周 皎
(四川邮电职业技术学院,四川 成都 610067)
第五代移动通信(the 5th Generation Mobile Communication Technology,5G)问世以来,移动网络的数据传输速率、容量和传输时延等性能均得到了显著提升,并在持续优化。针对这些特性,5G 不仅改变了核心网架构,引入了新空口技术,还对协议栈的结构进行了较大的调整。例如,无线资源控制(Radio Resource Control,RRC)层引入了RRC Inactive 状态,用于降低连接延迟、减少信令开销和功耗;在用户面新增了服务数据适配协议(Service Data Adaptation Protocol,SDAP)层,用于完成核心网的服务质量(Quality of Service,QoS)流到无线承载之间的映射和管理[1]。此外,5G 对分组数据汇聚协议(Packet Data Convergence Protocol,PDCP)进行了优化和调整,主要完成对用户数据和信令的加密与完整性保护工作,降低信息在传输过程中的泄露风险[2]。
5G 核心网协议栈采用传输控制协议/网际协议(Transmission Control Protocol/Internet Protocol,TCP/IP)模型,分为控制平面(Control Plane,CP)和用户面(User Plane,UP)。
接入网协议栈结构与长期演进(Long Term Evolution,LTE)类似,分为3 层结构[3]。其中,控制平面主要用于处理系统信令,对接的是核心网的接入和移动性管理功能(Access and Mobility Management Function,AMF),RRC 终止于5G 基站gNB,非接入层(Non-Access Stratum,NSA)终止于AMF;用户平面主要用于处理用户数据,对接核心网的用户平面功能(User Plane Function,UPF)。
用户面和控制面共有的子层包括PDCP 层、无线链路控制(Radio Link Control,RLC)层、媒体接入控制(Medium Access Control,MAC)层以及物理(Physics,PHY)层,而SDAP 层是用户面独有的子层。其中,RLC 层采用自动重传请求(Automatic RepeatreQuest,ARQ),配合MAC 层的混合自动重传请求(Hybrid Automatic Repeat reQuest,HARQ)提高可靠性和传输效率,并设置高层数据分组的分段功能,以匹配PHY 层的变化。MAC 层具备复用和优先级管理功能,可以保证多用户QoS 和公平性,增加了自适应的调制与编码功能(MAC 层控制,PHY 层执行)。为满足系统对低时延的需求,MAC 层还负责非连续传输与接收工作。在PHY 层,引入了大规模天线、新型编码调制和新波形等技术,以提高系统的可靠性、容量、时延等性能。5G 协议栈的总体结构如图1 所示。
图1 5G 协议栈的总体结构
根据3GPP TS 37.324 标准,SDAP 层负责QoS流和数据无线承载(Radio Bearer,RB)之间的映射,对上/下行链路中的数据包做QoS 流标识符(QoS Flow Identifier,QFI)标记[4]。SDAP 架构如图2 所示。
图2 SDAP 架构
服务接入点(Service Access Port,SAP)用于建立任意两层之间的逻辑连接。协议数据单元(Protocol Data Unit,PDU)是指来自或发送到较低协议层的数据实体,也被称为服务数据单元(Service Data Unit,SDU),即SDAP-PDU 等价于PDCP-SDU。
PDU 会话与SDAP 实体是一一对应的。例如,发送端会基于RRC 请求建立一个针对某PDU 会话的SDAP 实体,如果配置了默认的数据无线承载(Data Radio Bearer,DRB),还要进行关联[5]。同时,PDU 会话可能包含一个或多个QoS 流,这些Qos 流可以映射到一个或多个DRB 上。但是,DRB与PDCP 实体是一一对应的,因此一个SDAP 实体可能对应一个或多个PDCP 实体。
