从MAC层接收上层数据开始的5G下行调度全流程
下面从数据到达 gNB 的 MAC 层开始，完整梳理下行调度的全过程。
一、数据从哪里来：上层到MAC
1.1 数据路径
下行用户面数据从核心网（UPF）出发，经过以下协议栈到达 MAC 层：
```
核心网 UPF
│
▼
GTP-U 隧道
│
▼
┌─────────────────────────────────────────┐
│ gNB 协议栈 │
│ │
│ SDAP (QoS Flow → Data Radio Bearer) │
│ │ │
│ PDCP (加密、完整性保护、头压缩、重排序) │
│ │ │
│ RLC (分段/重组、ARQ重传) │
│ │ │
│ MAC (调度、复用、HARQ) │
│ │ │
│ PHY (编码、调制、映射到物理资源) │
└─────────────────────────────────────────┘
```
1.2 各层对数据的处理
| 层 | 处理内容 |
|---|---|
| **SDAP** | 将 QoS Flow 映射到对应的 DRB（数据无线承载） |
| **PDCP** | 加密、完整性保护、ROHC 头压缩、分配 PDCP SN、重排序 |
| **RLC** | 根据调度授权大小进行分段或级联，生成 RLC PDU，维护 ARQ 重传 |
| **MAC** | 逻辑信道复用、调度、HARQ 管理 |
1.3 数据到达MAC的形式
RLC 层将数据以 **RLC PDU** 的形式递交给 MAC 层。MAC 层将其放入对应**逻辑信道（Logical Channel, LC）** 的缓冲区中。
每个逻辑信道对应一个无线承载，具有：
-
**优先级（Priority）** ：1~16，值越小优先级越高
-
**PBR（Prioritized Bit Rate）** ：保证的最小速率
-
**BSD（Bucket Size Duration）** ：令牌桶大小
-
**逻辑信道组（LCG）** ：用于 BSR 上报
二、MAC层的数据缓存与状态维护
2.1 逻辑信道缓冲区
MAC 层为每个逻辑信道维护一个**发送缓冲区**。当 RLC PDU 到达时：
```
LC1 缓冲区: PDU1 PDU2 PDU3 ...
LC2 缓冲区: PDU1 PDU2 ...
LC3 缓冲区: PDU1 ...
...
```
每个缓冲区中的待发送数据量决定了该逻辑信道的**缓存状态**。
2.2 逻辑信道优先级（LCP）机制
3GPP 定义了**逻辑信道优先级过程（Logical Channel Prioritization, LCP）** ，规则如下：
-
**先满足 PBR**：每个逻辑信道先按其 PBR 分配资源，按优先级从高到低；
-
**再按优先级分配剩余资源**：PBR 满足后，剩余资源按优先级从高到低分配；
-
**同一优先级内公平分配**；
-
**如果还有剩余资源**，可以继续分配给低优先级信道；
-
**禁止将低优先级数据复用到高优先级数据中**（除非高层允许）。
这个机制保证了：
-
高优先级业务（如 URLLC）优先发送；
-
低优先级业务（如 eMBB）不会被完全饿死；
-
PBR 保证了最低速率。
2.3 缓冲区状态报告（BSR）
UE 需要向 gNB 上报上行缓冲区状态（用 BSR）。但**下行方向**，gNB 自己就知道每个逻辑信道有多少数据待发送，不需要 UE 上报。gNB 的 MAC 层直接维护下行缓冲区状态。
三、调度触发
3.1 什么时候触发调度
gNB 的调度器在每个**调度周期**（通常每个时隙 Slot，甚至每个符号）被触发。触发条件包括：
-
每个时隙的调度时机到达；
-
有新的下行数据到达；
-
有 HARQ 重传需要安排；
-
有系统信息、寻呼、RAR 等需要发送；
-
有 CSI-RS、SSB 等参考信号需要发送。
3.2 调度器的输入
在每个调度周期开始时，调度器收集以下信息：
| 信息 | 来源 | 用途 |
|---|---|---|
| 各逻辑信道缓冲区数据量 | MAC 内部 | 决定哪些 UE 有数据要发 |
| CSI 报告（CQI/PMI/RI） | UE 上报 | 选择 MCS、MIMO 层数 |
| HARQ 反馈（ACK/NACK） | UE 上报 | 决定是否需要重传 |
| 调度请求/BSR | UE 上报 | 上行调度用，下行不需要 |
| QoS 参数 | 承载配置 | 决定调度优先级 |
