好的，我们继续进行深度拆解。这是本系列的第九篇文章。在前几篇中，我们已经深入5G核心网，探索了其服务化架构（SBA）以及关键网络功能（NF）的职责。现在，我们的旅程将进入一个全新的篇章——5G无线接入网（NG-RAN）的内部世界。

深度解析 3GPP TR 21.915：5.5 The 5G Access Network (Part 6 - 架构与协议栈)

本文技术原理深度参考了3GPP TR 21.915 V15.0.0 (2019-09) Release 15规范中，关于“5.5.3 The 5G Access Network”的开篇章节，包括5.5.3.1“Introduction”，5.5.3.2“Overview of the AN Control Plane”和5.5.3.3“Overview of the AN User Plane”。本文旨在为读者构建5G无线接入网（NG-RAN）的宏观架构视图，并深入剖析其控制面与用户面的协议栈分层模型。

“李工，我们已经花了很多时间探索5GC这个强大的‘中枢大脑’，”青年工程师小玲合上她的核心网学习笔记，眼中闪烁着新的求知欲，“现在，我迫不及待地想知道，连接用户和大脑的‘神经网络’——无线接入网（NG-RAN），其内部究竟是如何构造的？数据和信令在空中接口上，是如何被层层打包和拆解的？”

导师李工微笑着在白板上画了一个gNB（5G基站）的图标：“问得好，小玲。从今天开始，我们的视角将从云端的宏观架构，下沉到毫秒级的微观世界。如果说5GC是‘战略规划中心’，那么NG-RAN就是‘前线作战指挥部’。我们将要学习的协议栈，就是这个指挥部里，从‘司令’（RRC层）到‘通信兵’（物理层）之间，一套严谨、高效的信息处理与传递流程。”

为了让这个流程更加鲜活，让我们继续回到VR游戏设计师美美的体验中。她正在“未来科技城”的咖啡馆里，一边和朋友进行着VoNR高清语音通话，一边在后台下载着一个用于新项目的巨型3D素材包。这两个并发的业务，将完美地帮助我们理解5G接入网的控制面与用户面是如何并行工作的。

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1. 5.5.3.1 NG-RAN架构再深入：从“一体化”到“模块化”的gNB

在之前的篇章中，我们已经知道NG-RAN在逻辑上由gNB这一个核心实体构成。然而，5.5.3.1节的Figure 5.5.3.1-1: Overall NG-RAN architecture（源自TS 38.401）揭示了gNB内部更深层次的架构秘密——CU/DU分离。

The figure below, extracted from TS 38.401, shows the overall architecture of the Access Network…

The gNB may be further split into a gNB-Central Unit (gNB-CU) and one or more gNB-Distributed Unit(s) (gNB-DU), linked by the F1 interface.

“李工，这个CU/DU分离是什么意思？为什么要把一个好好的gNB拆成两部分？”小玲不解地问。

“这正是5G接入网设计中最具智慧的演进之一，它为运营商的网络部署带来了前所未有的灵活性。”李工打了一个生动的比喻，“你可以把一个传统的‘一体化’基站想象成一个‘全能小餐馆’，厨师（处理协议）、服务员（处理射频）都在一个小店里。”

• 一体化gNB: 部署简单，但所有功能都绑定在一个物理站点。如果某个偏远地区的客流量（话务量）很小，你依然需要部署一个包含昂贵“大厨”（BBU/CU）的完整餐馆，成本很高。

“而CU/DU分离，则是把餐饮业升级为了‘中央厨房+前置门店’的连锁模式。”

• gNB-CU (Central Unit): 中央厨房。负责处理非实时的、高层的协议功能（如RRC、PDCP）。一个CU可以集中部署在城市的数据中心，同时管理成百上千个DU。

• gNB-DU (Distributed Unit): 前置门店。负责处理实时的、底层的协议功能（如RLC、MAC、PHY）和射频。DU可以被做得更小、更轻、成本更低，广泛地部署在城市的各个角落，比如灯杆上、墙壁上。

