5G空口协议栈概述

层三：空中接口服务的使用者， 即RRC信令及用户面数据

层二：对不同的层三数据进行区分标示， 并提供不同的服务

层一：物理层为高层的数据提供无线资源及物理层的处理

NR信道介绍

逻辑信道：通过信道标识对传输的内容做区分， 比如广播信道（ BCCH） 用自己的逻辑信道标识区分出广播消息

传输信道：定义怎样传， 比如说下行共享信道DL-SCH， 也就是业务甚至一些控制消息都是通过共享空中资源来传输的， 它会指定MCS， 空间复用等等方式， 告诉物理层如何去传这些信息

物理信道：信号在空口传输的载体， 映射到具体的时频资源， 比如PBCH， 就是在实际的物理位置上采用特定的调制编码方式来承载广播消息

RRC层功能介绍

RRC层属于位于PDCP协议层之上， 功能和LTE基本一致

• 系统消息

• 准入控制

• 安全管理

• 测量与上报

• 切换和移动性

• NAS消息传输

• 无线资源管理

RRC状态介绍

RRC Inactive状态介绍

5G QoS架构

5GC会为每个UE建立一个或多个PDU会话（ PDU session） ， PDU会话内可能会建立一个或多个QoS流， NG-RAN会为拥有不同需求的QoS流建立不同的DRB， 或将属于同一PDU会话的多个QoS流映射到同一个DRB上

• 5G QoS模型基于QoS流， QoS流是PDU会话内区分QoS差异的最佳粒度， 并由QoS流ID（ QFI） 唯一标记， 每个QoS流都把其相关联的QoS属性进行集合

• UE和UPF通过Packet Filter Set将业务和QoS流关联， RAN侧将QoS流映射到DRB上， 来确保服务的质量

• 5G QoS架构只用于SA组网场景

网络架构：QoS 架构

5G QoS管理的最小粒度为QoS flow；单个PDU session在一个用户面隧道承载，并可以传送多个QoS flow的数据包文；多个QoS flow可以根据QoS要求映射到已建立的RB 或者 根据需要新建RB来映射；