发送SDAP 实体,并处理上层接收到的SDAPSDU。可以根据需要添加SADP 子头,将其处理成SDAP-PDU 后递交给PDCP 层。先将PDU 会话中的QoS 流映射到一个DRB 上,然后根据情况完成子头的添加,具体流程如图3 所示。
图3 SDAP 实体与数据传输
对于上行,如果有多个QoS流映射到一个DRB上,则需要携带上行子头。上行子头包含了用于区分数据PDU 和控制PDU 的下变频器(Down Convertor,D/C)信息与QFI 标识。如果是侧链数据PDU,则包含指示SDAP PDU 所属的短距离直连通信接口QoS 流的ID 信息(PQFI)。对于下行,如果NAS/AS 映射规则发生了更新,也需要携带下行子头。下行子头应标记更新QoS 流到DRB 的映射规则的RDI 信息、向NAS 通知业务数据流到QoS 流的映射规则的RQI 信息。此外,在上行传输中,如果没有存储QoS 流的映射规则,就需要映射到默认的DRB 上。
接收SDAP 实体把下层接收到的SDAP-PDU 处理成SADP-SDU 后递交给应用层。数据处理过程与发送过程相反,如果接收的SDAP-PDU 带有子头,则移除子头后递交给上层。
PDCP 架构如图4 所示,根据3GPP TS 38.323 标准,可以配置为发送和接收的双向承载容器,也可配置为单向承载容器,以执行PDCP 的具体功能。控制服务接入点(Control Service Access Port,C-SAP)连接RRC 和PDCP 的逻辑接口[6]。
图4 PDCP 架构
在所有无线承载中,除SRB 0 外,其他RB 与PDCP 实体之间都保持一一对应关系。基于上层请求,发送端会建立针对某个特定RB 的PDCP 实体,并将相关状态变量设置为初始值[7]。PDCP 实体与RLC 实体的之间的通道称为RLC 信道。基于RB 的单向/双向或分离/非分离等特征和RLC 的确认模式或非确认模式,一个PDCP 实体可以关联一个或多个RLC 实体(透明模式不经过PDCP)。当PDCP 复制功能激活时,一个PDCP 实体需要关联2 个RLC实体。
发送端将接收到的PDCP-SDU 处理成PDCPPDU 后递交给RLC 层,具体流程如图5 所示。
图5 PDCP 实体与数据传输
发送缓冲器用于添加序列号(Serial Number,SN),并根据RRC 配置判断是否对用户面数据进行压缩。同时,需要进行完整性保护、加密和添加PDCP 子头、路由或包复制等处理。需要注意的是,所有的SRB 都需要进行完整性保护,而DRB 由RRC 配置。在激活安全功能后,所有通过RRC 指示的数据PDU 都需要进行加密。包复制功能也只是在该功能激活后使用。
PDCP-PDU 共有4 种格式。第一种,信令承载的数据PDU(适用于SRB),除数据部分外,还包含12 bits 的序列号和32 bits 的完整性消息身份验证代码MAC-I。第二种,带SN 的DRB 数据PDU(适用于UM DRBs 和AM DRBs),携带D/C、SN 和MAC-I等信息。根据SN 的位数又分为12 bits 和18 bits这2 种格式,适用于不同的传输速率和不同的传输模式。第三种,PDCP 状态报告的控制PDU(适用于AM DRB),携带1 bit 的D/C、3 bits 的PDU 类型、32 bits的FMC以及可选的比特图(Bitmap)信息。其中,FMC 信息用于指示在重新排序窗口内第一个丢失的PDCP SDU 的COUNT 值,而Bitmap 则用于指示在接收PDCP 实体中丢失的SDU(标记为0)和正确接收的SDU(标记为1)。第四种,健壮性报头压缩(Robust Header Compression,ROHC)控制PDU。其适用于UM DRB 和AM DRB,携带D/C、PDU 类型和一个仅具有反馈的ROHC 数据包。
在5G 应用中,如果应用层和无线接口提供的数据率不匹配,可能产生大量的缓存数据。为避免出现延时过长和排队等问题,在PDCP 层引入了SDU 丢弃机制。
文章介绍了5G 协议栈结构,从核心网和接入网的角度简要讨论了协议栈各层次的作用。以SDAP和PDCP 层为例,阐述了5G 接入网协议栈的变化,详细分析了2 层的架构、实体和PDU 格式。相比于4G,5G 协议栈能有效确保系统的高可靠性和低时延性,更好地适应多样化的业务需求。未来业务需求将不断扩大,因此需要进一步优化移动通信系统的协议栈。