UE (2 бита), фактическую идентификацию UE (C-RNTI 16 бит или U-RNTI 32 бита) и поле типа заданного канала (TCTF, в этом примере 2 бита), которое необходимо для разделения типов логического канала, использующих транспортный канал (для FACH возможными видами логического канала могли бы быть BCCH, CCCH, CTCH или DCCH (DTCH). Теперь MAC PDU готово, и задачей для функции управления планированием/приоритетом является возможность принятия решения о точной синхронизации, когда PDU передается на Уровень 1 через транспортный канал FACH (с указанием использования транспортного формата).

7.4. Протоколы управления радиоканалом

Протоколы управления радиоканалом [6] обеспечивают услуги сегментации и повторной передачи для передачи данных пользователя и управления. В каждый момент времени RLC конфигурируется для работы в одном из трех режимов: прозрачный режим (Tr), неподтвержденный режим (UM) или режим работы с подтверждением приема (AM). Услуга, которуюRLCобеспечивает в плоскости управления, называется Радиоканалом сигнализации (SRB). В плоскости пользователя услуга, которую обеспечивает RLC, называется Широкополосным радиоканалом (RB), если только протоколы PDCP и BMC не используются этой услугой; в противном случае услуга RB обеспечивается PDCP или BMC.

Рис. 7.4. Объект MAC на стороне UTRAN (левая часть рисунка) и построение

MAC PDU в том случае, когда данные, принимаемые от DACH или

DCCH, преобразуются в FACH (правая часть рисунка).

7.4.1. Архитектура уровня управления радиоканалом (RLC)

На рис. 7.5 показана архитектура уровня RLC.

Показаны все три типа элементов RLCи их связь сRLC-SAPs(точками доступа к услугам управления радиоканалом) и с логическими каналами (MAC-SAPs). Отметим, что элементыRLC, работающие в прозрачном и неподтвержденном режимах, определяются как однонаправленные, тогда как элементы режима работы с подтверждением приема описываются как двунаправленные.

Рис. 7.5. Архитектура уровня RLC.

Для всех режимов RLCобнаружение ошибок с помощьюCRC(проверочной комбинации кода) осуществляется на физическом уровне, и результат проверкиCRCдоставляется вRLCвместе с фактическими данными.

В прозрачном режименикакие дополнительные затраты на протоколы не вводятся в данные более высокого уровня. Блоки протокольных данных (PDUs) с ошибками можно отбросить или пометить как блоки с ошибками. Передача может быть типа потока, в котором данные более высокого уровня не сегментируются, хотя в особых случаях может быть выполнена передача с ограниченной сегментацией/возможностью компоновки. В том случае, когда используется сегментация/компоновка, ее следует оговаривать в процедуре установления широкополосногоB-канала. Классы обслуживания по качеству дляUMTS, включая классы потокового взаимодействия, представлены в главе 2.

В неподтвержденном режименикакие протоколы повторной передачи не используются, и доставка данных не гарантируется. Принимаемые данные с ошибками либо маркируются, либо отбрасываются в зависимости от конфигурации. На стороне отправителя применяется отбрасывание, основанное на таймере, без применения явной функции сигнализации таким образом, чтоRLCSDUs, которые не передаются в пределах определенного временного интервала, просто удаляются из буфера передачи. СтруктураPDUвключает порядковые номера для того, чтобы можно было соблюдать целостность блоков протокольных данных (PDUs) более высокого уровня. Сегментация и сочленение обеспечиваются с помощью полей заголовков, добавляемых к данным. ОбъектRLCв неподтвержденном режиме определяется как однонаправленный, потому что никакой связи не требуется между восходящим и нисходящим каналами. Например, неподтвержденный режим используется для определенных процедур сигнализацииRRC. Примерами услуг пользователей, в которых может использоваться неподтвержденный режимRLC, являются широковещательная услуга ячейки (см. раздел 7.6) и передача речи черезIP(VoIP= речь через сетевой интерфейс).

