[4G5G专题-58]：L2 PDCP子层-分组数据汇聚控制协议架构、PDCP包格式、鲁棒性头压缩RoHC

第1章 L2 PDCP层功能概述

1.1 RAN的架构概述

1.2 L2功能概述

第2章 PDCP功能详解

2.1 PDCP功能概述

2.2 终端的IP地址是如何获取的

2.3 PDCP数据流功能图

第3章 PDCP包格式

3.1 PDCP PDU结构

3.2 PDCP_C头格式：控制平面

3.3 PDCP_U头格式：数据平面

第4章 PDCP的映射功能与上下层接口

4.1 PDCP的映射功能

4.2 PDCP层与上层的接口

4.3 PDCP层与RLC层的接口

第5章 IP头的鲁棒性头压缩ROHC：针对终端业务数据

5.1 为什么要在LTE/NR PDCP中引入ROHC？

5.2 RoHC压缩的内容

5.3 RoHC的工作模式

5.4 不同的语音编码情形下RoHC效能上的提升

5.5 ROHC原理

第6章完整性保护算法：针对RRC信令数据

6.1 完整性包含概述

6.2 常见的完整性保护的算法

第7章 5G NR对PDCP的改进

7.1 双连接的类型

7.2 双连接好处

7.3 双连接的本质

7.3 选项3x的双连接协议栈

第1章 L2 PDCP层功能概述

1.1 RAN的架构概述

1.2 L2功能概述

L2（数据链路层），又称无线网络层，实现终端与基站之间通过无线信道（逻辑信道）传递分组数据。

（1）PDCP（Packet Data Convergence Control，分组数据汇聚控制）

（2）RLC（Radio Link Control，无线链路控制层）

无线链路控制协议（RLC）是为了保证数据传输业务可靠服务质量（QoS）而制定的协议。

这是因为移动通信在无线电传播环境中的数据传输信道状况很差，传输数据的误码率极高，因此保证数据传输业务的服务质量是一项艰巨的任务。

RLC协议是在数据链路控制（DLC）层中引进了多个新的自动重发请求（ARQ）机制，以此来解决对服务质量的要求。

（3）MAC（Medium Access Control，媒体访问控制层），通过控制底层的物理层媒介（基带时频资源）传递数据。MAC层把逻辑信道数据映射到传输信道，并把映射后的传输信道的传输块数据TB传递给物理层。

第2章 PDCP功能详解

2.1 PDCP功能概述

分组数据汇聚协议(Packet Data Convergence Protocol，PDCP)层属于无线接口协议栈的第二层，处理控制平面上的无线资源管理(RRC)消息以及用户平面上的因特网协议(IP)包。

（1）在基站控制平面上：PDCP子层为RRC层提供RRC消息传输业务

UE终端RRC层与基站RRC对等层之间的RRC信令传输服务, RRC消息在基站侧终结（见上图）。
下行方向，实现L3 RRC信令的在空口传输时的加密和一致性（完整性）保护，
上行方向，实现对接收到的L3 RRC信令的解密和一致性（完整性）检查。

（2）在核心网控制平面上，PDCP子层为NAS层提供NAS消息传输业务

在手机终端与基站之间传输“手机与核心网信令网关”之间的NAS层信令。
NAS层信令是承载在RRC消息中的，是RRC众多消息中的一种。NAS/RRC消息在基站侧终结，基站对于承载在RRC中的NAS消息，并不解析，直接取出来，并通过S1AP/SCTP消息传递给核心网（见上图）。
下行方向，基站实现L3 NAS/RRC信令的在空口传输时的加密和一致性（完整性）保护，
上行方向，基站实现对接收到的L3 NAS/RRC信令的解密和一致性（完整性）检查。

（3）在用户平面上， PDCP子层为终端的应用层提供IP分组传输业务。

在手机与基站之间传输“手机与核心网数据网关”之间的IP分组业务数据。此时PDCP层以及PDCP层以下的空口协议栈就相当于TCP/IP协议栈在以太网中的MAC层。
下行方向：基站对手机与基站之间传输的IP数据分组进行头压缩（ROHC）和加密，然后递交到RLC子层。
上行方向：基站实现对收到的IP分组头进行解压缩（ROHC）、解密，对IP分组进行重复检测和按序传输。

