LTE协议栈总体架构、PDCP层及RLC层概述

系统架构

无线接入网和核心网的总体系统架构演进，结果是形成了一个扁平的RAN架构 + 分组核心网EPC架构。
RAN负责整体网络中所有无线相关功能，包括调度、无线资源管理、重传协议、编码和各种多天线方案等；
EPC负责与无线接口无关的完整移动宽带网络所需要的功能，包括认证、计费功能、端到端连接的建立等；

系统架构如上图所示，核心网主要模块是MME和S-GW，MME即移动性管理模块，是控制平面节点,S-GW即服务网关，是用户平面节点；eNodeB是LTE无线接入网络的单一节点。核心网通过S1接口连接到eNodeB，eNodeB通过Uu接口，连接到UE。

系统协议栈架构如上图所示，其中NAS属于非接入层，不经过eNodeB；RRC、PDCP、RLC、MAC、PHY五层组成接入层。接入层：
RRC负责空口连接，属于连接层，只有在控制面才有；
PDCP把上层来的数据进行分段链接、头压缩和加密，如果是VoLTE还要把语音包进行压缩；
RLC是数据面才有，无线链路控制功能，主要是ARQ纠错；
MAC主要是HARQ和调度功能。

PDCP层

从协议平面的角度来看，协议结构主要包括两层：无线网络层（RNL）和传输网络层（TNL）。
PDCP是一个功能实体，它将传输网络层的传输技术与E-UTRAN的空口技术剥离开，在其之上的各层无需考虑空口相关问题。PDCP层相当于无线网络与有线网络的分离层，通过PDCP把高层的协议映射到低层。

a. PDCP层引入原因

IP数据包都带有一个很大的数据包头（UDP8字节、TCP20字节），需要大量的无线资源。为了提高IP数据流在空口上的传输效率，需要对IP数据包头部信息进行压缩；
在LTE空口接口中，由于LTE抛弃了CS域，必须采用VoIP，而VoIP数据包尺寸很小，IP包头必须压缩，PDCP功能变得不可或缺；
LTE的PDCP功能还进行了延伸，加入了加密功能，甚至还加入了无损切换的支持。

b. PDCP架构

PDCP主要功能是服务于映射在逻辑信道DTCH、DCCH上的SRB和DRB。服务DTCH信道的功能，包括:PDCP包传输、SN序列号维护、IP数据流的头压缩和解压缩、加密和解密、切换时对来自下层的PDU数据重排序；服务DCCH信道的功能，包括：PDCP包传输、SN序列号维护、完整性保护、加密和解密。

PDCP实体结构如上所示，在接收和发送端各有一个对等的协议实体负责PDCP报文的封装和解析。一个UE对应多个RB（Radio Bearer），而每个RB对应一个PDCP实体。每个PDCP实体与一个或两个（一个对应一个方向）RLC实体关联，这取决与RB的特性（如单向或双向）以及RLC的传输模式。PDCP实体的属性由控制面的上层协议RRC来配置。

c. 功能说明

完整性保护功能：
输入密钥、一个计数器、方向、SRB1~2到黑匣子中，生成SN号（切换eNodeB时使用），放入PDCP尾部，同时封装上包头就形成了MAC-I。UE会检测MAC-I号，即完整性消息鉴权码，UE也会计算MAC-I号码，如果收到的目标eNodeB与自己的相同，说明这条信令验证通过。
PDCP头压缩功能：
将IP头进行压缩，节约空口资源，最高可以压缩到一个字节。LTE统一采用ROHC压缩算法。

RLC层

a. RLC架构

RLC主要任务是重传管理。当MAC层的HARQ已经用尽重发次数，RLC来继续重发。
RLC有三种模式，分别是TM透明模式、UM重发非确认模式、AM重发确认模式。其中AM模式一般用于数据业务，是需要不断提升代码效率的模式。

b. 重传管理

TM模式下，RLC通过逻辑信道（BCCH、CCCH、PCCH）透传RLC PDU。

UM模式下，RLC实体使用上下行专用控制信道、上下行业务信道和组播信道（DTCH、MCCH、MTCH），传输如VoLTE业务。

AM模式下，RLC实体通过逻辑信道收发RLC PDU，如DL/UL DCCH和DL/UL DTCH信道。

写在最后

PDCP、RLC层作为LTE协议栈最简单的两层，功能很少，是协议栈实现的入门选择。
可以通过阅读flex-ran或openair4G的相应开源代码来学习编码实现。