[4G&5G专题-24]：架构-5G接入网协议栈规范

盛夏的果实

目录
第1章 网络协议概述
1.1 网络协议概述
1.2 网络协议的三要素
1.3 协议栈发生在哪里？
1.4 协议栈的类型
第2章 LTE的接网协议栈
2.1 协议栈概述
2.2 协议栈与信道的映射
2.3 协议栈与物理功能划分
第3章 5G的空口协议栈
3.1 5G无线接入网网络架构
3.2 5G空口协议栈
3.3 空口L2 下行调度协议栈
3.4 空口L2上行调度协议栈
第4章 5G NG接口协议栈
第5章 5G Xn接口协议栈
第6章 5G协议栈汇总
6.1 5G系统整体协议栈-控制面
6.2 5G系统整体协议栈-数据面
6.3 协议重新切分选项
附录：

第1章 网络协议概述
1.1 网络协议概述
协议：协议是通信双方的在不同层次上的一种约定与标准，没有具体的代码实现，大多数是文档。
协议栈：各种通信协议架构化、层次化的表达，包括各层协议之间的层次关系和接口。协议栈有时候还表示具体的实现某种协议的代码。
3GPP定义的协议栈，属于前者，即各层协议之间的层次关系和接口，而不是具体的代码实现。
1.2 网络协议的三要素
（1）语义（内涵意义）：语义是解释控制信息每个部分的意义。它规定了需要发出何种控制信息,以及完成的动作与做出什么样的响应。
（2）语法（静态结构）：语法是用户数据与控制信息的结构与格式,以及数据出现的顺序。
（3）时序（动态交换）：时序是对事件发生顺序的详细说明，(也可称为“同步”)。
1.3 协议栈发生在哪里？
协议栈发生在两个网元的接口处，如
（1）手机与基站的UU接口，即空口协议。
（2）基站内部的RU与DU之间，即eCPRI前传接口协议
（3）基站内部的DU与CU之间，即F1中传接口协议
（4）基站与核心网的之间，即NG后传协议栈。
（5）基站与基站之间，即Xn后传协议栈。
1.4 协议栈的类型
（1）控制面CP
（2）数据面UP
（3）管理面MP
（4）同步面SP
本文的重点在空口协议的数据面与控制面。

第2章 LTE的接入网协议栈
2.1 协议栈概述

（1）RF（Radio Frequency射频单元）：中频处理、混频。
（2）L1 PHY（Physical物理层）：物理层编解码、OFDM基带调制解调、傅里叶变换与反变换等。
（3）L2 MAC（介质访问控制层）：物理层帧调度、信道映射。
MAC涉及的信道结构包括3方面内容，逻辑信道、传输信道和逻辑信道与传输信道之间的映射。传输信道是MAC层和物理层的业务接入点，逻辑信道是MAC层和RLC层的业务接入点。
（3）L2 RLC（Radio Link Control 无线链路层控制协议）：定义三种无线链路传输模式，透明模式（TM）、非确认模式（UM）、确认模式（AM）。
（4）L2 PDCP（Packet Data Convergence Protocol分组数据汇聚协议）：负责将IP头压缩和解压、传输用户数据并维护为无损的无线网络服务子系统(SRNS)设置的无线承载的序列号。
（5）L3 RRC（Radio Resource Control无线资源控制）：通过一定的策略和手段进行无线资源管理、控制和调度，在满足服务质量的要求下，尽可能地充分利用有限的无线网络资源，确保到达规划的覆盖区域，尽可能地提高业务容量和资源利用率。
2.2 协议栈与信道的映射

逻辑信道：根据传输的业务的数据类型分类
传输信道：根据传输的机制不同进行分类
物理信道：根据空口时频资源的位置不同来分类

2.3 协议栈与物理功能划分

第3章 5G的空口协议栈
3.1 5G无线接入网网络架构

5G空口协议相比于4G的空口协议变化不大。
在用户面协议栈，5G新空口用户面协议栈多了一层SDAP(Service Data Adaptation Protocol ）。
SDAP协议定义于TS37.324，PDCP定义于TS38.323，RLC定义于TS38.322，MAC定义于TS38.321。
3.2 5G空口协议栈

