【5G无线接入技术系列】四、无线接口架构

5G NR无线接入技术------无线接口架构

• [1. 系统架构概览](#1. 系统架构概览)
• • [1.1. 5G核心网](#1.1. 5G核心网)
  • [1.2. 无线接入网](#1.2. 无线接入网)
• [2. QoS管理](#2. QoS管理)
• [3. 无线协议架构](#3. 无线协议架构)
• [4. 用户面协议](#4. 用户面协议)
• • [4.1. SDAP](#4.1. SDAP)
  • [4.2. PDCP](#4.2. PDCP)
• 4.3.RLC
• • [4.4. MAC](#4.4. MAC)
  • • [4.4.1. 逻辑信道和传输信道](#4.4.1. 逻辑信道和传输信道)
    • [4.4.2. 调度](#4.4.2. 调度)
    • [4.4.3. 软比特合并HARQ](#4.4.3. 软比特合并HARQ)
  • [4.5 PHY](#4.5 PHY)
• [5. 控制面协议](#5. 控制面协议)
• • [5.1. RRC状态机](#5.1. RRC状态机)
  • [5.2. 空闲状态和非活动状态的移动性](#5.2. 空闲状态和非活动状态的移动性)
  • • [5.2.1. 跟踪设备](#5.2.1. 跟踪设备)
    • [5.2.2. 寻呼消息传输](#5.2.2. 寻呼消息传输)
  • [5.3. 连接态的移动性](#5.3. 连接态的移动性)

本文概述了NR无线接入网络及其核心网络的整体架构，并详细介绍了无线接入网中的用户平面和控制平面协议。

1. 系统架构概览

在3GPP开展新空口（NR）无线接入技术研究的同时，无线接入网（RAN）与核心网（CN）的整体架构也进行了重新规划，包括两大网络之间的功能划分。

无线接入网负责整个网络中所有与无线相关的功能，包括调度、无线资源管理、重传协议、编码及各类多天线技术等。

5G核心网则承担与无线接入无关但构成完整网络所需的职能，例如鉴权认证、计费功能及端到端连接建立等。将这些功能与无线接入网分离设计，而非集成到RAN中，其优势在于允许多种无线接入技术共享同一核心网。不过，NR无线接入网络也可连接至传统LTE（长期演进）的核心网------即演进分组核心网（EPC）。事实上，这就是NR在非独立组网模式下的运行方式，此时LTE和EPC负责连接建立、寻呼等功能。后续版本将引入NR连接5G核心网的独立组网模式，以及LTE连接5G核心网的方案。因此，LTE与NR无线接入技术及其对应核心网具有紧密关联性，这与3G向4G演进时4G LTE无法连接3G核心网的情况截然不同。

1.1. 5G核心网

5G核心网在演进分组核心网（EPC）基础上实现了三大增强领域：基于服务的架构、网络切片支持以及控制面/用户面分离。

基于服务的架构是5G核心网的基础。这意味着规范重点关注核心网提供的服务与功能，而非具体网元节点。这种设计符合当前核心网高度虚拟化的趋势------核心网功能通常运行在通用计算机硬件上。

网络切片是5G领域的常见术语。一个网络切片是为满足特定业务或客户需求而构建的逻辑网络，由基于服务架构中配置的相关功能组合而成。例如：

• 可建立支持完全移动性的移动宽带业务切片（类似LTE提供的服务）
• 也可建立支持特定固定场景、低时延要求的工业自动化应用切片

这些切片都运行在相同的底层物理核心网和无线接入网上，但从终端应用视角看，它们呈现为相互独立的网络。其原理类似于在同一台物理计算机上配置多个虚拟机。边缘计算（将部分终端应用部署在靠近核心网边缘的位置以实现低时延）也可作为网络切片的组成部分。

5G核心网架构特别强调控制面与用户面的分离，包括两者容量的独立扩展。例如当需要增加控制面容量时，应能直接扩容而不影响用户面功能。

上图展示了5G核心网的高层架构示意图。该图采用基于服务的呈现方式，突出核心服务与功能。规范中还包含另一种基于参考点的描述方式（聚焦功能间的点对点交互），但未在图中体现。

用户面功能（UPF）作为无线接入网（RAN）与外部网络（如互联网）之间的网关，主要承担以下职责：数据包路由转发 、数据包检测 、服务质量处理 、数据包过滤 以及流量测量 。在特定场景下，它还可作为无线接入技术间的移动性锚点。

控制面功能由多个模块组成：

• 会话管理功能（SMF）：负责UE的IP地址分配、策略控制及会话管理
• 接入与移动性管理功能（AMF） ：处理核心网与UE间的控制信令，管理用户数据安全、空闲状态移动性及鉴权
  核心网（特别是AMF）与UE间的交互功能称为非接入层（NAS），区别于处理UE与RAN间交互的接入层（AS）。

