MAC結構和功能
E-UTRA提供了兩種MAC實體，一種是位於UE的MAC實體，一種是位於E-UTRAN的MAC實體。UE的MAC實體與E-UTRAN的MAC實體執行不同的功能，圖1從UE的角度給出一種MAC實體結構。
根據圖1，UE側MAC層功能包括以下幾個部分。
（1）邏輯信道與傳輸信道之間的映射。
（2）將來自一個或多個邏輯信道的MACSDU復用到一個傳輸塊（TB），通過傳輸信道發給物理層。
（3）將一個或多個邏輯信道的MACSDU解復用，這些SDU來自於物理層通過傳輸信道傳送的TB。
（4）調度信息上報。
（5）通過HARQ進行錯誤糾正。
（6）通過動態調度在UE之間進行優先權操作。
（7）同一個UE的邏輯信道間進行優先權的操作。
（8）邏輯信道優先權排序。
（9）傳輸格式選擇。
LTE MAC層圖1UE側MAC實體結構
信道及信道映射
MAC涉及的信道結構包括3方面內容：邏輯信道、傳輸信道和邏輯信道與傳輸信道之間的映射。傳輸信道是MAC層和物理層的業務接入點，邏輯信道是MAC層和RLC層的業務接入點。
傳輸信道包括以下這些。
下行方向：
BCH，廣播信道；
DL-SCH，下行共享信道；
PCH，尋呼信道；
MCH，多播信道。
上行方向：
UL-SCH，上行共享信道；
RACH，隨機接入信道。
邏輯信道分為業務信道和控制信道，其中控制信道包括以下這些。
BCCH，廣播控制信道；
PCCH，尋呼控制信道；
CCCH，公共控制信道；
MCCH，多播控制信道；
DCCH，專用控制信道。
業務信道包括以下這些。
DTCH，專用業務信道；
MTCH，多播業務信道。
上行信道映射如圖2所示。
LTE MAC層圖2上行信道映射
下行信道映射如圖3所示。
LTE MAC層圖3下行信道映射
隨機接入過程
3.1隨機接入過程產生的原因和分類
LTE系統的隨機接入過程產生的原因包括以下幾種。
（1）從RRC_IDLE狀態接入。
（2）無線鏈路失敗發起隨機接入。
（3）切換過程需要隨機接入。
（4）UE處於RRC_CONNECTED時有下行數據到達。
（5）UE處於RRC_CONNECTED時有上行數據到達。
異步隨機接入根據隨機接入過程的不同分為2種：基於競爭的隨機接入和無競爭的隨機接入。即如果前導碼（Preamble）由UE的MAC選擇，則為基於競爭的隨機接入；如果Preamble由控制信令分配，則為無競爭的隨機接入，上述5種隨機接入的原因中只有切換和有下行數據到達可以使用無競爭隨機接入過程。用於競爭的Preambles和無競爭的Preambles歸屬不同的分組，互不衝突。LTE系統將基於競爭的隨機接入過程作為研究重點。
3.2隨機接入過程分析和比較
基於競爭的隨機接入過程如圖4所示。
1．隨機接入過程初始化以及Msg1的傳送
隨機接入過程初始化由PDCCH命令或MAC子層發起。如果UE在PDCCH上接收到通過其C-RNTI定址的PDCCH命令，UE初始化隨機接入過程。PDCCH命令或RRC指示隨機接入過程進行資源選擇時用到Preamble索引ra-PreambleIndex，該索引共64個；以及物理層隨機接入信道索引ra-PRACH-MaskIndex，該索引共16種。
在隨機接入過程初始化之前，可以獲知如下信息。
（1）用於傳送隨機接入Preamble的PRACH資源，prach-ConfigurationIndex。
（2）隨機接入Preamble分組（A組和B組，可能不存在B組）以及每組中可用的隨機接入Preamble。A組和B組及其中的Preamble各自關係如圖5所示。
LTE MAC層圖4基於競爭的異步的隨機接入過程
LTE MAC層圖5隨機接入Preambles組示意圖
如果sizeOfRA-PreamblesGroupA=numberOfRA-Preambles，則不存在B組。A組中的preamble由0到sizeOfRA-PuesmblesGuoupA−1；如果存在B組，則B組中的preamble由sizeOfRA-PuesmblesGuoupA到numberOfRA-Preambles−1。
