5G 協(xié)議棧SDAP 與PDCP 層分析

周 皎

（四川郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610067）

0 引 言

第五代移動通信（the 5th Generation Mobile Communication Technology，5G）問世以來，移動網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率、容量和傳輸時延等性能均得到了顯著提升，并在持續(xù)優(yōu)化。針對這些特性，5G 不僅改變了核心網(wǎng)架構(gòu)，引入了新空口技術(shù)，還對協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較大的調(diào)整。例如，無線資源控制（Radio Resource Control，RRC）層引入了RRC Inactive 狀態(tài)，用于降低連接延遲、減少信令開銷和功耗；在用戶面新增了服務(wù)數(shù)據(jù)適配協(xié)議（Service Data Adaptation Protocol，SDAP）層，用于完成核心網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）流到無線承載之間的映射和管理[1]。此外，5G 對分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議（Packet Data Convergence Protocol，PDCP）進(jìn)行了優(yōu)化和調(diào)整，主要完成對用戶數(shù)據(jù)和信令的加密與完整性保護(hù)工作，降低信息在傳輸過程中的泄露風(fēng)險[2]。

1 5G 協(xié)議棧總體架構(gòu)

5G 核心網(wǎng)協(xié)議棧采用傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）模型，分為控制平面（Control Plane，CP）和用戶面（User Plane，UP）。

接入網(wǎng)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)與長期演進(jìn)（Long Term Evolution，LTE）類似，分為3 層結(jié)構(gòu)[3]。其中，控制平面主要用于處理系統(tǒng)信令，對接的是核心網(wǎng)的接入和移動性管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF），RRC 終止于5G 基站gNB，非接入層（Non-Access Stratum，NSA）終止于AMF；用戶平面主要用于處理用戶數(shù)據(jù)，對接核心網(wǎng)的用戶平面功能（User Plane Function，UPF）。

用戶面和控制面共有的子層包括PDCP 層、無線鏈路控制（Radio Link Control，RLC）層、媒體接入控制（Medium Access Control，MAC）層以及物理（Physics，PHY）層，而SDAP 層是用戶面獨(dú)有的子層。其中，RLC 層采用自動重傳請求（Automatic RepeatreQuest，ARQ），配合MAC 層的混合自動重傳請求（Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ）提高可靠性和傳輸效率，并設(shè)置高層數(shù)據(jù)分組的分段功能，以匹配PHY 層的變化。MAC 層具備復(fù)用和優(yōu)先級管理功能，可以保證多用戶QoS 和公平性，增加了自適應(yīng)的調(diào)制與編碼功能（MAC 層控制，PHY 層執(zhí)行）。為滿足系統(tǒng)對低時延的需求，MAC 層還負(fù)責(zé)非連續(xù)傳輸與接收工作。在PHY 層，引入了大規(guī)模天線、新型編碼調(diào)制和新波形等技術(shù)，以提高系統(tǒng)的可靠性、容量、時延等性能。5G 協(xié)議棧的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 5G 協(xié)議棧的總體結(jié)構(gòu)

2 SDAP 層

2.1 SDAP 架構(gòu)

根據(jù)3GPP TS 37.324 標(biāo)準(zhǔn)，SDAP 層負(fù)責(zé)QoS流和數(shù)據(jù)無線承載（Radio Bearer，RB）之間的映射，對上/下行鏈路中的數(shù)據(jù)包做QoS 流標(biāo)識符（QoS Flow Identifier，QFI）標(biāo)記[4]。SDAP 架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 SDAP 架構(gòu)

服務(wù)接入點(diǎn)（Service Access Port，SAP）用于建立任意兩層之間的邏輯連接。協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Protocol Data Unit，PDU）是指來自或發(fā)送到較低協(xié)議層的數(shù)據(jù)實體，也被稱為服務(wù)數(shù)據(jù)單元（Service Data Unit，SDU），即SDAP-PDU 等價于PDCP-SDU。

PDU 會話與SDAP 實體是一一對應(yīng)的。例如，發(fā)送端會基于RRC 請求建立一個針對某PDU 會話的SDAP 實體，如果配置了默認(rèn)的數(shù)據(jù)無線承載（Data Radio Bearer，DRB），還要進(jìn)行關(guān)聯(lián)[5]。同時，PDU 會話可能包含一個或多個QoS 流，這些Qos 流可以映射到一個或多個DRB 上。但是，DRB與PDCP 實體是一一對應(yīng)的，因此一個SDAP 實體可能對應(yīng)一個或多個PDCP 實體。

2.2 SDAP 實體

發(fā)送SDAP 實體，并處理上層接收到的SDAPSDU。可以根據(jù)需要添加SADP 子頭，將其處理成SDAP-PDU 后遞交給PDCP 層。先將PDU 會話中的QoS 流映射到一個DRB 上，然后根據(jù)情況完成子頭的添加，具體流程如圖3 所示。