注意：

PDCP传递IP分组，仅仅是PDCP功能的一部分，只有IP分组承载时，才需要IP压缩, 且IP头压缩ROHC是必选项，如上图所示。
PDCP还承载基站与终端的L3 RRC信令消息，包括需要基站帮忙中转的、手机与核心网网关的NAS信令消息，RRC消息，并不是承载在IP分组中的。
数据包加密是可选项。

2.2 终端的IP地址是如何获取的

当PDCP子层为终端的应用层提供IP分组业务数据提供传输服务时，此时PDCP层以及PDCP层以下的空口协议栈就相当于TCP/IP协议栈在以太网中的MAC层。

实际上，并不完全等同与以太网中的MAC层，比如在以太网中，终端的IP地址是通过DHCP协议获取，然而，在LTE或NR的终端，其IP分组的IP地址是如何获取的呢？

这里肯定不是通过DHCP获取的，也就是说PDCP协议，不同于以太网的MAC层，它并不承载ARP协议和DHCP等协议。

手机终端的IP地址实际是通过NAS消息从核心网的信令网关获取的，核行为的信令网关是从核心网的业务数据网关获取的。

如下图所示：

（1）UE终端通过NAS消息，向核心网信令网关MME申请PDN连接请求

（2）核心网信令网关MME向核心网数据网关S-GW申请PDN会话连接请求

（3）核心网数据网关S-GW向核心网数据网关P-GW申请PDN会话连接请求

（4）核心网数据网关G-GW为终端分配IP地址，并返回给信令网关MME.

（5）给信令网关MME通过GTP/NAS消息把IP地址返回给基站，基站在通过RRC/NAS消息返回给UE终端

（6）UE终端获取IP地址后，就可以通过IP数据包与数据网关P-GW进行通信了。

UE终端的IP层之下，不是以太网MAC层，因此不需要ARP协议先获取MAC地址。
UE终端的IP数据包，在终端与基站之间传输时，直接承载在PDCP协议之上。
UE终端的IP数据包，在基站与核心网数据网之间传输时，直接承载在GTP协议之上。

2.3 PDCP数据流功能图

（1）下行（自上而下）

给IP数据包添加序列编号
如果数据是IP业务数据包，则对IP头进行压缩ROHC
如果数据是RRC控制数据, 则对数据进行完整性保护
对数据进行加密
给加密后的数据添加PDCP头，以便通过PDCP在空口传输加密后的数据。

（2）上行（自下而上）

去除PDCP头
对加密的PDCP净荷进行加密
如果数据是RRC控制信令，则进行完整性检查。
如果数据是终端的业务数据，则进行IP头信息的恢复
根据IP数据包序号进行排序，确保数据是按序传输的。

第3章 PDCP包格式

3.1 PDCP PDU结构

3.2 PDCP_C头格式：控制平面

PDCP_C的数据包，用于终端的控制平面，是RRC层为终端建立的无线信令承载SRB的一部分，用于传输RRC消息。

PDCP_C有两种类型：

（1）PDCP_C控制面的数据包格式

D/C：控制面数据面指示，0：控制面，1：数据面。
R：保留位
PDCP SN：序列号，长度为5bit
Data：非压缩数据
MAC-I：数据完整性保护的验证码

（2）PDCP_C控制面的状态指示包格式

D/C：控制面数据面指示，0：控制面，1：数据面。
FMS：first missed SN, 第一个丢失的PDCP SDU的PDCP SN号。
Bitmap：1表示指定位置SN号位置的包已经被成功的接收，0表示没有收到相应成功接收的指示。

