4.3 5G無線協(xié)議架構(gòu)和典型流程課件講解

第五代移動(dòng)通信技術(shù)講師亢建華CONTENTS

5G無線接入網(wǎng)和接口協(xié)議5G無線接入網(wǎng)整體架構(gòu)和節(jié)點(diǎn)接口協(xié)議和功能無線協(xié)議架構(gòu)無線接入架構(gòu)中的幾個(gè)典型流程第四章核桃AI【本章內(nèi)容】無線接入網(wǎng)是移動(dòng)通信的主要組成部分，其各種接口用來實(shí)現(xiàn)接入網(wǎng)中不同功能單元之間以及接入網(wǎng)和核心網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)處理與交互。5G無線接入網(wǎng)的根本特征是CU和DU分離，通過CU和DU在物理位置上的靈活部署來實(shí)現(xiàn)不同的業(yè)務(wù)功能。5G的接入網(wǎng)除了有空中接口、和核心網(wǎng)之間的接口、基站之間的接口之外，還新增了F1接口和E1接口。本章還介紹了5G的無線協(xié)議架構(gòu)和5G幾個(gè)獨(dú)有的業(yè)務(wù)信令流程，比如F1接口啟動(dòng)等。5G無線接入網(wǎng)和接口協(xié)議4.3無線協(xié)議架構(gòu)4核桃AI

NR無線協(xié)議棧分為兩個(gè)平面：用戶面和控制面。用戶面(UserPlane，UP)協(xié)議棧即用戶數(shù)據(jù)傳輸采用的協(xié)議簇，控制面(ControlPlane，CP)協(xié)議棧即系統(tǒng)的控制信令傳輸采用的協(xié)議簇。如圖4-9所示。圖4-9協(xié)議?？刂泼婧陀脩裘鏀?shù)據(jù)流向圖在圖4-9中，虛線標(biāo)注的是信令數(shù)據(jù)的流向。一個(gè)UE在發(fā)起業(yè)務(wù)之前，首先要和核心網(wǎng)AMF建立信令連接，因此控制面的信令流程總是要先于用戶面的數(shù)據(jù)流程。UE經(jīng)過認(rèn)證、授權(quán)和加密等非接入層信令處理后，通過RRC信令和gNB建立無線信令連接；信令數(shù)據(jù)經(jīng)過PDCP封裝、RLC封裝，經(jīng)過MAC層、PHY層處理后，通過Uu空中接口發(fā)送到gNB；gNB經(jīng)過和一個(gè)UE相同的逆向處理過程后，發(fā)給NGAP；封裝成SCTP信令后，通過NG-C接口發(fā)給AMF；AMF物理層接收到數(shù)據(jù)后，經(jīng)過SCTP的解封裝、NGAP解封裝，轉(zhuǎn)換為5G的非接入層信令被AMF處理。

NR用戶面和控制面協(xié)議棧稍有不同，NR控制面協(xié)議棧與LTE控制面協(xié)議棧一致，用戶面協(xié)議棧相比LTE用戶面協(xié)議棧在PDCP層之上增加了一個(gè)SDAP層。一個(gè)UE通過APP發(fā)起業(yè)務(wù)，首先經(jīng)過SDAP協(xié)議封裝，在經(jīng)過PCDP封裝和RLC封裝后，經(jīng)過MAC層、PHY層處理后，通過Uu接口發(fā)送到gNB；gNB經(jīng)過和一個(gè)UE相同的逆向處理過程后，經(jīng)過GTPU和UDP封裝后，通過NG-U接口發(fā)給UPF；UPF接收數(shù)據(jù)后，經(jīng)過UDP、GTPU的解封裝，最終被UPF處理。下面詳細(xì)介紹如下：1．用戶面協(xié)議棧用戶面協(xié)議棧如圖4-10所示。圖4-10用戶面協(xié)議架構(gòu)用戶面協(xié)議從上到下依次是：·SDAP層：ServiceDataAdaptationProtocol，服務(wù)數(shù)據(jù)適配協(xié)議層；·PDCP層：PacketDataConvergenceProtocol，分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議層；·RLC層：RadioLinkControl，無線鏈路控制層；·MAC層：MediumAccessControl，介質(zhì)訪問控制層；·PHY層：Physical，物理層。從用戶面來看，5GNR增加了一個(gè)新的SDAP(服務(wù)數(shù)據(jù)適配協(xié)議)，其他結(jié)構(gòu)與LTE完全相同。