51学通信

深度解析 3GPP TS 38.300：4.4 Radio Protocol Architecture (无线协议架构)

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好的，我们继续深入3GPP TS 38.300的奇妙旅程。在上一篇中，我们绘制了NG-RAN的宏观网络架构，明确了各个网元的“岗位职责”。现在，我们将把显微镜对准网络的核心——无线空中接口（Uu接口），探索数据和信令在UE和gNB之间是如何通过严谨的协议栈进行“对话”的。

深度解析 3GPP TS 38.300：4.4 Radio Protocol Architecture (无线协议架构)

本文技术原理深度参考了3GPP TS 38.300 V18.5.0 (2025-03) Release 18规范中，关于“4.4 Radio Protocol Architecture”的核心章节，旨在为读者清晰地解构5G无线空中接口（Uu接口）的用户面与控制面协议栈，揭示数据从应用层到物理层传输的完整生命周期。

前言：小明的数据包奇幻漂流

我们的主角，大学生小明，正沉浸在他的5G智慧校园生活中。此刻，他刚刚在校园湖边录制了一段4K 60fps的高清视频，准备上传到社交平台分享。他点击“发送”按钮，这个简单的动作，瞬间在手机内部和空中的电波里，启动了一场精密无比的数据包“奇幻漂流”。

与此同时，校园网的智能运维系统检测到小明所在区域的用户密度正在增加，为了保证他的上传体验，gNB决定为他激活载波聚合（CA），增加一个辅载波。这个网络侧的决策，也需要通过一条高效可靠的“信令快递”送达小明的手机。

小明上传的视频数据，代表了**用户面（User Plane）的流量；而网络下发的载波聚合配置指令，则代表了控制面（Control Plane）**的信令。这两类看似不同的信息，在通过空中接口时，遵循着既有共通之处又各有特色的协议栈路径。

今天，我们将化身为数据包本身，跟随小明的视频文件和gNB的控制指令，一起体验这场穿越5G无线协议栈的奇幻旅程，深入理解4.4节所定义的Uu接口两大协议栈——用户面与控制面。

1. 用户数据的旅程：用户面协议栈 (4.4.1 User Plane)

小明点击“发送”后，他的视频文件被应用层切分成一个个IP数据包。这些IP包的最终目的地是远端的社交媒体服务器，但在到达那里之前，它们必须先成功穿越从手机到gNB的无线链路。用户面协议栈就是为这些数据包铺设的“空中轨道”。

The figure below shows the protocol stack for the user plane, where SDAP, PDCP, RLC and MAC sublayers (terminated in gNB on the network side) perform the functions listed in clause 6.

规范中的 Figure 4.4.1-1: User Plane Protocol Stack 清晰地展示了这条“轨道”的层次结构。我们将从上到下，看看一个IP数据包是如何被层层“加工”和“打包”，最终变成电磁波的。

Figure 4.4.1-1: User Plane Protocol Stack (规范原文中的“Figure 4.4.1-1: User Plane Protocol Stack”清晰地展示了用户面协议栈的分层结构，从上至下依次为SDAP, PDCP, RLC, MAC, PHY。)

1.1 第一站：SDAP层 - “服务分类与贴标签”

IP数据包从应用层下来，进入协议栈的第一站是**SDAP（Service Data Adaptation Protocol，服务数据适配协议）**子层。这是5G为了精细化QoS管理而新增的“分拣中心”。

场景： 小明的视频上传业务，对于网络来说，是一个具有特定QoS要求的服务。核心网（SMF）已经为这个业务建立了一个QoS流（QoS Flow），并分配了一个QFI（QoS Flow Identifier）。

SDAP层的主要工作就是识别这个QFI，并将这个IP包映射到正确的无线承载上。

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. (详见 6.5 SDAP Sublayer)
  • QoS流到DRB的映射：SDAP层维护着一张由gNB配置的映射表，它会根据IP包的QFI，找到对应的DRB（Data Radio Bearer，数据无线承载）。你可以把DRB想象成一条专门为承载特定类型（如视频、语音、网页浏览）数据而开设的逻辑管道。小明的视频上传包，就会被放入专门的“视频上传DRB”管道。
  • 标记QFI：在某些情况下（如下行反射QoS），SDAP层还会在数据包上打上QFI标签，以便对端能够识别其QoS属性。