核心网还包含其他功能模块：

• 策略控制功能（PCF）
• 统一数据管理（UDM）
• 网络开放功能（NEF）
• NR存储功能（NRF）
• 鉴权服务器功能（AUSF）
• 应用功能（AF）

核心网可采用多种部署方式：集中式单节点部署 、分布式多节点部署 或云平台部署。本文重点介绍与NR无线接入协同开发的5G核心网，该架构可同时支持NR和LTE接入。但为兼容现有网络，NR也可接入LTE核心网EPC（即"非独立组网"选项3）。

如上图所示，该方案中LTE负责控制面功能（如初始接入、寻呼和移动性）。eNB（LTE基站）和gNB（NR基站）将在下节详述。

在选项3架构中：

• EPC连接eNB
• LTE处理所有控制面功能
• NR仅负责用户面数据
• gNB通过eNB连接，用户面数据由eNB转发至gNB

该方案包含两个变体：

1. 选项3a：eNB和gNB用户面均直连EPC
2. 选项3x：仅gNB用户面直连EPC，eNB用户面数据需经gNB路由

独立组网（如选项2）时：

• gNB直连5G核心网
• 同时处理用户面和控制面功能

选项4、5、7展示了LTE eNB连接5G核心网的不同组网方案。

1.2. 无线接入网

无线接入网包含两种与5G核心网连接的节点类型：

• gNB节点：采用NR协议栈为NR终端提供服务
• ng-eNB节点：采用LTE协议栈为LTE终端提供服务

由ng-eNB（支持LTE接入）和gNB（支持NR接入）共同组成的无线接入网称为NG-RAN（以下简称RAN）。需注意的是，首版NR标准采用非独立组网模式（方案3），即NR通过EPC核心网连接，此时基本原理相同，仅节点与接口命名存在细微差异。

gNB（或ng-eNB）负责管理单个或多个小区的全部无线功能，包括：

• 无线资源管理
• 接入控制
• 连接建立
• 用户面数据路由至UPF
• 控制面信息路由至AMF
• QoS流管理

需要强调的是，gNB是逻辑节点而非物理实体。典型实现为三扇区基站（管理三个小区），也存在其他实现方式，如连接多个远端射频单元的基带处理单元，常见于室内多小区或高速公路沿线场景。因此，基站只是gNB的一种实现形式而非等同概念。

如上图所示，gNB通过NG接口连接5G核心网：

• NG-u接口连接UPF（用户面）
• NG-c接口连接AMF（控制面）

单个gNB可连接多个UPF/AMF实现负载均衡与冗余备份。

gNB间的Xn接口主要支持：

• 激活态移动性管理
• 双连接功能
• 多小区无线资源管理（RRM）

同时通过数据包转发实现邻区间无损切换。

标准支持通过F1接口将gNB拆分为：

• 中央单元（gNB-CU）：承载RRC/PDCP/SDAP协议
• 分布式单元（gNB-DU）：承载RLC/MAC/PHY协议

gNB（或gNB-DU）与终端间的接口称为Uu接口。

终端通信需至少建立一条网络连接。在基础场景中，终端接入单个小区处理所有上下行传输，该小区统一管理用户数据流及RRC信令。这种简洁方案适用于多数场景。特定情况下，多小区接入可带来优势：

• 用户面聚合：提升传输速率
• 控制面/用户面分离：不同节点分别处理

终端双连接（同时接入两个小区）是典型应用场景。

LTE-NR双连接具有特殊重要性，是方案3非独立组网的基础架构：

• LTE主小区：处理控制面及（可选）用户面信令
• NR辅小区：专用于用户面数据传输

2. QoS管理

LTE已支持处理多样化的服务质量(QoS)需求，而NR(新空口)进一步强化了这一框架。在保持LTE核心原则------即网络控制QoS且仅有5G核心网(而非无线接入网)具备业务感知能力------的同时，NR的QoS处理机制对实现网络切片至关重要。

每个接入设备会建立一个或多个PDU会话，每个会话包含多个QoS流和数据无线承载。核心网的UDF功能根据时延容忍度或数据速率等需求，将IP数据包映射到相应的QoS流。上行链路QoS处理通过为每个数据包标记QoS流标识符(QFI)来实现。

无线接入网随后将这些QoS流映射到数据无线承载。这种分工确保核心网管理业务需求，而无线接入网仅处理流到承载的映射。值得注意的是，这种映射并非严格一对一，多个QoS流可共享同一数据无线承载(如下图)。