• F1接口: 连接“中央厨房”和“前置门店”的**“冷链物流”**通道。

这种架构带来了革命性的好处：

1. 资源集中与协同：多个DU的计算资源集中在CU，便于进行更大范围的无线资源协同和干扰管理，提升网络性能。

2. 降低站点成本：远端站点只需部署相对简单的DU，昂贵的CU设备可以集中部署，节省了大量的机房空间和配套设施成本。

3. 支持边缘计算：CU通常与核心网的UPF部署在同一边缘数据中心，为边缘计算业务提供了天然的低时延接入。

“所以，陈工在规划‘未来科技城’的网络时，”李工说，“他可以在核心机房部署一个强大的gNB-CU池，然后在科技城的每一栋大楼、每一个路口，只部署轻量化的gNB-DU。这就是5G能够实现密集、深度覆盖的关键所在。”

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2. 5.5.3.2 控制平面 (Control Plane)：建立连接的“无形之手”

在理解了gNB的物理形态后，我们来探究其内部的“神经系统”——协议栈。首先是控制平面（C-Plane）。

“控制平面，顾名思义，是用来‘控制’的。”李工解释道，“当美美准备给朋友打电话时，她的手机需要先和网络‘商量’好一系列事情：‘我是谁？’‘我能打电话吗？’‘通话的质量要求是什么？’‘网络给我分配哪些无线资源？’……所有这些‘讨价还价’和‘指令下达’的信令交互，都发生在控制平面。”

Figure 5.5.3.2-1: Control Plane Protocol Stack为我们清晰地展示了这条“谈判通道”的分层结构。我们可以把它想象成一个发送一封机密的、挂号信的过程。

The figure below shows the protocol stack for the control plane, where: … The NAS (Non-Access Stratum) control protocol (terminated in AMF on the network side) refers to all the aspects and protocols not linked to the Access Network and transported “transparently” by the Access Network…

• NAS (Non-Access Stratum / 非接入层): 信件内容。

  这是手机（UE）和核心网AMF之间的“悄悄话”。比如，注册请求、业务请求等。gNB作为“邮递员”，只负责传递这封信，但不会拆开看内容（transparently）。信件的终点是核心网的AMF。

• RRC (Radio Resource Control / 无线资源控制): 挂号信的申请单。

  这是手机和gNB之间的“对话”。手机通过RRC告诉gNB：“我要发一封给AMF的信（NAS消息），请给我分配信道。”gNB也通过RRC告诉手机：“批准！现在给你建立一个信令无线承载（SRB），用这个通道发吧。”此外，系统信息广播、切换控制、测量配置等所有与无线资源相关的控制，都由RRC负责。

• PDCP (Packet Data Convergence Protocol / 分组数据汇聚协议): 机密打包与编号。

  RRC和NAS的消息在这里被打包。对于信令，PDCP的主要工作是：

  1. 加密 (Ciphering)：为信件内容加密，防止被窃听。

  2. 完整性保护 (Integrity Protection)：为信件生成一个“校验码”，防止被篡改。

  3. 序列号 (Sequence Numbering)：为每个信封编上唯一的序号，便于接收端检查是否有丢失。

• RLC (Radio Link Control / 无线链路控制): 分包与可靠性保证。

  如果PDCP打包好的信件太大，一个“标准信封”装不下，RLC就负责把它分割 (Segmentation) 成几个小块，装入多个信封。对于信令这种重要信息，RLC通常工作在确认模式 (AM)，确保每一个小块都被对方成功签收，如果对方没收到，就负责重传 (ARQ)。

• MAC (Medium Access Control / 媒体接入控制): 地址填写与信道分配。

  MAC层负责在众多用户中进行调度 (Scheduling)，决定此时此刻轮到谁来发信。它会在RLC的信封上贴上本地的“地址标签”（逻辑信道ID），并将其放入正确的“邮袋”（传输信道）。

