| 2.7 MAC 子層 |
MAC（Media Access Control）子層主要負責邏輯信道和傳輸信道的承接以及對無線資源的調度。
MAC 子層給上層提供的服務主要有如下幾個。
- 數據傳輸，這里隱含了對上層數據的處理，如優先級處理、邏輯信道數據復用等。
- 無線資源分配與管理，包括調制與編碼策略（MCS，Modulation and Coding Scheme）的選擇、數據在物理層傳輸格式的選擇，以及無線資源的使用管理等。
相應地，MAC 子層期待物理層為其提供的服務主要有如下幾個。
- 數據傳輸，MAC 子層通過傳輸信道訪問物理層的數據傳輸服務，而傳輸信道的特征通過傳輸格式進行定義，它指示物理層如何處理相應的傳輸信道，例如信道編碼、交織、速率匹配等。
- HARQ 反饋。
- 調度請求（SR，Scheduling Request）信令。
- 測量，如信道質量 CQI、預編碼矩陣 PMI 等。
2.7.1 MAC 子層功能
MAC 子層的功能具體包括：
（1）邏輯信道和傳輸信道之間的映射；
（2）復用和解復用；
（3）調度信息報告；
（4）HARQ 糾錯；
（5）邏輯信道優先級處理。
其中，MAC 子層的復用功能是指將一個或多個 MAC SDU 復用到一個傳輸塊（TB，Transport Block）上並傳輸給物理層的過程，解復用則是將 TB 分解為多個 MAC SDU 並傳遞給一個或多個邏輯信道的反向過程。
MAC 子層實體及功能如圖 2-28 所示。
當網絡配置了雙連接（DC，Dual Connectivity）時，主小區組（MCG，Master Cell Group）和輔小區組（SCG，Secondary Cell Group）的 MAC 子層實體如圖 2-29 所示。
2.7.2 邏輯/傳輸信道及其映射
MAC 子層通過邏輯信道為 RLC 子層提供服務。邏輯信道主要根據承載的信息類型進行定義，因而不存在上下行的區分關系。邏輯信道一般分為兩類，即控制信道和業務信道。
控制信道用於控制面信息的傳輸，包含以下邏輯信道。
- 廣播控制信道（BCCH）：廣播系統控制消息的下行信道，用於在 UE接入網絡前傳輸 UE 所需的控制和配置信息。
- 尋呼控制信道（PCCH）：轉發尋呼消息和系統信息變更的下行信道，用於對網絡未知其小區級位置的 UE 進行尋呼，一般需要同時在多個小區內進行發送。
- 公共控制信道（CCCH）：用於與隨機接入相關控制信息的傳輸（RRC連接建立前）。
- 專用控制信道（DCCH）：用於 UE 與網絡間控制消息的傳輸（RRC 連接建立后），該信道對 UE 進行獨立配置。
業務信道用於用戶面信息的傳輸，包含以下邏輯信道：
- 專用業務信道（DTCH）：用於特定 UE 與網絡間用戶業務數據的傳輸。相比 LTE 的邏輯信道，在 R15 中，NR 取消了多播控制信道（MCCH）和多播業務信道（MTCH）。原因主要在於，多播業務的優先級相對其他業務較低，未獲得 3GPP 成員足夠的支持，但不排除后續 NR 版本繼續引入多播信道的可能性。
MAC 子層采用來自物理層的、以傳輸信道的形式表示的服務。傳輸信道主要是根據信息如何傳輸以及傳輸格式（TF，Transport Format）進行區分的。TF包含了有關傳輸塊（TB）的大小、調制方式和天線映射等信息。通過不同 TF的選用，可以實現不同的 MAC 層傳輸數據速率。
傳輸信道一般根據上下行關系分為下行傳輸信道和上行傳輸信道。
下行傳輸信道具體包括以下幾類。
- 廣播信道（BCH）。用於傳輸部分 BCCH 系統消息，也即 MIB（Master Information Block）消息。該信道采用規范預定義的固定傳輸格式，一般在整個小區的覆蓋區域內廣播。
- 尋呼信道（PCH）。用於傳輸來自 PCCH 的尋呼消息。該信道支持不連續接收（DRX），允許 UE 只在網絡預定義的時間間隔內喚醒以接收尋呼，從而達到節電的目的。PCH 也要求在整個小區的覆蓋區域內進行廣播。
- 下行鏈路共享信道（DL-SCH）。NR 下行鏈路數據傳輸所采用的主要傳輸信道。該信道支持 NR 的主要特征，包括鏈路自適應、帶有軟合並的 HARQ、波束賦形等。此外，DL-SCH 也被用於傳輸部分 BCCH 系統消息，也即 SIB（System Information Block）消息。
上行傳輸信道具體包括以下幾類。
- 隨機接入信道（RACH）。名義上歸屬傳輸信道，但實際並不攜帶傳輸塊，只承載有限的控制信息，具有沖突碰撞的特征。
- 上行鏈路共享信道（UL-SCH）。NR 上行鏈路數據傳輸所采用的主要傳輸信道，是 DL-SCH 的對等體，具有相類似的特征。
MAC 子層的部分功能是不同邏輯信道的復用以及邏輯信道對應傳輸信道的映射，具體映射關系如圖 2-30 所示。
可見，PCCH 與 PCH 是一對一映射的關系。BCCH 上的 MIB 消息映射到 BCH，而 SIB 消息映射到 DL-SCH。CCCH、DCCH 和 DTCH 則對應映射到 UL/DL-SCH。
