基于Linux的LTE RLC层协议设计与实现

摘　要：根据3GPP协议中LTE空中接口协议栈Release 8标准，首先研究无线链路控制（RLC）层的原理和工作机制，然后基于Linux操作系统，给出实现RLC层协议的设计方案和总体框架。

关键词：LTE协议栈；RLC层；AM；UM；Linux操作系统
1 引言
　　LTE（Long Term Evolution）是3GPP组织基于3G移动通信技术研发出的下一代“准4G”技术。该标准可以支持最大20MHZ的系统带宽、超过200Mbit/s的数据传输速率和更短的传输延时。LTE协议栈可分为三层：物理层（L1），数据链路层（L2）和网络层（L3）。其中L2自下而上分为MAC（Media Access Control）子层、RLC（Radio Link Control）子层和PDCP（Packet Data Convergence Protocol）子层，如图1所示。其中RLC子层是面向连接的、基于比特流的可靠的传输控制协议，用于为上层不同类型的业务提供不同的数据传输链路和QoS控制。L3的RRC（Radio Resource Control）层对RLC层进行状态管理和参数配置等。

图1 RLC在LTE协议栈中的位置
2 RLC协议研究
2.1 概述
　　RLC层的功能由RLC实体实现。根据上层不同的数据传输要求，RLC实体可被配置为TM（Transparent Mode）发送实体、TM接收实体、UM（Unacknowledged Mode）发送实体、UM接收实体和AM（Acknowledged Mode）实体。其中RLC发送实体从上层的SAP（Service Access Point，服务接入点）接收SDU（Service Data Unit），在得到下层发送机会通知后，将SDU分段拼接为指示大小的PDU（Packet Data Unit），如图2所示，然后通过下层的逻辑信道发送给对等端实体。RLC接收实体从下层逻辑信道接收PDU，并重新组合为SDU，再发送给上层SAP。RLC AM实体同时具有发送和接收功能。

图2 RLC PDU结构图
　　TM实体为上层提供透明模式传输，这种模式不对数据包进行任何处理，常用于信令发送，如广播消息、寻呼消息等。UM实体为上层提供非确认模式传输，这种模式提供了一定的可靠性保障，但是可能会存在丢包现象，适用于对延迟敏感，但允许一定误码率的业务，如VoIP等。AM实体为上层提供确认模式传输，这种模式可实现无差错传输，但会导致较大的延时，适用于对错误敏感但对时延不敏感的业务，如RRC信令传输和FTP业务等。
2.2 非确认传输模式UM

图3 UM实体模型
　　UM传输模式实体模型如图3所示。UM发送实体把从上层接收到的SDU放入发送缓冲区中。当下层通知RLC层发送时机时，UM发送实体将发送缓冲区中的SDU分段拼接成下层指示大小的PDU，添加RLC包头后通过逻辑信道发送给下层。
UM接收实体定义了一个接收窗口，它从下层逻辑信道接收到PDU后，首先检测该PDU是否落在该窗口之内，如果没有，则丢弃，否则将其放入接收缓冲区中。如果接收缓冲区中的PDU序列号有乱序，则进行重排序，之后去掉RLC包头，将PDU重组为SDU，并递交到上层。
为了避免过多的重排序时延，UM接收实体设置了一个重排序定时器。当检测到有没收到的PDU时，就启动该定时器，若定时器超时，UM接收实体不再等待没收到的PDU，而是开始将接收缓冲区中的PDU重组为SDU，递交到上层。
2.3 确认传输模式AM

图4 AM实体模型
　　AM传输模式实体模型如图4所示，它在支持UM模式所有功能的基础上，采用ARQ（Automatic Repeat reQuest，自动重复请求）机制来实现对出错或丢失数据包的重传。与ARQ有关的功能包括：PDU的重传和重分段，轮询和状态报告。
重传和重分段为了让发送方重传丢失的PDU，接收方会向发送方发送一个状态PDU，也叫做状态报告，用来通知发送方成功接收的PDU和丢失的PDU。AM实体发送端在发送完PDU之后，应该把它们保存在一个重传缓冲区中，以便对等端通过状态报告要求对某些PDU进行重传。
　　AM实体接收端接收到状态PDU后，判断发送端哪些PDU或PDU分段需要重传。当需要对某个PDU重传时，若下层指示的发送大小小于该PDU的大小，还需将该PDU重分段成更小的PDU分段再发送。
　　轮询和状态报告
　　AM实体发送端通过将PDU包头中的轮询位置为1，来要求对等实体接收端给它发送状态报告，该功能叫做轮询。发送端发起轮询的条件有：发送端最后一个PDU被发出去，或者从上次发送轮询以来记录的发送过的PDU个数或字节数达到某个预定值。此外，当AM实体接收端检测到一个PDU接收失败，也可以生成一个状态报告，以期待对等端的重传，而不是像UM实体那样认为在一定时间内没收到的PDU是永远丢失了。
3 RLC层在Linux中的设计和实现
　　基于Linux操作系统的RLC子层协议开发有效利用Linux操作系统的多线程编程、内存管理和通信方式简单高效等方面的特点，按功能独立性来划分RLC子层的各个模块，并妥善处理模块之间的通信。
3.1 整体架构设计
　　RLC子层由发送线程、接收线程和定时器线程三个线程组成，所有线程均从属于LTE协议栈进程。这三个线程之间通过消息队列和传输控制块（TCB）进行协调，如图5所示。线程的建立和调度则由操作系统负责。

图5 RLC层整体架构
发送线程和接收线程均有自己的消息队列，用于接收其他线程的各类消息，如RRC层发来的RLC实体建立消息、PDCP层发来的SDU接收消息、MAC层发来的PDU接收消息、定时器线程发来的某个定时器超时消息等。
RLC层定时器线程定义了UM实体和AM实体用到的所有定时器，多个定时器用链表来管理，定时器超时即向发送或接收线程的消息队列发送消息，由发送或接收线程来调用相应的超时例程。
3.2 功能模块设计
　　协议控制模块
　　RLC子层最多可以同时建立32个不同工作模式的实体，因此定义一个包含32个元素的全局数组，每个数组元素称为一个协议控制块（PCB），用来存放对应实体用到的状态变量、定时器和数据缓冲区等。采用链表方式对PCB进行管理：当收到RLC实体建立消息时，在PCB全局数组中找到一个未分配的元素加入该链表中，标记分配状态为已分配，并关联给刚建立的RLC实体，最后配置该PCB的各个参数。
　　数据处理模块
　　将RLC子层的功能进行抽象化、模块化的设计之后，可将UM模块划分为：PDU构造子模块、发送管理子模块、PDU解析子模块和接收管理子模块，将AM模块划分为：PDU构造子模块、发送管理子模块、PDU解析子模块、接收管理子模块和状态控制子模块。各模块之间界限清晰、功能独立，彼此之间的通信简洁高效。
4 总结和展望
　　本文介绍了LTE协议栈RLC层的工作机制，并给出了在Linux操作系 统下实现RLC层协议栈的设计方案。现阶段的协议软件能够完成LTE RLC层协议文档Release 8的主要功能，但是还需要提高代码的运行效率和对异常情况的处理能力。这些将在今后的工作中得以改进。
参考文献
Stevens, W. Richard. UNIX网络编程：卷2 进程间通信：英文版. 北京：人民邮电出版社. 2009