2.6 5G NR协议栈

5G NR控制平面议栈如图2-10所示。

5G NR用户平面议栈如图2-11所示。

5G NR协议栈的构成与4G LTE差别不大。下面分别介绍5G NR协议栈各层的主要功能。

2.6.1 RRC层

跟LTE不同的是，5G既要减少终端功耗，又要快速接入，还要减少信令开销，要兼顾三者。像NB-IoT引入RRC暂停/挂起（Suspend）这个中间状态一样，5G NR也引入了RRC不活跃（RRC INACTIVE）这个中间状态。在RRC不活跃状态下，终端处于省电的“休眠”状态，但它仍然保留基本的RAN上下文信息（安全上下文、UE能力信息等），始终保持与网络的连接，并且可以通过类似于寻呼的消息快速从RRC不活跃状态转移到RRC连接（RRC CONNECTED）状态，而且可以减少信令数量，如图2-12所示。

通常UE RRC连接释放由基站发送RRC Connection Release消息触发，但在某些情况下，UE的RRC层根据NAS层的指示主动释放RRC连接，不通知网络侧而主动进入空闲状态，如NAS层鉴权过程中没有通过鉴权检查。

RRC层的主要服务和功能包括：

● 广播与AS和NAS相关的系统信息；

● 由5GC或NG-RAN发起的寻呼。

建立、维持和释放UE与NG-RAN之间的RRC连接，包括：

● 载波聚合（CA）辅小区（SCell）的添加、修改和释放；

● 在NR内部或在E-UTRAN和NR之间添加、修改和释放双连接（EN-DC）；

● 安全功能包括密钥管理；

● 信令无线承载（SRB）和数据无线承载（DRB）的建立、配置、维护。

移动性管理功能包括：

● 切换和上下文转移；

● UE小区选择和重选，以及小区选择和重选的控制；

● 系统间移动性（Inter-RAT Mobility）；

● QoS管理功能；

● UE测量报告和测量控制；

● 无线链路故障的检测和恢复；

● 在UE和5G核心网间传送NAS消息。

2.6.2 SDAP层

5G QoS管理跟4G LTE QoS不同，4G LTE QoS是基于数据无线承载（DRB）进行QoS管理，也就是说每个DRB对应一套QoS参数，QoS和DRB之间是一一对应的，QoS不同，则DRB也不同。5G QoS管理是基于所谓的QoS流（QoS Flow），不再基于DRB。一个PDU会话（PDU Session）对应一个N3接口GTP隧道，但可以对应一个或多个QoS流，也可以对应一个或多个DRB。5G QoS流管理及映射关系如图2-13所示。

为此，5G NR在PDCP层之上又引入了一个新子层SDAP（Service Data Application Protocol），SDAP只存在于空口用户面。SDAP层功能和结构图如图2-14所示，其主要服务和功能包括：

