【移动网络】5G NR: 无线网络协议结构_5g nr协议

在5G NR中，我们将终端设备用UE表示，基站用eUB表示，本章将讲述NR网络下的协议运作方式。

5G’s CN-5GC

先从无线通信整体架构上来看，整个无线通信区间我们称为RAN（无线接入网），在5G中是NR。
调度： 一个基站同时给多个终端提供服务，哪些UE发信哪些收信，决定的过程称为调度。
无限资源控制：基站分配哪些无限资源给对应UE，如何管理无线资源等，被称为无线资源控制。
调度虽然也有分配无限资源的效果，但是从本质上来看并不一样。当有两个基站与一台边缘设备，两基站为了不对彼此的信号造成干扰，需要事先协商使用不同的频率来通信，这个过程下终端在分配资源时（选择基站时），与其说是决定它是收发信不如说是决定使用哪个频率，因此在调度时，无限资源分配也会随之发生。
再传送协议： 传输失败，或有错误时重传的协议。网络架构中，如果传输失败，并不能就等价于数据不可到达或者数据包未到达目的地。更多情况是数据包到达了目标目的地但是无法正确解码，此时视为没有收到正确的数据区请求重传。但是实际上，用来判定数据包是否到达是条件不是数据是否通过网络路由送达目的地，而是在目的地其是否能够正确解码，Rx解读出有效信息。此时NR 操作特征中提到的ARQ的实现原理之一。
信道编码：检测出传输数据有错误，并在Rx尽可能将其复原的步骤被称为信道编码，这里一般使用CRC，ARQ等技术。
多天线模式： 通过链接详解——点这里跳转章节
CN：核心网。指的是基站到运营商到因特网的网络部分。这部分在4G中称为EPC，5G中称为GC。这部分网络不是无线网，也与无线通信技术无直接关系。但是终端到因特网连接的过程中需要该部分，所以CN也是无线网络的间接影响因素之一。
网络运营商向互联网的网关在4G中被称为PDN，5G则是UPF。从这个网关到终端的部分，我们称为E2E连接（end to end connection）。5GC连接的不仅可以是5G NR，也可以连接wifi和LTE网络，由于5G网络不支持4G设备接入，所以设置了专门作为中继站的ng-eNB基站。该基站可以让4G设备接入5G网络。4-5G在现在仍然是共存状态，因此5G设备在需要时也可以通过非标准模式的EPC接入4G网，当下市场4G设备增长速度仍然比5G设备更快，因此4G将在接下来一段时间内仍有较高的市场占有率和兼容性要求。

三个关键性增强【比较EPC】

1. 基于服务的架构
   专注于核心网提供的服务和功能，而不是节点。节点间通信需要彼此建立接口并通过接口进行数据交换。
   
   UE-RAN： 5G NR
   除去Internet部分的均为 5GC。 5GC中有多个服务模块，每个服务模块与其他服务模块通信时，使用基于服务的通信方式。即使用HTTP协议传输message，数据包内含有必要的模块组件信息，从而不需要单独设置各模块的接口和连接就可以高效通信。
   高度虚拟化：核心网络功能运行在通用计算机硬件上。企业使用这个方式更加方便，主要是对应的服务器出现问题后可以高速回滚或者设置到其他服务器上变更虚拟服务等。
2. 网络分片：为特定业务或客户需求服务的逻辑网络分片，由共同配置的基于服务的体系结构的必要功能组成。即使运行在相同的底层物理核心和无线网络上，从终端用户应用程序的角度来看也是独立的网络。这种网络结构可以提供逻辑上的网络分片给不同需求的网络，如某网络需要低延迟，某网络需要大容量，但是彼此对于其他的支持要求并不是刚需，此时可以分配特性网络分片降低经济成本的同时满足用户需求。
3. Control Plane/ User-plane split
   通信中的数据可以分为数据部分和控制部分，基准网络下，控制部分的数据在网络整体来看，其数据量远小于数据部分的数据量，因此从网络结构上来看没有问题。但是当IoT设备大量涌入网络后， IoT设备的数据量也非常小，甚至可能会出现局部网络全都是控制数据而没有有效数据，从而导致设备无法提供服务的情况。为了解决这问题采取的分离有效服务数据、控制数据的功能就是5GC的第三个特征。

UPF(user plane function)：RAN与外部网络之间的网关。提供路由转发、包检测、服务质量处理和包过滤、流量测量等功能
SMF(session management)：设备(也称为用户设备，UE)的IP地址分配、策略执行控制和通用会话管理功能
AMF(access&mobility management)： 核心网与设备之间的控制信令，用户数据的安全性，空闲状态的移动性（确认用户的位置），NAS(非访问层)的认证。控制信息有CN制作的和基站制作的，CN是控制E2E连接，基站是控制无线接入网络。
NAS： CN的控制信息 / NS: RAN的控制信息。AMF主要是包含NAS的控制信息。[NAS:non-access stratum]
所有5GC功能都可以在单个物理节点中实现，也可以分布在多个节点上，或者在云平台上执行