| 历史调度信息 | 调度器内部 | 比例公平等算法使用 |
| 信道估计结果 | PHY | 辅助链路自适应 |
四、调度决策
4.1 用户选择
调度器根据**调度算法**为每个有下行数据的 UE 计算优先级，选出当前时隙要服务的 UE。
常用算法：
| 算法 | 优先级公式 | 特点 |
|---|---|---|
| 轮询（RR） | 无差别轮流 | 公平但吞吐低 |
| 最大 CQI | 正比于瞬时 CQI | 吞吐最高，边缘用户饿死 |
| 比例公平（PF） | `R_inst / R_avg` | 公平与吞吐折中 |
| 最大加权延迟 | 考虑 QoS 和延迟 | 适合 URLLC |
4.2 逻辑信道复用（LCP）
对于一个被选中的 UE，调度器根据 LCP 规则，决定：
-
分配多少资源给这个 UE；
-
这些资源中，各个逻辑信道分别占用多少；
-
生成一个 **MAC PDU**，其中包含多个逻辑信道的 **MAC SDU** 及其对应的 **MAC 子头**。
MAC PDU 结构：
```
┌──────────────────────────────────────────────┐
│ MAC 子头1 │ MAC 子头2 │ ... │ MAC SDU1 │ MAC SDU2 │ ... │ Padding │
└──────────────────────────────────────────────┘
```
每个 MAC 子头指示对应的 MAC SDU 来自哪个逻辑信道、长度多少。
4.3 链路自适应与MCS选择
调度器根据 UE 上报的 **CQI** 确定初始 MCS，再根据 **HARQ 反馈** 通过 OLLA 进行修正：
```
目标 SINR = CQI 映射的 SINR - OLLA_offset
```
-
收到 ACK → `OLLA_offset` 略微增大（降低 MCS，更保守）；
-
收到 NACK → `OLLA_offset` 略微减小（提高 MCS，更激进）；
-
长期使 BLER 逼近目标值（如 10%）。
4.4 资源分配
调度器为 UE 分配：
-
**频域资源**：多少 PRB，连续还是非连续；
-
**时域资源**：起始符号和持续长度（通过 SLIV 指示）；
-
**空域资源**：多少 MIMO 层；
-
**码字**：单码字还是双码字。
4.5 TBS 计算
根据分配的 PRB 数、MCS、层数，查 3GPP 表格得到 **TBS（传输块大小）** 。
如果 TBS 小于 MAC PDU 大小，需要 RLC 重新分段；如果大于，则填充 Padding。
五、DCI生成与PDCCH发送
5.1 DCI 内容
调度决策被封装成 **DCI（下行控制信息）** ，常用格式：
-
**DCI Format 1_0**：回退格式，用于公共搜索空间；
-
**DCI Format 1_1**：常规下行调度；
-
**DCI Format 1_2**：URLLC 等特殊场景。
DCI 关键字段：
| 字段 | 含义 |
|---|---|
| 频域资源分配 | 哪些 PRB |
| 时域资源分配 | SLIV + K0 |
| MCS | 调制编码策略 |
| HARQ 进程号 | 哪个 HARQ 进程 |
| NDI | 新数据指示 |
| RV | 冗余版本 |
| 天线端口 | DMRS 配置 |
| TPC | 功控命令 |
5.2 PDCCH 发送
DCI 经过：
-
CRC 加扰（用 UE 的 C-RNTI）；
-
信道编码（Polar 码）；
-
速率匹配；
-
调制（QPSK）；
-
映射到 PDCCH 的 CCE（控制信道单元）。
UE 在每个时隙的 **PDCCH 搜索空间**中盲检属于自己的 DCI。
六、PDSCH数据传输
6.1 PHY 层处理
MAC PDU 交给 PHY 层后：
-
**CRC 添加**；
-
**LDPC 编码**；
-
**速率匹配**；
-
**加扰**；
-
**调制**（QPSK/16QAM/64QAM/256QAM）；
-
**层映射与预编码**；
-
**RE 映射**到 PDSCH 分配的时频资源；
-
**OFDM 符号生成**并发送。
6.2 与 DCI 的对应关系
PDSCH 的时频位置、MCS、层数等完全由同一时隙（或之前时隙）的 DCI 指示。UE 解码 PDCCH 后，才能知道去哪里接收 PDSCH。
七、HARQ反馈与重传
7.1 UE 侧
UE 接收 PDSCH 后：
-
解调、解码；