如果隨機接入Preamble存在B組，則在以下幾個條件的約束下，在兩組preamble中選定一組。需考慮的約束條件包括：兩個門限值，即messagePowerOffsetGroupB和messageSizeGroupA，配置的UE傳送功率PCMAX，以及preamble與Msg3之間的偏移deltaPreambleMsg3。
（3）隨機接入回響視窗大小（ra-ResponseWindowSize）。
（4）功率遞增因子（powerRampingSiep）。
（5）Preamble最大傳送次數（preambleTransMax）。
（6）Preamble初始功率（preambleInitialReceivedTargetPower）。
（7）基於偏移量DELTA_PREAMBLE的preamble格式。
（8）Msg3最大HARQ傳送次數（maxHARQ-Msg3Tx）。
（9）競爭解決定時器（mac-ContentionResolutionTimer）。
隨機接入初始階段UE完成如下過程。
（1）清空Msg3快取。
（2）將PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER置為1。
（3）將UE保存的backoff參數值置為0ms。
（4）進入隨機接入資源選擇階段。
在隨機接入資源選擇階段，UE完成以下過程。
（1）如果ra-PreambleIndex和ra-PRACH-MaskIndex通過PDCCH或RRC信令顯示指示，並且ra-PreambleIndex不為000000，即該隨機過程為無競爭的，那么認為隨機接入Preamble和PRACHMASKIndex為信令指示的值。否則，隨機接入Preamble由UE按如下過程選擇。
①如果還沒有傳送Msg3，那么如果隨機接入groupB存在，並且如果可用數據與MAC頭以及MAC控制單元之和大於messageSizeGroupA，並且路損小於
那么選擇B組中的隨機接入Preamble；否則，選擇A組。
②如果Msg3重傳，那么UE選擇Msg3第一次傳送所用的隨機接入Preamble分組。
③在選擇的隨機接入Preamble分組中隨機選擇一個隨機接入Preamble，隨機選擇需要保證每個隨機接入Preamble被選擇的機率相同。
④設PRACHMaskIndex為0。
（2）根據prach-ConfigIndex和thePRACHMaskIndex的限制，確定下一個配置了可用PRACH的子幀。
①如果當前為TDD系統，並且PRACHMaskIndex=0（所有的PRACH資源均可用）。
（a）如果ra-PreambleIndex由信令顯示指示，並且其值不為000000，即當前隨機過程為無競爭的隨機過程，則在選定的子幀中等機率隨機選擇一個PRACH。
（b）如果ra-PreambleIndex由MAC隨機選擇，即當前隨機過程為基於競爭的隨機過程，則在選定的子幀及其後兩個連續的子幀中，隨機選擇一個PRACH，每個PRACH資源被選擇的機率要保證均等。
②如果當前為FDD系統，或者TDD系統PRACHMaskIndex不為0的情況，根據PRACHMaskIndex在選定的子幀中選擇一個PRACH。
③在選擇的PRACH上傳送隨機接入Preamble。
進入Msg1傳送過程的UE，進行如下處理。
（1）設定PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER為
（2）指示物理層用選擇的PRACH資源，根據6比特的ra-PreambleIndex傳送隨機接入Preamble，同時指示該UE的RA-RNTI和PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER。
