User Plane Protocols Patrick Fischer, SeungJune Yi, SungDuck Chun and

Uplink
logical channels
Uplink
transport channels
Multiplexing
/Demultiplexing
Figure 4.18: Uplink logical channel multiplexing. Reproduced by permission of © 3GPP.
(BSRs) received from the UE. In this process, the eNodeB considers the QoS requirements
of each configured radio bearer, and selects the size of the MAC PDU.
The usual mode of scheduling is dynamic scheduling, by means of downlink assignment
messages for the allocation of downlink transmission resources and uplink grant messages
for the allocation of uplink transmission resources; these are valid for specific single
subframes.
14
These messages also indicate whether the scheduled data is to be the first
transmission of a new TB or a retransmission, by means of a 1-bit New Data Indicator (NDI);
if the value of the NDI is changed relative to its previous value for the same HARQ process,
the transmission is the start of a new TB. These messages are transmitted on the Physical
Downlink Control CHannel (PDCCH) using a Cell Radio Network Temporary Identifier (C-
RNTI) to identify the intended UE, as described in Section 9.3. This kind of scheduling is
efficient for service types such as TCP or the SRBs, in which the traffic is bursty and dynamic
in rate.
14
The dynamic uplink transmission resource grants are valid for specific single subframes for initial transmissions,
although they may also imply a resource allocation in later subframes for HARQ retransmissions.

USER PLANE PROTOCOLS
113
In addition to the dynamic scheduling, Semi-Persistent Scheduling (SPS) may be used.
SPS enables radio resources to be semi-statically configured and allocated to a UE for a
longer time period than one subframe, avoiding the need for specific downlink assignment
messages or uplink grant messages over the PDCCH for each subframe. It is useful for
services such as VoIP for which the data packets are small, periodic and semi-static in size.
For this kind of service the timing and amount of radio resources needed are predictable.
Thus the overhead of the PDCCH is significantly reduced compared to the case of dynamic
scheduling.
For the configuration of SPS, RRC signalling indicates the interval at which the
radio resources are periodically assigned. Specific transmission resource allocations in the
frequency domain, and transmission attributes such as the MCS, are signalled using the
PDCCH. The actual transmission timing of the PDCCH messages is used as the reference
timing to which the SPS interval applies. It is necessary to distinguish the PDCCH messages
which apply to SPS from those used for dynamic scheduling; hence for SPS a special
identity is used, known as the Semi-Persistent Scheduling C-RNTI (SPS-C-RNTI), which
for each UE is different from the C-RNTI used for dynamic scheduling messages. The SPS-
C-RNTI is used both for the configuration of SPS resources and for the indication of HARQ
retransmissions of semi-persistently scheduled TBs. To differentiate these two cases, the NDI
is used: for the configuration of the SPS resources, the SPS-C-RNTI with NDI set to 0 is used;
for HARQ retransmissions, the SPS-C-RNTI with NDI set to 1 is used.
Reconfiguration of resources used for SPS can be performed for cases such as transitions
between silent periods and talk spurts, or when the codec rate changes. For example, when
the codec rate for a VoIP service is increased, a new downlink assignment message or uplink
grant message can be transmitted to configure a larger semi-persistently scheduled radio
resource for the support of bigger VoIP packets.
Allocated resources for SPS can be cancelled by an explicit scheduling message on the
PDCCH using the SPS-C-RNTI indicating SPS release.
15
However, because there is a risk
that scheduling messages can be lost in transmission, or the eNodeB’s decision to release the
resources may be late, an implicit mechanism to release the allocated radio resources is also
specified. In the implicit mechanism, when a certain number of MAC PDUs not containing
any MAC SDUs has been transmitted, the UE releases the radio resources.
Resources allocated for SPS can be temporarily overridden in a specific subframe by
a scheduling message using the C-RNTI. For example, if the semi-persistently scheduled
resources collide with resources configured for the Physical Random Access CHannel
(PRACH) in a certain subframe, the eNodeB may choose to allocate other resources for the
SPS in that subframe in order to avoid a collision with the PRACH.