-
如果解码成功 → 上报 **ACK**；
-
如果解码失败 → 上报 **NACK**，并缓存软信息。
7.2 gNB 侧
gNB 收到 HARQ 反馈后：
-
**ACK**：释放 HARQ 进程，准备发送新数据；
-
**NACK**：在后续调度周期安排**重传**，使用相同 HARQ 进程号，切换 RV（冗余版本），UE 将重传数据与缓存进行**软合并**。
7.3 重传优先级
HARQ 重传通常比新传具有**更高优先级**，因为：
-
重传有延迟要求；
-
软合并能提高解码成功率；
-
避免 HARQ 进程耗尽。
八、完整流程时序图
```
上层数据到达
│
▼
┌─────────────────────────────────────────────────────┐
│ RLC 层：分段/级联，生成 RLC PDU │
└─────────────────────────────────────────────────────┘
│
▼
┌─────────────────────────────────────────────────────┐
│ MAC 层：放入逻辑信道缓冲区 │
└─────────────────────────────────────────────────────┘
│
▼
┌─────────────────────────────────────────────────────┐
│ 调度器被触发（每 Slot） │
│ 1. 收集 CSI、HARQ 反馈、缓冲区状态 │
│ 2. 用户选择（PF 等算法） │
│ 3. LCP：逻辑信道复用，生成 MAC PDU │
│ 4. 链路自适应：确定 MCS │
│ 5. 资源分配：PRB、符号、层数 │
│ 6. TBS 计算 │
└─────────────────────────────────────────────────────┘
│
├──────────────────┐
▼ ▼
┌──────────────┐ ┌──────────────────────────────┐
│ 生成 DCI │ │ MAC PDU 交给 PHY │
│ → PDCCH 发送 │ │ → 编码/调制/映射 → PDSCH 发送 │
└──────────────┘ └──────────────────────────────┘
│ │
▼ ▼
┌─────────────────────────────────────────────────────┐
│ UE：盲检 PDCCH → 解码 DCI → 接收 PDSCH → 解码 │
│ → 上报 HARQ 反馈（ACK/NACK） │
└─────────────────────────────────────────────────────┘
│
▼
┌─────────────────────────────────────────────────────┐
│ gNB：收到 ACK → 释放 HARQ 进程 │
│ 收到 NACK → 安排重传 │
└─────────────────────────────────────────────────────┘
│
▼
循环到下一个调度周期
```
九、关键要点总结
-
**数据来源**：上层数据经 SDAP → PDCP → RLC 处理后，以 RLC PDU 形式到达 MAC，放入逻辑信道缓冲区。
-
**调度触发**：每个时隙（甚至每个符号）触发一次调度，调度器汇总 CSI、HARQ、缓冲区状态等信息。
-
**用户选择**：根据调度算法（PF 等）选出当前时隙服务的 UE。
-
**逻辑信道复用**：按 LCP 规则，将多个逻辑信道的数据复用一个 MAC PDU 中。
-
**链路自适应**：根据 CQI + HARQ 反馈确定 MCS，目标是使 BLER 逼近目标值。
-
**资源分配**：分配 PRB、符号、MIMO 层，计算 TBS。
-
**DCI 与 PDSCH**：调度决策封装成 DCI 经 PDCCH 发送，数据经 PDSCH 发送。
-
**HARQ 闭环**：UE 反馈 ACK/NACK，gNB 据此决定新传或重传，重传使用软合并提高成功率。
-
**循环往复**：每个时隙重复上述过程，形成闭环控制。
整个下行调度的本质是：**MAC 层调度器在每一个调度周期内，根据实时反馈和缓冲区状态，动态做出资源分配决策，通过 DCI 通知 UE，并通过 HARQ 闭环保证可靠性。**