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第1章 网络协议概述
1.1 网络协议概述
协议：协议是通信双方的在不同层次上的一种约定与标准，没有具体的代码实现，大多数是文档。
协议栈：各种通信协议架构化、层次化的表达，包括各层协议之间的层次关系和接口。协议栈有时候还表示具体的实现某种协议的代码。
3GPP定义的协议栈，属于前者，即各层协议之间的层次关系和接口，而不是具体的代码实现。
1.2 网络协议的三要素
（1）语义（内涵意义）：语义是解释控制信息每个部分的意义。它规定了需要发出何种控制信息,以及完成的动作与做出什么样的响应。
（2）语法（静态结构）：语法是用户数据与控制信息的结构与格式,以及数据出现的顺序。
（3）时序（动态交换）：时序是对事件发生顺序的详细说明，(也可称为“同步”)。
1.3 协议栈发生在哪里？
协议栈发生在两个网元的接口处，如
（1）手机与基站的UU接口，即空口协议。
（2）基站内部的RU与DU之间，即eCPRI前传接口协议
（3）基站内部的DU与CU之间，即F1中传接口协议
（4）基站与核心网的之间，即NG后传协议栈。
（5）基站与基站之间，即Xn后传协议栈。
1.4 协议栈的类型
（1）控制面CP
（2）数据面UP
（3）管理面MP
（4）同步面SP
本文的重点在空口协议的数据面与控制面。
第2章 LTE的接网协议栈
（1）RF（Radio Frequency射频单元）：中频处理、混频。
（2）L1 PHY（Physical物理层）：物理层编解码、OFDM基带调制解调、傅里叶变换与反变换等。
（3）L2 MAC（介质访问控制层）：物理层帧调度、信道映射。
MAC涉及的信道结构包括3方面内容，逻辑信道、传输信道和逻辑信道与传输信道之间的映射。传输信道是MAC层和物理层的业务接入点，逻辑信道是MAC层和RLC层的业务接入点。
（3）L2 RLC（Radio Link Control 无线链路层控制协议）：定义三种无线链路传输模式，透明模式（TM）、非确认模式（UM）、确认模式（AM）。
（4）L2 PDCP（Packet Data Convergence Protocol分组数据汇聚协议）：负责将IP头压缩和解压、传输用户数据并维护为无损的无线网络服务子系统(SRNS)设置的无线承载的序列号。
（5）L3 RRC（Radio Resource Control无线资源控制）：通过一定的策略和手段进行无线资源管理、控制和调度，在满足服务质量的要求下，尽可能地充分利用有限的无线网络资源，确保到达规划的覆盖区域，尽可能地提高业务容量和资源利用率。
第3章 5G的空口协议栈
3.1 5G无线接入网网络架构
5G空口协议相比于4G的空口协议变化不大。
在用户面协议栈，5G新空口用户面协议栈多了一层SDAP(Service Data Adaptation Protocol ）。
SDAP协议定义于TS37.324，PDCP定义于TS38.323，RLC定义于TS38.322，MAC定义于TS38.321。
3.2 5G空口协议栈
从协议分层来看，除了数据面的SDAP协议，其他层协议与4G LTE是一致的。
但协议的内容，是有差别的，在这里不细说。
其中物理层PHY协议相差最大，其次是MAC层，越往上层，LTE与5G的相差越小。
3.3 空口L2 下行调度协议栈
（1）SDAP：Service Data Adaptation Protocol，服务数据适配协议
把核心网包含Qos的数据流映到特定的下层的无线承载RB上.
（2）RB: Radio bearers，无线承载
由PDCP层提供的特定类型的数据传输服务，根据承载的内容不同分为SRB (Signaling Radio Bearer)和DRB (Data RadioBearer)。不同的用户有一个SRB和多个不同类型的DRB.
（3）PDCP: Packet Data Convergence Protocol分组数据汇聚协议
- IP头压缩ROHC
- 数据加密与完整性保护
（4）RLC: Radio Link Control 无线链路层控制协议
- 数据的分段：把一个长IP包分拆成多个无线帧的数据净荷，以满足无线帧传输的需要；
- 数据的合并：把多个段IP包合并成一个无线帧的数据净荷，以满足无线帧传输的需要；
- 数据重复性检查
- 出错或超时重发
（5）MAC：无线介质访问控制层，即用户数据发送和接收的调度
用户的调度（什么时候发送用户数据，通过信道发送数据等）, LTE的调度周期是1ms，而5G的调度周期可以是0.5ms或0.25ms或0.125ms。
- 发送的数据格式的选择：用户数据的格式
- Qos的处理：根据用户的Qos进行调度。
- 多路用户数据的复用：逻辑信道到物理信道的映射，即不同用户的数据填充到10ms帧的特定位置（物理空间位置和时间位置）
- 单用户的多载波聚合CA：一个用户的数据，通过多个不同的载波进行发送。
- 出错包的快速重新发送HARQ：混合自动重传请求（Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ），是一种将前向纠错编码（FEC）和自动重传请求（ARQ）相结合而形成的技术。
备注：HARQ重传的基本单位不是10ms帧，而是一次调度周期传送的数据，LTE是一个子帧，5G是一个mini slot
3.4 空口L2上行调度协议栈
基本流程与下行调度类似，是下行的反过程。
第4章 5G NG接口协议栈
类似LTE的基站与MME、SGGW的接口
（1）GTP： GPRSTunnelingProtocol, GPRS隧道协议
主要用于在GSM GRPS和UMTS和LTE、NR网络中支持通用分组无线服务(GPRS)的通讯协议。也就是该协议起源于2G GSM GPRS, 一直沿用到今，彰显了该协议的强大的生命力。
它在基站一侧，为每个手机用户，与核心网建立一个安全的UDP隧道，在该隧道中，可以为手机与核心网之间安全的传输空口上层数据面PDU.