Other factors potentially affecting the scheduling are uplink Transmission Time Interval
(TTI) bundling, designed to improve uplink coverage (see Section 14.3.2), and the config-
uration of measurement gaps during which the UE tunes its receiver to other frequencies
(see Section 22.2.1.2). In the latter case, whenever a subframe for a given HARQ process
collides with a configured measurement gap, the UE can neither receive from nor transmit to
a serving cell in that subframe. In such a case, if the UE cannot receive HARQ ACK/NACK
feedback for an uplink TB, the UE considers that HARQ ACK is received TB and does not
autonomously start a HARQ retransmission at the next transmission opportunity; to resume
15
Explicit SPS resource release messages are positively acknowledged by the UE if they relate to downlink SPS,
but not for uplink SPS.
114
LTE – THE UMTS LONG TERM EVOLUTION
HARQ operation, the UE has to receive a new scheduling message. If an uplink TB cannot
be transmitted due to a measurement gap, the UE considers that HARQ NACK is received
for that TB and transmits the TB at the next opportunity.
4.4.2.2 Scheduling Information Transfer
Buffer Status Reports (BSRs) from the UE to the eNodeB are used to assist the eNodeB’s
allocation of uplink radio resources. The basic assumption underlying scheduling in LTE is
that radio resources are only allocated for transmission to or from a UE if data is available
to be sent or received. In the downlink direction, the scheduler in the eNodeB is obviously
aware of the amount of data to be delivered to each UE; however, in the uplink direction,
because the scheduling decisions are performed in the eNodeB and the buffer for the data is
located in the UE, BSRs have to be sent from the UE to the eNodeB to indicate the amount
of data in the UE that needs to be transmitted over the UL-SCH.
16
Two types of BSR are defined in LTE: a long BSR and a short BSR; which one is
transmitted depends on the amount of available uplink transmission resources for sending
the BSR, on how many groups of logical channels have non-empty buffers, and on whether
a specific event is triggered at the UE. The long BSR reports the amount of data for four
logical channel groups, whereas the short BSR reports the amount of data for only one
logical channel group. Although the UE might actually have more than four logical channels
configured, the overhead would be large if the amount of data in the UE were to be reported
for every logical channel individually. Thus, grouping the logical channels into four groups
for reporting purposes represents a compromise between efficiency and accuracy.
A BSR can be triggered in the following situations:
• whenever data arrives for a logical channel which has a higher priority than the logical
channels whose buffers previously contained data (this is known as a Regular BSR);
• whenever data becomes available for any logical channel when there was previously
no data available for transmission (a Regular BSR);
• whenever a ‘retxBSR’ timer expires and there is data available for transmission (a
Regular BSR);
• whenever a ‘periodicBSR’ timer
17
expires (a Periodic BSR);
• whenever spare space in a MAC PDU can accommodate a BSR (a Padding BSR).
The ‘retxBSR’ timer provides a mechanism to recover from situations where a BSR
is transmitted but not received. For example, if the eNodeB fails to decode a MAC PDU
containing a BSR and returns a HARQ NACK, but the UE erroneously decodes the NACK
as ACK, the UE will think that transmission of the BSR was successful even though it was
not received by the eNodeB. In such a case, a long delay would be incurred while the UE
16
Note that, unlike High Speed Uplink Packet Access (HSUPA), there is no possibility in LTE for a UE to transmit
autonomously in the uplink by means of a transmission grant for non-scheduled transmissions. This is because the
uplink transmissions from different UEs in LTE are orthogonal in time and frequency, and therefore if an uplink
resource is allocated but unused, it cannot be accessed by another UE; by contrast, in HSUPA, if a UE does not
use its transmission grant for non-scheduled transmissions, the resulting reduction in uplink interference can benefit
other UEs. Furthermore, the short subframe length in LTE enables uplink transmission resources to be dynamically
allocated more quickly than in HSUPA.
17
Periodic BSR timer is used by RRC to control BSR reporting.

USER PLANE PROTOCOLS
115
waited for an uplink resource grant that would not be forthcoming. To avoid this, the retxBSR
timer is restarted whenever a uplink grant message is received; if no uplink grant is received
before the timer expires, the UE transmits another BSR.
If a UE does not have enough allocated UL-SCH resources to send a BSR when a trigger
for a Regular BSR occurs, the UE sends a Scheduling Request (SR) on the Physical Uplink
Control CHannel (PUCCH – see Section 16.3.7) if possible; otherwise, the random access
procedure (see Section 4.4.2.3) is used to request an allocation of uplink resources for sending
a BSR. However, if a periodic or padding BSR is triggered when the UE does not have UL-
SCH resources for a new transmission, the SR is not triggered.
