5G 协议栈SDAP 与PDCP 层分析

周 皎

（四川邮电职业技术学院，四川 成都 610067）

0 引 言

第五代移动通信（the 5th Generation Mobile Communication Technology，5G）问世以来，移动网络的数据传输速率、容量和传输时延等性能均得到了显著提升，并在持续优化。针对这些特性，5G 不仅改变了核心网架构，引入了新空口技术，还对协议栈的结构进行了较大的调整。例如，无线资源控制（Radio Resource Control，RRC）层引入了RRC Inactive 状态，用于降低连接延迟、减少信令开销和功耗；在用户面新增了服务数据适配协议（Service Data Adaptation Protocol，SDAP）层，用于完成核心网的服务质量（Quality of Service，QoS）流到无线承载之间的映射和管理[1]。此外，5G 对分组数据汇聚协议（Packet Data Convergence Protocol，PDCP）进行了优化和调整，主要完成对用户数据和信令的加密与完整性保护工作，降低信息在传输过程中的泄露风险[2]。

1 5G 协议栈总体架构

5G 核心网协议栈采用传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）模型，分为控制平面（Control Plane，CP）和用户面（User Plane，UP）。

接入网协议栈结构与长期演进（Long Term Evolution，LTE）类似，分为3 层结构[3]。其中，控制平面主要用于处理系统信令，对接的是核心网的接入和移动性管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF），RRC 终止于5G 基站gNB，非接入层（Non-Access Stratum，NSA）终止于AMF；用户平面主要用于处理用户数据，对接核心网的用户平面功能（User Plane Function，UPF）。

用户面和控制面共有的子层包括PDCP 层、无线链路控制（Radio Link Control，RLC）层、媒体接入控制（Medium Access Control，MAC）层以及物理（Physics，PHY）层，而SDAP 层是用户面独有的子层。其中，RLC 层采用自动重传请求（Automatic RepeatreQuest，ARQ），配合MAC 层的混合自动重传请求（Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ）提高可靠性和传输效率，并设置高层数据分组的分段功能，以匹配PHY 层的变化。MAC 层具备复用和优先级管理功能，可以保证多用户QoS 和公平性，增加了自适应的调制与编码功能（MAC 层控制，PHY 层执行）。为满足系统对低时延的需求，MAC 层还负责非连续传输与接收工作。在PHY 层，引入了大规模天线、新型编码调制和新波形等技术，以提高系统的可靠性、容量、时延等性能。5G 协议栈的总体结构如图1 所示。

图1 5G 协议栈的总体结构

2 SDAP 层

2.1 SDAP 架构

根据3GPP TS 37.324 标准，SDAP 层负责QoS流和数据无线承载（Radio Bearer，RB）之间的映射，对上/下行链路中的数据包做QoS 流标识符（QoS Flow Identifier，QFI）标记[4]。SDAP 架构如图2 所示。

图2 SDAP 架构

服务接入点（Service Access Port，SAP）用于建立任意两层之间的逻辑连接。协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）是指来自或发送到较低协议层的数据实体，也被称为服务数据单元（Service Data Unit，SDU），即SDAP-PDU 等价于PDCP-SDU。

PDU 会话与SDAP 实体是一一对应的。例如，发送端会基于RRC 请求建立一个针对某PDU 会话的SDAP 实体，如果配置了默认的数据无线承载（Data Radio Bearer，DRB），还要进行关联[5]。同时，PDU 会话可能包含一个或多个QoS 流，这些Qos 流可以映射到一个或多个DRB 上。但是，DRB与PDCP 实体是一一对应的，因此一个SDAP 实体可能对应一个或多个PDCP 实体。

2.2 SDAP 实体

发送SDAP 实体，并处理上层接收到的SDAPSDU。可以根据需要添加SADP 子头，将其处理成SDAP-PDU 后递交给PDCP 层。先将PDU 会话中的QoS 流映射到一个DRB 上，然后根据情况完成子头的添加，具体流程如图3 所示。

