5G系统接口优化方案

1．NG 接口

5G 基站通过NG 接口和核心网相连，只有先完成基站和核心网的NG 接口建立，才能保证基站的正常运作。NG 接口分为NG-C 接口和NG-U 接口，NG-C 接口用于连接NG-RAN与AMF，NG-U 接口用于连接NG-RAN 与UPF，协议结构如图2-30 所示。

图2-30　NG 接口协议结构

NG-C 接口协议的功能包括以下几个方面。

（1）NG 接口管理：提供对自身接口的管理。

（2）UE 上下文管理：允许建立、修改或释放UE 上下文。

（3）移动性管理：支持NG-RAN 的系统内切换和到EPS 的系统间切换的功能。

（4）NAS 信令传输：通过NG 接口传输特定UE 的NAS 消息。

（5）寻呼：向寻呼区域内的NG-RAN 节点发送寻呼消息。

（6）PDU Session 管理：负责建立、修改和释放PDU 会话资源用于用户数据传输。

NG-U 接口协议的功能包括以下几个方面。

（1）提供NG-RAN 和UPF 之间的用户面数据传递。

（2）数据转发。

（3）流控制。

2．Xn 接口

gNB 与Ng-eNB 之间的接口，各基站通过Xn 接口交换数据，实现切换等功能。与NG 接口类似，Xn 接口协议也包括Xn-C 和Xn-U，分别处理控制面数据和用户面数据，协议结构如图2-31 所示。

Xn-C 接口协议的功能包括以下几个方面。

（1）Xn 接口管理。

（2）UE 移动性管理，包括上下文转移和RAN 寻呼。

（3）切换。

Xn -U 接口协议的功能包括以下几个方面。

（1）提供基站间的用户面数据传递。

（2）数据转发。

（3）流控制。

3．F1 接口

F1 接口是gNB 中CU 和DU 的接口，协议结构如图2-32 所示。

F1-C 接口协议的功能包括：F1 接口管理；gNB-DU 管理；系统消息管理；gNB-DU 和gNB-CU 测量报告；负载管理；寻呼 ；F1 UE 上下文管理；RRC 消息转发。

F1-U 接口协议的功能包括用户数据转发、流控制。

图2-31　Xn 接口协议结构

图2-32　F1 接口协议结构

4．Uu 接口

Uu 接口为终端与gNB 之间的空中接口，接口协议结构如图2-33 所示。

图2-33　 Uu 接口协议结构

NR 控制面协议栈与 LTE 基本一致，自上而下依次为以下几层。

（1）NAS 层：非接入层（Non-Access Stratum）。

（2）RRC 层：无线资源控制（Radio Resource Control）层。

（3）PDCP 层：分组数据汇聚协议（Packet Data Convergence Protocol）层。

（4）RLC 层：无线链路控制（Radio Link Control）层。

（5）MAC 层：媒体接入控制（Medium Access Control）层。

（6）PHY 层：物理层（Physical Layer）。

NR 用户面协议栈相对于 LTE 增加了 sDAP 子层，自上而下依次为以下几层。

（1）SDAP 层：服务数据适应协议（Service Data Adaptation Protocol）层。

（2）PDCP 层：分组数据汇聚协议层。

（3）RLC 层：无线链路控制层。

（4）MAC 层：媒体接入控制层。

（5）PHY 层：物理层。

1）RRC 层的功能

RRC 层主导无线侧移动性管理和无线资源控制，主要包括以下功能。

（1）广播相关的系统信息。

（2）由5GC 或NG-RAN 发起的寻呼。

（3）建立、维持和释放UE 与NG-RAN 之间的RRC 连接，包括载波聚合的添加、修改和释放；在NR 中或在E-UTRA 和NR 之间添加、修改和释放双连接。

（4）安全功能包括密钥管理。

（5）信令无线承载（SRB）和数据无线承载（DRB）的建立、配置、维护和释放。

（6）移动功能包括：切换和上下文传递；小区选择和重选；RAT 间移动性管理。

（7）QoS 管理。

（8）UE 测量报告配置。

（9）无线链路故障的检测和恢复。

（10）NAS 消息的传递。

NR 引入了3 种RRC 状态，包括RRC_IDLE（空闲态）、RRC_INACTIVE（非激活态）和 RRC_CONNECTED（连接态），如图2-34 所示。