通过SDAP层，原本对无线网络无感知的IP流，被正式赋予了“无线身份”，开始了它在接入网内的旅程。

1.2 第二站：PDCP层 - “安检、加密与压缩”

数据包离开SDAP，进入了**PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分组数据汇聚协议）**子层。这里是数据安全和传输效率的关键一站。

The main services and functions of the PDCP sublayer include:

  • Header compression and decompression…
  • Ciphering and deciphering;
  • Integrity protection and integrity verification; (详见 6.4 PDCP Sublayer)
  • 头压缩 (ROHC)：PDCP层的第一项工作是“减负”。它会检查IP包的头部（IP/TCP/UDP/RTP），并使用ROHC算法将其从几十个字节压缩到几个字节，极大地提升了空口的频谱效率。
  • 序列号分配 (PDCP SN)：PDCP为每个数据包分配一个唯一的序列号。这个序列号非常重要，它用于保证数据的有序传输、检测重复包以及作为加密算法的输入参数。
  • 加密与完整性保护 (Ciphering & Integrity Protection)：这是“安检”环节。PDCP层会使用UE和gNB之间预共享的密钥，对数据包的载荷进行加密，使其在空中变成无法被窃听的密文。同时，它还会计算一个完整性校验和（MAC-I），附加在包尾，防止数据在传输中被篡改。

经过PDCP层的处理，小明的视频数据包已经变得既“苗条”又“安全”，准备好进入下一环节。

1.3 第三站：RLC层 - “分包与可靠性保障”

经过PDCP层的数据包（现在称为PDCP PDU），来到了**RLC（Radio Link Control，无线链路控制）**子层。如果说PDCP PDU是一个“集装箱”，那么RLC层就是负责将这个集装箱拆分成一个个适合飞机运输的“标准包裹”。

The main services and functions of the RLC sublayer depend on the transmission mode and include:

  • Segmentation (…) and re-segmentation (…) of RLC SDUs;
  • Error Correction through ARQ (AM only); (详见 6.3 RLC Sublayer)
  • 分段 (Segmentation)：物理层每次能传输的数据块大小（Transport Block Size）是有限的。如果一个PDCP PDU太大，RLC层就会将其分割成多个更小的RLC PDU。
  • ARQ (自动重传请求)：对于小明的视频上传这种需要可靠传输的业务，RLC会工作在**确认模式（AM）**下。发送端每发送一个RLC PDU，都会等待接收端的确认（ACK）。如果超时未收到ACK，或者收到了否认（NACK），RLC层就会自动重传这个数据包。这是保证端到端可靠性的第一道重要防线。

1.4 第四站：MAC层 - “打包、调度与快速重传”

从RLC层出来的“标准包裹”（RLC PDU）汇聚到了**MAC（Medium Access Control，媒体接入控制）**子层。这里是空口资源分配的最终执行点，也是一个繁忙的“物流中心”。

The main services and functions of the MAC sublayer include:

  • Mapping between logical channels and transport channels;
  • Multiplexing/demultiplexing of MAC SDUs…
  • Error correction through HARQ; (详见 6.2 MAC Sublayer)
  • 逻辑信道复用 (Multiplexing)：MAC层会从一个或多个逻辑信道（每个DRB对应一个逻辑信道）中取出RLC PDU，将它们“打包”成一个传输块（Transport Block, TB）。在打包时，它会添加MAC头部，指明每个RLC PDU来自哪个逻辑信道，以便接收端能够正确地“拆包”。
  • 调度 (Scheduling)：何时发送、在哪个频域资源上发送、用多大的功率发送，这些都由MAC层的调度器根据gNB的指令来决定。
  • HARQ (混合自动重传请求)：这是保证可靠性的第二道，也是更快速的一道防线。与RLC的ARQ不同，HARQ在物理层层面工作。UE每发送一个TB，gNB的物理层会立即解码并反馈一个ACK或NACK。如果收到NACK，UE的MAC层会立即触发重传，整个过程通常在几个毫秒内完成，比RLC层的重传快得多。

1.5 终点站：PHY层 - “编码、调制与发射”

最终，MAC层打包好的传输块（TB）被送到了PHY（Physical Layer，物理层）。在这里，数据包将完成它从比特到电磁波的终极蜕变。

(物理层的具体功能在第5章详细描述)