圖3 SDAP 實體與數(shù)據(jù)傳輸

對于上行，如果有多個QoS流映射到一個DRB上，則需要攜帶上行子頭。上行子頭包含了用于區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)PDU 和控制PDU 的下變頻器（Down Convertor，D/C）信息與QFI 標(biāo)識。如果是側(cè)鏈數(shù)據(jù)PDU，則包含指示SDAP PDU 所屬的短距離直連通信接口QoS 流的ID 信息（PQFI）。對于下行，如果NAS/AS 映射規(guī)則發(fā)生了更新，也需要攜帶下行子頭。下行子頭應(yīng)標(biāo)記更新QoS 流到DRB 的映射規(guī)則的RDI 信息、向NAS 通知業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流到QoS 流的映射規(guī)則的RQI 信息。此外，在上行傳輸中，如果沒有存儲QoS 流的映射規(guī)則，就需要映射到默認(rèn)的DRB 上。

接收SDAP 實體把下層接收到的SDAP-PDU 處理成SADP-SDU 后遞交給應(yīng)用層。數(shù)據(jù)處理過程與發(fā)送過程相反，如果接收的SDAP-PDU 帶有子頭，則移除子頭后遞交給上層。

3 PDCP 層

3.1 PDCP 架構(gòu)

PDCP 架構(gòu)如圖4 所示，根據(jù)3GPP TS 38.323 標(biāo)準(zhǔn)，可以配置為發(fā)送和接收的雙向承載容器，也可配置為單向承載容器，以執(zhí)行PDCP 的具體功能。控制服務(wù)接入點(diǎn)（Control Service Access Port，C-SAP）連接RRC 和PDCP 的邏輯接口[6]。

圖4 PDCP 架構(gòu)

在所有無線承載中，除SRB 0 外，其他RB 與PDCP 實體之間都保持一一對應(yīng)關(guān)系。基于上層請求，發(fā)送端會建立針對某個特定RB 的PDCP 實體，并將相關(guān)狀態(tài)變量設(shè)置為初始值[7]。PDCP 實體與RLC 實體的之間的通道稱為RLC 信道。基于RB 的單向/雙向或分離/非分離等特征和RLC 的確認(rèn)模式或非確認(rèn)模式，一個PDCP 實體可以關(guān)聯(lián)一個或多個RLC 實體（透明模式不經(jīng)過PDCP）。當(dāng)PDCP 復(fù)制功能激活時，一個PDCP 實體需要關(guān)聯(lián)2 個RLC實體。

3.2 PDCP 實體

發(fā)送端將接收到的PDCP-SDU 處理成PDCPPDU 后遞交給RLC 層，具體流程如圖5 所示。

圖5 PDCP 實體與數(shù)據(jù)傳輸

發(fā)送緩沖器用于添加序列號（Serial Number，SN），并根據(jù)RRC 配置判斷是否對用戶面數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。同時，需要進(jìn)行完整性保護(hù)、加密和添加PDCP 子頭、路由或包復(fù)制等處理。需要注意的是，所有的SRB 都需要進(jìn)行完整性保護(hù)，而DRB 由RRC 配置。在激活安全功能后，所有通過RRC 指示的數(shù)據(jù)PDU 都需要進(jìn)行加密。包復(fù)制功能也只是在該功能激活后使用。

PDCP-PDU 共有4 種格式。第一種，信令承載的數(shù)據(jù)PDU（適用于SRB），除數(shù)據(jù)部分外，還包含12 bits 的序列號和32 bits 的完整性消息身份驗證代碼MAC-I。第二種，帶SN 的DRB 數(shù)據(jù)PDU（適用于UM DRBs 和AM DRBs），攜帶D/C、SN 和MAC-I等信息。根據(jù)SN 的位數(shù)又分為12 bits 和18 bits這2 種格式，適用于不同的傳輸速率和不同的傳輸模式。第三種，PDCP 狀態(tài)報告的控制PDU（適用于AM DRB），攜帶1 bit 的D/C、3 bits 的PDU 類型、32 bits的FMC以及可選的比特圖（Bitmap）信息。其中，F(xiàn)MC 信息用于指示在重新排序窗口內(nèi)第一個丟失的PDCP SDU 的COUNT 值，而Bitmap 則用于指示在接收PDCP 實體中丟失的SDU（標(biāo)記為0）和正確接收的SDU（標(biāo)記為1）。第四種，健壯性報頭壓縮（Robust Header Compression，ROHC）控制PDU。其適用于UM DRB 和AM DRB，攜帶D/C、PDU 類型和一個僅具有反饋的ROHC 數(shù)據(jù)包。

在5G 應(yīng)用中，如果應(yīng)用層和無線接口提供的數(shù)據(jù)率不匹配，可能產(chǎn)生大量的緩存數(shù)據(jù)。為避免出現(xiàn)延時過長和排隊等問題，在PDCP 層引入了SDU 丟棄機(jī)制。

4 結(jié) 論

文章介紹了5G 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)，從核心網(wǎng)和接入網(wǎng)的角度簡要討論了協(xié)議棧各層次的作用。以SDAP和PDCP 層為例，闡述了5G 接入網(wǎng)協(xié)議棧的變化，詳細(xì)分析了2 層的架構(gòu)、實體和PDU 格式。相比于4G，5G 協(xié)議棧能有效確保系統(tǒng)的高可靠性和低時延性，更好地適應(yīng)多樣化的業(yè)務(wù)需求。未來業(yè)務(wù)需求將不斷擴(kuò)大，因此需要進(jìn)一步優(yōu)化移動通信系統(tǒng)的協(xié)議棧。