当UE 处于RRC_IDLE 空闲态时，此时 UE 未建立上下文。上下文是 UE 与网络之间建立连接的重要参数，具体包括安全上下文、UE 能力信息等。UE 与5GC 之间无连接关系。此时，如果UE 不存在需要传送的数据，将进入休眠状态。处于空闲态的UE 仅周期性地唤醒以接收可能的寻呼消息，该方式可以有效地减少UE 功耗。

图2-34　3 种RRC 状态

当UE 处于RRC_CONNECTED 连接态时，UE 已建立了上下文，网络为接入的UE 分配了对应的资源。若UE 正在传送数据，则处于连续接收状态，直至数据传送完成而进入等待状态时，切换为连接态DRX 以节省功耗。若后续还有数据待传送，则 UE 再次返回连续接收状态。由于UE 的上下文已建立，UE 离开连接态DRX 进入连续接收状态所需的转换时间相对于从空闲态切换到连接态的时间要短得多。

综上可知，RRC 状态不仅影响UE 的发射功率，还影响系统响应的时延。在 LTE 中仅支持 RRC_IDLE 和 RRC_CONNECTED 两种状态。但是，5G NR 网络需要面对物联网方面。这类物联网终端具有海量连接、小数据分组、密集发送等特点，部分还对时延有一定的敏感性。如果终端频繁在 RRC_IDLE 状态和RRC_CONNECTED 状态之间切换，那么将引起极大的信令开销及不必要的连接时延。而如果让这类终端长时间驻留在RRC_CONNECTED 状态，就会导致极大的功耗。所以NR 引入了一个新的 RRC 状态，即 RRC_INACTIVE。

当 UE 处于RRC_INACTIVE 非激活态时，UE 和网络之间保留了上下文，UE 与核心网也处于CM_CONNECTED 状态。此时，从非激活态到连接态以进行数据接收的流程是相对快速的，且无须产生额外的核心网信令开销。此外，处于RRC_INACTIVE 状态的UE 也同样会进入休眠状态。因此3GPP 组织在标准中额外增加了RRC_INACTIVE 状态正好能够满足降低连接时延、减小信令开销和功耗的需求。

2）SDAP 层的功能

SDAP（Service Data Adaptation Protocol，业务数据适配协议）具体包括以下功能，如图2-35 所示。

（1）传输用户面数据。

（2）为上下行数据进行QoS Flow 到DRB 的映射。

（3）在上下行数据包中标记QoS Flow ID：在数据包上加上SDAP 头，即标记QFI。

（4）为上行SDAP 数据进行反射QoS 流到DRB 的映射：从下行数据包的SDAP 头推导出上行“QoS 流—DRB 的映射”规则。

图2-35　SDAP 的功能

3）PDCP 层的功能

PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分组数据汇聚协议）主要为映射为 DCCH 和DTCH 逻辑信道的无线承载（RB）提供传输服务。其标志性功能是执行 IP 头压缩以减少无线接口上传输的比特数。

每个PDCP 层实体对应一个RB，同时每个PDCP 层都包含控制面和用户面，具体根据RB 所携带的信息来确定相应的平面。每个PDCP 层实体对应1/2/4 个RLC 层实体（具体需根据单向传输/双向传输、RB 分割/不分割、RLC 模式等确定），如图2-36 所示。

图2-36　PDCP 层(www.xing528.com)