NR引入两种上行链路映射控制方法：

1. 反射映射(NR为5G核心网连接设计的创新方案)：终端通过分析下行数据包的QFI来确定正确的上行映射
2. 显式配置：网络通过RRC信令直接配置QoS流到承载的映射关系

3. 无线协议架构

考虑到整体网络架构，可以讨论用户面和控制面的无线接入网（RAN）协议架构。图6.6展示了RAN协议架构（如前一节所述，AMF不属于RAN，但为完整起见仍包含在图中）。

4. 用户面协议

下图展示了NR下行用户面协议架构的整体框架。该架构与LTE存在相似之处，但也具有若干关键差异。最显著的差异体现在服务质量处理机制上：当连接5G核心网时，SDAP协议层会基于QoS需求接收一个或多个承载IP数据包的QoS流；而连接EPC时则不使用SDAP协议。

需要注意的是，上图中的所有协议实体并非适用于所有场景。例如，广播系统信息时无需进行加密。上行协议架构与下行类似，但在传输格式选择、逻辑信道复用控制等方面存在差异。

各协议层的主要功能如下：

• SDAP协议：实现QoS流到无线承载的映射，这是为支持新型QoS机制而专门引入NR的协议层（仅在使用5G核心网时生效）
• PDCP协议：负责IP头压缩、数据加密和完整性保护，在切换时还处理重传、排序和重复数据删除。在双连接场景下，可支持数据分流和复制功能
• RLC协议：执行数据分段和重传管理，相比LTE取消了按序递交功能以降低时延
• MAC协议：实现逻辑信道复用、混合ARQ重传和调度功能，其头部结构经过优化以更好支持低时延业务
• PHY层：完成编解码、调制解调等基础物理层处理

每个无线承载都对应独立的PDCP和RLC实体，MAC层通过逻辑信道为RLC提供服务。这些协议实体的具体配置会根据实际应用场景进行调整。

上图展示了下行链路数据传输的完整流程示例：其中包含三个IP数据包（两个属于同一无线承载，另一个属于不同无线承载）。该示例中存在两个无线承载，其中一个RLC SDU被分割并通过两个不同的传输块发送。上行链路的数据传输流程与此类似。

SDAP协议负责将IP数据包映射到不同的无线承载：在本例中，IP数据包n和n+1被映射到无线承载x，IP数据包m则被映射到无线承载y。通常来说，与高层协议交互的数据实体称为服务数据单元(SDU)，而与低层协议交互的对应实体称为协议数据单元(PDU)。因此SDAP输出的是SDAP PDU（等同于PDCP SDU）。

PDCP协议会对每个无线承载执行可选的IP头压缩和加密操作，并添加PDCP头。这个头部包含设备解密所需的信息，如果配置了相关功能，还会携带用于重传和顺序交付的序列号。处理完成后，PDCP输出会被转发至RLC层。

RLC协议在必要时会对PDCP PDU进行分段，并添加包含重传序列号的RLC头。与LTE不同，NR RLC不提供数据顺序交付功能------这是为了避免重排序机制引入的额外延迟对超低时延业务造成影响。如果需要顺序交付功能，可以由PDCP层实现。

当RLC PDU被转发至MAC层后，MAC会将多个RLC PDU复用并添加MAC头以组成传输块。值得注意的是：NR的MAC头是分散在MAC PDU中的，每个RLC PDU对应的MAC头都紧邻其前方。这与LTE将所有头信息集中在MAC PDU首部的设计不同。这种结构支持高效的低时延处理------NR方案允许"动态组装"MAC PDU，无需等待完整PDU组装即可计算头字段，从而降低处理时间和总体时延。

4.1. SDAP

服务数据适配协议（SDAP）负责在5G核心网的服务质量流与数据无线承载之间进行映射，并在上下行数据包中标记服务质量流标识符（QFI）。NR引入SDAP的原因在于：当连接到5G核心网时，其服务质量处理机制与LTE不同。负责QoS流与无线承载之间的映射。若gNB连接到EPC（如非独立组网模式场景），则不会启用SDAP功能。

4.2. PDCP

PDCP层采用基于鲁棒头压缩(ROHC)框架的IP头压缩技术，有效减少无线接口传输的数据量。该压缩算法是移动通信领域的通用标准。此外，PDCP层提供数据加密功能防止信息泄露，并对控制面消息实施完整性保护以确保其来源可信。接收端PDCP会执行相应的解密和解压操作。

在gNB内切换过程中，PDCP层的重复数据删除和可选排序功能尤为关键。切换发生时，源gNB会通过PDCP将未送达的下行数据包转发至目标gNB。由于切换会清空混合ARQ缓冲区，终端侧的PDCP实体需要重传所有未送达的上行数据包。PDCP能有效识别并消除可能通过新旧gNB连接重复接收的PDU，必要时还可通过重排序功能确保上层协议按序接收SDU。

