5G NR：MAC 子层
| 2.7 MAC 子层 |
MAC（Media Access Control）子层主要负责逻辑信道和传输信道的承接以及对无线资源的调度。
MAC 子层给上层提供的服务主要有如下几个。
- 数据传输，这里隐含了对上层数据的处理，如优先级处理、逻辑信道数据复用等。
- 无线资源分配与管理，包括调制与编码策略（MCS，Modulation and Coding Scheme）的选择、数据在物理层传输格式的选择，以及无线资源的使用管理等。
相应地，MAC 子层期待物理层为其提供的服务主要有如下几个。
- 数据传输，MAC 子层通过传输信道访问物理层的数据传输服务，而传输信道的特征通过传输格式进行定义，它指示物理层如何处理相应的传输信道，例如信道编码、交织、速率匹配等。
- HARQ 反馈。
- 调度请求（SR，Scheduling Request）信令。
- 测量，如信道质量 CQI、预编码矩阵 PMI 等。
2.7.1 MAC 子层功能
MAC 子层的功能具体包括：
（1）逻辑信道和传输信道之间的映射；
（2）复用和解复用；
（3）调度信息报告；
（4）HARQ 纠错；
（5）逻辑信道优先级处理。
其中，MAC 子层的复用功能是指将一个或多个 MAC SDU 复用到一个传输块（TB，Transport Block）上并传输给物理层的过程，解复用则是将 TB 分解为多个 MAC SDU 并传递给一个或多个逻辑信道的反向过程。
MAC 子层实体及功能如图 2-28 所示。
当网络配置了双连接（DC，Dual Connectivity）时，主小区组（MCG，Master Cell Group）和辅小区组（SCG，Secondary Cell Group）的 MAC 子层实体如图 2-29 所示。
2.7.2 逻辑/传输信道及其映射
MAC 子层通过逻辑信道为 RLC 子层提供服务。逻辑信道主要根据承载的信息类型进行定义，因而不存在上下行的区分关系。逻辑信道一般分为两类，即控制信道和业务信道。
控制信道用于控制面信息的传输，包含以下逻辑信道。
- 广播控制信道（BCCH）：广播系统控制消息的下行信道，用于在 UE接入网络前传输 UE 所需的控制和配置信息。
- 寻呼控制信道（PCCH）：转发寻呼消息和系统信息变更的下行信道，用于对网络未知其小区级位置的 UE 进行寻呼，一般需要同时在多个小区内进行发送。
- 公共控制信道（CCCH）：用于与随机接入相关控制信息的传输（RRC连接建立前）。
- 专用控制信道（DCCH）：用于 UE 与网络间控制消息的传输（RRC 连接建立后），该信道对 UE 进行独立配置。
业务信道用于用户面信息的传输，包含以下逻辑信道：
- 专用业务信道（DTCH）：用于特定 UE 与网络间用户业务数据的传输。相比 LTE 的逻辑信道，在 R15 中，NR 取消了多播控制信道（MCCH）和多播业务信道（MTCH）。原因主要在于，多播业务的优先级相对其他业务较低，未获得 3GPP 成员足够的支持，但不排除后续 NR 版本继续引入多播信道的可能性。
MAC 子层采用来自物理层的、以传输信道的形式表示的服务。传输信道主要是根据信息如何传输以及传输格式（TF，Transport Format）进行区分的。TF包含了有关传输块（TB）的大小、调制方式和天线映射等信息。通过不同 TF的选用，可以实现不同的 MAC 层传输数据速率。
传输信道一般根据上下行关系分为下行传输信道和上行传输信道。
下行传输信道具体包括以下几类。
- 广播信道（BCH）。用于传输部分 BCCH 系统消息，也即 MIB（Master Information Block）消息。该信道采用规范预定义的固定传输格式，一般在整个小区的覆盖区域内广播。
- 寻呼信道（PCH）。用于传输来自 PCCH 的寻呼消息。该信道支持不连续接收（DRX），允许 UE 只在网络预定义的时间间隔内唤醒以接收寻呼，从而达到节电的目的。PCH 也要求在整个小区的覆盖区域内进行广播。
- 下行链路共享信道（DL-SCH）。NR 下行链路数据传输所采用的主要传输信道。该信道支持 NR 的主要特征，包括链路自适应、带有软合并的 HARQ、波束赋形等。此外，DL-SCH 也被用于传输部分 BCCH 系统消息，也即 SIB（System Information Block）消息。
上行传输信道具体包括以下几类。
- 随机接入信道（RACH）。名义上归属传输信道，但实际并不携带传输块，只承载有限的控制信息，具有冲突碰撞的特征。
- 上行链路共享信道（UL-SCH）。NR 上行链路数据传输所采用的主要传输信道，是 DL-SCH 的对等体，具有相类似的特征。
MAC 子层的部分功能是不同逻辑信道的复用以及逻辑信道对应传输信道的映射，具体映射关系如图 2-30 所示。
可见，PCCH 与 PCH 是一对一映射的关系。BCCH 上的 MIB 消息映射到 BCH，而 SIB 消息映射到 DL-SCH。CCCH、DCCH 和 DTCH 则对应映射到 UL/DL-SCH。