CN-RAN Conectivity

5G-4G混合网络中，非同时代技术往往需要中继基站去中转数据到其他时代的网络中。
图中option7可以不考虑，没有现实意义。
option1-2：所属时代的基站与CN自然可以正常通信，包括控制信息和服务数据
option3：5G设备接入4G网，虽然可以直接传输数据给EPC，但是控制信息需要通过4G基站转发
option4： 同O3，4-5G立场互换
option5： eNB实际上应该修改为ng-eNB。

gNB：5G基站，ng-eNB：4G的可以连接5GC的基站。
控制信息由AMF掌握，UPF提供连接因特网的网关，这种结构保证了无线网络的稳定运行。当某一个终端从一个基站移动到另一个基站，对于终端而言他应该感觉不到因为切换基站范围而导致网络中断的情况。即需要时一个基站会与另一个基站发起通信，通信信息可以是未传输完成的用户数据或者控制数据。
基站的功能：一个或多个单元（cell）的相关功能，例如无线电资源管理、准入控制、连接建立等，用户到UPF的路由，到 AMF的控制信息，QoS流管理等
Xn: 主动模式迁移:例如通过报文转发实现相邻cell之间的无损迁移。Dual-connection :多小区RRM (Radio Resource Management)功能

基站的部署方式也是多种多样的，可以一个基站提供多重功能，也可以基于分片的思想一个基站提供单一功能并集群化处理作业。
LTE最常见的3-sector site：基站的天线分为分别接受角度为120度方向的无线电，从而提供合计3个方向360度的数据收集。而最近的技术则是分为两部分，分为gNB-CU/DU。DU是提供1-2阶层服务的所有相关内容，而CU则是用于与上层交流的协议控制层。这种结构从整体上而言扩大了一个基站的服务范围，当DU/CU在一个基站内部，随着距离的增加DU层提供的信号收集等物理能力会衰减，而DU分布式部署在CU核心网络内，即便终端脱离一个DU的范围也会进入另一个DU的范围，从而提供了更高的覆盖率。
gNB和5GC之间的NG接口： NG-u/NG-c。参考上上图理解更容易。

双连接服务如图所示

Qos Handing

无线通信：需要时使用无线资源通信
E2E： 一直维持连接
一个无线通信服务过程需要两个bearer，E2E是QoS服务，bearer根据数据情况随时改变。
承载(Bearer):指网关与终端之间的IP数据包流，该数据包具有定义的QoS。不同的用户应该使用多少无线资源。 无线承载在无数据时，会中断连接
QoS flow: QoS区分的最细粒度，本身也是一种bearer，QoS参数和特征会绑定到QoS流
PDU会话期间的QoS流和无线电承载
qos -flow-to-radio-承载映射:不一定是一对一映射，可以将多个数据源聚合成一个bearer在无线中传输，然后由基站分离信号。Qos流与无线bearer有映射关系，因为无线承载价格极高，因此要单独管理，当一定时间没有数据流动时，会中断无线承载。当无线承载消失后，对于E2E的QoS流而言，基站不会再对那个终端进行额外的管理，但是此时的E2Ebearer仍然生存，这些信息都存在AMF中。
用于服务这整个过程的协议是SDAP协议，是将QoS flow 和 无线承载创建映射关系的协议。映射完成时意味着无线区间RAN的数据传输即将开始。

RLC-MAC合起来提供了第二层：数据链路层的所有功能，但是在此之上的第三阶层不是网络层，而是新增的控制阶层。
PDCP: Packet data covergence protocol。用于连接2阶层与网络层，将数据向上传递给网络层。
无线空间内是数据传输控制阶层：RRC。Radio resource control。而E2E（CN）网络中的信息控制和认知阶层： NAS阶层。阶层协议总是对称的，当Tx有某种协议，对应Rx的相应阶层也应该有相同协议。

RRC（Radio Resource Control）：无线资源控制协议
5G NR上RRC支持三种状态，RRC_IDLE、RRC_INACTIVE 、RRC_CONNECTED。
  5G与3G/4G并不相同，相较于4GLTE只有RRC IDLE和RRCCONNECTED两种RRC状态，5G NR引入了一个新状态——RRC INACTIVE。
  RRC对无线资源进行分配并发送相关信令，UE和UTRAN(AN)之间控制信令的主要部分是RRC消息，RRC消息承载了建立、修改和释放层2和物理层协议实体所需的全部参数，同时也携带了NAS(非接入层）的一些信令，如MM、CM、SM等。
下层的一些测量报告可以为RRC分配无线资源提供参考，控制操作和测量报告将通过RRC与底层的接入点进行交互。