• PHY (Physical Layer / 物理层): 邮车与运输。

  物理层是最终的执行者。它将MAC层递来的“邮袋”进行编码、调制，转换成无线电波，通过天线发射出去。

“你看，”李工总结道，“一封从手机发往核心网的信令，在空中接口上，就是这样被层层打包、保护、寻址，最终安全送达的。这个过程，就是控制平面的核心工作。”

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3. 5.5.3.3 用户平面 (User Plane)：承载数据的“物流大动脉”

“控制平面的‘谈判’完成后，真正的‘货物’——也就是美美的VoNR语音数据和游戏下载数据——就可以开始运输了。承载这些‘货物’的，就是用户平面（U-Plane）。”

Figure 5.5.3.3-1: User Plane Protocol Stack 展示了用户平面的协议栈。小玲一眼就看出了它与控制平面的异同。

“李工，我发现用户平面协议栈和控制平面很像，也有PHY, MAC, RLC, PDCP。但它没有RRC和NAS，却多了一个我没见过的SDAP层！”

“观察得非常仔细！”李工赞许道，“这正是5G用户平面相比LTE最大的一个创新点。我们还是用一个比喻来理解：发送一个快递包裹。”

• 上层应用数据 (IP Packets): 包裹里的商品。这是美美的语音数据或游戏数据。

• SDAP (Service Data Adaptation Protocol / 服务数据适配协议): 智能贴单员。

  这是5G新增的“岗位”，也是U-Plane的“灵魂”。在5GC中，我们知道SMF为美美的VoNR通话和游戏下载，分配了两个不同的QoS Flow，并给了它们不同的QFI (QoS Flow Identifier)，就像给两个包裹贴上了“航空急件”和“陆运普件”的标签。

  SDAP层的工作，就是识别这个QFI标签，然后决定这个包裹应该放入哪个**DRB（数据无线承载）**的“专属运输箱”里。比如，它会把VoNR的包（如QFI=1）放入DRB-1，把游戏下载的包（如QFI=9）放入DRB-2。

  The main services and functions of SDAP … include:

  • Mapping between a QoS flow and a data radio bearer;

  • Marking QoS flow ID (QFI) in both DL and UL packets.

  “SDAP是连接5GC的QoS框架和NG-RAN无线承ยз的桥梁，”李工强调，“正是有了它，gNB的调度器（MAC层）才能知道，DRB-1里的包裹需要优先派送，而DRB-2里的可以稍微等等。这实现了端到端的QoS保障。”

• PDCP / RLC / MAC / PHY: 打包、分箱、调度、运输。

  在用户平面，这几层的工作原理与控制平面类似，但侧重点不同：

  • PDCP: 除了加密和编号，它还负责头压缩 (Header Compression)，比如对IP/TCP/RTP这些冗长的包头进行压缩，节省空口资源。

  • RLC: 对于VoNR这种实时业务，可能采用非确认模式 (UM)，即使丢了几个包也不重传，以保证低时延。而对于游戏下载这种可靠性要求高的业务，则采用确认模式 (AM)。

  • MAC & PHY: 和控制平面一样，负责最终的调度和物理传输。

“所以，美美的两个业务，在她的手机里，就是这样被SDAP分流，再经过PDCP/RLC/MAC/PHY各自的流水线处理，最终在空口上被gNB调度器‘差异化’地发送出去的。”

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4. 总结：分层协作的精密“作战单元”

通过对NG-RAN宏观架构和微观协议栈的探索，小玲对5G基站的内部运作有了清晰的、分层的认识。

1. 宏观架构上，gNB是演进的、模块化的。它继承了LTE扁平化的成功理念，并引入了CU/DU分离架构，为网络部署提供了前所未有的灵活性。

2. 微观协议栈上，gNB是分层的、协同的。它通过独立的控制平面和用户平面，分别处理信令和用户数据，实现了职责的清晰分离。

3. 控制平面 (C-Plane) 如同“神经系统”，通过NAS/RRC/PDCP/RLC/MAC/PHY的层层协作，建立和管理着手机与网络之间的连接。

4. 用户平面 (U-Plane) 如同“物流系统”，通过新增的SDAP层实现了与5GC QoS框架的精准对接，再由PDCP/RLC/MAC/PHY对不同业务数据进行差异化的、高效的传输。

