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L2 MAC层核心机制介绍

news 2025/11/16 8:20:16

理解L2 MAC层的核心机制，尤其是你提到的逻辑信道与物理信道的映射、MAC PDU结构以及复用与解复用，是掌握无线通信协议栈如何高效管理数据的关键。为了让你对MAC层有一个全局的认识，首先通过下面这张图来了解MAC层在协议栈中的位置及其核心功能架构。

一、信道映射的简介

1、逻辑信道

MAC层为RLC层以逻辑信道的形式提供服务。

逻辑信道只关注传输的信息是什么。通过逻辑信道，实现了MAC层与上层的分离。

根据传输的是控制信息还是业务信息，逻辑信道分为：控制信道和业务信道。
1、下行控制信道：控制信道用于传输控制面信息。

广播控制信道（BCCH， Broadcast Control Channel）：用于广播系统控制信息的下行信道。它在用户的实际工作开始之前，传送一些必要的通知信息。
寻呼控制信道（PCCH，Paging Control Channel）：用于传输寻呼信息和系统信息变化通知的下行信道。寻人启事类消息的入口，一般用于被叫流程。
公共控制信道（CCCH，Common Control Channel）：在UE和网络之间还没有建立RRC连接时，用于发送控制信息。类似于主管和员工间协调工作用的渠道。
专用控制信道（DCCH，Dedicated Control Channel）：用于在RRC连接建立之后，UE和网络之间发送一对一的专用控制信息。类似于主管和亲信之间协调工作的渠道。
多播控制信道（MCCH，Multicast Control Channel）：点对多点的下行控制信息的传送信道。类似于领导给多个下属下达搬运货物的指示的渠道。
2、下行业务信道

专用业务信道（DTCH ，Dedicated Traffic Channel）：用于去往/来自终端的用户数据的传输。传输所有上行链路和非MBSFN下行链路用户数据的逻辑信道。
3、上行控制信道

CCCH 公共控制信道，用于传输与随机接入相关的控制信息。
DCCH 专用控制信道，用于传输去往/来自终端的控制信息。用于终端的单独配置。
4、上行业务信道

DTCH 专用业务信道。

2、传输信道

传输信道不关心传输的是什么，而是怎么传。

下行：

广播信道（BCH，Broadcast Channel）：通过广播的方式，给整个小区传输下行控制信息。
下行共享信道（DL-SCH，Downlink Shared Channel）：规定了待搬运货物的传送格式。用于传送业务数据。寻呼信道（PCH，Paging Channel）：用于传输寻呼信息。
上行：

上行共享信道（UL-SCH，Uplink Shared Channel）：规定了待搬运货物的传送格式。用于传送业务数据。方向为从终端到网络。随机接入信道（RACH，Random Access Channel）：规定了终端接入网络时的初始协调信息格式。

二、理解信道映射

在无线通信中，"信道"是一个多层面的概念。MAC层承上启下，负责将上层的逻辑信道映射到下层的物理信道上。

逻辑信道：传输内容的分类。

逻辑信道根据传输信息的类型定义，主要分为控制信道和业务信道。

信道类型	名称	功能简介
控制信道	广播控制信道(BCCH)	广播系统控制信息
	寻呼控制信道(PCCH)	发送寻呼信息和系统信息变更通知
	公共控制信道(CCCH)	在UE和网络未建立RRC连接时传输控制信息
	专用控制信道(DCCH)	在UE和网络建立RRC连接后传输专用控制信息
业务信道	专用业务信道(DTCH)	传输用户面数据，专用于一个UE

传输信道：定义传输方式

传输信道关注的是信号如何通过物理层进行传输，其特征由传输格式（如调制编码方案、资源块分配等）定义。

下行传输信道：

下行共享信道 (DL-SCH)：是下行数据传输的主要信道，支持动态链路自适应、HARQ等关键技术。
广播信道 (BCH)：用于广播特定的系统信息（如MIB），采用固定的、稳健的传输格式。
寻呼信道 (PCH)：用于发送寻呼消息，支持UE的不连续接收以省电。

上行传输信道：

上行共享信道 (UL-SCH)：与DL-SCH对应，是上行数据传输的主要信道。
随机接入信道 (RACH)：用于UE初始接入网络或重建同步，可能发生碰撞。

物理信道：最终的传输实体

物理信道是实实在在的无线资源，对应特定的时隙、频段和码道等。例如：

物理下行共享信道 (PDSCH)：承载主要的下行用户数据和部分信令。

物理上行共享信道 (PUSCH)：承载主要的上行用户数据和信令。

物理随机接入信道 (PRACH)：用于UE发送随机接入前导码。

映射关系：串联起整个流程

MAC层的核心作用之一就是完成这三类信道之间的映射。下图清晰地展示了从逻辑信道到传输信道，再到物理信道的完整映射路径。

需要注意的是，逻辑信道与传输信道之间是多对多的映射关系。特别是DL-SCH和UL-SCH这两个共享信道，它们像是一个“交通枢纽”，能够承载多种不同类型的逻辑信道数据，这也是“复用”发生的地方。

三、剖析MAC PDU格式

MAC层协议数据单元（PDU）是MAC层与物理层交互的基本数据单元。对于物理层而言，一个MAC PDU对应一个传输块（TB）。

MAC PDU的总体结构

一个完整的MAC PDU由以下部分按顺序构成：

MAC Header（MAC头）：包含一个或多个子头（Subheader），每个子头对应后面的一个MAC控制元素或MAC SDU。
MAC Control Elements（MAC控制元素）：用于携带MAC层内部的紧急控制信令，如缓存状态报告（BSR）、功率余量报告（PHR）等。这些控制元素位于所有MAC SDU之前，确保了控制信令的优先处理。
MAC SDUs（MAC服务数据单元）：来自上层的（RLC层）数据包。
Padding（填充）：当剩余空间不足以容纳有效数据时，用填充字节凑齐，以确保整个PDU长度符合物理层要求。

四、MAC子头的奥秘

MAC头中的每个子头都是一个“标签”，描述了其后所对应数据的信息。子头主要有两种格式：

子头格式	结构	适用场景
短格式	<code>R	R	E	LCID</code>	用于最后一个子头、固定长度的控制元素或填充。
长格式	<code>R	R	E	LCID	F	L</code>	用于变长的MAC SDU（除了最后一个）和部分控制元素。

各字段含义如下：

LCID（逻辑信道ID）：这是最关键字段，标识了对应的SDU或控制元素来自/去往哪个逻辑信道，或者具体是哪种类型的控制信令。例如，LCID值可以指示这是CCCH信令、DTCH用户数据，还是一个BSR报告。
L（长度）：指示对应MAC SDU或可变长控制元素的长度（字节数）。
F（格式）：指示L字段本身的长度是1字节还是2字节，从而能表示更长的数据。
E（扩展）：指示MAC头中是否还有更多的子头紧随其后。
R（保留位）：通常设为0。