La couche MAC [TS 38.321]
La couche MAC transmet ou reçoit :
- de la couche physique des canaux de transport (interface L1 : Layer 1),
- de la couche RLC des canaux logiques
Figure 2 : Les canaux de la pile protocolaire LTE/NR
L’unité de données protocole de couche MAC (MAC-PDU) remplit le bloc de transport TB (Transport Block).
Le bloc de transport est défini par la signalisation L1 (L1 signaling) c’est à dire sa taille et des paramètres physique comme le schéma de modulation et de codage MCS et la longueur du slot.
La couche MAC transporte les données utilisateurs (plan de trafic) et les données de signalisation (plan de contrôle). Différentes structures de la couche MAC ont été définies et l’élément de contrôle MAC CE (Control Element) transport de la signalisation.
La structure MAC est définie par dans l’en-tête MAC (MAC Header) via l’information LCID (Logical Channel ID)
Figure 3 : Liste des MAC CE
La structure de la couche MAC PDU pour la transmission de données (UL-SCH et DL-SCH) est optimisée pour transporter des grandes quantités de données, en utilisant notamment la fonctionnalité de concaténation des données de la couche RLC : plusieurs MAC SDU peuvent être multiplexée dans une seule MAC PDU.
Contrairement en 4G ou l’en-tête MAC contient un ensemble de sous-entête pour chaque CE ou SDU, la MAC PDU se découpe en sous en-tête MAC suivi du CE ou du SDU. Cette structure facilite le traitement en pipeline au niveau de l’émetteur et du récepteur et le traitement démarre dès qu’une sous en-tête et le SDU ou le CE associé est reçu.
MAC PDU LTE
Figure 4a : MAC PDU LTE en DL
MAC PDU NR
Figure 4b : MAC PDU NR en DL
La taille du SDU ou le champs LCID pour la MAC CE est dynamiquement indiquée dans l’en-tête.
Les rôles de la sous-couche MAC sont [FL2]:
- la correspondance entre les canaux logiques et les canaux de transport;
- le multiplexage/démultiplexage des unités de données de services MAC SDU en provenance d’un canal logique ou de plusieurs canaux de transport (TB) ou de plusieurs canaux de transport à destination des canaux logiques ;
- La concaténation des MAC-SDU lors du multiplexage des unités de données.
- La demande de transmission de données de la part du mobile (BSR : Buffer Status Reporting)
- la correction d’erreur rapide HARQ ;
- la gestion de priorité entre les mobiles ;
- la gestion de priorité sur les canaux logiques pour un mobile ;
- la gestion des échecs radio de faisceau
MAC
Figure 5 : La structure MAC
La gestion des faisceaux est la principale nouveauté de l’interface NR par rapport à l’interface LTE. Toutefois, pour faciliter la gestion du très haut débit, la fonction concaténation est réalisée au niveau de la couche MAC 5G (RLC en 4G)
La fonction de séquencement et la gestion de la priorité
La couche MAC priorise les données reçues de la couche RLC en fonction de la nature des données (canal logique CCCH, DCCH et DTCH).
Au niveau du terminal, la couche MAC implémente la fonction LCP afin de séquencer les données sur le lien montant. L’ordonnanceur de la fonction LCP détermine la taille des données qui seront multiplexées à partir des différents canaux logiques LCH pour former un MAC PDU. Chaque LCH est caractérisé par une priorité PBR (Prioritized Bit Rate) et une durée de la taille du paquet (BSD : Bucket Size Duration). La fonction LCP implémente également des restrictions comme la fenêtre d’acquittement selon le type de service (URLLC, eMBB, mMTC), l’espacement entre sous-porteuses (SCS : Sub Carrier Spacing), le type d’allocation de ressource (dynamique – Dynamic Scheduling ou configuré – Configured Grant [FL1]) et le type de slot (mini-slot). Enfin des restrictions sont également fournie de la part de la couche PDCP à la couche MAC dans le cas de la duplication de paquets afin de ne pas multiplexer deux paquets dupliquer dans une seule MAC PDU.
La fonction LCP est contrôlée par la couche RRC qui configure les restrictions sur chaque canal LCH (figure 6) :
- allowedSCS-List définit les valeurs SCS proposées pour la transmission ;
- maxPUSCH-Duration indique la durée de transmission PUSCH maximale ;
- configuredGrantType1Allowed informe si la transmission est préconfigurée de type 1 (Configured Grant Type 1) ou dynamique;
- allowedServingCells which indique les cellules autorisées pour la transmission ;
- allowedCG-List qui indique les configurations autorisées (CG) pour la transmission ;
- allowedPHY-PriorityIndex allouant les index de priorités aux transmissions allouées dynamiquement.