PDCP的数据复制功能可提升传输可靠性：将数据包复制后在多个小区同时传输，显著提高接收成功率，这对超高可靠性服务至关重要。接收端PDCP通过重复删除机制实现选择分集。

在双连接架构中，PDCP扮演着核心角色。终端可同时连接主小区组(MCG)和辅小区组(SCG)，这两组可能由不同gNB管理。虽然无线承载通常由单一小区组处理，但在分离承载场景下，PDCP负责在MCG和SCG间进行数据分流（见上图）。R15版本（2018年6月）支持广义双连接，而早期版本（2017年12月）仅支持LTE-NR双连接------这是上图所示选项3非独立组网方案的基础架构：由LTE主小区处理控制面及可选用户面信令，NR辅小区专用于提升用户面数据传输速率。

4.3.RLC

RLC协议负责将来自PDCP层的RLC SDU（服务数据单元）分割为适当大小的RLC PDU（协议数据单元），同时处理错误接收PDU的重传及重复PDU的剔除。根据业务类型需求，RLC可配置为三种模式之一------透明模式、非确认模式或确认模式------以执行部分或全部功能。透明模式顾名思义不添加任何协议头；非确认模式支持数据分段和重复检测；确认模式额外支持错误数据包重传。

与LTE的主要区别在于，RLC不再确保向上层按序递交SDU。取消按序递交机制可降低整体时延，后续数据包无需等待先前丢失数据包的重传即可立即递交至高层。另一项改进是移除RLC协议的级联功能，使得RLC PDU可在获得上行调度授权前预先组装。如下图所示的分段功能（RLC核心功能之一），这种设计显著降低了时延。图中对比了同时支持级联的LTE机制：NR上行调度决策在传输前极短时间内（约几个OFDM符号周期）下达至终端。若采用LTE的级联机制，RLC PDU必须等待调度决策后才能组装，这会引入额外时延，无法满足NR的低时延要求。

取消级联功能后，终端可预先组装RLC PDU。当收到调度决策时，只需根据传输块大小向MAC层递交合适数量的PDU。为完全填满传输块，末段RLC PDU可能包含部分SDU片段。分段操作流程简洁：终端根据调度授权填入所需数据量，并更新协议头标记分段状态。

RLC重传机制还负责为高层提供无差错数据传输。通过收发两端RLC实体间的重传协议，接收端根据PDU头部序列号检测缺失PDU（RLC序列号独立于PDCP序列号），反馈状态报告请求重传。发送端RLC实体据此采取相应措施。

虽然RLC能够处理信道噪声等导致的传输错误，但多数情况下基于MAC层的混合ARQ协议已实现无差错传输。初看RLC重传似显冗余，但如第13章将阐述的，由于反馈信令机制存在本质差异，RLC与MAC双重重传架构具有充分合理性。

4.4. MAC

MAC层负责逻辑信道复用、混合自动重传请求（HARQ）重传、调度及与调度相关的功能（包括处理不同参数配置）。在使用载波聚合时，该层还负责跨多个分量载波的数据复用/解复用。

4.4.1. 逻辑信道和传输信道

MAC层通过逻辑信道为RLC层提供服务。逻辑信道按承载信息类型可分为两类：传输系统控制信息的控制信道和传输用户数据的业务信道。NR标准定义的主要逻辑信道包括：

1. 广播控制信道(BCCH)

• 功能：传输系统广播信息
• 特点：设备接入前必须接收
• 备注：非独立组网时由LTE提供

2. 寻呼控制信道(PCCH)

• 功能：传输寻呼消息
• 特点：面向小区未知设备
• 备注：非独立组网时由LTE提供

3. 公共控制信道(CCCH)

• 功能：传输随机接入控制信息

4. 专用控制信道(DCCH)

• 功能：传输设备专用控制信息

5. 专用业务信道(DTCH)

• 功能：传输单播用户数据

注：这些信道在LTE中功能类似，但LTE包含更多信道类型。

在物理层实现方面，MAC层使用传输信道服务。传输信道特征包括：

• 以传输块为单位组织数据
• 每个TTI最多传输1个动态大小的传输块（4层以上空间复用时可传2个）
• 每个传输块对应特定传输格式(TF)

NR定义的传输信道类型：

1. 广播信道(BCH)

• 特点：固定传输格式
• 用途：传输MIB信息

2. 寻呼信道(PCH)

• 特点：支持DRX机制
• 用途：传输寻呼信息

3. 下行共享信道(DL-SCH)

• 特点：支持动态速率适配、智能调度、混合ARQ等
• 用途：主下行数据传输通道
• 备注：也传输部分系统信息

4. 上行共享信道(UL-SCH)