PDCP 层分为用户面和控制面功能，其中用户面功能划分如下。

（1）SN 值维护。

（2）头压缩和解压缩，仅ROHC。

（3）用户面数据发送。

（4）重排序和重复检测。

（5）按序递交。

（6）PDCP PDU 路由 （在split bearers 场景下）。

（7）PDCP SDUs 重传。

（8）加密、解密和完整性保护。

（9）PDCP SDU 丢弃。

（10）应用于RLC AM 模式的PDCP 重建和数据恢复。

（11）应用于RLC AM 模式的PDCP 状态报告。

（12）PDCP PDUs 的复制和重复丢弃。

PDCP 层控制面功能划分如下。

（1）SN 值维护。

（2）加密、解密、完整性保护。

（3）控制面数据发送。

（4）重排序和重复检测。

（5）按序递交。

（6）PDCP PDUs 的复制和重复丢弃。

注意PDCP 层的处理过程，在下行方向：首先当高层数据向下送达PDCP 层后，将被存储在一个缓冲区中；其次对到达的数据进行序列编号。这么做的目的是便于接收端准确判断出数据分组是否按序到达及是否有重复分组，从而便于对数据分组的重组。针对用户面数据进行头压缩，即控制面信令不进行头压缩处理，头压缩的功能开关是可配置的；之后完成头压缩后存在两条路径，对于与PDCP SDU 相关的数据分组必须经过完整性保护和加密，否则直接跳到下一步骤；再次添加PDCP 头；最后对PDCP SDU 路由或复制。

在上行方向：要经过去除PDCP 头、解密、完整性验证、重排序或丢弃副本、头部解压缩等流程。

4）RLC 层的功能

RLC（Radio Link Control）主要提供无线链路控制功能，为上层提供分割、重传控制及按需发送等服务。RLC 包含透明模式（Transparent Mode，TM）、非确认模式（Unacknowledged Mode，UM）和确认模式（Acknowledged Mode，AM）3 种传输模式，主要提供纠错、分段、重组等功能。RLC 层的功能具体包括：传输上层PDU；编号（仅限UM 和AM 模式）；对RLC SDU 的分割和重分割；重复检测（AM 模式）；对 RLC SDU 的重组（UM 和AM 模式）；ARQ 纠错（AM 模式）。

（1）RLC 传输模式。

TM、UM 和 AM 3 种传输模式均可以发送和接收数据。在TM 和UM 模式中，接收和发送数据采用独立的RLC 实体；而在AM 模式中，仅采用单一的实体来执行发送和接收数据，如图2-37 所示。

NR 中的各类逻辑信道各自对应一种RLC 配置。其中，BCCH、PCCH 和CCCH 只采用TM 模式，DCCH 只可采用AM 模式，而DTCH 既可以采用UM 模式又可以采用AM 模式，具体由高层的RRC 配置。

图2-37　RLC 传输模式

① TM 模式。TM 模式不对传入RLC 中的SDU 进行任何处理，直接透传，只是简单地转发，如图2-37 所示。而RLC 接收实体既不需要经过重排序，也不需要进行重组。TM 模式传输的 PDU 称为 TMD PDU。

② UM 模式。UM 模式传输的 PDU 称为 UMD PDU，每个 UMD PDU 包含完整的RLC SDU 或一个RLC SDU 的分段（Segment）。UM RLC 发送实体会为RLC SDU 添加头（Header）并缓存。当MAC 层通知有发送机会时，UM RLC 发送实体按需对RLC SDU进行分段，并更新相应的 RLC 头。分段的目的是使 RLC PDU 的大小与MAC 层提供的资源相匹配。UM RLC 接收实体探测RLC SDU 是否丢失，重组RLC SDU 并把RLC SDU 传输给上层。若UMD PDU 无法重组为RLC SDU，则丢弃。RLC UM 模式的处理流程如图2-37 所示。

③ AM 模式。AM 模式相比UM 模式，增加了支持ARQ 重传的功能。AM 模式所传输的数据PDU 称为AMD PDU，所传输的控制 PDU 称为STATUS PDU。

AM RLC 实体同样会为RLC SDU 添加头，并按需进行分段和更新RLC 头。与UM 模式不同的是，AM RLC 实体支持ARQ 重传，当重传的RLC SDU 大小与MAC 层指示的大小不符时，可以对RLC SDU 进行分割或者重分割。

AM 模式与UM 模式处理过程的根本区别在于：AM RLC 实体处理分段和添加RLC 头后，会制作两份完全相同的RLC PDU，并将其中一份传送至MAC 层，而另一份置于重传缓存（Retransmission Buffer）中。经过一定时间如果AM RLC 实体接收到NACK 应答或未获得任何应答时，将缓存中的RLC PDU 进行重传；反之，如果AM RLC 实体获得ACK 应答，那么将缓存中的备份丢弃。

注意：AM 模式下，STATUS PDU 的发送优先级高于重传的AMD PDU，而重传AMD PDU 的发送优先级又高于普通的AMD PDU。

需要说明的是，RLC 传输模式的选择，实际上主要是由业务特性决定的。其中，TM 模式和UM 模式对时延敏感、对错误不敏感，且无反馈消息不需要重传，通常用于实时业务；而AM 模式对时延不敏感、对错误敏感，且存在ARQ 反馈要求，通常用于非实时业务或控制信令。