PHY层会进行一系列复杂的信号处理：

  • 为TB添加CRC校验码。
  • 进行信道编码（如LDPC编码），增加冗余以对抗信道衰落。
  • 进行速率匹配，使编码后的比特流适配分配到的物理资源量。
  • 加扰、调制（如将比特映射为QPSK或256QAM星座点）。
  • 映射到物理资源（PUSCH），并最终通过天线以OFDM波形发射出去。

至此，小明的一小片视频数据，经历了一场从SDAP到PHY的奇幻漂流，化作电波，飞向了gNB的天线。

2. 网络指令的传递：控制面协议栈 (4.4.2 Control Plane)

在小明上传视频的同时，gNB决定为他开启载波聚合。这个指令的传递，则要通过另一条专门的通道——控制面协议栈。

The figure below shows the protocol stack for the control plane…

规范中的 Figure 4.4.2-1: Control Plane Protocol Stack 展示了这条“信令快递”的路径。

Figure 4.4.2-1: Control Plane Protocol Stack (规范原文中的“Figure 4.4.2-1: Control Plane Protocol Stack”展示了控制面协议栈，其上层为NAS和RRC，下三层PDCP, RLC, MAC与用户面共享。)

控制面协议栈与用户面协议栈在底层是共享的，但在高层有着本质的区别。

2.1 高层信令：NAS与RRC

控制面的“大脑”是NAS（Non-Access Stratum，非接入层）和RRC（Radio Resource Control，无线资源控制）。

  • NAS层：

    • NAS control protocol (terminated in AMF on the network side) performs the functions listed in TS 23.501, for instance: authentication, mobility management, security control…

    NAS协议的端点是UE和核心网的AMF。它负责处理与无线接入技术无关的核心网络信令，如身份认证、注册、位置更新等。对于gNB来说，NAS消息是“不透明”的，gNB只负责为其提供一个可靠的传输通道。

  • RRC层：

    • RRC (terminated in gNB on the network side) performs the functions listed in clause 7;

    RRC协议的端点是UE和gNB。它是无线连接的“总指挥”，负责管理和配置整个Uu接口的所有协议层。

场景： gNB决定为小明开启载波聚合。gNB的RRC层会生成一条RRCReconfiguration消息。这条消息就像一份详细的“施工图纸”，告诉小明的手机：“请在xx频点上增加一个辅小区，它的物理小区ID是yyy，你需要配置相关的MAC和PHY参数…”。这条RRC消息就是控制面需要向下层传递的“货物”。

2.2 信令的可靠传输：共享的下三层

RRC消息同样需要经过PDCP、RLC、MAC和PHY层才能被发送出去。它使用的通道被称为SRB（Signalling Radio Bearer，信令无线承载）。

  • PDCP, RLC and MAC sublayers (terminated in gNB on the network side) perform the functions listed in clause 6;

虽然共享相同的协议子层，但SRB的配置与DRB有显著不同，一切为了可靠和优先：

  • PDCP层：SRB的PDCP处理同样包括加密和完整性保护，以确保信令的机密性和不可篡改性。但它不进行头压缩，因为RRC消息没有IP头。
  • RLC层：SRB必须工作在**确认模式（AM）**下，以保证每一条RRC指令都能100%可靠地送达。信令丢失的后果是灾难性的。
  • MAC层：在调度时，承载SRB的逻辑信道通常被赋予最高的优先级。这意味着，无论用户数据有多么拥挤，gNB的MAC层都会优先为RRC信令分配传输资源，确保网络指令能够第一时间下发。

最终，这条RRCReconfiguration消息同样被PHY层编码、调制，通过PDSCH信道发送给小明的手机。小明的手机收到并成功解码后，其RRC层会解析这条指令，并指挥底层协议栈完成载波聚合的配置，从而获得了更高的上传速率。

总结：殊途同归的协议栈设计

通过对4.4节的深度解剖，我们完成了对Uu接口协议栈的“双线作战”分析。用户面和控制面，虽然承载的内容和使命不同，但它们共享了一套高效、可靠的底层传输机制。

  • 用户面，以SDAP层为起点，核心是QoS流到DRB的映射，确保差异化服务。其协议栈设计兼顾了效率（头压缩）、安全（加密）和可靠性（RLC AM, HARQ）。
  • 控制面，以RRC/NAS层为大脑，核心是无线资源的配置与管理。它借用相同的底层协议栈，但通过最高的优先级和强制的可靠模式，确保了网络控制指令的绝对权威和及时送达。