图3 SDAP 实体与数据传输

对于上行，如果有多个QoS流映射到一个DRB上，则需要携带上行子头。上行子头包含了用于区分数据PDU 和控制PDU 的下变频器（Down Convertor，D/C）信息与QFI 标识。如果是侧链数据PDU，则包含指示SDAP PDU 所属的短距离直连通信接口QoS 流的ID 信息（PQFI）。对于下行，如果NAS/AS 映射规则发生了更新，也需要携带下行子头。下行子头应标记更新QoS 流到DRB 的映射规则的RDI 信息、向NAS 通知业务数据流到QoS 流的映射规则的RQI 信息。此外，在上行传输中，如果没有存储QoS 流的映射规则，就需要映射到默认的DRB 上。

接收SDAP 实体把下层接收到的SDAP-PDU 处理成SADP-SDU 后递交给应用层。数据处理过程与发送过程相反，如果接收的SDAP-PDU 带有子头，则移除子头后递交给上层。

3 PDCP 层

3.1 PDCP 架构

PDCP 架构如图4 所示，根据3GPP TS 38.323 标准，可以配置为发送和接收的双向承载容器，也可配置为单向承载容器，以执行PDCP 的具体功能。控制服务接入点（Control Service Access Port，C-SAP）连接RRC 和PDCP 的逻辑接口[6]。

图4 PDCP 架构

在所有无线承载中，除SRB 0 外，其他RB 与PDCP 实体之间都保持一一对应关系。基于上层请求，发送端会建立针对某个特定RB 的PDCP 实体，并将相关状态变量设置为初始值[7]。PDCP 实体与RLC 实体的之间的通道称为RLC 信道。基于RB 的单向/双向或分离/非分离等特征和RLC 的确认模式或非确认模式，一个PDCP 实体可以关联一个或多个RLC 实体（透明模式不经过PDCP）。当PDCP 复制功能激活时，一个PDCP 实体需要关联2 个RLC实体。

3.2 PDCP 实体

发送端将接收到的PDCP-SDU 处理成PDCPPDU 后递交给RLC 层，具体流程如图5 所示。

图5 PDCP 实体与数据传输

发送缓冲器用于添加序列号（Serial Number，SN），并根据RRC 配置判断是否对用户面数据进行压缩。同时，需要进行完整性保护、加密和添加PDCP 子头、路由或包复制等处理。需要注意的是，所有的SRB 都需要进行完整性保护，而DRB 由RRC 配置。在激活安全功能后，所有通过RRC 指示的数据PDU 都需要进行加密。包复制功能也只是在该功能激活后使用。

PDCP-PDU 共有4 种格式。第一种，信令承载的数据PDU（适用于SRB），除数据部分外，还包含12 bits 的序列号和32 bits 的完整性消息身份验证代码MAC-I。第二种，带SN 的DRB 数据PDU（适用于UM DRBs 和AM DRBs），携带D/C、SN 和MAC-I等信息。根据SN 的位数又分为12 bits 和18 bits这2 种格式，适用于不同的传输速率和不同的传输模式。第三种，PDCP 状态报告的控制PDU（适用于AM DRB），携带1 bit 的D/C、3 bits 的PDU 类型、32 bits的FMC以及可选的比特图（Bitmap）信息。其中，FMC 信息用于指示在重新排序窗口内第一个丢失的PDCP SDU 的COUNT 值，而Bitmap 则用于指示在接收PDCP 实体中丢失的SDU（标记为0）和正确接收的SDU（标记为1）。第四种，健壮性报头压缩（Robust Header Compression，ROHC）控制PDU。其适用于UM DRB 和AM DRB，携带D/C、PDU 类型和一个仅具有反馈的ROHC 数据包。

在5G 应用中，如果应用层和无线接口提供的数据率不匹配，可能产生大量的缓存数据。为避免出现延时过长和排队等问题，在PDCP 层引入了SDU 丢弃机制。

4 结 论

文章介绍了5G 协议栈结构，从核心网和接入网的角度简要讨论了协议栈各层次的作用。以SDAP和PDCP 层为例，阐述了5G 接入网协议栈的变化，详细分析了2 层的架构、实体和PDU 格式。相比于4G，5G 协议栈能有效确保系统的高可靠性和低时延性，更好地适应多样化的业务需求。未来业务需求将不断扩大，因此需要进一步优化移动通信系统的协议栈。