• 特点：DL-SCH的上行对应信道
• 用途：上行数据传输

此外，随机接入信道（RACH）虽不承载传输块，但仍属于传输信道的范畴。

MAC层的主要功能包括复用不同逻辑信道并将其映射到相应的传输信道。如下图所示，该图直观展示了逻辑信道与传输信道的映射关系，其中下行共享信道（DL-SCH）和上行共享信道（UL-SCH）分别作为上下行链路的主要传输信道。图中还标明了后续将详细介绍的物理信道，以及传输信道与物理信道间的对应关系。

为支持优先级处理，MAC层能够将多个具有独立RLC实体的逻辑信道复用至同一传输信道。接收端MAC层则负责解复用操作，将RLC协议数据单元（PDU）传递给对应的RLC实体。这一过程通过引入MAC头实现。相较于LTE，NR对MAC头结构进行了优化以降低时延------MAC子头不再集中放置在MAC PDU头部（这种设计需等待调度决策完成才能组装PDU），而是直接置于各MAC服务数据单元（SDU）之前。这种改进使得PDU在调度决策前即可进行预处理。当需要时，可通过填充位使传输块大小符合NR支持的标准尺寸。

MAC子头包含两个关键字段：逻辑信道标识(LCID)和PDU字节长度，同时设有标志位指示长度指示符的尺寸，并保留一个位供未来扩展使用。

MAC层具备两大核心功能：支持逻辑信道复用，以及在传输块中插入MAC控制单元。这些控制单元通过LCID保留值标识，用于带内信令传输，根据应用场景可分为固定长度和可变长度两种类型。

MAC控制单元的布局遵循特定规则：下行传输时位于PDU头部，上行传输时则置于PDU尾部（紧邻填充字段）。这种优化设计显著提升了设备处理效率，有效降低传输时延。

相比RLC层，MAC控制单元提供了更高效的信令传输机制，突破了物理层L1/L2控制信令（如PDCCH/PUCCH）在载荷大小和可靠性方面的限制。

在载波聚合场景下，MAC实体还负责将数据流分配到不同成员载波（小区）。其实现原理是：物理层对各成员载波进行独立处理（包括控制信令、调度和HARQ），而MAC层以上对载波聚合透明。复用后的逻辑信道会为每个成员载波生成独立传输块，并配备专属HARQ实体。

虽然载波聚合和双连接都使终端能同时接入多个小区，但二者存在本质差异，主要体现在：

1. 协作紧密程度
2. 小区是否归属同一gNB节点

载波聚合要求严格协作，所有小区必须：

• 属于同一gNB节点
• 由联合调度器统一调度

双连接则支持更灵活的协作方式：

• 小区可分属不同gNB节点
• 支持跨无线接入技术（如NR-LTE双连接）

值得注意的是，这两种技术可以组合使用，形成主小区组和辅小区组架构------每个组内均可实施载波聚合技术。

4.4.2. 调度

NR无线接入的基本原则之一是共享信道传输------即用户间动态共享时频资源。调度器属于MAC层（尽管通常被视为独立实体），通过频域的"资源块"和时域的OFDM符号及时隙来控制上下行资源分配。

调度器的核心功能是动态调度：gNB通常每个时隙做出调度决策，并向选定终端发送调度信息。虽然按隙调度是常见方式，但调度决策和实际数据传输均不受限于时隙边界，这对支持低时延操作及非授权频谱扩展至关重要。

NR系统采用上下行独立调度机制（半双工模式下受双工方案约束）。在下行方向，gNB通过动态调度机制控制传输对象及其资源块分配，具体负责选择传输块大小、调制方式、天线映射等传输参数，并完成下行逻辑信道的复用。

上行调度机制与下行类似，gNB动态控制终端在UL-SCH上的传输资源（包括载波聚合场景）。值得注意的是，上行调度针对终端整体而非特定逻辑信道。gNB负责确定传输格式，终端则根据配置规则自主选择数据源进行逻辑信道复用。

虽然3GPP未强制规定具体调度算法，但多数实现采用信道相关调度策略：通过在时频域信道条件最优的资源上优先调度设备，充分利用设备间的信道变化特性。

下行信道相关调度依赖设备上报的CSI（信道状态信息），该信息反映时频域瞬时信道质量，并为空间复用提供天线处理参数。上行方面，gNB通过设备发送的探测参考信号评估信道质量。此外，设备可通过MAC控制单元上报缓存状态和功率余量信息辅助调度决策（需在获得有效调度授权时发送）。若无授权，上行L1/L2控制信令会包含资源请求指示。