Thus LTE provides suitable signalling to ensure that the eNodeB has sufficient information
about the data waiting in each UE’s uplink transmission buffer to allocate corresponding
uplink transmission resources in a timely manner.
4.4.2.3 Random Access Procedure
The random access procedure is used when a UE is not allocated with uplink radio resources
but has data to transmit, or when the UE is not time-synchronized in the uplink direction.
Control of the random access procedure is an important part of the MAC layer functionality
in LTE. The details are explained in Chapter 17.
4.4.2.4 Uplink Timing Alignment
Uplink timing alignment maintenance is controlled by the MAC layer and is important for
ensuring that a UE’s uplink transmissions arrive in the eNodeB without overlapping with the
transmissions from other UEs. The details of the uplink timing advance mechanism used to
maintain timing alignment are explained in Section 18.2.
The timing advance mechanism utilizes MAC Control Elements (see Section 4.4.2.7) to
update the uplink transmission timing. However, maintaining the uplink synchronization in
this way during periods when no data is transferred wastes radio resources and adversely
impacts the UE battery life. Therefore, when a UE is inactive for a certain period of time the
UE is allowed to lose uplink synchronization even in RRC_CONNECTED state. The random
access procedure is then used to regain uplink synchronization when the data transfer resumes
in either uplink or downlink.
4.4.2.5 Discontinuous Reception (DRX)
DRX functionality can be configured for an ‘RRC_CONNECTED’ UE
18
so that it does not
always need to monitor the downlink channels. A DRX cycle consists of an ‘On Duration’
during which the UE should monitor the PDCCH and a ‘DRX period’ during which a UE
can skip reception of downlink channels for battery saving purposes.
The parameterization of the DRX cycle involves a trade-off between battery saving and
latency. On the one hand, a long DRX period is beneficial for lengthening the UE’s battery
life. For example, in the case of a web browsing service, it is usually a waste of resources
for a UE continuously to receive downlink channels while the user is reading a downloaded
18
Different DRX functionality applies to UEs which are in ‘RRC_IDLE’. These RRC states are discussed in
Chapter 3.
116
LTE – THE UMTS LONG TERM EVOLUTION
web page. On the other hand, a shorter DRX period is better for faster response when data
transfer is resumed – for example when a user requests another web page.
To meet these conflicting requirements, two DRX cycles – a short cycle and a long cycle
– can be configured for each UE, with the aim of providing a similar degree of power saving
for the UE in RRC_CONNECTED as in RRC_IDLE. The transition between the short DRX
cycle, the long DRX cycle and continuous reception is controlled either by a timer or by
explicit commands from the eNodeB. In some sense, the short DRX cycle can be considered
as a confirmation period in case a late packet arrives, before the UE enters the long DRX
cycle – if data arrives at the eNodeB while the UE is in the short DRX cycle, the data is
scheduled for transmission at the next wake-up time and the UE then resumes continuous
reception. On the other hand, if no data arrives at the eNodeB during the short DRX cycle,
the UE enters the long DRX cycle, assuming that the packet activity is finished for the time
being.
Figure 4.19 shows an example of DRX operation. The UE checks for scheduling messages
(indicated by its C-RNTI on the PDCCH) during the ‘On Duration’ period of either the
long DRX cycle or the short DRX cycle depending on the currently active cycle. When a
scheduling message is received during an ‘On Duration’, the UE starts a ‘DRX Inactivity
Timer’ and monitors the PDCCH in every subframe while the DRX Inactivity Timer is
running. During this period, the UE can be regarded as being in a continuous reception mode.
Whenever a scheduling message is received while the DRX Inactivity Timer is running, the
UE restarts the DRX Inactivity Timer, and when it expires the UE moves into a short DRX
cycle and starts a ‘DRX Short Cycle Timer’. The short DRX cycle may also be initiated by
means of a MAC Control Element (see Section 4.4.2.7). When the ‘DRX Short Cycle Timer’
expires, the UE moves into a long DRX cycle.
Figure 4.19: The two-level DRX procedure.
