4.3 5G无线协议架构和典型流程课件讲解

第五代移动通信技术讲师亢建华CONTENTS

5G无线接入网和接口协议5G无线接入网整体架构和节点接口协议和功能无线协议架构无线接入架构中的几个典型流程第四章核桃AI【本章内容】无线接入网是移动通信的主要组成部分，其各种接口用来实现接入网中不同功能单元之间以及接入网和核心网之间的数据处理与交互。5G无线接入网的根本特征是CU和DU分离，通过CU和DU在物理位置上的灵活部署来实现不同的业务功能。5G的接入网除了有空中接口、和核心网之间的接口、基站之间的接口之外，还新增了F1接口和E1接口。本章还介绍了5G的无线协议架构和5G几个独有的业务信令流程，比如F1接口启动等。5G无线接入网和接口协议4.3无线协议架构4核桃AI

NR无线协议栈分为两个平面：用户面和控制面。用户面(UserPlane，UP)协议栈即用户数据传输采用的协议簇，控制面(ControlPlane，CP)协议栈即系统的控制信令传输采用的协议簇。如图4-9所示。图4-9协议栈控制面和用户面数据流向图在图4-9中，虚线标注的是信令数据的流向。一个UE在发起业务之前，首先要和核心网AMF建立信令连接，因此控制面的信令流程总是要先于用户面的数据流程。UE经过认证、授权和加密等非接入层信令处理后，通过RRC信令和gNB建立无线信令连接；信令数据经过PDCP封装、RLC封装，经过MAC层、PHY层处理后，通过Uu空中接口发送到gNB；gNB经过和一个UE相同的逆向处理过程后，发给NGAP；封装成SCTP信令后，通过NG-C接口发给AMF；AMF物理层接收到数据后，经过SCTP的解封装、NGAP解封装，转换为5G的非接入层信令被AMF处理。

NR用户面和控制面协议栈稍有不同，NR控制面协议栈与LTE控制面协议栈一致，用户面协议栈相比LTE用户面协议栈在PDCP层之上增加了一个SDAP层。一个UE通过APP发起业务，首先经过SDAP协议封装，在经过PCDP封装和RLC封装后，经过MAC层、PHY层处理后，通过Uu接口发送到gNB；gNB经过和一个UE相同的逆向处理过程后，经过GTPU和UDP封装后，通过NG-U接口发给UPF；UPF接收数据后，经过UDP、GTPU的解封装，最终被UPF处理。下面详细介绍如下：1．用户面协议栈用户面协议栈如图4-10所示。图4-10用户面协议架构用户面协议从上到下依次是：·SDAP层：ServiceDataAdaptationProtocol，服务数据适配协议层；·PDCP层：PacketDataConvergenceProtocol，分组数据汇聚协议层；·RLC层：RadioLinkControl，无线链路控制层；·MAC层：MediumAccessControl，介质访问控制层；·PHY层：Physical，物理层。从用户面来看，5GNR增加了一个新的SDAP(服务数据适配协议)，其他结构与LTE完全相同。增加SDAP的目的非常明确，因为5G网络中无线侧依然沿用4G网络中的无线承载的概念，但5G中的核心网为了更加精细化业务实现，其基本的业务通道从4G时代的Bearer(承载)的概念细化到以QoSFlow(服务质量流)为基本业务传输单位。因此，在无线侧的承载DRB就需要与5GC中的QoSFlow进行映射，这便是SDAP协议栈的主要功能。SDAP子层是通过RRC信令来配置的，SDAP子层负责将QoSFlow映射到对应的DRB上。一个或者多个QoSFlow可以映射到同一个DRB上，而且一个QoSFlow只能映射到一个DRB上。2．控制面协议栈控制面协议栈如图4-11所示。图4-11控制面协议架构NR控制面协议几乎与LTE协议栈一模一样，从上到下依次为：·NAS层：Non-AccessStratum，非接入层；·RRC层：RadioResourceControl，无线资源控制层；·PDCP层：PacketDataConvergenceProtocol，分组数据汇聚协议层；·RLC层：RadioLinkControl，无线链路控制层；·MAC层：MediumAccessControl，介质访问控制层；·PHY层：Physical，物理层。UE所有的协议栈都位于UE内，而在网络侧，NAS层不位于基站gNB上，而是在核心网的AMF实体上。控制面协议栈不包含SDAP层。