除动态调度外，系统还支持以下低信令开销方案：

下行采用类LTE的半持续调度机制：通过L1/L2控制信令激活预配置的传输模式（含时频资源和调制编码方案），设备即按此接收数据。

上行提供两种方案：

• 类型1：通过RRC信令直接激活预配置的所有传输参数
• 类型2：类似半持续调度，RRC配置时间调度模式，由L1/L2信令激活（传输参数由信令提供，周期由RRC设定）

两种方案均只在有数据传输需求时触发上行发送。

4.4.3. 软比特合并HARQ

混合自动重传请求(Hybrid ARQ)通过软合并技术有效解决传输差错问题。其快速重传特性支持多数业务进行单次或多次重传，形成隐式闭环速率控制机制。该协议由MAC层实现，物理层负责具体的软合并操作。

混合ARQ具有选择性应用特点：广播业务通常不采用该技术，仅在下行共享信道(DL-SCH)和上行共享信道(UL-SCH)中部署，具体由gNB决定。协议采用多进程并行停等机制，延续LTE设计思路------接收端解码传输块后，通过单比特确认反馈解码状态(成功/失败)。为准确匹配确认信息与进程，可采用时序关联法或码本定位法(详见13.1节)。

上下行均采用异步混合ARQ协议，通过显式进程编号标识目标进程。异步协议中，重传调度与初始传输规则一致。相比LTE同步机制，异步上行协议更适应动态TDD配置，提升业务调度灵活性，并为非授权频谱应用奠定基础。

系统最多支持16个HARQ进程。相比LTE7增加最大进程数的设计，主要考虑远端射频头的前传延迟和高频段更短的时隙持续时间。需注意的是：更大的最大HARQ进程数不代表更长的往返时延------该数值仅为进程数量上限，并非所有进程都会被使用。

如上图所示，终端使用多个并行HARQ进程可能导致数据包乱序交付。例如传输块3可能在需要重传的传输块2之前成功解码。多数应用场景可接受这种乱序，如需保序交付可通过PDCP实现。RLC协议不提供保序机制旨在降低时延：若强制保序，数据包3/4/5必须等待数据包2正确接收后才能递交；取消保序要求后，每个数据包一经正确接收即可立即转发。

NR中HARQ新增支持码块组重传特性，特别适用于超大传输块或部分受干扰场景。物理层信道编码时，传输块被分割为多个不超过8448比特的码块，每个码块独立编码以保持合理复杂度。中等数据速率下每个传输块可能包含多个码块，千兆级速率时单个传输块可能包含数百个码块。

当突发干扰仅影响少量OFDM符号时，传输块中多数码块仍可正确接收，仅需重传错误码块即可。但若HARQ单独处理每个码块将导致控制信令开销过大。系统因此定义码块组(CBG)结构：配置CBG级重传时，反馈机制按CBG粒度工作，仅重传错误码块组(下图)，相比全传输块重传显著节省资源。

尽管属于HARQ机制，CBG重传对MAC层透明并由物理层直接处理------这是规范架构设计使然。MAC层视角下，只有所有CBG正确接收才算完成传输块接收。同一HARQ进程中，不允许混合传输新传输块的CBG和错误传输块的重传CBG。

HARQ能快速纠正噪声或信道突变导致的传输错误。虽然RLC层也支持重传，但双重机制各有优势：HARQ提供快速重传但可能存在残留误码；RLC确保无误传输但速度较慢。两者协同实现了往返时延与传输可靠性的最佳平衡。

4.5 PHY

物理层主要承担以下功能：编码处理、物理层混合自动重传请求(HARQ)处理、调制解调、多天线处理，以及将信号映射到合适的物理时频资源。该层还负责实现传输信道到物理信道的映射。

物理层通过传输信道为MAC层提供服务。下行和上行数据传输分别采用DL-SCH和UL-SCH传输信道类型。在DL-SCH或UL-SCH上，每个传输时间间隔(TTI)内，单个设备最多对应一个传输块（下行链路中超过四层空间复用时为两个传输块）。在载波聚合场景下，每个分量载波对应一个独立的DL-SCH（或UL-SCH）。

物理信道是传输特定传输信道的时频资源集合。除常规物理信道外，还存在一类特殊的L1/L2控制信道，它们不直接映射到传输信道，主要用于传输：

• 下行控制信息(DCI)：为设备提供接收和解调下行数据所需的信息
• 上行控制信息(UCI)：向调度器和混合ARQ协议反馈设备状态信息

NR系统定义了以下物理信道类型：

• PDSCH：单播数据传输主信道，同时承载寻呼信息、随机接入响应消息及部分系统信息
• PBCH：传输设备接入网络所需的系统信息
• PDCCH：传输调度决策等DCI信息，用于接收PDSCH和授权PUSCH传输
• PUSCH：上行对应PDSCH的信道，每个上行分量载波最多一个PUSCH
• PUCCH：传输HARQ确认、信道状态报告及上行资源请求
• PRACH：用于随机接入过程