In addition to this DRX behaviour, a ‘HARQ RTT (Round Trip Time) timer’ is defined
per downlink HARQ process with the aim of allowing the UE to sleep during the HARQ
RTT. When decoding of a downlink TB for one HARQ process fails, the UE can assume that
the next retransmission of the TB will occur after at least ‘HARQ RTT’ subframes. While
the HARQ RTT timer is running, the UE does not need to monitor the PDCCH (provided
that there is no other reason to be monitoring it). At the expiry of the HARQ RTT timer,
if received data for a downlink HARQ process is not correctly decoded, the UE starts a
‘DRX Retransmission Timer’ for that HARQ process. While the timer is running, the UE

USER PLANE PROTOCOLS
117
monitors the PDCCH for HARQ retransmissions. The length of the DRX Retransmission
Timer is related to the degree of flexibility desired for the eNodeB’s scheduler. For optimal
UE battery consumption, it is desirable that eNodeB schedules a HARQ retransmission as
soon as the HARQ RTT timer expires. However, this requires that eNodeB always reserve
some radio resources for this, and therefore the DRX Retransmission timer can be used to
relax this scheduling limitation while limiting the amount of time for which the UE has to
monitor the PDCCH. The HARQ RTT is illustrated in Section 10.3.2.5.
4.4.2.6 Multiplexing and Logical Channel Prioritization
Unlike the downlink, where the multiplexing and logical channel prioritization is left to the
eNodeB implementation, for the uplink the process by which a UE creates a MAC PDU to
transmit using the allocated radio resources is fully standardized; this is designed to ensure
that the UE satisfies the QoS of each configured radio bearer in a way which is optimal and
consistent between different UE implementations. Based on the uplink transmission resource
grant message signalled on the PDCCH, the UE has to decide on the amount of data for each
logical channel to be included in the new MAC PDU, and, if necessary, also to allocate space
for a MAC Control Element.
One simple way to meet this purpose is to serve radio bearers in order of their priority.
Following this principle, the data from the logical channel of the highest priority is the first
to be included into the MAC PDU, followed by data from the logical channel of the next
highest priority, continuing until the MAC PDU size allocated by the eNodeB is completely
filled or there is no more data to transmit.
Although this kind of priority-based multiplexing is simple and favours the highest
priorities, it sometimes leads to starvation of low-priority bearers. Starvation occurs when
the logical channels of the lower priority cannot transmit any data because the data from
higher priority logical channels always takes up all the allocated radio resources.
To avoid starvation, while still serving the logical channels according to their priorities,
in LTE a Prioritized Bit Rate (PBR) is configured by the eNodeB for each logical channel.
The PBR is the data rate provided to one logical channel before allocating any resource to a
lower-priority logical channel.
In order to take into account both the PBR and the priority, each logical channel is served
in decreasing order of priority, but the amount of data from each logical channel included
into the MAC PDU is initially limited to the amount corresponding to the configured PBR.
Only when all logical channels have been served up to their PBR, then if there is still room
left in the MAC PDU, each logical channel is served again in decreasing order of priority.
In this second round, each logical channel is served only if all logical channels of higher
priority have no more data for transmission.
In most cases, a MAC Control Element has higher priority than any other logical channel
because it controls the operation of a MAC entity. Thus, when a MAC PDU is composed and
there is a MAC Control Element to send, the MAC Control Element is generally included
first and the remaining space is used to include data from logical channels. However, since
the padding BSR is used to fill up remaining space in a MAC PDU, it is included into a
MAC PDU after other logical channels. Among the various types of MAC Control Element
(see Section 4.4.2.7) and logical channel, the ‘C-RNTI’ MAC Control Element and CCCH
(CCCH) have the highest priority because they are used for either contention resolution or
118
LTE – THE UMTS LONG TERM EVOLUTION
RRC connection management. For example, the ‘RRCConnectionReestablishmentRequest’
message (see Section 3.2.3.5) on the uplink CCCH is used to recover a lost RRC connection,
and it is more important to complete the connection reestablishment procedure as soon as
possible than to inform the eNodeB of the UE’s buffer status; otherwise, the data transfer
interruption time would be longer and the probability of call failure would increase due to
the delayed signalling. Likewise, a BSR of an unknown user is useless until the eNodeB
knows which UE transmitted the BSR. Thus, the C-RNTI MAC Control Element has higher
priority than the BSR MAC Control Element.