2．隨機接入Msg2的接收
Msg2即隨機接入回響（RAR），是對Msg1的回響。UE通過視窗機制控制Msg2的接收。忽略可能的測量gap，由傳送Msg1的子幀起加上3個子幀作為視窗的起始點，UE開始監聽PDCCH上通過其RA-RNTI的定址，進行Msg2的接收；經過ra-ResponseWindowSize子幀，認為到達視窗結束點，停止Msg2的接收。RA-RNTI按下式計算。
其中，t_id為PRACH資源的第一個子幀的索引，0≤t_id<10；f_id為傳送Msg1的PRACH資源的頻域升序的索引，0≤f_id<6。
在Msg2的接收視窗內，如果UE成功接收RAR，即RAR中攜帶的隨機接入Preamble索引與Msg1的傳送一致，則停止監聽RAR。
對於當前TTI在PDCCH上通過UE的RA-RNTI定址被接收的下行分配，如果成功解碼接收的TB，UE應忽略可能的測量gap，進行以下處理。
（1）如果RAR中包含一個BI子頭（詳見3.3.10.2節），那么按照BI子頭中的BI域指示的值來設定UE的回退參數。
（2）如果RAR中沒有包含BI子頭，則將UE的回退參數設為0。
（3）如果RAR中包含的RAPID與傳送Msg1時MAC指示給物理層的Preamble索引相同。
①UE認為RAR接收成功。
②按以下過程處理接收到的定時提前命令。
（a）如果隨機接入Preamble不是由UEMAC選擇，那么套用當前接收的定時提前命令；啟動或重啟定時器timeAlignmentTimer。
（b）如果隨機接入Preamble由UEMAC選擇，並且定時器timeAlignmentTimer沒有計時，那么套用當前接收的定時提前命令；啟動定時器timeAlignmentTimer；當確認競爭解決失敗時，停止定時器timeAlignmentTimer。
（c）如果隨機接入Preamble由UEMAC選擇，並且定時器timeAlignmentTimer正在計時，則忽略當前接收的定時提前命令。
③將preambleInitialReceivedTargetPower以及最後一次preamble傳送使用的功率爬坡量
指示給物理層。
④處理接收的上行資源授權並將該授權指示給物理層。
⑤如果ra-PreambleIndex通過信令顯式通知，並且該參數不為000000，即當前隨機過程為無競爭的隨機過程，那么認為該隨機接入過程已成功完成。
⑥隨機接入Preamble由UEMAC層選擇，即當前隨機過程為基於競爭的隨機過程，完成以下過程。
（a）在進行Msg3的首次傳送前將接收到的RAR中分配的臨時C-RNTI（TemporaryC-RNTI）設定為UEID。
（b）如果當前接收的RAR為本次隨機接入過程中的首次成功接收，完成以下過程。
如果本次隨機接入過程的觸發原因不是邏輯信道CCCH上有數據需要傳送，則在Msg3傳送時，將C-RNTIMAC控制單元包括進復用和裝配實體中。
由復用和裝配實體獲取MACPDU，並將其存儲在Msg3的快取中。
考慮到隨機接入過程可能的觸發原因，以及各種觸發原因對應的Msg3格式，RAR中提供的上行資源授權不應小於56比特。
如果RAR接收視窗結束，UE都沒有收到RAR，或者UE收到的RAR中攜帶的RAPID與其傳送的Preamble索引都不相符，則認為本次隨機接入過程失敗，UE進行以下操作。
（1）將PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER加1。
（2）如果PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER已達到最大值，則向高層報告隨機接入失敗。
（3）如果本次隨機接入過程的隨機接入Preamble由UEMAC選擇，完成以下過程。
①根據UE保存的回退參數，在0和回退參數值之間，隨機選擇一個回退值；
