5G系列PDCP (Packet Data Convergence Protocol)协议详解

Posted 2021-07-30 从善若水

本人就职于国际知名终端厂商，负责modem芯片研发。在5G早期负责终端数据业务层、核心网相关的开发工作，目前牵头6G算力网络技术标准研究。


博客内容主要围绕：
5G协议讲解
算力网络讲解（云计算，边缘计算，端计算）
高级C语言讲解
Rust语言讲解

文章目录

• NR PDCP协议详解
• • 一、PDCP概述
  • • 1.1 PDCP层主要功能：
    • 1.2 LTE PDCP V.S. NR PDCP
  • 二、PDCP structure
  • 三、PDCP 实体
  • 四、PDCP PDU format
  • • 4.1 PDCP data PDU
    • 4.2 PDCP Control PDU
  • 数据传输相关变量
  • 六、数据传输——发送行为
  • • 6.1 发送操作
    • 6.2 一个发送PDCP实体关联了两个RLC实体
  • 七、数据传输——接收行为
  • • 7.1 接收操作
  • 八、SDU discard&duplicated PDU discard
  • • 8.1 SDU discard
    • • DRB
      • SRB
    • 8.2 Duplicated PDU discard
  • 九、PDCP状态报告
  • 十、数据传输-可传数据（for BSR）

NR PDCP协议详解

PDCP：packet data convergence protocol (TS 38.323)

一、PDCP概述

1.1 PDCP层主要功能：

• 维护序列号SN;
• 用户面数据的报头压缩/解压缩;
• 加密/解密;
• 完整性保护/完整性验证，NR新增用户面数据的完整性保护/验证功能，该功能由RRC选择性配置;
• 基于timer的PDCP SDU丢弃;
• Packet duplication，NR新增功能，提高包传输可靠性;
• 重排序及按序递交;
• 不按序递交，NR新增功能，该功能由RRC选择性配置，减少传输延时;
• 重复包丢弃；
• 预处理功能，NR新增功能，减少layer 2的处理时延，对实现高速率传输提供基础；（PDCP预处理包括将PDCP SDU预处理成PDCP PDU、在没有收到下层请求之前将PDCP PDU递交下层两方面）

1.2 LTE PDCP V.S. NR PDCP

• 5G PDCP与LTE PDCP相比，增加了packet duplication 以及预处理功能；
• 针对RLC的不按序递交，可启用重排序功能（LTE中，由于RLC保证按序递交，正常情况下PDCP不需要执行重排序，PDCP重排序和重复包检测只在切换时才会使用）；
• 此外，引入可配置的不按序递交功能，减少传输延时

二、PDCP structure

• RB（除SRB0外）与PDCP实体一对一关系，发送端基于上层请求建立针对某一个RB的PDCP实体，建立实体时将相关状态变量设置为初始值；
• PDCP实体与RLC实体的之间的通道为RLC channel（NR新称呼，LTE称为SAP）；基于RB特征（e.g.单向/双向或分离/非分离）以及RLC mode，一个PDCP实体可以关联一个或多个RLC实体；
• 当PDCP duplication功能激活时，一个PDCP实体需要关联两个RLC实体

三、PDCP 实体

• 头压缩：只有用户面数据有头压缩功能，由RRC选择性配置；
• 完整性保护：SRB都需要进行完整性保护，DRB由RRC选择性配置后使用；（LTE中，只有控制面数据需要完整性保护，用户面数据没有完整性保护功能）
• 加密：安全功能激活后，所有RRC指示的PDCP data PDU（包括SRB,DRB）都需要进行加密；
• duplication：如果包复制功能激活，PDCP需要将相关PDCP PDU复制，并递交到不同的RLC实体
• 发送PDCP实体：将从上层接收的PDCP SDU（等价于SDAP PDU）处理成PDCP PDU后递交下层（RLC layer）；
• 接收SDAP实体：将从下层接收的PDCP PDU（等价于RLC SDU）处理成PDCP SDU后递交上层（application layer）

四、PDCP PDU format

4.1 PDCP data PDU

• 完整性保护部分：PDCP data PDU的子头以及加密之前的数据域；
• 加密部分：PDCP data PDU的数据域（不包含SDAP 子头）以及MAC-I；（LTE中，由于用户面数据没有完整性保护，因此加密部分不包括MAC-I）
• MAC-I占32比特，携带有message authentication code；
• 对于DRB， PDCP SN为12bit或18bit，由RRC配置，以适应不同的传输速率；

4.2 PDCP Control PDU

FMC：占32bit，指示的是重排序窗口内第一个丢失的PDCP SDU的COUNT值

• PDCP Control PDU用于传输PDCP状态报告或离散的ROHC反馈；
• Contol PDU for PDCP status report只适用于AM DRB, Contol PDU for interspersed ROHC feedback适用于AM DRB和UM DRB；
• PDCP 控制PDU没有SN，且不使用加密/解密、完整性保护/完整性验证功能；