2.7.3 资源调度
NR MAC 子层的核心功能之一是无线资源调度。gNB MAC 子层的调度器（Scheduler）根据上下行信道的无线链路状态为 DL-SCH 和 UL-SCH 进行时频资源的动态分配。此外，调度器也决定了每条链路上可达的数据速率。因此，调度器在很大程度上决定了整体上下行链路的系统性能，尤其是对于高负荷网络。
NR 上下行链路的调度是独立进行的。如图 2-31 所示，下行链路调度器负责动态地控制 UE 进行发送，并为每个 UE 分配相应的 DL-SCH 上的资源块集合。下行链路的传输格式（TF）以及逻辑信道的复用，均是由 gNB 进行控制的。作为调度器控制数据速率的结果，RLC 子层的分割和 MAC 子层的复用也都将受到调度决策的影响。上行链路调度器负责控制 UE 在相应 UL-SCH 的时频资源上进行发送。需要指出的是，虽然 gNB 调度器为 UE 指定了传输格式，但是上行链路调度决策实际上是基于每个 UE 而非每个无线承载来实现的。因此，数据传输所采用的无线承载，还是由 UE 自行控制，这也意味着上行链路逻辑信道复用的功能处于 UE 的 MAC 子层。
尽管 R15 并未规定调度策略的具体实现，但调度器的最终目的无非是跟踪信道的时域和频域变化，使 UE 调度在具有良好信道状况的资源上进行传输。这种方式称为信道相关调度（Channel-dependent Scheduling）。
下行信道相关调度通常基于信道状态指示参考信号（CSI-RS）的测量。CSI测量报告既可以反映时域和频域的瞬时信道质量，又可以在空分复用条件下提供决定相应天线处理所需的信息。上行信道相关调度通常基于探测参考信号（SRS）进行信道估计。SRS 发自每个 UE，gNB 通过 SRS 的测量为每个 UE 预测上行信道链路质量。对于参考信号的具体细节，留待后续讨论。
2.7.4 HARQ
HARQ 也是 NR MAC 子层的核心功能之一。与 LTE 类似，带有软合并功能（Soft Combining）的 HARQ 是 NR 有效对抗传输错误、提高系统可靠性的重要机制。需要特别说明的有两点，其一，实际的软合并是由物理层控制的；其二，HARQ 并非适用于所有的业务。例如，广播信道所携带的信息是多个用户所需的公共信息，通常并不依赖于 HARQ 来保证传输可靠性。因此，HARQ只支持 DL-SCH 和 UL-SCH。
NR HARQ 协议上下行均支持最大 16 个并发的停等（Stop-and-Wait）进程，具体由高层 RRC 配置。如果高层未提供对应的配置参数，则下行缺省的 HARQ进程数为 8，上行的最大进程数始终为 16。
基于传输块（TB）的接收，接收机尝试对 TB 进行解码并通过单一确认比特 ACK/NACK 告知发射机有关解码操作的结果，以指示解码成功或是否需要进行重传。显然，接收机必须知道接收到的 ACK/NACK 确认信息具体与哪个HARQ 进程相对应。这可以通过确认信息定时与某一特定 HARQ 进程相关的方法，或者通过确认信息在 HARQ 码本中位置的方法（针对同一时间存在多个确认信息传输的情况）来实现。
与 LTE 不同，NR 上下行链路采用的都是异步 HARQ。在异步 HARQ 协议中，初始传输之后的任意时间内都有可能存在上行/下行链路重传，并且直接采用 HARQ 进程数来指示当前被关注的是哪一个特定进程。原则上，被调度的重传与初始传输的处理过程相类似。NR 上行链路不采用同步 HRAQ 而改用异步HARQ 的原因，一方面是为了缩短等待时延；另一方面是为了更好地支持动态TDD 技术的应用。由于在动态 TDD 下，不存在固定的上下行配置，因而继续采用同步 HARQ 将带来极大的操作复杂性。
注意，LTE 仅支持最大 5 个 HARQ 进程（FDD 模式下）或 15 个 HARQ 进程（TDD 模式下）。显然，NR 支持更大的进程数。这主要是为了迎合高频小站场景下的低处理时延需求。这里可能存在疑惑，直觉上可能会认为，更多的HARQ 进程会引起更大的往返时延。实际上，并不是所有的进程数都会被应用。16 个 HARQ 进程的设计只是限定了重传次数的上限，并且带来了更多的重传版本的选择。
此外，需要说明的是，MAC 子层 HARQ 机制与 RLC 子层重传机制的侧重有所不同。HARQ 机制可以提供快速重传，但由于反馈出错而产生的残留出错率通常是比较高的。而 RLC 重传机制可以保证无错的数据发送，但在重传速度方面的表现不如 HARQ。因而，HARQ 与 RLC 重传功能互为补充，可以实现较小往返时延与可靠数据传送的良好结合。
2.7.5 NR 与 LTE MAC 子层对比
NR 与 LTE MAC 子层的功能及处理流程大同小异。表 2-2 从提供给上层的服务、MAC 子层功能、期望物理层提供的服务 3 个方面，对比总结了二者的异同。
