5G 协议体系与交互流程

一、5G 协议栈整体架构

5G（NR，New Radio）协议栈分为用户面（User Plane） 和**控制面（Control Plane）**两大平面，采用分层设计。

1.1 协议栈分层结构

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┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│                        控制面 (Control Plane)            │
├─────────────────────────────────────────────────────────┤
│  NAS  │  RRC  │  PDCP  │  RLC  │  MAC  │  PHY          │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘

┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│                        用户面 (User Plane)               │
├─────────────────────────────────────────────────────────┤
│  SDAP │  PDCP  │  RLC  │  MAC  │  PHY                  │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘

二、各层协议详解

2.1 物理层（PHY - Physical Layer）

功能：

传输信道的处理与映射
调制解调（QPSK、16QAM、64QAM、256QAM）
多天线处理（MIMO、波束赋形）
信道编码（LDPC 用于数据，Polar 用于控制）
时频资源调度

关键信道：

信道类型	下行信道	上行信道
物理信道	PDSCH、PDCCH、PBCH、PMCH	PUSCH、PUCCH、PRACH
参考信号	SSB、CSI-RS、DM-RS、PT-RS	DM-RS、SRS、PT-RS

2.2 MAC 层（Medium Access Control）

功能：

逻辑信道与传输信道的映射
调度与 HARQ 重传
随机接入过程
波束管理
功率控制

逻辑信道分类：

控制信道：BCCH、PCCH、CCCH、DCCH
业务信道：DTCH、MTCH

2.3 RLC 层（Radio Link Control）

三种传输模式：

透明模式（TM）：无协议开销，用于广播
非确认模式（UM）：无重传，用于实时业务（VoNR）
确认模式（AM）：带 ARQ 重传，用于可靠数据传输

2.4 PDCP 层（Packet Data Convergence Protocol）

功能：

IP 头压缩（ROHC）
数据加密与完整性保护
序列号管理
切换时的数据重排序与重复包检测
分流与聚合（双连接场景）

2.5 SDAP 层（Service Data Adaptation Protocol）

5G 新增层，仅用户面：

QoS Flow 与 DRB 的映射
QoS 标记（DL/UL QFI 标记）
反射式 QoS（Reflective QoS）

2.6 RRC 层（Radio Resource Control）

控制面核心层：

系统消息广播（SIB1-SIBn）
连接建立 / 释放 / 重建
切换与测量配置
安全激活
无线承载管理
UE 能力查询

RRC 状态：

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RRC_IDLE ←→ RRC_INACTIVE ←→ RRC_CONNECTED

2.7 NAS 层（Non-Access Stratum）

核心网与 UE 之间的协议，透明穿过接入网：

移动性管理（MM）：注册、鉴权、寻呼
会话管理（SM）：PDU 会话建立 / 修改 / 释放
安全管理：NAS 加密与完整性保护

三、关键交互流程

3.1 随机接入流程（5 步 / 2 步）

4 步随机接入（传统方式）：

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UE                    gNB
 │                     │
 │─── Msg1: PRACH ────→│  发送前导码
 │                     │
 │←── Msg2: RAR ───────│  随机接入响应（TA、UL Grant）
 │                     │
 │─── Msg3: PUSCH ────→│  发送RRC Setup Request
 │                     │
 │←── Msg4: PDSCH ─────│  发送竞争解决
 │                     │

2 步随机接入（5G 增强）：

MsgA = Msg1 + Msg3（合并发送）
MsgB = Msg2 + Msg4（合并响应）

3.2 RRC 连接建立流程

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UE                    gNB                   AMF
 │                     │                     │
 │── RRC Setup Request →│                     │
 │   (NAS: Registration Request)             │
 │                     │                     │
 │←─ RRC Setup ────────│                     │
 │   (SRB1配置)        │                     │
 │                     │                     │
 │── RRC Setup Complete →│                   │
 │   (NAS: Registration Request)             │
 │                     │── Initial UE Message →│
 │                     │   (NAS透传)         │