增加SDAP的目的非常明確，因?yàn)?G網(wǎng)絡(luò)中無線側(cè)依然沿用4G網(wǎng)絡(luò)中的無線承載的概念，但5G中的核心網(wǎng)為了更加精細(xì)化業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)，其基本的業(yè)務(wù)通道從4G時(shí)代的Bearer(承載)的概念細(xì)化到以QoSFlow(服務(wù)質(zhì)量流)為基本業(yè)務(wù)傳輸單位。因此，在無線側(cè)的承載DRB就需要與5GC中的QoSFlow進(jìn)行映射，這便是SDAP協(xié)議棧的主要功能。SDAP子層是通過RRC信令來配置的，SDAP子層負(fù)責(zé)將QoSFlow映射到對(duì)應(yīng)的DRB上。一個(gè)或者多個(gè)QoSFlow可以映射到同一個(gè)DRB上，而且一個(gè)QoSFlow只能映射到一個(gè)DRB上。2．控制面協(xié)議棧控制面協(xié)議棧如圖4-11所示。圖4-11控制面協(xié)議架構(gòu)NR控制面協(xié)議幾乎與LTE協(xié)議棧一模一樣，從上到下依次為：·NAS層：Non-AccessStratum，非接入層；·RRC層：RadioResourceControl，無線資源控制層；·PDCP層：PacketDataConvergenceProtocol，分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議層；·RLC層：RadioLinkControl，無線鏈路控制層；·MAC層：MediumAccessControl，介質(zhì)訪問控制層；·PHY層：Physical，物理層。UE所有的協(xié)議棧都位于UE內(nèi)，而在網(wǎng)絡(luò)側(cè)，NAS層不位于基站gNB上，而是在核心網(wǎng)的AMF實(shí)體上?？刂泼鎱f(xié)議棧不包含SDAP層。5G無線接入網(wǎng)和接口協(xié)議4.4無線接入架構(gòu)中的幾個(gè)典型流程4核桃AI本節(jié)重點(diǎn)介紹5G中與4G有所區(qū)別的幾個(gè)流程:F1啟動(dòng)和小區(qū)激活流程、Inter-gNB-DU移動(dòng)性、在F1-U上設(shè)置承載上下文流程、gNB-CU-CP發(fā)起的承載上下文釋放流程、涉及gNB-CU-UP改變的gNB間切換流程。1．F1啟動(dòng)和小區(qū)激活流程F1接口是gNB-DU和gNB-CU之間的接口，兩者之間的數(shù)據(jù)交互首先要允許在gNB-DU和gNB-CU之間設(shè)置F1接口，并允許激活gNB-DU小區(qū)。這個(gè)流程如圖4-12所示。圖4-12F1啟動(dòng)和小區(qū)激活流程流程說明如下：(1)gNB-DU及其小區(qū)由OAM(Operation、Administration、Maintenance，操作、管理和維護(hù))在F1預(yù)運(yùn)行狀態(tài)下配置。gNB-DU向gNB-CU發(fā)起TNL(傳輸網(wǎng)絡(luò)層)連接。(2)gNB-DU向gNB-CU發(fā)送F1建立請(qǐng)求消息，該消息包括配置并準(zhǔn)備好被激活的小區(qū)列表。(3)在NG-RAN中，gNB-CU確保了與核心網(wǎng)絡(luò)的連接。出于這個(gè)原因，gNB-CU可以向5GC發(fā)起NG建立或gNB配置更新過程。(4)gNB-CU向gNB-DU發(fā)送F1建立響應(yīng)消息，該消息可選地包括要激活的小區(qū)列表。如果gNB-DU成功激活小區(qū)，則小區(qū)變得可操作。如果gNB-DU未能激活一些(一個(gè)或多個(gè))小區(qū)，則gNB-DU可以向gNB-CU發(fā)起gNB-DU配置更新過程。gNB-DU在gNB-DU配置更新消息中包括活動(dòng)的小區(qū)(即gNB-DU能夠?yàn)槠浞?wù)的小區(qū))。gNB-DU還可以指示刪除未能激活的小區(qū)，在這種情況下，gNB-CU移除相應(yīng)的小區(qū)信息。(5)gNB-CU可以向gNB-DU發(fā)送gNB-CU配置更新消息，例如在使用F1建立響應(yīng)消息時(shí)未激活這些小區(qū)的情況下，gNB-CU可以向gNB-DU發(fā)送要激活的小區(qū)的列表信息。(6)gNB-DU回復(fù)gNB-DU配置更新確認(rèn)消息，這些消息中包括未能被激活的小區(qū)列表。