5G无线技术基础自学系列 | 协议栈

Posted 2022-12-04 COCOgsta

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素材来源：《5G无线网络优化实践》

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接入网NG-RAN协议栈沿用4G网络的协议栈，分为三层两面。三层分别指物理层L1、数据链路层L2和网络层L3。两面是指控制面和用户面，并遵循控制面和用户面分离的原则。用户面的数据链路层在4G基础上增加了SDAP层，另外PDCP层、RLC层功能也有所变化。NG-RAN接口协议如图1-30所示。

核心网5GC采用SBA服务式架构，接入网和核心网之间的连接仍采用传统的模式，将应用协议承载在SCTP上进行传输（参阅3GPP TS38.300）。

图1-30　NG-RAN接口协议

1.4.1 控制面

AMF和SMF是5GC控制面的两个主要节点，分别负责用户接入管理和会话管理，配合AMF和SMF功能单元工作的还有UDM、AUSF、PCF等。另外，NRF和NEF这两个平台支持功能节点，用于服务注册、发现、授权，帮助其他节点发现网络服务等功能。

UE和5G核心网间的NAS消息通过NR透传给AMF，再经由AMF发送给对应的模块处理。如果UE同时通过3GPP和non-3GPP接入网接入5GC，那么每个接入模式下都有一个N1 NAS信令连接。

1．UE与gNB之间的协议栈

5G空口信令协议栈如图1-31所示。

图1-31　5G空口信令协议栈

RRC层位于PDCP层之上，完成的功能有下发系统消息、准入控制、安全管理、测量与上报、NAS消息传输及无线资源管理。

PDCP层功能包括传输用户面和控制面数据、加密和完整性保护、用户面报头压缩RoHC、维护PDCP的SN号、双连接时执行数据分流（路由和重复）、重排序、重复丢弃。需要注意的是，PDCP层新增了重排序和复制功能，以及用户面数据完整性保护功能。PDCP层结构和功能如图1-32所示。

图1-32　PDCP层结构和功能（TS38.323图4.2.1-1、图4.2.2-1）

RLC层位于PDCP层以下，实体分为透传模式（TM）、非确认模式（UM）和确认模式（AM）。根据传输模式的不同，RLC对应的功能主要包括：

1）传输上层的PDU数据；

2）UM和AM模式时添加SN序列号（与PDCP中的序列号无关）；

3）ARQ纠错和丢弃功能（AM）；

4）RLC SDU分段重组功能（AM和UM），以及重分段功能（AM）；

5）重复包检测（AM）；

6）协议错误检测（AM）等。

MAC层负责逻辑信道和传输信道之间映射、调度、HARQ（CA场景下每个小区一个HARQ实体）、复用和解复用，双连接时UE会存在多个MAC实体。MAC层功能如图1-33所示。

物理层（PHY）基本流程与LTE保持一致，但在编码、调制、资源映射等具体过程存在差别，如图1-34所示。

图1-33　MAC层功能

图1-34　NR物理层过程

NR有3种RRC状态：空闲态（Idle）、去激活态（Inactive）和连接态（Connected）。RRC状态间转换关系如图1-35所示。去激活态是NR新引入的一种RRC状态，主要是为了减小信令开销、降低终端功耗和接入时延，适用于mMTC场景。RRC状态示意图如图1-36所示。

图1-35　RRC状态间转换关系（3GPP TS38.804图10.2-2）

图1-36　RRC状态示意图

UE处于RRC 3种状态时的行为如表1-18所示。

表1-18　UE处于RRC 3种状态时的行为

注：√表示提供该功能。

UE处于RRC_INACTIVE状态时，仍然保持在CM-CONNECTED状态，且UE可以在RNA区域内移动而不用通知NG-RAN，最后一个服务的gNB保留UE的上下文，与服务的AMF和UPF的NG连接。从核心网看终端，其就和UE处于连接态一样。如果最后一个服务gNB收到来自UPF的下行数据或者来自AMF的下行信令，则该gNB在RNA的所有小区寻呼UE。如果RNA的小区属于邻gNB的，则通过Xn口给对应的邻gNB发送XnAP-RAN-Paging消息。

RNA（RAN-based Notification Area）可以覆盖一个或者多个小区，但一定要在核心网配置的注册区范围内。当UE的RNA定时器超时或者UE移动出了RNA范围时，UE需要发起RNAU（RAN-based Notification Area Update）流程。

UE从空闲态和去激活态到连接态信令流程对比如图1-37所示。

图1-37　UE从空闲态和去激活态到连接态信令流程对比

RRC_INACTIVE态是5G新增的一种状态，目的是使UE可以快速恢复到连接态，而无须重新接入。为了减小UE接入的时延，UE从去激活态到连接态相比于从空闲态到连接态，减少了上下文建立等流程，可以更加快速地恢复UE业务，包括在不同的gNB基站间移动过程中可以复制传递UE上行文。

核心网寻呼CN-Paging基于5G-S-TMSI触发，而从去激活态到激活态是由基站寻呼RAN-Paging触发，因基站不保存UE的S-TMSI信息，所以需要一种新的用户标识I-RNTI（I-RNTI在Paging消息中的UE-Identity携带，用于唤醒去激活态的UE）。

I-RNTI分为full I-RNTI和short I-RNTI，在SIB1消息中通过useFullResumeID指示（useFullResumeID存在则表示使用full I-RNTI和RRCResumeRequest1，不存在则表示使用short I-RNTI和RRCResumeRequest），full I-RNTI为40bit，short I-RNTI为24bit，full I-RNTI可由UEID+gNBID+PLMN构成。

2．UE与AMF之间的协议栈

AMF只负责MM消息处理，包括注册管理、连接管理、用户面连接的激活和去激活操作，以及NAS消息的加密和完整性保护。控制面协议栈（UE与AMF间）如图1-38所示。