3.3 PDU 会话建立流程

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UE          gNB         SMF         UPF
 │           │           │           │
 │── NAS: PDU Session Establishment Request ──→
 │           │           │           │
 │           │←─ N2 SM Information ──│
 │           │   (PDU Session Resource Setup)
 │           │           │           │
 │←─ RRC Reconfiguration ──│         │
 │   (DRB配置)  │           │         │
 │── RRC Reconfiguration Complete →│  │
 │           │           │           │
 │           │── N2 SM Response ───→│
 │           │           │           │
 │           │           │── N4 Session Establishment →│
 │           │           │           │
 │←────────── 数据面通路建立 ─────────→│

3.4 切换流程（Intra-5G）

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UE         源gNB       目标gNB       AMF
 │           │           │           │
 │←─ Measurement Config ─┤           │
 │           │           │           │
 │── Measurement Report →│           │
 │           │           │           │
 │           │── Handover Request ─→│
 │           │           │           │
 │           │←─ Handover Request Ack │
 │           │           │           │
 │←─ RRC Reconfiguration (Mobility) ─┤
 │           │           │           │
 │── RACH ──────────────→│           │
 │           │           │           │
 │── RRC Reconfiguration Complete ─→│
 │           │           │           │
 │           │←─ Path Switch Request ─┤
 │           │           │           │
 │           │── UE Context Release →│

3.5 注册流程（5G 核心网）

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UE          AMF         AUSF        UDM
 │           │           │           │
 │── Registration Request →│         │
 │           │           │           │
 │           │── Nausf_UEAuthentication_Authenticate →│
 │           │           │           │
 │           │←─ 鉴权向量 ───────────┤
 │           │           │           │
 │←────── 鉴权挑战 ──────┤           │
 │           │           │           │
 │─── 鉴权响应 ─────────→│           │
 │           │           │           │
 │           │── Nudm_SDM_Get ─────→│
 │           │           │  (签约数据)│
 │           │           │           │
 │←── Registration Accept ─┤         │
 │   (5G-GUTI分配)       │           │
 │           │           │           │
 │── Registration Complete →│        │

四、5G 协议接口

4.1 无线接口（Uu 接口）

UE 与 gNB 之间的空中接口
基于 OFDM 的 NR 空口技术
支持 FR1（Sub-6G）和 FR2（毫米波）频段

4.2 基站间接口（Xn 接口）

gNB 与 gNB 之间
用于切换、双连接、负荷管理

4.3 核心网接口（NG 接口）

NG-C：gNB 与 AMF 之间（控制面）
NG-U：gNB 与 UPF 之间（用户面）

4.4 核心网内部接口

接口	连接网元	用途
N1	UE ↔ AMF	NAS 信令
N2	gNB ↔ AMF	控制面
N3	gNB ↔ UPF	用户面
N4	SMF ↔ UPF	会话管理
N11	AMF ↔ SMF	会话信令
N12	AMF ↔ AUSF	鉴权
N8	AMF ↔ UDM	签约数据

五、5G QoS 体系

5.1 QoS Flow（5G 基本 QoS 单位）

每个 PDU 会话包含多个 QoS Flow
由 QFI（QoS Flow ID）标识
分为 GBR（保证比特率）和 Non-GBR 两类

5.2 QoS 参数

5QI：5G QoS 标识符，预定义 QoS 特性
ARP：分配与保留优先级
AMBR：聚合最大比特率（会话级 / UE 级）
GFBR/MBR：保证 / 最大比特率（GBR Flow）

5.3 映射关系

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QoS Flow → (SDAP映射) → Data Radio Bearer → (RLC/MAC/PHY) → 空口传输

六、5G 关键协议特性

6.1 网络切片（Network Slicing）

基于 S-NSSAI（Single Network Slice Selection Assistance Information）
同一物理网络承载多个逻辑独立的网络切片
端到端隔离：接入网、核心网、传输网

6.2 双连接（EN-DC / NR-DC）

EN-DC：E-UTRA-NR 双连接（LTE 为主，NR 为辅）
NR-DC：NR-NR 双连接（5G 独立组网双连接）
支持载波聚合提升速率

6.3 CU/DU 分离架构

CU（Central Unit）：高层协议（RRC、PDCP）
DU（Distributed Unit）：低层协议（RLC、MAC、PHY）
接口：F1-C（控制面）、F1-U（用户面）