5G无线接入网和接口协议4.4无线接入架构中的几个典型流程4核桃AI本节重点介绍5G中与4G有所区别的几个流程:F1启动和小区激活流程、Inter-gNB-DU移动性、在F1-U上设置承载上下文流程、gNB-CU-CP发起的承载上下文释放流程、涉及gNB-CU-UP改变的gNB间切换流程。1．F1启动和小区激活流程F1接口是gNB-DU和gNB-CU之间的接口，两者之间的数据交互首先要允许在gNB-DU和gNB-CU之间设置F1接口，并允许激活gNB-DU小区。这个流程如图4-12所示。图4-12F1启动和小区激活流程流程说明如下：(1)gNB-DU及其小区由OAM(Operation、Administration、Maintenance，操作、管理和维护)在F1预运行状态下配置。gNB-DU向gNB-CU发起TNL(传输网络层)连接。(2)gNB-DU向gNB-CU发送F1建立请求消息，该消息包括配置并准备好被激活的小区列表。(3)在NG-RAN中，gNB-CU确保了与核心网络的连接。出于这个原因，gNB-CU可以向5GC发起NG建立或gNB配置更新过程。(4)gNB-CU向gNB-DU发送F1建立响应消息，该消息可选地包括要激活的小区列表。如果gNB-DU成功激活小区，则小区变得可操作。如果gNB-DU未能激活一些(一个或多个)小区，则gNB-DU可以向gNB-CU发起gNB-DU配置更新过程。gNB-DU在gNB-DU配置更新消息中包括活动的小区(即gNB-DU能够为其服务的小区)。gNB-DU还可以指示删除未能激活的小区，在这种情况下，gNB-CU移除相应的小区信息。(5)gNB-CU可以向gNB-DU发送gNB-CU配置更新消息，例如在使用F1建立响应消息时未激活这些小区的情况下，gNB-CU可以向gNB-DU发送要激活的小区的列表信息。(6)gNB-DU回复gNB-DU配置更新确认消息，这些消息中包括未能被激活的小区列表。(7)gNB-CU可以向邻居NG-RAN节点发起Xn建立或者向邻居eNB发起EN-DC(NSA组网选项3，请参考第7章)X2建立过程。注意：如果F1设置响应不用于激活任何小区，则可以在流程(3)之后执行流程(2)。在gNB-CU和gNB-DU对之间的F1接口上，可能存在以下两种小区状态：·非活动：gNB-DU和gNB-CU都知道小区，小区不应为UE服务；·活动有效：gNB-DU和gNB-CU都知道小区，小区应该能够为UE服务。gNB-CU决定小区状态是非活动还是活动。gNB-CU可以使用F1建立响应，gNB-DU配置更新确认或gNB-CU配置更新消息来请求gNB-DU改变小区状态。gNB-DU可以使用gNB-DU配置更新或gNB-CU配置更新确认消息来确认(或拒绝)改变小区状态的请求。2．Inter-gNB-DU移动性一个gNB-CU控制管理若干个gNB-DU，如果UE从一个gNB-DU移动到同一gNB-CU内的另一个gNB-DU，则业务的用户面发生了变化，这时就会启动inter-gNB-DU流程，即gNB内部DU切换流程。图4-13显示了NR内的gNB-DU移动过程。图4-13NR内的gNB-DU移动过程流程说明如下：(1)UE向源gNB-DU发送测量报告消息。(2)源gNB-DU向gNB-CU发送上行链路RRC传输消息以传达所接收的测量报告。(3)gNB-CU向目标gNB-DU发送UE上下文建立请求消息以创建UE上下文并设置一个或多个承载。(4)目标gNB-DU利用UE上下文建立响应消息来响应gNB-CU。(5)gNB-CU向源gNB-DU发送UE上下文修改请求消息，包括生成的RRCConnectionReconfiguration(RRC连接重配)消息，并指示停止UE的数据传输。源gNB-DU还发送下行链路数据传递状态帧(消息)以向gNB-CU通知UE未成功传输的下行链路数据。(6)源gNB-DU将接收到的RRCConnectionReconfiguration消息转发给UE。(7)源gNB-DU利用UE上下文修改响应消息来响应gNB-CU。(8)在目标gNB-DU处执行随机接入过程。目标gNB-DU发送下行链路数据传递状态帧(消息)以通知gNB-CU。那些未在源gNB-DU中成功发送的PDCPPDU的下行链路分组数据从gNB-CU发送到目标gNB-DU；在接收下行链路数据传递状态之前或之后，开始向目标gNB-DU发送DL用户数据取决于gNB-CU实现。