数据传输相关变量

🔰 SN取值范围：

• PDCP PDU采用SN编号，在 $$[0,2^{[pdcp-SN-Size]}–1]$$范围内循环取值；

🔰 状态变量取值范围：

• 所有状态变量均为非负值，取值范围为$$[0,2^{32}-1]$$内；

🔰 发送PDCP实体需要维护的状态变量：

• TX_NEXT
  该状态变量指示的是下一个传输的PDCP SDU的COUNT（由HFN和PDCP SN组成）值。该变量的初始值为0；

🔰 接收PDCP实体需要维护的状态变量：

• RX_NEXT
  该变量指示的是下一个期望接收的PDCP SDU的COUNT值。该变量的初始值为0.
• RX_DELIV
  该变量指示的是还没有递交上层但是等待递交的first PDCP SDU的COUNT值。该变量的初始值为0.
• RX_REORD
  该变量指示的是触发t-reordering timer的PDCP data PDU的COUNT+1；

六、数据传输——发送行为

6.1 发送操作

• 从上层接收到PDCP SDU时，开启针对该包的discardTimer (if configured)；
• 对每一个从上层接收到的PDCP SDU，发送PDCP实体需要：
  • 将TX_NEXT对应的COUNT值与PDCP SDU相关联；
  • 头压缩（需要忽略SDAP包头）；
  • 基于TX_NEXT进行完整性保护、加密操作；
  • 设置PDCP data PDU 的SN为TX_NEXT modulo 2[pdcp-SN-Size]；
  • 按步长1增加TX_NEXT；
  • 将生成的PDCP PDU递交下层；

6.2 一个发送PDCP实体关联了两个RLC实体

• 如果配置了duplication function并且处于激活状态，复制PDCP data PDU分别递交两个RLC实体；（PDCP Control PDU不适用packet duplication，只能递交给主RLC实体，因为RoHC反馈的PDCP Control PDU 会导致RoHC状态失步）；
• 如果关联的两个RLC实体属于不同的cell group且PDCP data volume 和RLC data volume之和大于一个预设阈值ul-DataSplitThreshold，将PDCP PDU递交给主RLC实体或辅RLC实体（取决于具体实现），否则递交给主RLC实体；

七、数据传输——接收行为

7.1 接收操作

• NR PDCP采用PUSH window（下边沿驱动）+t-reordering timer的形式接收下层递交的PDCP PDU；

关于PUSH window：接收窗口只能依赖于接收窗口下边界状态变量（RX_DELIV）更新才能移动

• 所有状态变量基于COUNT值，并且在接收机制中不考虑COUNT值的wrap around问题。网络侧保证防止wrap around（如采用DRB addition/release）；
• PDCP接收到PDCP PDU后，首先需要基于PDCP PDU子头中的SN以及当前接收窗状态确定正确地HFN以及COUNT值。基于得到的COUNT进行解密和完整性验证；
• 没通过完整性验证的PDCP PDU将被丢弃，协议中对没有通过解密的PDCP PDU如何处理没有规定。
• 通过完整性验证的PDCP PDU需要进一步进行重复性检测，只有通过重复性检测的PDCP PDU，其对应的PDCP SDU才会被放在PDCP 接收buffer中；
• 排序完成的PDCP PDU，在去除PDCP PDU头之后，需要按照PDCP COUNT编号顺序进行解压缩，防止RoHC Context按序更新导致的解压缩失败。解头压缩后的包，再递交个SDAP层。
• 如果RRC配置了不按序递交功能，PDCP SDU需先放入接收buffer中以记录PDCP SDU的接收状态，然后直接递交上层，且不能配置头压缩功能；
• 如果没有配置不按序递交功能，PDCP需要进行重排序和丢失检测。如果检测到某个PDCP PDU没有收到（简单理解为没有按序收到PDCP PDU），开启重排序定时器（i.e t-reordering timer），定时器超时认为该gap的数据包接收失败；

🔰以下以pdcp-SN-Size=3bit，Window_Size=4（协议规定接收窗口的长度为其SN空间的一半）为例介绍

接收示例: 以下为接收窗的初始状态

确定 HFN和COUNT值的方法：

• 如果 接收包的SN < SN(RX_DELIV) – Window_Size，那么该包对应的HFN = HFN(RX_DELIV) + 1；
  

• 如果接收包的SN >= SN(RX_DELIV) + Window_Size，那么该包对应的HFN= HFN(RX_DELIV) – 1；
  

• 否则，接收到的包对应的HFN= HFN(RX_DELIV)