В режиме работы с подтверждением приемадля исправления ошибок используется механизм автоматического перезапроса данных (ARQ). Характеристику зависимости качества от задержкиRLCможно контролировать с помощьюRRCчерез конфигурацию числа повторений передачи, обеспечиваемыхRLC. В том случае, когдаRLCне может доставлять данные правильно (достигнуто максимальное число ретрансляций или превышено время передачи), верхний уровень оповещается, иSDU(служебный блок данных)RLCотбрасывается. Кроме того, равноправный элемент информируется об операции отбрасыванияSDUпутем передачи команды «Переместите приемное окно» (в сообщенииSTATUS) с тем, чтобы приемник также переместил всеAMDPDUs, относящиеся к отброшенномуRLCSDU. ЭлементRLCв режиме работы с подтверждением приема является двунаправленным и может вкрапливать передачу запросов и ответов о состоянии линии в противоположном направлении в данные пользователя.RLCможет конфигурироваться для последовательной доставки или для внеочередной. При последовательной доставке поддерживается порядокPDUsболее высокого уровня, тогда как при внеочередной доставкеPDUsболее высокого уровня передаются, как только они полностью приняты. Помимо доставки PDUs могут осуществляться процедуры управления состоянием и сбросом между равноправными элементами RLC. Процедуры управления могут даже использовать отдельный логический канал. Таким образом, один объект AM RLC может использовать либо один, либо два логических канала. Режим работы с подтверждением приема является нормальным режимом RLC для услуг типа передачи пакетов, таких, как например, просмотр информации в Internet и загрузка электронной почты (по линии связи).

7.4.2. Функции RLC

Функциями уровня RLCявляются:

• Сегментация и компоновка. Эта функция предусматривает сегментацию/компоновкуPDUsболее высокого уровня с переменной длиной в меньшие блоки полезной нагрузки (PUs)RLC. ОдинRLCPDUпередает одинPU. РазмерRLCPDUустанавливается в соответствии с наименьшей возможной битовой скоростью для обслуживания с использованием элементаRLC. Таким образом, для услуг с переменной скоростью необходимо, чтобы передавалось несколькоRLCPDUsв течение одного временного интервала передачи с использованием любой битовой скорости, кроме самой низкой.

• Конкатенция – сочленение. Если содержимоеRLCSDUне заполняет целоеRLCPUs, то первый сегмент последующегоRLCBDUможет быть помещен вRLCPUпри сочленении с последним сегментом предыдущегоRLCSDU.

• Заполнение. В том случае, когда сочленение не приемлемо, и оставшиеся для передачи данные не заполняют весьRLCPDUданного размера, остаток поля данных замещается битами заполнения.

• Передача данных пользователя.RLCподдерживает передачу данных с подтверждением приема, неподтвержденную передачу и прозрачную передачу данных. Передача данных пользователя контролируется значением параметра качества обслуживания.

• Исправление ошибок.Эта функция обеспечивает исправление ошибок путем повторной передачи в режиме с подтверждением приема.

• Последовательная доставка PDUs более высокого уровня.Эта функция сохраняет на более высоком уровне порядок доставкиPDUs, которые представлялись для передачи с помощьюRLC, при использовании услуги передачи данных с подтверждением приема. Если эта функция не используется, то обеспечивается внеочередная доставка.

• Обнаружение дублирования. Эта функция позволяет обнаружить дублированныеPDUs, принимаемыеRLC, и гарантирует, что полученноеPDUболее высокого уровня доставляется только один раз на более высокий уровень.

• Управление потоком. Эта функция позволяет приемникуRLCуправлять скоростью, с которой равноправные элементы передачиRLCмогут передавать информацию.

• Проверка порядкового номера (режим передачи неподтвержденных данных).Эта функция гарантирует целостность скомпонованныхPDUsи обеспечивает обнаружение искаженныхSDUsRLCпутем проверки порядкового номера вPDUsRLC, когда они компонуются вSDURLC. ИскаженныеSDURLCотбрасываются.

• Обнаружение и исправление ошибок протокола.Эта функция обнаруживает и исправляет ошибки при исполнении протоколовRLC.

• Шифрование.Оно выполняется на уровнеRLCдля подтвержденного и неподтвержденного режимовRLC. Используется тот же алгоритм шифрования, что и для шифрования на уровнеMAC, при этом единственным различием является входной параметр, изменяющийся во времени (COUNT) для алгоритма, который дляRLCувеличивается вместе с ростом номеровRLC/PDU. Для повторной передачи используется тот же параметр шифрованияCOUNT, что и для исходной передачи, (что приводит к одной и той же маске шифрования); такого не было бы, если бы шифрование осуществлялось на уровнеMAC. Подобная маска важна для повторной передачи, например, для автоматического перезапроса (ARQ) гибридного типа II, являющейся функцией, которая вероятно будет включена в версию-2000 стандарта 3GPP. Подробные сведения о шифровании описываются в спецификации 3GPPTS.33.102 [10].