(9)UE利用RRCConnectionReconfigurationComplete(RRC连接重配完成)消息来响应目标gNB-DU。(10)目标gNB-DU向gNB-CU发送上行链路RRC传输消息以传达所接收的RRCConnectionReconfigurationComplete消息。下行链路分组被发送到UE。此外，从UE发送上行链路分组并通过目标gNB-DU转发到gNB-CU。(11)gNB-CU向源gNB-DU发送UE上下文释放命令消息。(12)源NB-DU释放UE上下文并且用UE上下文释放完成消息来响应gNB-CU。3．在F1-U上设置承载上下文流程由于gNB引入了F1接口，因此gNB业务的基础是通过F1-U接口在gNB-CU-UP中建立承载上下文，这样就可以在gNB-CU-UP和gNB-DU之间发起上下行数据传送的过程，如图4-14所示。图4-14在F1-U上设置承载上下文流程流程说明如下：(1)在gB-CU-CP中触发承载上下文设置(例如，在来自MeNB(LTE基站为锚定基站或者主基站)的SgNB(gNB为辅基站)添加请求之后)。(2)gNB-CU-CP发送包含用于S1-U或NG-U的ULTNL地址信息的承载上下文建立请求消息，并且如果需要，发送用于X2-U或Xn-U的DL或ULTNL地址信息以在gNB-CU-UP中建立承载上下文。对于NG-RAN，gNB-CU-CP决定流到DRB的映射，并将生成的SDAP和PDCP配置发送到NB-CU-UP。(3)gNB-CU-UP以BearerContextSetupResponse(承载上下文建立响应)消息响应，该消息包含F1-U的ULTNL地址信息，以及S1-U或NG-U的DLTNL地址信息，如果需要，还包含DL或TNL地址信息。(4)为在gNB-DU中设置一个或多个承载，执行F1UE上下文设置过程。(5)gNB-CU-CP发送包含用于F1-U和PDCP状态的DLTNL地址信息的BearerContextModificationRequest(承载上下文修改请求)消息。(6)gNB-CU-UP以BearerContextModificationResponse(承载上下文修改响应)消息响应。4．gNB-CU-CP发起的承载上下文释放流程当gNB结束业务时，需要释放gNB-CU-CP发起的gNB-CU-UP中的承载上下文，以结束gNB-CU-UP和gNB-DU之间上下行数据传送的过程，如图4-15所示。图4-15gNB-CU-CP发起的承载上下文释放流程流程说明如下：(1)在gNB-CU-CP中触发承载上下文释放(例如在来自MeNB的SgNB释放请求之后)。(2)gNB-CU-CP向gNB-CU-UP发送BearerContextModificationRequest(承载上下文修改请求)消息。(3)gNB-CU-UP以承载PDCPUL/DL状态的承载上下文修改响应进行响应。(4)执行F1UE上下文修改过程以停止UE的数据传输。在停止UE调度时由gNB-DU实现(注意：仅当需要保留承载的PDCP状态，例如在承载类型改变时才执行步骤(2)～(4)。(5)gNB-CU-CP可以在EN-DC操作中从MeNB接收UEContextRelease(UE上下文释放)消息。(6)执行承载上下文释放过程。(7)执行F1-UE上下文释放过程以释放gNB-DU中的UE上下文。(8)gNB-CU-UP释放承载上下文。5．涉及gNB-CU-UP改变的gNB间切换流程当UE从一个gNB移动到另外一个gNB下时，就会发生gNB间切换。这种情况下，gNB的CU和DU都发生了切换，如图4-16所示。图4-16涉及gNB-CU-UP改变的gNB间切换流程说明如下：(1)源gNB-CU-CP向目标gNB-CU-CP发送XnHandoverRequest(Xn口切换请求)消息。(2)目标gNB-CU-CP向目标gNB-CU-UP发送承载上下文建立请求消息。(3)目标gNB-CU-UP向目标gNB-CU-CP回复响应消息。(4)承载上下文设置过程。(5)目标gNB-QU-CP用XnHandoverRequestAcknowledge(Xn口切换请求确认)消息来响应源gNB-CU-CP。(6)执行F1UE上下文修改过程以停止gNB-DU处的UL数据传输，并将切换命令发送到UE。(7)-(8)执行承载上下文修改过程(gNB-CU-CP发起)，以使gNB-CU-CP能够检索