“我明白了，”小玲总结道，“NG-RAN就像一个高度自主的‘前线作战单元’。它既有灵活的‘组织架构’（CU/DU），又有精密的‘指挥链条’（C-Plane）和强大的‘后勤补给线’（U-Plane）。它的每一个设计，都是为了更高效、更灵活、更可靠地打赢未来的‘信息战’。”

在下一篇文章中，我们将继续深入协议栈的内部，详细探究5.5.3.4节中定义的MAC、RLC、PDCP、SDAP和RRC这些“部门”的具体工作职责和关键技术。

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FAQ 环节

Q1：gNB的CU/DU分离是强制的吗？

A1：不是强制的。CU/DU分离（也称为RAN切分选项2）是3GPP定义的一种部署选项。运营商完全可以选择将CU和DU的功能合一部署在一个物理盒子里，形成一个“一体化gNB”。这种部署方式更简单，适用于宏站等场景。CU/DU分离架构的价值在于提供了部署的灵活性，运营商可以根据具体的场景（如密集城区、室内覆盖、边缘计算）和成本考虑，选择最合适的部署形态。

Q2：SDAP层是5G独有的吗？LTE中是如何实现QoS映射的？

A2：是的，SDAP层是5G NG-RAN为对接5GC的QoS Flow模型而全新引入的。在4G LTE中，QoS保障的基本单位是EPS承载（EPS Bearer），每个承载对应一个QCI（QoS Class Identifier）。核心网的MME/S-GW会为每个EPS承载建立一个对应的E-RAB（E-UTRAN Radio Access Bearer），这个E-RAB直接与无线侧的DRB（数据无线承载）一一对应。因此，在LTE中，QoS的映射关系是“一对一”写死的，不需要一个额外的适配层。而5G的QoS Flow模型更加灵活，一个PDU会话可以包含多个QoS Flow，因此需要SDAP层来完成“多对多”或“多对一”的动态映射。

Q3：控制平面信令（如RRC消息）的传输可靠性是如何保证的？

A3：控制平面信令的可靠性是网络正常运行的基石，因此协议栈在设计上给予了最高级别的保障。具体体现在：1. RLC层：信令承载（SRB）通常工作在确认模式（AM），通过ARQ（自动重传请求）机制，确保每一个数据块都被成功接收。2. MAC层：调度器在调度信令时，会给予其最高优先级，并通常会采用更鲁棒的调制编码方式（低阶MCS），以确保其在恶劣的无线环境下也能被成功解调。

Q4：为什么NAS消息对gNB是透明的？

A4：这是为了实现接入技术的无关性和核心网功能的独立性。NAS（非接入层）信令是UE与核心网（AMF/SMF）之间的“端到端”对话，它承载的业务逻辑（如注册类型、会话类型）不应该与具体的无线接入技术（是5G NR还是Wi-Fi）相耦合。gNB作为“接入层”设备，其职责是提供一个可靠的无线传输通道。将NAS设为透明，意味着未来即便出现新的接入技术（如6G），只要它能透明地传输NAS消息，就可以接入到现有的5GC核心网中，这大大增强了核心网的稳定性和前向兼容性。

Q5：用户平面和控制平面的协议栈都需要经过CU和DU吗？

A5：是的，但它们经过的路径和处理的功能不同。根据CU/DU的功能划分：

• 控制平面：高层协议RRC和PDCP的一部分功能在CU中处理。因此，C-Plane信令会先到达DU，经过PHY/MAC/RLC处理后，通过F1-C接口送到CU进行更高层的处理。

• 用户平面：高层协议SDAP和PDCP在CU中处理。因此，U-Plane数据包也会先到达DU，经过PHY/MAC/RLC处理后，通过F1-U接口送到CU进行SDAP的QoS映射和PDCP的处理，然后再通过NG-U接口送往UPF。

简而言之，DU处理两者的底层协议，CU处理两者的高层协议，F1接口则承载着CU和DU之间的数据和信令交互。