从协议分层来看，除了数据面的SDAP协议，其他层协议与4G LTE是一致的。
但协议的内容，是有差别的，在这里不细说。
其中物理层PHY协议相差最大，其次是MAC层，越往上层，LTE与5G的相差越小。
3.3 空口L2 下行调度协议栈

（1）SDAP：Service Data Adaptation Protocol，服务数据适配协议
把核心网包含Qos的数据流映到特定的下层的无线承载RB上.
（2）RB: Radio bearers，无线承载
由PDCP层提供的特定类型的数据传输服务，根据承载的内容不同分为SRB (Signaling Radio Bearer)和DRB (Data RadioBearer)。不同的用户有一个SRB和多个不同类型的DRB.
（3）PDCP: Packet Data Convergence Protocol分组数据汇聚协议

• IP头压缩ROHC
  
• 数据加密与完整性保护
  

（4）RLC: Radio Link Control 无线链路层控制协议

• 数据的分段：把一个长IP包分拆成多个无线帧的数据净荷，以满足无线帧传输的需要；
  
• 数据的合并：把多个段IP包合并成一个无线帧的数据净荷，以满足无线帧传输的需要；
  
• 数据重复性检查
  
• 出错或超时重发
  

（5）MAC：无线介质访问控制层，即用户数据发送和接收的调度
用户的调度（什么时候发送用户数据，通过信道发送数据等）, LTE的调度周期是1ms，而5G的调度周期可以是0.5ms或0.25ms或0.125ms。

• 发送的数据格式的选择：用户数据的格式
  
• Qos的处理：根据用户的Qos进行调度。
  
• 多路用户数据的复用：逻辑信道到物理信道的映射，即不同用户的数据填充到10ms帧的特定位置（物理空间位置和时间位置）
  
• 单用户的多载波聚合CA：一个用户的数据，通过多个不同的载波进行发送。
  
• 出错包的快速重新发送HARQ：混合自动重传请求（Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ），是一种将前向纠错编码（FEC）和自动重传请求（ARQ）相结合而形成的技术。
  

备注：HARQ重传的基本单位不是10ms帧，而是一次调度周期传送的数据，LTE是一个子帧，5G是一个mini slot
3.4 空口L2上行调度协议栈

基本流程与下行调度类似，是下行的反过程。

第4章 5G NG接口协议栈

类似LTE的基站与MME、SGGW的接口
（1）GTP： GPRSTunnelingProtocol, GPRS隧道协议
主要用于在GSM GRPS和UMTS和LTE、NR网络中支持通用分组无线服务(GPRS)的通讯协议。也就是该协议起源于2G GSM GPRS, 一直沿用到今，彰显了该协议的强大的生命力。
它在基站一侧，为每个手机用户，与核心网建立一个安全的UDP隧道，在该隧道中，可以为手机与核心网之间安全的传输空口上层数据面PDU.
（2）SCTP：Stream Control Transmission Protocol, 流控制传输协议
SCTP提供的服务与UDP和TCP类似, 
SCTP在客户和服务器之间提供关联（association），并像TCP那样给应用提供可靠性、排序、流量控制以及全双工的数据传输.
与TCP不同的是，SCTP是面向消息的（message-oriented）。它提供各个记录的按序递送服务。
与UDP一样，由发送端写入的每一条记录的长度随数据一道传递给接收端应用。
它在基站一侧，为每个手机用户，与核心网建立一个安全的SCTP隧道，在该隧道中，可以为手机与核心网之间安全的传输空口上层控制面PDU.
上述两个协议，是TCP/IP协议家族的成员，属于传输网协议，而不是空口协议。
（3）NG-AP：如果说RRC协议是基站与手机之间的信令协议，那么，NG-AP就是基站与核心网之间的控制信令，基站需要解析此协议，NAS是手机与核心网之间的控制信令 。基站需要
（4）NG-User plane PDU：手机与核心网之间的用户数据，基站不需要解析该数据。