（2）SCTP：Stream Control Transmission Protocol, 流控制传输协议
SCTP在客户和服务器之间提供关联（association），并像TCP那样给应用提供可靠性、排序、流量控制以及全双工的数据传输.
与TCP不同的是，SCTP是面向消息的（message-oriented）。它提供各个记录的按序递送服务。
与UDP一样，由发送端写入的每一条记录的长度随数据一道传递给接收端应用。
它在基站一侧，为每个手机用户，与核心网建立一个安全的SCTP隧道，在该隧道中，可以为手机与核心网之间安全的传输空口上层控制面PDU.
上述两个协议，是TCP/IP协议家族的成员，属于传输网协议，而不是空口协议。
（3）NG-AP：如果说RRC协议是基站与手机之间的信令协议，那么，NG-AP就是基站与核心网之间的控制信令，基站需要解析此协议，NAS是手机与核心网之间的控制信令 。基站需要
（4）NG-User plane PDU：手机与核心网之间的用户数据，基站不需要解析该数据。
第5章 5G Xn接口协议栈
类似LTE的X2接口，是基站与基站之间的接口，包括4G与5G基站，5G与5G基站。
（1）Xn-AP：如果说RRC协议是基站与手机之间的信令协议，那么，Xn-AP就是基站与基站之间的控制信令，基站需要解析此协议。
（2）Xn-User plane PDU：手机与核心网之间的用户数据，基站不需要解析该数据。
对于5G，该接口还有一个非常非常重要的功能，就是5G NSA非独立组网时，4G和5G的基站之间交互信令。
第6章 5G协议栈汇总
6.1 5G系统整体协议栈-控制面
6.2 5G系统整体协议栈-数据面
数据面多了一个SDAP协议, 少了一个RRC协议, 数据面的整体协议如下：
附录：
（1）NG
NG接口位于NG-RAN和5GC之间，用户面NG-U接口负责传递CU-UP和UPF之间的用户PDU，并且PDU会话用户面数据协议是基于GTPU传输协议传递。
参考协议：
[1] 3GPP TS 38.413 V15.1.0: NG Application Protocol (NGAP)
[2] 3GPP TS 38.473 V15.3.0: F1 application protocol (F1AP)
[3] 3GPP TS 29.281 V15.5.0: General Packet Radio System (GPRS) Tunnelling Protocol User Plane (GTPv1-U)
[4] 3GPP TS 29.060 V15.3.0: GPRS Tunnelling Protocol (GTP) across the Gn and Gp interface
SDAP是5G协议栈CU用户面模块之一，其位于CU-UP。SDAP传输的数据只有一种，就是用户面的用户数据。
参考协议：
[1] 3GPP TS 38.415 V15.1.0: PDU Session User Plane Protocol
[2] 3GPP TS 38.475 V0.3.0: F1 interface user plane protocol
[3] 3GPP TS 37.324 V15.1.0: Service Data Adaptation Protocol (SDAP)
PDCP接收CUC或SDAP或F1或GTPU数据并发送到不同的无线承载上。
PDCP的主要功能是数据传输、加解密、完整性保护验证及头压缩。PDCP-C位于CU-CP，用于传输控制面的信令数据，PDCP-U位于CU-UP，用于传输数据面的用户数据。
参考协议：
[1] 3GPP TS 38.475 V0.3.0: F1 interface user plane protocol
[2] 3GPP TS 37.324 V15.1.0: Service Data Adaptation Protocol (SDAP)
[3] 3GPP TS 38.323 V15.3.0: Packet Data Convergence Protocol (PDCP)
RRC相关流程参数生成与分发，对各模块的配置和消息处理，维护小区及UE控制块信息。
参考协议:
[1] 3GPP TS 38.331: “NR; Radio Resource Control (RRC); Protocol specification”.
RLC位于PDCP层和MAC层之间，通过RLC通道与PDCP层进行通信，并通过逻辑信道与MAC层进行通信。
参考协议：
[1] 3GPP TS 38.322: " Radio Link Control (RLC) protocol specification".
MAC层功能包括上行消息接收、解析及处理，下行消息构造及发送，用户优化级处理，逻辑信道优化及处理，HARQ功能，对PHY进行控制，PDCCH管理和上下行资源调度。
参考协议：
[1] 3GPP TS 38.213: “NR; Physical Layer Procedures for control”
[2] 3GPP TS 38.212: “NR; Multiplexing and channel coding”
[3] 3GPP TS 38.214: “NR; Physical Layer Procedures for data”
[4] 3GPP TS 38.321: “NR; Medium Access Control (MAC); Protocol specification”