(7)gNB-CU可以向鄰居NG-RAN節(jié)點(diǎn)發(fā)起Xn建立或者向鄰居eNB發(fā)起EN-DC(NSA組網(wǎng)選項(xiàng)3，請(qǐng)參考第7章)X2建立過程。注意：如果F1設(shè)置響應(yīng)不用于激活任何小區(qū)，則可以在流程(3)之后執(zhí)行流程(2)。在gNB-CU和gNB-DU對(duì)之間的F1接口上，可能存在以下兩種小區(qū)狀態(tài)：·非活動(dòng)：gNB-DU和gNB-CU都知道小區(qū)，小區(qū)不應(yīng)為UE服務(wù)；·活動(dòng)有效：gNB-DU和gNB-CU都知道小區(qū)，小區(qū)應(yīng)該能夠?yàn)閁E服務(wù)。gNB-CU決定小區(qū)狀態(tài)是非活動(dòng)還是活動(dòng)。gNB-CU可以使用F1建立響應(yīng)，gNB-DU配置更新確認(rèn)或gNB-CU配置更新消息來請(qǐng)求gNB-DU改變小區(qū)狀態(tài)。gNB-DU可以使用gNB-DU配置更新或gNB-CU配置更新確認(rèn)消息來確認(rèn)(或拒絕)改變小區(qū)狀態(tài)的請(qǐng)求。2．Inter-gNB-DU移動(dòng)性一個(gè)gNB-CU控制管理若干個(gè)gNB-DU，如果UE從一個(gè)gNB-DU移動(dòng)到同一gNB-CU內(nèi)的另一個(gè)gNB-DU，則業(yè)務(wù)的用戶面發(fā)生了變化，這時(shí)就會(huì)啟動(dòng)inter-gNB-DU流程，即gNB內(nèi)部DU切換流程。圖4-13顯示了NR內(nèi)的gNB-DU移動(dòng)過程。圖4-13NR內(nèi)的gNB-DU移動(dòng)過程流程說明如下：(1)UE向源gNB-DU發(fā)送測(cè)量報(bào)告消息。(2)源gNB-DU向gNB-CU發(fā)送上行鏈路RRC傳輸消息以傳達(dá)所接收的測(cè)量報(bào)告。(3)gNB-CU向目標(biāo)gNB-DU發(fā)送UE上下文建立請(qǐng)求消息以創(chuàng)建UE上下文并設(shè)置一個(gè)或多個(gè)承載。(4)目標(biāo)gNB-DU利用UE上下文建立響應(yīng)消息來響應(yīng)gNB-CU。(5)gNB-CU向源gNB-DU發(fā)送UE上下文修改請(qǐng)求消息，包括生成的RRCConnectionReconfiguration(RRC連接重配)消息，并指示停止UE的數(shù)據(jù)傳輸。源gNB-DU還發(fā)送下行鏈路數(shù)據(jù)傳遞狀態(tài)幀(消息)以向gNB-CU通知UE未成功傳輸?shù)南滦墟溌窋?shù)據(jù)。(6)源gNB-DU將接收到的RRCConnectionReconfiguration消息轉(zhuǎn)發(fā)給UE。(7)源gNB-DU利用UE上下文修改響應(yīng)消息來響應(yīng)gNB-CU。(8)在目標(biāo)gNB-DU處執(zhí)行隨機(jī)接入過程。目標(biāo)gNB-DU發(fā)送下行鏈路數(shù)據(jù)傳遞狀態(tài)幀(消息)以通知gNB-CU。那些未在源gNB-DU中成功發(fā)送的PDCPPDU的下行鏈路分組數(shù)據(jù)從gNB-CU發(fā)送到目標(biāo)gNB-DU；在接收下行鏈路數(shù)據(jù)傳遞狀態(tài)之前或之后，開始向目標(biāo)gNB-DU發(fā)送DL用戶數(shù)據(jù)取決于gNB-CU實(shí)現(xiàn)。(9)UE利用RRCConnectionReconfigurationComplete(RRC連接重配完成)消息來響應(yīng)目標(biāo)gNB-DU。(10)目標(biāo)gNB-DU向gNB-CU發(fā)送上行鏈路RRC傳輸消息以傳達(dá)所接收的RRCConnectionReconfigurationComplete消息。下行鏈路分組被發(fā)送到UE。此外，從UE發(fā)送上行鏈路分組并通過目標(biāo)gNB-DU轉(zhuǎn)發(fā)到gNB-CU。(11)gNB-CU向源gNB-DU發(fā)送UE上下文釋放命令消息。(12)源NB-DU釋放UE上下文并且用UE上下文釋放完成消息來響應(yīng)gNB-CU。3．在F1-U上設(shè)置承載上下文流程由于gNB引入了F1接口，因此gNB業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)是通過F1-U接口在gNB-CU-UP中建立承載上下文，這樣就可以在gNB-CU-UP和gNB-DU之間發(fā)起上下行數(shù)據(jù)傳送的過程，如圖4-14所示。