5G与4G空口协议栈的区别

5G的无线接口继承了4G，从5G整体协议栈结构来看，5G和4G的协议栈从根本上说没有什么大的变化。

无线接口协议栈主要分三层和两面。三层包括：

• 网络层（L3）
• 数据链路层（L2）
• 物理层（L1）

两面指：

• 控制用户面
• 控制面

用户面协议栈即用户数据传输采用的协议簇，控制面协议栈即系统的控制信令传输采用的协议簇。从控制面上来看，两者的结构完全相同，如图所示：

从用户面来看，5G除了新增加了一个新的SDAP协议栈之外，其他结构和4G完全相同。

注：增加的SDAP这一协议栈的目的也非常明确，因为5G网络中无线侧依然沿用4G网络中的无线承载的的概念，但5G中的核心网为了更加精细化业务实现，其基本的业务通道从4G时代的承载（Bearer）的概念细化到以QoS Flow为基本业务传输单位。

那么在无线侧的承载（DRB）就需要与5GC中的QoS Flow进行映射，这便是SDAP协议栈的主要功能。

关于这部分内容，后续会在5G QoS中详细地介绍，请大家关注。

下面我们按从高层到底层的顺序依次介绍每层的功能。

1、网络层（L3）

网络层（L3）包含NAS层和RRC层。

（1）NAS层

NAS层即非接入层，主要用于UE与AMF之间的连接和移动控制。虽然AMF从基站接收消息，但不是由基站始发的，基站只是透传UE发给AMF的消息并不能识别或者更改这部分消息，所以被称为NAS消息。NAS消息是UE和AMF的交互，比如附着、承载建立、服务请求等移动性和连接流程消息。

（2）RRC层

RRC层主要用来处理UE与NR之间的所有信令（用户和基站之间的消息），包括系统消息、准入控制、安全管理、小区重选、测量上报、切换和移动性、NAS消息传输、无线资源管理等。

2、数据链路层（L2）

数据链路层（L2）包括SDAP、PDCP、RLC和MAC层。

（1）SDAP

SDAP层位于PDCP层以上，直接承载IP数据包，只用于用户面。负责QoS流与DRB（数据无线承载）之间的映射，为数据包添加QFI（QoS flow ID）标记。

（2）PDCP

5G的PDCP层功能与4G类似，主要功能有：

（1）用户面IP头压缩（压缩算法由手机和基站共同决定）；

（2）加密/解密（控制面/用户面）；

（3）控制面完整性校验（4G只有控制面，5G用户面可以选择性校验）；

（4）排序和复制检测；

（5）针对于NSA组网下的Option3X架构，gNodeB的PDCP进行分流，具有路由功能。

（3）RLC

RLC层位于PDCP层以下，实体分为TM实体，UM实体，AM实体，AM数据收发共用一个实体，UM和TM收发实体分开，主要功能如下：

• TM透明模式（广播消息）、UM非确认模式（语音业务，有时延要求）、AM确认模式（普通业务，准确度高）；
• 分段和重组（UM/AM，分段的数据包大小由MAC决定，无线环境好较大，无线环境差较小）；
• 纠错（只针对AM，ARQ，准确度高)。

（4）MAC

5G MAC层功能与4G类似，主要功能是调度，功能包括：资源调度，逻辑信道和传输信道之间的映射，复用/解复用，HARQ（上下行异步），串联/分段（原RLC层功能），如下图所示：

3、物理层（L1）

5G物理层的主要功能是：错误检测、FEC加密解密、速率匹配、物理信道的映射、调整和解调、频率同步和时间同步、无线测量、MIMO处理、射频处理。

5G物理层基本流程和4G一致，但是在编码、调制、资源映射等具体过程存在差别（下图已标红表示区别），如图所示：

4、总结

5G空口协议栈主要分三层和两面，三层分别是网络层（L3）、数据链路层（L2）和物理层（L1）。网络层是空中接口服务的使用者，即RRC信令及用户面数据；数据链路层（L2）对不同的层三数据进行区分标示，并提供不同的服务；物理层（L1）为高层的数据提供无线资源及物理层的处理。

从控制面来看，5G和4G的结构完全相同，从用户面来看，5G除了新增加一个SDAP协议层外，其他结构和4G完全相同。