5G QoS管理的粒度细化为QoS flow， 相比LTE 基于承载的简单QoS映射要更复杂， 但是也带来对多种业务的适应性。

SDAP层功能

SDAP层位于PDCP层以上， 直接承载IP数据包， 只用于用户面

• 负责QoS流与DRB（ 数据无线承载） 之间的映射

• 为数据包添加QFI（ QoS flow ID） 标记

SDAP层数据处理流程

PDCP层功能

NR的PDCP层位于RRC层或者SDAP层以下， 功能与LTE类似， 新增了排序和复制功能

• 传输用户面和控制面数据

• 维护PDCP的SN号

• 路由和重复（ 双连接场景时）

• 加解密和完整性保护

• 重排序

• 支持乱序递交

• 重复丢弃

• ROHC（ 用户面）

PDCP层处理流程

PDCP参数介绍 - ROHC

在ROHC的框架下， 针对不同协议的数据流， 有不同的头部压缩算法。5G RFC定义了如下一些Profile用于ROHC压缩

PDCP安全流程算法

NIA算法（ Integrity Algorithm for 5G） ， 5G完整性保护算法

NEA算法（ Encryption Algorithm for 5G） ， 5G加解密算法

目前协议中定义的NR完整性保护/加密算法， 主要基于如下算法

• NIA0/NEA0：不进行完整性保护

• 128-NIA1/NEA1：128-bit SNOW 3G

• 128-NIA2/NEA2：128-bit AES

• 128-NIA3/NEA3：128-bit ZUC

RLC层实体

RLC层位于PDCP层以下

实体分为TM实体， UM实体， AM实体， AM数据收发共用一个实体， UM和TM收发实体分开， 主要功能如下：

• 检错、 纠错ARQ（ AM）

• 分段重组（ UM和AM）

• 重分段（ AM）

• 重复包检测（ AM）

RLC TM实体

RLC层TM实体主要处理BCCH, DL/UL CCCH, 和PCCH的数据， 处理流程和LTE保持一致

RLC UM实体

RLC层UM实体主要处理DL/UL DTCH数据， UM模式在RLC层没有重传功能

AM RLC实体

RLC层AM实体主要处理 DTCH/DCCH数据， 具有分段、 重分段功能， ARQ机制

MAC层功能

终端和基站侧都有MAC层实体， 但存在DC时， 终端侧会存在多个MAC实体

NR的MAC功能与LTE类似主要是调度， 功能如下：

在NR中， RLC层移除了RLC SDU的串联功能， 而是由MAC层负责对RLC PDU进行串联。

MAC相关信道

传输信道与LTE保持一致：

逻辑信道与LTE保持一致：

MAC层调度流程

基站MAC下行根据承载进行调度， 上行根据逻辑信道组调度：

下行基站可以根据从核心网或者LTE分流过来数据大小为依据对UE进行调度

上行UE通过SR或者随机接入流程申请调度， 完成BSR和PHR上报， gNB根据调度算法输出UE的调度信息， 用PDCCH传递给UE， UE通过PDCCH及RNTI获取自己的调度

NR中的HARQ

为确保数传的可靠性， 接收端通过CRC校验数据的正确性， 通过HARQ重传机制确保数传的可靠性， HARQ根据重传时刻的分布情况分为如下两种类型：

• 同步HARQ：一个HARQ进程的重传发生在固定的时刻， 接收端预先已知传输的发生时刻

• 异步HARQ：一个HARQ进程的重传可以发生在任何时刻， 接收端预先不知道传输的发生时刻

根据重传时的数据特征是否发生变化， 又可将HARQ分为非自适应和自适应两种， 不同于LTE ， NR目前上下行全部采用异步自适应重传。

上行异步自适应HARQ流程

由于上行采用异步自适应的HARQ， 因此基站下行不需要PHICH信道反馈ACK和NACK

下行异步自适应HARQ流程

由行采用异步自适应的HARQ， 需要UE反馈ACK/NACK

物理层处理流程

5G物理层基本流程和LTE一致， 但是在编码， 调制， 资源映射等具体过程存在差别。

调制和编码

MIMO预编码加权-波束成型理论

波束成型应用了干涉原理， 图中弧线表示载波的波峰， 波峰与波峰相遇位置叠加增强， 波峰与波谷相遇位置叠加减弱

• 未使用BF时， 波束形状、 能量强弱位置是固定的， 对于叠加减弱点用户， 如果处于小区边缘， 信号强度低

• 使用BF后， 通过对信号加权， 调整各天线阵子的发射功率和相位， 改变波束形状， 使主瓣对准用户， 信号强度提高

上行波形自适应

NR系统支持CP-OFDM（ Cyclic Prefix-Orthogonal Frequency Division Multiplexing）和DFT-S-OFDM（ DFT Spread OFDM）

CP-OFDM：基于循环前缀的OFDM， 其优点是可以使用不连续的频域资源， 资源分配灵活，频率分集增益大；其缺点是PAPR（ Peak to Average Power Ratio） 峰值平均功率比较高

DFT-S-OFDM：基于DFT的OFDM， 其优点是PAPR低， 其PAPR水平可以接近单载波， 可以发射更高的功率；其缺点是对频域资源有约束， 只能使用连续的频域资源

网络侧根据UE所处的无线环境以及选择的阈值TH A ， 指示UE选择合适的CP-OFDM或者DFTS-OFDM波形， 而两者阈值之间的用户通过防乒乓机制选择不同的波形， 而且两种波形的切换通过RRC信令重配

• 当上行SNR大于阈值TH A 时， 用户选择CP-OFDM；

• 当上行SNR小于阈值TH B 且RANK =1时， 用户选择DFT-S-OFDM；

• 如果SNR在TH A 和TH B 两者之间， 则保持当前对应的波形不变