②按照選擇的回退值延遲下一次隨機接入的傳送。
（4）按照上節的資源選擇過程，進行隨機接入資源選擇。
3．隨機接入Msg4的接收
Msg4主要用於競爭解決。當多個UE同時在物理資源使用相同的preamble發起隨機接入時，就會發生競爭，而此時競爭相同資源的UE最多只有一個UE能夠接入成功，因此為儘快解決UE之間的競爭，對Msg4接收可靠性的要求就比較高。Msg4採用特殊的HARQ過程，即UE接收到Msg4並檢測到Msg4中包含有自己的UEID（C-RNTI或Msg2中分配的TemporaryC-RNTI）時才給eNB傳送ACK反饋，如果沒有自己的UEID則不傳送ACK反饋。同時，LTE競爭解決機制在MAC層引入MACCR（ContentionResolution，競爭解決）定時器。
根據上述分析，在競爭解決的過程中，eNB首先通過Msg2中給UE分配的TemporaryC-RNTI定址或通過在DL-SCH傳送UEC-RNTI競爭解決ID的方式完成競爭解決。被定址的UE（傳送Msg3時啟動CR定時器，如果此時CR定時器沒有逾時）檢測Msg4中是否包含自己的UEID。如果有，則向eNB傳送ACK，並認為隨機接入成功，將Msg2中分配的TemporaryC-RNTI作為C-RNTI；如果UE檢測到Msg4包含的UEID與自己的UEID不同，則認為競爭失敗，刪除TemporaryC-RNTI，並根據是否採用回退機制確定下一次隨機接入的時機。
一旦Msg3傳送，則UE進行如下操作。
（1）啟動或在每次Msg3重傳時重啟mac-ContentionResolutionTimer，該定時器用於限定競爭解決的時間。
（2）不考慮可能存在的測量gap，在mac-ContentionResolutionTimer逾時或由於競爭解決成功而停止之前，保持監聽PDCCH。
（3）如果物理層通知接收到PDCCH上的傳送，則UE進行如下判決。
①如果在Msg3中攜帶了C-RNTIMAC控制單元，即認為該UE處於RRC連線狀態，並且如果隨機接入過程由MAC層發起，以及在PDCCH上通過UE的C-RNTI定址，同時為新數據傳送分配了上行資源授權；或者如果隨機接入過程由PDCCH命令發起，以及在PDCCH上通過UE的C-RNTI定址，那么認為本次競爭解決成功，同時停止mac-ContentionResolutionTimer、丟棄TemporaryC-RNTI、認為本次隨機接入過程成功完成。
②如果在Msg3中攜帶CCCHSDU，即Msg3傳送了RRC連線建立或重建請求，並且在PDCCH上通過UE的TemporaryC-RNTI定址。如果MACPDU成功解碼，則進行如下操作。
（a）停止mac-ContentionResolutionTimer。
（b）如果接收的MACPDU中帶有一個UEContentionResolutionIdentityMAC控制單元，並且如果UEContentionResolutionIdentityMAC控制單元中的訊息內容與Msg3中傳送的CCCHSDU相符，那么認為本次競爭解決成功，同時完成MACPDU的解裝配和解復用過程、將TemporaryC-RNTI設為該UE的C-RNTI、丟棄TemporaryC-RNTI、認為本次隨機接入過程成功完成。
（c）其他情況，UE丟棄保存的TemporaryC-RNTI，並且認為本次競爭解決失敗，丟棄成功解碼的MACPDU。
（4）如果mac-ContentionResolutionTimer逾時UE仍沒有收到Msg4的情況，進行如下操作。
①丟棄TemporaryC-RNTI。
②認為競爭解決失敗。
（5）如果競爭解決失敗，UE進行如下處理。
①清空HARQ快取，該快取用於存儲Msg3的MACPDU。
②將PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER加1。