• Функция перевода в состояние временной приостановки возобновления вызова для передачи данных.Приостановка необходима во время процедуры управления режимом безопасности, так что одни и те же шифровальные ключи всегда используются равноправными объектами.RRCкомандует процедурами приостановки и возобновления вызовов через интерфейс управления.

7.4.3 Пример передачи потока данных на уровне RLC

В этом разделе показано, как пакеты данных передаются на уровне RLC. На рис. 7.6 приведена упрощенная блок-схема объектаAM-RLC. На рисунке показано только, как можно построитьAMDPDU. На нем не показано, как строятся отдельныеPDUsуправления между объектамиRLC(status,reset).

Пакеты данных (RLC SDUs), принятые от более высоких уровней через AM-SAP, делятся на сегменты и/или объединяются в блоки с полезной информацией (PU) фиксированной длины. Длина PU– это полустатическое значение, решение о котором принимается при выбореB-канала, и поэтому она может изменяться только через процедуру реконфигурации (RRC)B-канала. В целях сочленения или заполнения биты, переносящие информацию о длине и расширении, вводятся в начало последнегоPU, куда включаются данные изSDU. Если в одноPDUвходит несколькоSDUs, они подключаются покаскадно, и индикаторы соответствующей длины помещаются в началеPU. ДалееPUsразмещаются в передающем буфере, который в этом примере также участвует в управлении повторной передачей.

RLCAMDPDUконструируются путем взятия одногоPUиз передающего буфера, добавления заголовка для него и, если данные вPUне заполняют весьRLCAMDPDU, то добавляется поле заполнения (PAD) или сообщение о возможном статусе. Сообщение о вложенном статусе может поступать либо с приемной стороны (если равноправный элемент запросил сообщение о состоянии), либо с передающей стороны для указания на отбросRLCSDU. Заголовок содержит порядковый номер (SN)RLCSDU(12 бит дляAM-RLC), бит опросаP(который используется для запроса статуса от равноправного элемента) и необязательный указатель длины (7 или 15 бит), который применяется, если вRLCPDUимеет место сочленениеSDUs, наполнение илиPDUс вложенным статусом.

Далее RLCPDUшифруется, исключая два первых октета блока протокольных данныхAM-RLC, который включает порядковый номер (SN)PDUи бит опроса (P). Порядковый номерPDU– это параметр на входе в алгоритм шифрования (формирующий младшие биты параметраCOUNT), и его должен считывать равноправный элемент, чтобы выполнить расшифровку. Подробные сведения о процессе шифрования описываются в спецификации 3GPPTS 33.102.

Рис. 7.6. Упрощенная блок-схема элемента RLC AM.

После этого PDUготов для передачи на уровеньMACчерез логический канал. На рис. 7.6 дополнительные логические каналы обозначаются пунктирными линиями, что указывает на то, что один объектRLCможет конфигурироваться для передачиPDUsуправления иPDUsпередачи данных, используя различные логические каналы. Однако отметим, что на рис. 7.6 не показано, как строятся отдельныеPDUsуправления.

Приемная сторона объекта AMпринимаетRLCAMDPDUsчерез один из логических каналов от подуровняMAC. Ошибки проверяются с помощью проверочной комбинации кода (CRC) (на физическом уровне), которая вычисляется по всемуPDURLC. Фактическая проверкаCRCвыполняется на физическом уровне, и объектRLCпринимает результат этой проверкиCRCвместе с данными. После расшифровки вся информация о заголовке и о возможном вложенном статусе может быть извлечена изRLCPDU. Если принятыйPDUбыл управляющим сообщением или если информация о статусе была вложена вAMDPDU, тогда управляющая информация (сообщениеSTATUS) доставляется на передающую сторону, которая будет проверять свой буфер повторной передачи относительно принимаемой информации о статусе. НомерPDUиз заголовкаRLCнеобходим для расшифровки, а также при накоплении расшифрованногоPUв приемном буфере. Когда всеPUs, принадлежащие полномуSDU, оказываются в приемном буфере,SDUснова собирается. После этого (не показано на рисунке) выполняются проверки последовательной доставки и обнаружения дублирования перед тем, как доставитьRLCSDUна более высокий уровень.