第5章 5G Xn接口协议栈

类似LTE的X2接口，是基站与基站之间的接口，包括4G与5G基站，5G与5G基站。
（1）Xn-AP：如果说RRC协议是基站与手机之间的信令协议，那么，Xn-AP就是基站与基站之间的控制信令，基站需要解析此协议。
（2）Xn-User plane PDU：手机与核心网之间的用户数据，基站不需要解析该数据。
对于5G，该接口还有一个非常非常重要的功能，就是5G NSA非独立组网时，4G和5G的基站之间交互信令。

第6章 5G协议栈汇总
6.1 5G系统整体协议栈-控制面

6.2 5G系统整体协议栈-数据面
数据面多了一个SDAP协议, 少了一个RRC协议, 数据面的整体协议如下：

6.3 协议重新切分选项

附录：
（1）NG
NG接口位于NG-RAN和5GC之间，用户面NG-U接口负责传递CU-UP和UPF之间的用户PDU，并且PDU会话用户面数据协议是基于GTPU传输协议传递。
参考协议：
[1] 3GPP TS 38.413 V15.1.0: NG Application Protocol (NGAP)
[2] 3GPP TS 38.473 V15.3.0: F1 application protocol (F1AP)
[3] 3GPP TS 29.281 V15.5.0: General Packet Radio System (GPRS) Tunnelling Protocol User Plane (GTPv1-U)
[4] 3GPP TS 29.060 V15.3.0: GPRS Tunnelling Protocol (GTP) across the Gn and Gp interface
（2）SDAP
SDAP是5G协议栈CU用户面模块之一，其位于CU-UP。SDAP传输的数据只有一种，就是用户面的用户数据。
参考协议：
[1] 3GPP TS 38.415 V15.1.0: PDU Session User Plane Protocol
[2] 3GPP TS 38.475 V0.3.0: F1 interface user plane protocol
[3] 3GPP TS 37.324 V15.1.0: Service Data Adaptation Protocol (SDAP)
（3）PDCP
PDCP接收CUC或SDAP或F1或GTPU数据并发送到不同的无线承载上。
PDCP的主要功能是数据传输、加解密、完整性保护验证及头压缩。PDCP-C位于CU-CP，用于传输控制面的信令数据，PDCP-U位于CU-UP，用于传输数据面的用户数据。
参考协议：
[1] 3GPP TS 38.475 V0.3.0: F1 interface user plane protocol
[2] 3GPP TS 37.324 V15.1.0: Service Data Adaptation Protocol (SDAP)
[3] 3GPP TS 38.323 V15.3.0: Packet Data Convergence Protocol (PDCP)
（4）RRC
RRC相关流程参数生成与分发，对各模块的配置和消息处理，维护小区及UE控制块信息。
参考协议:
[1] 3GPP TS 38.331: “NR; Radio Resource Control (RRC); Protocol specification”.
（5）RLC
RLC位于PDCP层和MAC层之间，通过RLC通道与PDCP层进行通信，并通过逻辑信道与MAC层进行通信。
参考协议：
[1] 3GPP TS 38.322: " Radio Link Control (RLC) protocol specification".
（6）MAC
MAC层功能包括上行消息接收、解析及处理，下行消息构造及发送，用户优化级处理，逻辑信道优化及处理，HARQ功能，对PHY进行控制，PDCCH管理和上下行资源调度。
参考协议：
[1] 3GPP TS 38.213: “NR; Physical Layer Procedures for control”
[2] 3GPP TS 38.212: “NR; Multiplexing and channel coding”
[3] 3GPP TS 38.214: “NR; Physical Layer Procedures for data”
[4] 3GPP TS 38.321: “NR; Medium Access Control (MAC); Protocol specification”