需要注意的是，部分物理信道（如PDCCH和PUCCH）没有对应的传输信道映射。

5. 控制面协议

控制面协议主要承担连接建立、移动性管理和安全控制等核心功能。

NAS（非接入层）控制面功能在核心网AMF（接入和移动性管理功能）与终端设备间运行，涵盖鉴权认证、安全机制以及空闲模式流程（如寻呼）。此外，该功能还负责终端设备的IP地址分配。

无线资源控制（RRC）协议的控制面功能位于gNB（下一代基站）的RRC层，主要处理无线接入网相关的控制流程，具体包括：

• 广播小区接入所需的系统信息；
• 转发MME（移动管理实体）的寻呼消息，通知终端设备接入请求（适用于RRC_IDLE状态设备）。该系统同时支持系统信息更新和公共预警通知
• 连接管理（含承载建立和移动性管理），通过建立RRC上下文配置终端与无线接入网的通信参数；
• 移动性管理功能（如小区重选） ；
• 测量配置与结果上报 终端能力处理：连接建立时需上报设备能力，因不同终端对标准功能的支持存在差异。

RRC消息通过信令无线承载（SRB）传输，采用与数据面协议相同的协议层结构（PDCP、RLC、MAC和PHY）。SRB在连接建立期间映射至CCCH（公共控制信道），建立后则映射至DCCH（专用控制信道）。控制面与用户面数据可在MAC层复用，并通过同一TTI（传输时间间隔）发送。在特定低时延优先场景下（相对于加密、完整性保护和可靠传输），也可采用MAC控制单元实现无线资源控制。

5.1. RRC状态机

无线通信系统中的设备通常会根据业务需求在不同状态间切换。NR（新空口）设备支持三种RRC状态：RRC_IDLE（空闲态） 、RRC_CONNECTED（连接态）和RRC_INACTIVE（非激活态）（如下图所示）。其中前两种状态与LTE系统类似，而RRC_INACTIVE是NR新增的状态模式。此外，核心网层面还定义了CN_IDLE和CN_CONNECTED两种状态（本文不展开讨论），区分依据是设备与核心网的连接状态。

RRC_IDLE状态下，无线接入网未存储设备的RRC上下文，设备也未归属特定小区。此时设备在核心网层面处于CN_IDLE状态，主要处于休眠模式以节省功耗。设备会周期性唤醒监听下行寻呼消息，并通过小区重选机制自主管理移动性。由于未保持上行同步，设备仅能通过随机接入流程发起连接建立请求，在此过程中与网络共同创建RRC上下文。

RRC_CONNECTED状态下，设备与无线接入网已建立完整的RRC上下文，核心网层面处于CN_CONNECTED状态。网络明确知晓设备所属小区，并为其分配了专属的C-RNTI标识。该状态支持数据传输，同时可通过配置DRX机制实现功耗优化。由于RRC上下文已存在，设备从DRX状态恢复数据传输时无需额外信令交互。网络通过设备上报的测量报告管理移动性，适时触发切换流程。上行时间同步状态可动态变化，但必须通过随机接入建立并按照16.2节机制维护，才能确保正常数据传输。

LTE系统仅定义了空闲态和连接态两种状态。在实际应用中，空闲态通常作为主要休眠状态以降低终端功耗。但由于智能手机频繁传输小数据包的特性，会导致频繁触发空闲态到激活态的转换，产生大量信令开销并引入额外时延。为此，NR系统新增了第三种状态------RRC非激活态(RRC_INACTIVE)，以优化信令负荷和时延问题。

RRC非激活态具有独特优势：终端和gNB同时保留RRC上下文信息，核心网连接保持激活状态（CN_CONNECTED）。这种设计使终端能快速恢复连接态进行数据传输，无需核心网信令交互------无线接入网可直接利用存储的RRC上下文完成状态转换。同时，终端仍可像空闲态一样采用休眠机制，并通过小区重选实现自主移动性管理（无需网络干预）。因此，RRC非激活态本质上是空闲态与连接态的混合状态。

分析表明，不同状态的核心区别在于移动性管理机制。作为移动通信系统的关键功能，移动性管理在不同状态下采用不同方案：空闲态和非激活态由终端通过小区重选自主完成；连接态则由无线接入网基于测量结果进行控制。下文将首先解析空闲态/非激活态的移动性机制，进而对比分析不同管理方案。

5.2. 空闲状态和非活动状态的移动性

移动性机制在空闲态和非激活态下确保网络能够随时联系终端设备。该机制通过发送寻呼消息实现，其中寻呼覆盖范围是核心要素。终端设备可自主决定何时更新位置信息，这一过程也被称为小区重选。