圖4-14在F1-U上設(shè)置承載上下文流程流程說明如下：(1)在gB-CU-CP中觸發(fā)承載上下文設(shè)置(例如，在來自MeNB(LTE基站為錨定基站或者主基站)的SgNB(gNB為輔基站)添加請(qǐng)求之后)。(2)gNB-CU-CP發(fā)送包含用于S1-U或NG-U的ULTNL地址信息的承載上下文建立請(qǐng)求消息，并且如果需要，發(fā)送用于X2-U或Xn-U的DL或ULTNL地址信息以在gNB-CU-UP中建立承載上下文。對(duì)于NG-RAN，gNB-CU-CP決定流到DRB的映射，并將生成的SDAP和PDCP配置發(fā)送到NB-CU-UP。(3)gNB-CU-UP以BearerContextSetupResponse(承載上下文建立響應(yīng))消息響應(yīng)，該消息包含F(xiàn)1-U的ULTNL地址信息，以及S1-U或NG-U的DLTNL地址信息，如果需要，還包含DL或TNL地址信息。(4)為在gNB-DU中設(shè)置一個(gè)或多個(gè)承載，執(zhí)行F1UE上下文設(shè)置過程。(5)gNB-CU-CP發(fā)送包含用于F1-U和PDCP狀態(tài)的DLTNL地址信息的BearerContextModificationRequest(承載上下文修改請(qǐng)求)消息。(6)gNB-CU-UP以BearerContextModificationResponse(承載上下文修改響應(yīng))消息響應(yīng)。4．gNB-CU-CP發(fā)起的承載上下文釋放流程當(dāng)gNB結(jié)束業(yè)務(wù)時(shí)，需要釋放gNB-CU-CP發(fā)起的gNB-CU-UP中的承載上下文，以結(jié)束gNB-CU-UP和gNB-DU之間上下行數(shù)據(jù)傳送的過程，如圖4-15所示。圖4-15gNB-CU-CP發(fā)起的承載上下文釋放流程流程說明如下：(1)在gNB-CU-CP中觸發(fā)承載上下文釋放(例如在來自MeNB的SgNB釋放請(qǐng)求之后)。(2)gNB-CU-CP向gNB-CU-UP發(fā)送BearerContextModificationRequest(承載上下文修改請(qǐng)求)消息。(3)gNB-CU-UP以承載PDCPUL/DL狀態(tài)的承載上下文修改響應(yīng)進(jìn)行響應(yīng)。(4)執(zhí)行F1UE上下文修改過程以停止UE的數(shù)據(jù)傳輸。在停止UE調(diào)度時(shí)由gNB-DU實(shí)現(xiàn)(注意：僅當(dāng)需要保留承載的PDCP狀態(tài)，例如在承載類型改變時(shí)才執(zhí)行步驟(2)～(4)。(5)gNB-CU-CP可以在EN-DC操作中從MeNB接收UEContextRelease(UE上下文釋放)消息。(6)執(zhí)行承載上下文釋放過程。(7)執(zhí)行F1-UE上下文釋放過程以釋放gNB-DU中的UE上下文。(8)gNB-CU-UP釋放承載上下文。5．涉及gNB-CU-UP改變的gNB間切換流程當(dāng)UE從一個(gè)gNB移動(dòng)到另外一個(gè)gNB下時(shí)，就會(huì)發(fā)生gNB間切換。這種情況下，gNB的CU和DU都發(fā)生了切換，如圖4-16所示。圖4-16涉及gNB-CU-UP改變的gNB間切換流程說明如下：(1)源gNB-CU-CP向目標(biāo)gNB-CU-CP發(fā)送XnHandoverRequest(Xn口切換請(qǐng)求)消息。(2)目標(biāo)gNB-CU-CP向目標(biāo)gNB-CU-UP發(fā)送承載上下文建立請(qǐng)求消息。(3)目標(biāo)gNB-CU-UP向目標(biāo)gNB-CU-CP回復(fù)響應(yīng)消息。(4)承載上下文設(shè)置過程。(5)目標(biāo)gNB-QU-CP用XnHandoverRequestAcknowledge(Xn口切換請(qǐng)求確認(rèn))消息來響應(yīng)源gNB-CU-CP。(6)執(zhí)行F1UE上下文修改過程以停止gNB-DU處的UL數(shù)據(jù)傳輸，并將切換命令發(fā)送到UE。(7)-(8)執(zhí)行承載上下文修改過程(gNB-CU-CP發(fā)起)，以使gNB-CU-CP能夠檢索