接收包的HFN确定后，可确定该包对应的COUNT值为 [RCVD_HFN, RCVD_SN]。

接收行为：

• 按照COUNT升序向上层递交PDCP SDU；
• 更新RX_DELIV使其指向还没有递交到上层的first PDCP SDU；
• 判断是否要停止或启动t-reordering 定时器（如果定时器正在运行且更新后的RX_DELIV>=RX_REORD,停止定时器；如果定时没有运行（包括因前述行为停止的）且更新后的RX_DELIV < RX_NEXT，启动定时器，并设置RX_REORD=RX_NEXT）

case 1：接收到SN=RX_DELIV的PDCP PDU（接收到下边界对应的包）

如图，当SN=0收到时，更新RX_DELIVE=3，此时RX_DELIV>=RX_REORD=2，需停止定时器。由于RX_DELIV=RX_NEXT=3,不需要重新启动重排序定时器

case 2：t-reordering 定时器超时

如图，当定时器超时，更新RX_DELIVE=3，此时由于RX_DELIV=RX_NEXT=3（说明没有丢包）,不需要重新启动重排序定时器

case 3：重配t-reordering定时器时长（在t-reordering定时运行期间可能收到重配定时器时长的指示）

①更新RX_REORD=RX_NEXT（忽略gap）；
②停止并重新启动t-reordering 定时器

八、SDU discard&duplicated PDU discard

8.1 SDU discard

应用层提供的数据率与无线接口提供的数据率不匹配，可能产生大量缓存数据，为防止过度延时和排队现象引入SDU discard 机制。

DRB

对于DRB，当以下任意条件满足时，发送PDCP实体将删除PDCP SDU以及对应的PDCP data PDU:

• PDCP SDU对应的discardTimer 超时（只有DRB才会配置这个timer）；
• PDCP 状态报告确定某一PDCP SDU已成功传输（只适用于DL DRB）；

如果对应的PDCP PDU已经传输到下层，则指示下层丢弃相关包；

【注】：由于NR PDCP中引入预处理功能，PDCP可能会丢弃一个已经关联了SN的PDCP SDU从而导致SN gap，进而增加接收端重排序时延。可以取决于UE实现来减少gap（如将该丢弃的SN号重新分配给其他PDCP SDU）。

SRB

对于SRB，如果上层请求PDCP SDU discard，PDCP实体应该丢弃所有存储的PDCP SDU和PDCP PDU；(对于SRB来说，SDU discard是一种RRC请求功能，类似于请求PDCP re-establishment，因此当PDCP接收到这种请求时，应该丢弃所有存储的包)

8.2 Duplicated PDU discard

• NR针对packet duplication新引入的功能；
• 如果PDCP PDU经一个RLC实体成功传输了，发送PDCP实体指示另一个RLC实体丢掉相应的duplicated PDCP PDU（目前主要适用于AM DRB）；
• 如果PDCP收到duplication function去激活指示，发送PDCP实体指示辅RLC实体丢弃所有duplicated PDCP data PDU；

九、PDCP状态报告

某些情况下PDCP SDU已经成功接收但是还没有收到相应的RLC 确认，为避免不必要的重传，UE可通过PDCP状态报告告知网络侧包的接收状态（PDCP状态报告只适用于DL DRB）

• 在以下任一情况下，如果RRC配置了状态报告，接收PDCP需要触发PDCP状态报告：

  • 上层请求PDCP entity re-establishment （如切换）；
  • 上层请求PDCP data recovery承载类型变化（如MCG split bearer变换成MCG bearer）

• 发送PDCP control PDU for PDCP statute report操作：

  • 设置FMC等于RX_DELIV；
  • 分配bitmap域，字节上其长度等于从第一个丢失的PDCP SDU但不包括该PDCP SDU开始到最后一个失序的PDCP SDU为止的COUNT个数，或者从第一个丢失的PDCP SDU但不包括该PDCP SDU开始到PDCP control PDU size等于9000bytes为止的COUNT个数；
  • 对于没有成功收到的PDCP SDU以及没有成功解压的PDCP SDU（optional）对应的 bitmap域设置为“0”；
  • 对于成功收到的PDCP SDU对应的bitmap域设置为“1”

• 接收PDCP control PDU for PDCP statute report操作

  • 认为COUNT值小于FMC或bitmap设置为“1”的PDCP SDU都成功接收了；
  • 执行SDU discard操作

十、数据传输-可传数据（for BSR）

为便于MAC层执行缓存状态报告（buffer size report，BSR）以申请上行授权，UE认为以下为PDCP层可传数据：

• 还没有被处理成PDCP PDU 的PDCP SDU;
• 还没有递交下层的PDCP PDU;
• PDCP 控制 PDU;
• for AM DRB, PDCP re-establishment时确定需要重传的PDCP SDU；
• for AM DRB, PDCP data recovery时确定需要重传的PDCP PDU

当一个PDCP 关联两个RLC实体时：

• DC split bear：如果PDCP 可传数据与RLC等待初传的可传数据总和小于一个阈值，PDCP向主RLC实体关联的MAC指示PDCP容量，向辅RLC实体关联的MAC指示PDCP容量为0；否则，PDCP分别向主/辅RLC关联的MAC实体指示PDCP数据量；
• DC duplication：PDCP向分别向主RLC、辅RLC实体关联的MAC实体指示PDCP数据量；
• CA duplication：PDCP数据量需分别计算在主/辅RLC实体关联的逻辑信道组LCG中

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