所以根据上图总结可得出：
User plane-NR的协议，不包含上图中的NAS和RRC
Control plane-NR的协议，不包含NAS
NAS是5GC的协议

5G NR 协议

上图是一个下行链路的构造，即基站到节点的链路中协议结构。
上行与下行链路的差异主要体现在逻辑通道多路复用的传输格式选择和控制
SDAP： 将Qos Flow与无线载波建立映射关系，从而完成无线传输的准备步骤。
PDCP： 包含加密解密，重传的协议。

• 加密和完整性保护
• 在切换、重传、顺序传递（并不是必须的，这个过程需要等待中间丢失的数据包，导致时延增加）和重复删除过程中
• 使用分离承载的双连接的路由和复制
• 为设备配置的每个无线电承载者一个PDCP实体

RLC： 在需要时将上层数据分段或组装

• 分段和重传处理
• 以RLC通道的形式服务PDCP，为设备配置每个RLC通道[RLC channel] (也就是每个无线电承载都有一个)一个RLC实体【本身是一个接口interface】
• 与LTE相比，NR RLC不支持将数据按顺序传递到更高的协议层，以减少延迟

MAC： 将上层数据需要时聚合，或使用ARQ进行冗余复合编码

• 多路复用逻辑通道，混合arq重传，调度和调度相关功能。
• 位于gNB的UL和DL调度功能，以逻辑通道[logical channel]的形式为RLC提供服务。这部分功能大多由基站提供，不过最近的最新终端也开始有这个功能了
• mac层报头结构在NR中改变，允许比在LT中更有效地支持低延迟处理

PHY： 物理层传输用协议

• 编码/解码，调制/解调，多天线映射，以及其他典型的物理层功能
• 以传输通道[transport channel]的形式服务于MAC层

数据封装过程

PDU： 由上位阶层传输下来的数据包被称为SDU，这是用户数据而非控制数据。
PDU： 由下层传输上来的数据包被称为PDU，也是用户数据。
上图中有三部分数据，上层传递下来的IP数据就是QoS flow，具有实际意义的用户数据。然后根据需求SDAP会进行无限承载匹配，匹配后可能会出现多个QoS复合到一个承载中的情况，然后向下传输。直到MAC之前的部分都属于在无线承载内的部分，即无线网络。到达MAC之后，上层数据会封装成transport block，并使用hybrid ARQ进行传输，传输失败不会重传所有数据而是部分冗余数据然后将缺失部分在Rx重新解码，增加效率。
然后是该过程中各头部的作用，如下图所示：

PDCD H： 设备中进行解密所需的信息在此处，重传和顺传使用的序列号时会在这里被添加
RLC H：用于处理重传的序列号在这里被添加
MAC H：分布在MAC PDU上，即位于RLC PDU之前
在LTE中，所有MAC头信息在MAC PDU的开头。因此，有高效的低延迟处理

SDAP

作用： 建立5GC网络的QoS流与数据无线承载的映射关系
用于标识上行和下行报文中的QFI (quality-of-service flow identifier)，这些ID用于更好的标识一个Qos流
如果gNB连接EPC(即非独立模式)，则不使用SDAP。因为SDAP协议自定义于5G，因此4G的网络和是无法使用的。

PDCP

基于ROHC(robust头压缩)的IP报头压缩, 加密防止窃听,控制面(Control plane)完整性保护，确保控制消息来源正确

• 可用于重复删除和可选的按顺序交付，在gNB内部交换特别有用。
  重复删除： 一个终端向范围内两个基站发送了数据包，基站同时收到，则向上位阶层传输时会有两个相同的数据包，此时应该删除掉一个重复数据，由PDCP控制。
• 下行未下发的数据包将通过PDCP从旧gNB转发到新gNB，主要发生在设备移动而切换基站范围的情况下。此外，它还可以作为非常高可靠性的选择分集，中心控制收到两个来源的相同数据比收到单来源的相同数据，两个数据都有错误的概率决定了整体错误概率的下降。
• 在设备中，还处理所有尚未发送到gNB的上行包的重传，因为混合arq缓冲区在切换时会被刷新

双连接中，PDCP将负责分割或组装RLC。且被分割的RLC各自有不同的作用
MCG(主区组)和SCG(次级区组) Master/Secondary Cell Group
RLC通常是由一个蜂窝组处理的无线电承载器构成
还有，分裂承载的可能性，在这种情况下，一个无线电承载由两个蜂窝处理，一个负责数据传输一个负责控制信息传输