2.7.3 資源調度
NR MAC 子層的核心功能之一是無線資源調度。gNB MAC 子層的調度器（Scheduler）根據上下行信道的無線鏈路狀態為 DL-SCH 和 UL-SCH 進行時頻資源的動態分配。此外，調度器也決定了每條鏈路上可達的數據速率。因此，調度器在很大程度上決定了整體上下行鏈路的系統性能，尤其是對於高負荷網絡。
NR 上下行鏈路的調度是獨立進行的。如圖 2-31 所示，下行鏈路調度器負責動態地控制 UE 進行發送，並為每個 UE 分配相應的 DL-SCH 上的資源塊集合。下行鏈路的傳輸格式（TF）以及邏輯信道的復用，均是由 gNB 進行控制的。作為調度器控制數據速率的結果，RLC 子層的分割和 MAC 子層的復用也都將受到調度決策的影響。上行鏈路調度器負責控制 UE 在相應 UL-SCH 的時頻資源上進行發送。需要指出的是，雖然 gNB 調度器為 UE 指定了傳輸格式，但是上行鏈路調度決策實際上是基於每個 UE 而非每個無線承載來實現的。因此，數據傳輸所采用的無線承載，還是由 UE 自行控制，這也意味着上行鏈路邏輯信道復用的功能處於 UE 的 MAC 子層。
盡管 R15 並未規定調度策略的具體實現，但調度器的最終目的無非是跟蹤信道的時域和頻域變化，使 UE 調度在具有良好信道狀況的資源上進行傳輸。這種方式稱為信道相關調度（Channel-dependent Scheduling）。
下行信道相關調度通常基於信道狀態指示參考信號（CSI-RS）的測量。CSI測量報告既可以反映時域和頻域的瞬時信道質量，又可以在空分復用條件下提供決定相應天線處理所需的信息。上行信道相關調度通常基於探測參考信號（SRS）進行信道估計。SRS 發自每個 UE，gNB 通過 SRS 的測量為每個 UE 預測上行信道鏈路質量。對於參考信號的具體細節，留待后續討論。
2.7.4 HARQ
HARQ 也是 NR MAC 子層的核心功能之一。與 LTE 類似，帶有軟合並功能（Soft Combining）的 HARQ 是 NR 有效對抗傳輸錯誤、提高系統可靠性的重要機制。需要特別說明的有兩點，其一，實際的軟合並是由物理層控制的；其二，HARQ 並非適用於所有的業務。例如，廣播信道所攜帶的信息是多個用戶所需的公共信息，通常並不依賴於 HARQ 來保證傳輸可靠性。因此，HARQ只支持 DL-SCH 和 UL-SCH。
NR HARQ 協議上下行均支持最大 16 個並發的停等（Stop-and-Wait）進程，具體由高層 RRC 配置。如果高層未提供對應的配置參數，則下行缺省的 HARQ進程數為 8，上行的最大進程數始終為 16。
基於傳輸塊（TB）的接收，接收機嘗試對 TB 進行解碼並通過單一確認比特 ACK/NACK 告知發射機有關解碼操作的結果，以指示解碼成功或是否需要進行重傳。顯然，接收機必須知道接收到的 ACK/NACK 確認信息具體與哪個HARQ 進程相對應。這可以通過確認信息定時與某一特定 HARQ 進程相關的方法，或者通過確認信息在 HARQ 碼本中位置的方法（針對同一時間存在多個確認信息傳輸的情況）來實現。
與 LTE 不同，NR 上下行鏈路采用的都是異步 HARQ。在異步 HARQ 協議中，初始傳輸之后的任意時間內都有可能存在上行/下行鏈路重傳，並且直接采用 HARQ 進程數來指示當前被關注的是哪一個特定進程。原則上，被調度的重傳與初始傳輸的處理過程相類似。NR 上行鏈路不采用同步 HRAQ 而改用異步HARQ 的原因，一方面是為了縮短等待時延；另一方面是為了更好地支持動態TDD 技術的應用。由於在動態 TDD 下，不存在固定的上下行配置，因而繼續采用同步 HARQ 將帶來極大的操作復雜性。
注意，LTE 僅支持最大 5 個 HARQ 進程（FDD 模式下）或 15 個 HARQ 進程（TDD 模式下）。顯然，NR 支持更大的進程數。這主要是為了迎合高頻小站場景下的低處理時延需求。這里可能存在疑惑，直覺上可能會認為，更多的HARQ 進程會引起更大的往返時延。實際上，並不是所有的進程數都會被應用。16 個 HARQ 進程的設計只是限定了重傳次數的上限，並且帶來了更多的重傳版本的選擇。
此外，需要說明的是，MAC 子層 HARQ 機制與 RLC 子層重傳機制的側重有所不同。HARQ 機制可以提供快速重傳，但由於反饋出錯而產生的殘留出錯率通常是比較高的。而 RLC 重傳機制可以保證無錯的數據發送，但在重傳速度方面的表現不如 HARQ。因而，HARQ 與 RLC 重傳功能互為補充，可以實現較小往返時延與可靠數據傳送的良好結合。
2.7.5 NR 與 LTE MAC 子層對比
NR 與 LTE MAC 子層的功能及處理流程大同小異。表 2-2 從提供給上層的服務、MAC 子層功能、期望物理層提供的服務 3 個方面，對比總結了二者的異同。