Le séquencement sur la voie montante (UL Scheduling) est réalisé à partir d’informations physiques fournies par la station de base gNB
Figure 6 : la configuration des canaux logiques et le paramétrage de séquencement
Afin d’assister le gNB sur les décisions radio de l’UE, d’autres fonctions (similaires en 4G) sont implémentées au niveau de la couche MAC comme la fonction SR (Scheduling Request), BSR et PHR (Power Headroom Report).
Les procédures de la couche MAC
La couche MAC est à l’initiative des procédures suivantes :
- l’accès aléatoire [FL3]
- la transmission de données (DL assignments, UL scheduling request)
- La demande de séquencement -SR procedure : l’entité MAC CE de l’UE informe le gNB de données à émettre de la part du terminal. Différentes configurations SR permettent de prioriser l’émission de canaux logique UL LCH.
- La procédure BSR permet à la couche MAC UE d’indiquer au gNB la quantité de données stockée dans le buffer de l’UE par groupe de canaux logiques LCG (Logical Channe Group). Le BSR est transmis dans une structure MAC CE sur 2 octets (short BSR/truncated BSR) ou 4 octets (long BSR). Les valeurs du LCID sont :
- 11100 Truncated BSR
- 11101 Short BSR
- 11110 Long BSR
L’Interface NR implémente 8 LCG au lieu de 4 pour le LTE (l’information LCG n’était que sur 2 bits).
La couche RRC contrôle la procédure BSR en configurant 3 temporisateurs (le déclenchement BSR peut être régulier, périodique, ou padding) :
- periodicBSR-Timer (periodic BSR)
- retxBSR-Timer ( (regular BSR)
- logicalChannelSR-ProhibitTimer
- la procédure PHR (Power Headroom Report) permet à la couche MAC UE d’envoyer un rapport au gNB lui indiquant la réserve de puissance du mobile avant d’émettre à la puissance maximale. Le PH est transmis à chaque cellule serveuse qui configure la porteuse UL (dans le cas de l’agrégation de porteuses CA). Cela permet d’assister le gNB sur la décision du MCS dans le cas du séquencement montant. Le PHR est transmis dans une structure MAC CE. Deux types de PHR sont définis : périodique ou déclenchement sur seuil (RSRP). Ces valeurs de déclenchement sont configurées par la couche RRC lors d’un message RRC Setup, RRC Reconfiguration, .. (cf. FL4) dans l’IE PHR-Config (PeriodicPHR-Timer, ProhibitPHR-TImer, dl-pathlossChange)
- la réception discontinue DRX pour réduire la consommation énergétique du terminal. Le mode DRX contrôle le moment ou le terminal écoute le canal PDCCH (décision d’ordonnancement) à travers plusieurs temporisateur [FL5]. La différence principale par rapport au LTE est sur la gestion de différents SCS configurés sur différentes cellules.
Pour la transmission montante, la configuration Grant-Free Scheduling [FL6] permet de réduire encore davantage la consommation énergétique (selon les restrictions LCP)
- la commutation de BWP
- la surveillance d’inactivité
- la gestion du faisceau : La gestion de l’échec de faisceau (Beam Failure Management) est gérée par la couche MAC à partir de mesures de la couche physique (BFI : Beam Failure Instance). Deux procédures sont impliquées :
- Procédure BFD (Beam Failure Detection) à partir de la mesure de la couche physique L1-RSRP (en dessous d’une certaine limite).
- Procédure BFR ( Beam Failure Recovery)
La couche RRC contrôle les paramètres des procédures BFD et BFR dans les paramètres suivants : BeamFailureRecoveryConfig, BeamFailureRecoverySCellConfig et RadioLinkMonitoringConfig
- beamFailureInstanceMaxCount pour la détection de la défaillance du faisceau;
- beamFailureDetectionTimer pour la détection de la défaillance du faisceau;
- beamFailureRecoveryTimer pour la procédure de récupération d’un faisceau au niveau de la cellule SpCell ([FL7]);
- rsrp–ThresholdSSB: la valeur seuil du RSRPpour la procédure SpCell beam failure recovery;
- rsrp–ThresholdBFR: la valeur seuil du RSRP pour la procédure SCell beam failure recovery;
Références
[FL2] : https://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/2022/05/13/sdt-small-data-transmission-3eme/
[FL5] : https://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/2016/11/04/paging-et-mecanisme-psmdrx/
[FL6] : https://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/2023/03/19/liot-evolutions-r16-et-r17/
[FL7] https://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/2022/07/20/pcell-scell-pscell-et-spcell/
[TS 38.321] Medium Access Control (MAC) protocol specification (3GPP TS 38.321 version 16.3.0 Release 16)