3.3 PDCP_U头格式：数据平面

PDCP_D的数据包，用于终端的数据平面，是RRC层为终端建立的无线数据承载DRB的一部分，用于传输终端的IP业务数据。

PDCP_D有三种类型：

（1）SN=7bit的数据面的数据包格式

D/C：控制面数据面指示，0：控制面，1：数据面。
PDCP SN：序列号，长度为7bit
Data：压缩或非压缩的数据

（2）SN=12bit的数据面的数据包格式

D/C：控制面数据面指示，0：控制面，1：数据面。
R：保留位
PDCP SN：序列号，长度为12bit

Data：压缩或非压缩的数据

（3）数据面的ROHC的反馈包格式

D/C：控制面数据面指示，0：控制面，1：数据面。
PDU Type

000： PDCP状态指示

001： ROHC头压缩回馈

R：保留
ROHC feedback packet：ROHC头压缩的回馈内容（关于ROHC的原理，稍后再介绍）

第4章 PDCP的映射功能与上下层接口

4.1 PDCP的映射功能

PDCP实现了RRC层的无线承载（信令承载SRB、数据承载DRB无线承载）到RLC层的三种服务访问点（透明TM、非确认UM、确认AM）的映射。

4.2 PDCP层与上层的接口

一个UE对应多个RB（Radio Bearer），包括用于传送RRC信令的SRB和用于传送多种业务的多个不同的DRB。

每个不同的RB都对应一个不同的PDCP实体，以支持多用户、多业务的并发运算，并发传输。

每个PDCP实体与一个或两个（一个对应一个方向）RLC实体关联，这取决与RB的特性（如单向或双向）以及RLC的传输模式。

PDCP实体的属性由控制面的上层协议RRC来配置。

4.3 PDCP层与RLC层的接口

PDCP层通过RRL层提供的三种服务访问RLC层： 透明传输模式TM、非确认模式UM和确认模式AM.

第5章 IP头的鲁棒性头压缩ROHC：针对终端业务数据

5.1 为什么要在LTE/NR PDCP中引入ROHC？

在网络传输和无线通信的过程中，我们会用到很多传输协议，诸如TCP/IP，UDP等。

这些协议的报文头都有一定的规律，并且很大一部分在整个传输会话Session过程，不同时间点通过PDCP协议报文承载的IP报文的头部信息是保持不变的，当我们单次传输的数据比报文头还短时，报头就成了一个累赘。

我们可以利用报头的变化规律对报头进行压缩，提高传输效率。或者说在这个session过程中，第一个数据包所带的头信息，可以被后续IP报文复用。

ROHC就是这么一种协议。ROHC是目前公认的应用于无线链路上较为理想的头部压缩方式。

这里需要注意一个前提条件：

压缩后的IP报文不能直接在网络从传递，它必须封装在其他报文中进行传输，才能进行IP报文头的压缩。

而在LTE中，需要支持Voice Over IP，为了支持语音的实时传输，UE端会语音被切分成一个个小的数据，封装在一个个的IP数据包中，并通过空口进行传输，这就导致，每一次的传输, 有效数据的比率很低。

如下图所示：

语音数据是被封装在IPV4/UDP/RTP，封装的头部长度40字节已经超过了语音数据的净荷数据的长度32字节，一次语音数据传输的效率很低，不到50%。

为此引入需要引入一种头部压缩技术，RoHC成为了最终的选择。

5.2 RoHC压缩的内容

语音数据是被封装在IPV4/UDP/RTP，除了可以压缩IP头，还可以压缩IP/UDP，也可以压缩整个IPV4/UDP/RTP。

这压缩的头部的选择，在RoHC中，称为profile，每个profile使用一个ID标识。如下图所示：

5.3 RoHC的工作模式

RoHC支持3种工作模式。

（1）单向模式：接收双方按照事先约定的profile，分别压缩和解压，接收方并不会把自己是否解压成功的结果告诉发送端。这种方式的优点是效率高，缺点是发送方不知道压缩后的效果如何，不能及时的纠错或优化压缩选项。