③如果已到達最大傳送次數，即
，
則向高層上報隨機接入問題。
④根據UE保存的回退參數，在0和回退參數值之間，按照平均分布隨機選擇一個回退值。
⑤按照選擇的回退值延遲下一次隨機接入的傳送。
⑥按照3.3.3.2節的過程，選擇隨機接入資源。
成功完成隨機接入過程的UE應進行如下操作。
（1）如果在隨機接入初始化階段由PDCCH命令或RRC顯式指示了ra-PreambleIndex和ra-PRACH-MaskIndex，則丟棄上述兩個值。
（2）清空HARQ快取，該快取用於存儲Msg3的MACPDU。
維持上行同步
UE通過一個配置的定時器timeAlignmentTimer來控制其上行同步保持的時間。除了在隨機接入過程中會用到該定時器外，該定時器還有以下套用過程。
（1）當接收到一個定時提前命令MAC控制單元時，UE應完成以下過程。
①套用接收到的定時提前命令。
②啟動或重啟定時器timeAlignmentTimer。
（2）當定時器timeAlignmentTimer逾時，UE應完成以下過程。
①清空所有HARQ快取。
②通知RRC釋放PUCCH/SRS的配置。
③釋放所有配置的下行資源分配和上行資源授權。
數據傳輸
5.1下行數據傳輸
E-UTRAN在每個下行TTI內通過PDCCH給UE動態分配資源（包括PRB和MCS），UE識別通過C-RNTI實現。非DRX狀態下，UE持續監聽PDCCH以確定是否有針對它的調度信令。
在下行方向，數據緩衝區位於eNB，eNB可以準確地知道每個UE、每個RB對應的緩衝區數據量，因此一般採用基於RB的調度，以便於更好地滿足RB的QoS要求。
E-UTRAN還可以為UE的HARQ進程的初始傳輸分配預定義下行資源，重傳則通過PDCCH調度。在有預定義資源的子幀內，UE如果沒有監聽到PDCCH通過其C-RNTI定址的調度信令，則按預定義資源分配來接收下行數據；否則，按PDCCH指示接收下行數據，即調度信令優先於預定義資源分配。
5.2上行數據傳輸
上行資源分配以動態調度為基礎，非DRX狀態下，UE通過持續監聽PDCCH是否有針對其C-RNTI的定址來確定是否有其上行授權（ULgrant）。
在上行方向，UE是數據傳送端，調度器位於eNB。上行資源授權是基於UE的，即每一調度信令針對UE而不是RB分配資源。eNB只需控制為UE分配的資源總量或者允許傳輸的數據總量，UE則按照預定義的規則在不同的RB之間分配資源，一般都是保證優先權最高的RB傳輸最多的數據量。UE需要向eNB匯報其緩衝區的數據總量以及優先權最高的RB對應的緩衝區數據量等信息。該方式的主要優點在於控制簡單、信令開銷（包括上行和下行）比較小；其主要缺點在於調度器無法對不同QoS要求的上行業務流進行更加精確的調度和控制，優先權次高的業務流可能長時間得不到傳輸。
E-UTRAN還可以進行上行資源預定義分配，與下行預定義分配不同的是：可以對HARQ進程的初始傳輸和重傳都進行上行資源預定義。
在有預定義資源的子幀上，UE如果沒有監聽到針對它的上行調度信令，按預定義資源分配傳送上行數據；否則，按控制信道的指示傳送上行數據，即調度信令優先於預定義資源分配。
MAC重配置
當高層要求MAC實體重配置，UE進行以下操作。
（1）各定時器啟動或重啟時，套用新配置的值。
（2）各計數器初始化時，套用新配置的最大參數值。
（3）其他參數在重配置時刻即套用來自於高層的配置值。
MACPDU
MACPDU表示MAC層協定數據單元，每一個MACPDU長度上都按位元組排布，由比特串組成。讀取多個比特串時，按照由左至右、由上至下的順序。一個SDU由第一個比特開始按比特升序，裝配進一個MACPDU。
UE忽略下行MACPDU中的預留位的值。
MACPDU包括幾種基本類型。
（1）數據傳送MACPDU（DL-SCH和UL-SCH）。
（2）透明傳輸MACPDU。
（3）隨機接入回響MACPDU。
（4）MAC控制單元。