Figure 4.20 illustrates the LTE MAC multiplexing by way of example. First, channel 1 is
served up to its PBR, channel 2 up to its PBR and then channel 3 with as much data as is
available (since in this example the amount of data available is less than would be permitted
by the PBR configured for that channel). After that, the remaining space in the MAC PDU
is filled with data from the channel 1 which is of the highest priority until there is no further
room in the MAC PDU or there is no further data from channel 1. If there is still a room after
serving the channel 1, channel 2 is served in a similar way.
Figure 4.20: Example of MAC multiplexing.
4.4.2.7 MAC PDU Formats
When the multiplexing is done, the MAC PDU itself can be composed. The general MAC
PDU format is shown in Figure 4.21. A MAC PDU primarily consists of the MAC header

USER PLANE PROTOCOLS
119
and the MAC payload. The MAC header is further composed of MAC subheaders, while the
MAC payload is composed of MAC control elements, MAC SDUs and padding.
Figure 4.21: General MAC PDU format.
Each MAC subheader consists of a Logical Channel ID (LCID) and a Length (L) field.
The LCID indicates whether the corresponding part of the MAC payload is a MAC Control
Element, and if not, to which logical channel the related MAC SDU belongs. The L field
indicates the size of the related MAC SDU or MAC Control Element.
MAC Control Elements are used for MAC-level peer-to-peer Signalling. The available
types of MAC Control Element include the following:
•
Buffer Status Report MAC Control Element for delivery of BSR information (see
Section 4.4.2.2);
•
Power Headroom MAC Control Element for the UE to report available power
headroom (see Section 18.3.3);
•
DRX Command MAC Control Element to transmit the downlink DRX commands
to the UEs (see Section 4.4.2.5);
•
Timing Advance Command MAC Control Element to transmit timing advance
commands to the UEs for uplink timing alignment (see Sections 4.4.2.4 and 18.2.2);
•
C-RNTI MAC Control Element for the UE to transmit its own C-RNTI during the
random access procedure for the purpose of contention resolution (see Section 17.3.1);
•
UE Contention Resolution Identity MAC Control Element for the eNodeB to
transmit the uplink CCCH SDU that the UE has sent during the random access
procedure for the purpose of contention resolution when the UE has no C-RNTI (see
Section 17.3.1);
•
MBMS Dynamic Scheduling Information MAC Control Element transmitted for
each MCH to inform MBMS-capable UEs about scheduling of data transmissions on
MTCH (see Section 13.6).
120
LTE – THE UMTS LONG TERM EVOLUTION
For each type of MAC Control Element, one special LCID is allocated.
When a MAC PDU is used to transport data from the PCCH or BCCH , the MAC PDU
includes data from only one logical channel. In this case, because multiplexing is not applied,
there is no need to include the LCID field in the header. In addition, if there is a one-to-one
correspondence between a MAC SDU and a MAC PDU, the size of the MAC SDU can be
known implicitly from the TB size. Thus, for these cases a headerless MAC PDU format is
used as a transparent MAC PDU.
When a MAC PDU is used to transport the Random Access Response (RAR – see
Section 17.3.1.2), a special MAC PDU format is applied with a MAC header and zero or
more RARs. The MAC header consists of one or more MAC subheaders which include either
a random access preamble identifier or a backoff indicator. Each MAC subheader including
the Random Access Preamble IDentifier (RAPID) corresponds to one RAR in the MAC PDU
(see Section 17.3.1).
4.5 Summary of the User Plane Protocols
The LTE Layer 2 protocol stack, consisting of the PDCP, RLC and MAC sublayers, acts as
the interface between the radio access technology-agnostic sources of packet data traffic and
the LTE physical layer. By providing functionality such as IP packet header compression,
security, handover support, segmentation/concatenation, retransmission and reordering of
packets, and transmission scheduling, the protocol stack enables the physical layer to be
used efficiently for packet data traffic.
References
19
[1] 3GPP Technical Specification 36.323, ‘Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);
Packet Data Convergence Protocol (PDCP) Specification’, www.3gpp.org.
[2] 3GPP Technical Specification 36.322, ‘Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);
Radio Link Control (RLC) Protocol Specification’, www.3gpp.org.
[3] 3GPP Technical Specification 36.321, ‘Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);
Medium Access Control (MAC) Protocol Specification’, www.3gpp.org.
19
All web sites confirmed 1
st
March 2011.