具体而言，终端设备会进行初始小区搜索，持续搜索并测量候选小区信号。当检测到某个小区的接收功率明显优于当前服务小区时，终端将判定其为最佳小区，并在需要时通过随机接入流程与网络重新建立连接。

5.2.1. 跟踪设备

理论上，网络可采用全网广播寻呼的方式向设备发送消息。但这种方法会产生极高的传输开销，因为大多数寻呼消息会发送到目标设备未驻留的小区。另一种方案是仅在设备驻留小区内发送寻呼消息，但这需要实时跟踪设备位置。当设备切换小区时，必须向网络上报位置变更，同样会造成巨大的信令开销。因此，实际系统通常采用折中方案：在小区组级别跟踪设备位置：

• 仅当设备离开当前小区组时才更新位置信息
• 寻呼时在所属小区组内广播消息

在NR系统中，空闲态和非活跃态的跟踪机制原理相似，但分组方式有所不同。如下图所示，NR小区划分为无线接入网区域(RAN Area)，每个区域由RAI标识。这些RAN Area进一步组成更大的跟踪区(Tracking Area)，由TAI标识。因此，每个小区同时属于一个RAN Area和一个Tracking Area，这些标识信息会通过系统消息广播给终端设备。

在核心网层面，跟踪区是设备定位的基础。核心网为每个设备分配UE注册区(UE Registration Area)，由一组TAI组成。当设备进入不属于当前注册区的跟踪区时，将触发包含核心网接入的流程，并执行NAS注册更新。核心网会记录设备新位置并更新注册区，实质上是为设备提供包含新TAI的更新列表。

为避免设备在相邻跟踪区域边界频繁移动时重复进行NAS注册更新，系统会为设备分配一组跟踪区域（TAI）。这样，即使设备移回旧的跟踪区域，只要该区域仍包含在更新后的UE注册范围内，就无需重新进行注册更新。

RAN区域是无线接入网层面对设备进行跟踪的基础单元。对于处于非活跃状态的UE，其RAN通知区域可由以下任一方式构成：

• 小区标识列表

• RAI列表（即RAN区域列表）

• TAI列表（即跟踪区域列表）

需注意：第一种情况相当于每个RAN区域仅包含单个小区；最后一种情况则相当于RAN区域与跟踪区域完全重合。

RAN通知区域更新流程与UE注册区域更新类似。当设备进入未被当前RAN通知区域（直接或通过RAN/跟踪区域间接）包含的小区时，将触发RRC RAN通知区域更新。网络会记录设备位置并更新其RAN通知区域。由于跟踪区域变更必然伴随RAN区域变更，因此每次执行UE注册更新时都会自动完成RRC RAN通知区域更新。

为跟踪移动状态，设备会持续进行SS块搜索和测量。当检测到新SS块接收功率超过当前SS块特定阈值时，设备将读取新小区的SIB1系统信息以获取跟踪区域和RAN区域信息。

5.2.2. 寻呼消息传输

寻呼消息与系统信息类似，均通过周期性调度的PDSCH进行传输。为降低终端功耗，设备只需周期性地（如每100毫秒或更长间隔）唤醒并监听寻呼消息。这些消息由DCI中特定的PI-RNTI标识指示。当设备检测到携带该标识的DCI时，便会解调并解码对应的PDSCH以获取寻呼信息。值得注意的是，同一寻呼传输可能包含多个设备的寻呼消息，因此PI-RNTI是一个共享标识。

5.3. 连接态的移动性

在连接状态下，设备已建立与网络的连接。连接状态移动性的目标是确保当设备在网络内移动时，这种连接能持续保持而不出现任何中断或可感知的质量下降。

为实现这一目标，设备会持续搜索当前载波频率上的新小区（同频测量）以及网络告知的其他载波频率上的小区（异频测量）。此类测量可通过SS块完成，其方式与空闲和非活动模式下的初始接入及小区搜索基本相同（见上文）。但测量也可基于配置的CSI-RS进行。

在连接状态下，设备不会自主决定切换至其他小区。而是根据不同的触发条件（例如被测SS块相对于当前小区的相对功率），设备将测量结果上报给网络。网络基于该上报决定是否执行小区切换。需要指出的是，此类上报通过RRC信令完成，不属于用于波束管理等场景的层一测量上报框架范畴。

除严格同步的极小覆盖小区外，设备当前的上行传输时序通常与目标切换小区不匹配。因此设备需执行类似于随机接入流程的步骤来与新小区建立同步。但此时可采用无竞争随机接入，使用专为该设备分配的资源以避免冲突，仅用于建立与新小区的同步。故仅需随机接入流程的前两步：前导码传输及随机接入响应（为设备提供更新的传输时序）。