5）MAC 层的功能

MAC 层的功能具体包括：逻辑信道和传输信道之间的映射；复用和解复用；调度信息报告；通过HARQ 机制进行纠错；一个UE 逻辑信道优先级处理。

其中，MAC 层的复用功能是指将一个或多个MAC SDU 复用到一个传输块（Transport Block）上并传输给物理层的过程。解复用则是将传输块分解为多个MAC SDU，并传递给一个或多个逻辑信道的反向过程，如图2-38 所示。

图2-38　MAC 层

当网络配置了双连接（Dual Connectivity）时，主小区组（Master Cell Group，MCG）和辅小区组（Secondary Cell Group）的MAC 层实体，如图2-39 所示。

图2-39　MAC 层实体（双连接）

6）PHY 层的功能

PHY 层的功能主要包括以下几个方面。

（1）CRC 检测和指示。通过循环冗余检验码的添加和检测实现检错功能。

（2）FEC 编码/解码。NR 实际采用 LDPC 码和 Polar 码进行信道编码，实现纠错功能。

（3）HARQ 软合并。在接收方解码失败的情况下，保存接收到的数据，并要求发送方重传数据，接收方将重传的数据和先前接收到的数据进行合并后再解码以获取一定的分集增益，进而减少重传次数和时延。

（4）速率匹配。通过信息比特和校验比特的选择，匹配实际分配到的物理时频资源。

（5）信道映射。实现传输信道到物理信道的映射。

（6）调制与解调。采用BPSK、OPSK、16QAM、64QAM、256QAM 等调制方式提高信道的传输效率。

（7）频率和时间的同步。通过时频同步保证信息的正确收发。

（8）功率控制、测量和报告。

（9）MIMO 处理。通过空分复用、分集等成倍提高系统容量。

（10）射频处理。将基带处理信号转换为射频信号。

（11）PHY 层信道映射。

物理层也负责逻辑信道到物理信道的映射。物理信道对应于特定传输信道传输所用的时频资源集合，每个传输信道都被映射到对应的物理信道。物理层除了存在这一类具有对应传输信道映射关系的物理信道，还存在另一类没有对应传输信道的物理信道，具体用于上下行链路控制信令的携带。NR 定义的物理信道类型根据上下行链路的不同，可以划分为下行物理信道和上行物理信道。

下行物理信道包括以下几种。

① 物理广播信道（PBCH）：承载部分系统信息（MIB）并在小区覆盖区域内进行广播。该信道是 UE 接入网络所必需的。

② 物理下行控制信道（PDCCH）：用于携带下行控制信息（DCI），以发送下行调度信息、上行调度信息、时隙格式指示和功率控制命令等。该信道是正确解码 PDSCH 及在 PUSCH 调度资源进行传送所必需的，如图2-40 所示。

图2-40　传输信道到物理信道的映射

③ 物理下行共享信道（PDSCH）：主要用于部分系统消息（SIB）的传输、下行链路数据的传输及寻呼消息的传输。

上行物理信道包括以下几种。

① 物理随机接入信道（PRACH）：用于发起随机接入。

② 物理上行控制信道（PUCCH）：用于携带上行控制信息（UCI），以发送HARQ 反馈、CSI 反馈、调度请求指示等L1/L2 控制命令。

③ 物理上行共享信道（PUSCH）：主要用于上行链路数据的传输，是下行链路上PDSCH的对等信道。

在图2-40 中，PDCCH 和PUCCH 并无与之直接映射的传输信道。另外，物理信道还伴随着一系列参考信号（Reference Signal，RS），如DMRS、SRS、CSI-RS 等。这些物理信号不携带从上层而来的任何信息，也不存在高层信道的映射关系，但对于系统功能完整性来说是必要的。

课后复习及难点介绍

难点：Uu接口协议

难点：gNB主要功能

5G NR 接口协议认知

课后习题

1．Uu 接口层3、层2 和层1 分别为哪几层？

2．SDAP 的作用是什么？

3．NG 接口的连接对象是哪几个？

4．Uu 接口MAC 层的功能有哪些？