● QoS流和数据无线承载（DRB）之间的映射，可以是多个不同的QoS流映射到同一个无线承载；

● 标记DL和UL数据包中的QoS流ID（QoS Flow ID，QFI）；

● 为每个单独的PDU会话配置SDAP的单个协议实体。

2.6.3 PDCP层

用户面的PDCP层功能和结构（参见4.2.2节）如图2-15所示。具体包括以下功能：

● 序号管理；

● 标头压缩和解压，仅限ROHC；

● 传输用户数据；

● 重新排序和重复检测；

● PDCP PDU路由（在分离承载的情况下）；

● 重传PDCP SDU；

● 加密、解密和完整性保护；

● PDCP SDU丢弃；

● RLC AM的PDCP重建和数据恢复；

● 重复PDCP PDU检测与处理。

用于控制面的PDCP层的主要服务和功能包括：

● 序号管理；

● 加密、解密和完整性保护；

● 控制面数据的传输；

● 重新排序和重复检测；

● PDCP PDU重复检测。

2.6.4 RLC层

RLC无线链路控制层支持3种传输模式：

● 透明模式（TM）：仅适用于BCCH、DL/UL CCCH、PCCH和SBCCH；

● 无应答模式（UM）：适用于DL/UL DTCH、SCCH和STCH；

● 确认模式（AM）：适用于DL/UL DCCH、DL/UL DTCH、SCCH和STCH。

RLC配置是基于每个逻辑信道或无线承载（Radio Bearer，RB），不依赖于数字和/或传输持续时间，并且ARQ可以在逻辑信道配置的任何数字和/或传输持续时间上操作。对于SRB0、寻呼和广播系统信息，使用TM传输模式。对于其他SRB，使用的AM传输模式。对于DRB，使用UM或AM模式。无线承载功能及逻辑信道映射表如表2-15所示。

RLC层功能和结构如图2-16所示。

RLC层主要服务和功能取决于传输模式，具体包括：

● 传输上层PDCP PDU；

● 序列编号独立于PDCP（UM和AM）中的序列编号；

● 通过ARQ纠错（仅限AM）；

● RLC SDU的分段（AM和UM）和重新分段（仅AM）；

● 重新组装SDU（仅限AM和UM）；

● 重复检测（仅限AM）；

● RLC SDU丢弃（仅限AM和UM）；

● RLC重建；

● 协议错误检测（仅限AM）。

RLC层内的ARQ具有以下特征：

● ARQ根据RLC状态报告重传RLC SDU或RLC SDU段；

● RLC需要轮询RLC状态报告；

● 在检测到丢失的RLC SDU或RLC SDU段之后，RLC接收器还可以触发RLC状态报告。

2.6.5 MAC层

MAC层功能和结构如图2-17所示。

MAC层具体包括以下功能：

● 逻辑信道和传输信道之间的映射，下行方向将属于一个或不同逻辑信道的MAC SDU复用到传输信道MAC PDU，然后下传到物理层处理，上行方向接收从物理层来的数据MAC PDU，解复用发送到逻辑信道；

● 调度信息报告；

● 通过HARQ进行纠错（在CA的情况下每个小区一个HARQ实体）；

● 通过动态调度在UE之间进行优先级处理；

● 通过逻辑信道优先级排序在一个UE的逻辑信道之间进行优先级处理；

● 随机接入过程；

● MAC CE功能；

● 填充（Padding）；

● 单个MAC实体可以支持多个传输定时和多个小区；

● 逻辑信道优先级控制。DL MAC PDU和UL MAC PDU结构如图2-18所示。

另外，MAC层还定义了很多控制单元（Control Element，CE）功能来协助基站和UE完成一些特定功能或上报一些特定控制或调度相关的辅助数据，包括上行MAC CE和下行MAC CE，每种MAC CE分别由LCID值来区分，比如UE功率余量（PHR）上报和缓冲区状态（BSR）上报等。MAC LCID索引如表2-16所示。

2.6.6 物理层（PHY）

5G NR物理层（Physical Layer）主要负责处理上、下行各个物理信道和各类物理信号，包括CRC校验、编码、调制、速率匹配、加扰和交织、层映射、矩阵预编码等功能。基站和UE侧上、下行物理层结构和功能映射图分别如图2-19和图2-20所示，详细物理层过程与各个物理信道及物理信号功能介绍参见本书第5章。

另外，在5G NR时代，大规模天线阵列和波束赋形的普遍采用，导致对传统的CPRI接口带宽要求急剧上升，因此为了降低对前传CPRI接口的压力，物理层又细分为高层（High Layer，也称Upper Layer）和低层（Low Layer），分别在DU和RU完成，其中CPRI接口规范也相应升级为eCPRI（即增强的CPRI接口规范，在O-RAN规范里面也称为CUS Split 7.2），对其中的I/Q数据传输时延等都有更加严格的要求。eCPRI详细的介绍参见3.5节。