理解了这两套协议栈的运作原理，就等于掌握了UE和gNB之间通信的本质。接下来，我们将探讨一种更复杂的组网架构——多无线双连接（MR-DC），看看当一个UE同时连接到两个基站时，协议栈会发生怎样奇妙的变化。

FAQ

Q1：SDAP是5G新增的协议子层，它解决了4G的什么问题？

A1：SDAP主要解决了4G中QoS管理不够灵活和高效的问题。在4G中，QoS保证的最小粒度是EPS承载（Bearer），一个承载对应一组QoS参数。而一个IP流到EPS承载的映射规则（TFT）由核心网P-GW下发，对RAN是“不透明”的，RAN只能被动执行。5G引入了更精细的“QoS流”概念，并且新增了SDAP层在gNB和UE上。这使得RAN侧能够感知到每个数据包所属的QoS流（通过QFI），并自主、灵活地将一个或多个QoS流映射到无线承载（DRB）上。这给予了gNB更大的QoS调度自主权，可以更高效地利用空口资源，实现更精细化的服务质量保证。

Q2：用户面和控制面都使用了PDCP、RLC、MAC层，它们在处理两类数据时有什么不同吗？

A2：是的，虽然协议子层相同，但配置和处理方式有很大不同。主要体ude现在：1）承载类型不同：控制面数据走SRB（信令无线承载），用户面数据走DRB（数据无线承载）。2）RLC模式：SRB必须使用最可靠的确认模式（AM）。DRB则可以根据业务类型选择AM（如文件下载）或非确认模式（UM，如VoIP）。3）PDCP处理：SRB和DRB都需要进行加密和完整性保护，但只有DRB（用户数据）会进行头压缩（ROHC）。4）MAC层优先级：在调度时，承载SRB的逻辑信道优先级通常远高于承载DRB的逻辑信道，以确保信令能够被优先发送。

Q3：HARQ和RLC ARQ都是重传机制，为什么需要两层重传？

A3：这是为了在速度和可靠性之间取得平衡。HARQ工作在MAC和PHY层，是一种非常快速的重传机制。接收方解码失败后会立即反馈NACK，发送方可以在几个毫秒内快速重传。它的优点是快，能迅速应对瞬时的信道抖动。但HARQ的重传次数是有限的，如果多次重传后仍然失败，HARQ就会放弃。这时，就需要RLC ARQ出场了。RLC ARQ工作在更高层，它的重传时间窗口更长，可以看作是“最终的可靠性保障”。只有当HARQ“搞不定”的持续性丢包发生时，RLC ARQ才会通过超时或状态报告来触发重传。两层机制结合，既保证了低时延，又保证了高可靠性。

Q4：在用户面协议栈中，数据在哪一层被加密？为什么选择这一层？

A4：数据在PDCP层被加密。选择在这一层进行加密是经过深思熟虑的：1）在头压缩之后：PDCP层先进行ROHC头压缩，再进行加密。这样可以减少需要加密的数据量，降低处理开销。2）在分段之前：PDCP的加密是针对整个IP包（或压缩后的IP包）进行的。加密之后再交由RLC层去分段。这样做的好处是，接收端必须先成功重组所有RLC分片，恢复成完整的PDCP PDU后，才能进行解密。这增加了破解的难度。如果先分段再加密，每个小分片都可以独立尝试解密，安全性会降低。3.）保持上下文：PDCP层维护着序列号（SN），是加密算法的关键输入之一，可以防止重放攻击。

Q5：什么是逻辑信道、传输信道和物理信道？它们之间是什么关系？

A5：这是理解MAC层功能的关键概念。1）逻辑信道 (Logical Channels)：定义了传输什么类型的数据。它由RLC层提供给MAC层，例如DTCH（专用业务信道，承载用户数据）和DCCH（专用控制信道，承载RRC信令）。2）传输信道 (Transport Channels)：定义了数据如何被传输的特性。它由MAC层提供给物理层，例如DL/UL-SCH（下行/上行共享信道，支持HARQ、动态链路自适应）。3）物理信道 (Physical Channels)：定义了数据在**具体的物理资源（时频位置）**上如何传输。例如PDSCH（物理下行共享信道）和PUSCH（物理上行共享信道）。关系是：MAC层负责将一个或多个逻辑信道的数据，复用到一个传输信道上；物理层则负责将传输信道上的数据，映射到具体的物理信道上进行传输。这是一个从“内容类型”到“传输方式”再到“物理承载”的映射过程。

关系图谱