（2）可靠模式：接收方把每一次的解压是否成功的结果通知发送方，以便发送方能够根据反馈及时的纠错或优化压缩选项。这种方式，可靠，但耗时，效率低。

（3）优化模式：接收方批量的给发送方回馈是否成功解压的结果。是在可靠性和效率之间取得的某种平衡。

5.4 不同的语音编码情形下RoHC效能上的提升

（1）性能的提升

不同的语音编码，因此传输的语音数据的长度是不同的，从477-49bits。因此传输的语音数据的长度越短，头部压缩带来的效率的提升就越明显。

（2）负面效果

5.5 ROHC原理

以被压缩的IP头格式为例：

很显然，头部信息，在同一个session中，有些是静态不变的，有些是动态变化的。

ROHC通过在一个session的上下文，保留头部中静态不变的信息，这样在后续的数据传输过程中，就不需要在每个数据包中都包含这些静态信息。

解压时，使用保留在上下文context中的信息，还原原先的报文头信息。

第6章完整性保护算法：针对RRC信令数据

6.1 完整性包含概述

（1）概述

完整性服务的目标是保护数据免受未授权的修改，包括数据的未授权创建和删除。防止数据在传输的过程中北篡改。

（2）基本思想

对数据完整性保护的最基本思路是在综合相关因素的基础上为每个需要保护的信息M生成一个唯一的附加信息，称为信息摘录。使用hash函数来计算信息摘录。

摘录的唯一性不能保证，因此在计算摘录时，需要在信息中添加唯一性特征，这种添加唯一性特征后计算出来的信息摘录称为数据完整码MIC。

（3）LTE、NR中的使用范围

适用于PDCP传递L3 RRC消息

6.2 常见的完整性保护的算法

（1）MD5

MD5信息摘要算法（英语：MD5 Message-Digest Algorithm），一种被广泛使用的密码散列函数，可以产生出一个128位（16字节）的散列值（hash value），用于确保信息传输完整一致

第7章 5G NR对PDCP的改进

7.1 双连接的类型

LTE系统中，常用的多连接方式包括载波聚合、多点协作CoMP以及双连接等。而不同的多连接方式，其在协议栈中，聚合和分离的位置点是不相同的。

（1）在MAC层进行聚合与分离：载波聚合

载波聚合就采用了此方法。

在LTE R10版本中提出了LTE-A载波聚合技术，实现不同系统(FDD以及TDD)、不同频段、不同带宽间频带的组合使用，以便利用更大的带宽来提升系统性能。

载波聚合技术中，多个载波主要在MAC层进行聚合，多个分量载波共享MAC资源，MAC层需要支持跨载波调度，控制载波间的时域和频域联合调度。

（2）在PDCP层进行聚合与分离：双连接

双连接：DC, Dual-Connectivity，就采用了此方法。

基站间采用时延较小的光纤链路时，基站间协同调度的性能可以得到保证，所以载波聚合技术可以提供较好的性能。

但是，基站间采用xDSL、微波以及其他类似中继的链路时，传输时延就比较大，对载波聚合以及CoMP的性能会产生影响。

因此，需要采用LTE R12版本中提出的双连接(Dual Connectivity)技术，提供基站间非理想传输条件下的性能解决方案。

这种方式下，为了规避MAC层调度过程中的时延和同步要求极高的问题，数据在PDCP层进行分割和合并，随后将用户数据流通过多个基站同时传送给用户。从而有助于实现用户性能提升，对用户总体吞吐量和切换时延都有帮助。

本文重点阐述双连接的情形。

（3）在TCP层进行聚合与分离

这需要在应用服务器上实现，支持TCP数据可以通过不同的IP数据流进行传输，WiFi与蜂窝网的聚合就采用的这样方法。

7.2 双连接好处

（1）增加带宽，提升速率

（2）增加覆盖，通过增加低频连接，增加覆盖，避免因高频小区的距离短导致在不同小区之间的频繁切换。

7.3 双连接的本质

之所示称为双连接，是指终端与两个基站（4G LTE和5G NR）同时建立各自的RRC连接，即同时建立2个RRC连接。

但只在主基站上，建立与核心网的控制信令承载；可以在两个基站上各自建立与核心网的数据承载。

7.3 选项3x的双连接协议栈

终端同时与LTE的基站和NR的基站建立RRC连接以及相应的PDCP承载。
只有LTE基站与核心网MME建立信令承载。
LTE基站与NR基站都与核心网建立数据承载
需要4G+5G负载均衡的数据流，决策权在5G基站的NR PDCP，并通过X2接口在PDCP层与RLC层进行跨基站通信。

其他参考：

LTE PDCP层协议概述_一叶知秋dong的博客-CSDN博客_pdcp协议

中文协议标准：3GPP_PDCP中文协议36.323 - 豆丁网

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