5G LTE窄带物联网(NB-IoT)7

第4章 分组数据汇聚协议子层

 

 

PDCP是一个薄的子层，用于控制平面和数据平面[23]。其主要功能是为控制和数据平面PDU提供完整性和安全保护。特别是，PDCP提供以下功能：

  为发送的PDCP SDU分配序列号并处理接收到的PDCP SDU的序列号。

  使用RoHC协议的报头压缩和解压缩用于上层分组（例如，IP层）。

  控制和数据平面PDU的加密和解密。

  仅适用于控制平面PDU的完整性保护和验证。

  在转发到上层之前重新排序，按顺序传送和重复检测接收到的SDU。

4.1 PDCP(分组数据汇聚协议)架构

PDCP架构如图4.1所示，用于控制和数据RB。信令无线电承载SRB0和SRB1bis用于RRC PDU并且不通过PDCP子层。也就是说，在RRC和RLC子层之间交换SRB0和SRB1bis上的RRC PDU的所有传输和接收，而无需PDCP的干预。另一方面，信令无线承载SRB1通过PDCP。因此，可以对通过SRB1承载的任何RRC PDU进行加密或完整性保护。数据无线电承载，例如DRB0或DRB1，也通过PDCP子层并且可以进行加密。

图4.1：UE的PDCP架构。

通过PDCP的每个无线承载具有其自己的PDCP实体，其被映射到RLC AM或UM。映射到RLC AM的PDCP实体用于单播流量。映射到RLC UM的PDCP实体仅用于在SC-MCCH或SC-MTCH上接收多播流量，而不用于单播流量。每个PDCP实体意味着每个PDCP实体具有其自己的状态，状态变量和独立于其他实体的操作。

 仅支持控制平面CIoT EPS优化的UE，如[20]中所述，其旁路的PDCP子层。对于支持控制平面CIoT EPS优化和数据平面CIoT EPS优化的NB-IoT UE，如[20]中所述，PDCP也被旁路（即，未使用），直到AS安全性被激活。

4.2 RRC配置参数

RRC向PDCP子层发信号通知配置参数，以配置完整性和加密算法，包头压缩算法或DRB，如表4.1所示。如第3.7.7节所述，在RRC连接建立过程期间，RRC从eNodeB接收PDCP配置参数。从上层（例如，TCP / IP）接收并由PDCP子层接收的数据平面分组被映射到由drb-Identity指示的DRB ID之一。如第3.7.8节所述，在RRC安全激活过程期间向PDCP发信号通知完整性和安全性算法。

表4.1 PDCP子层的RRC配置参数

参数	大小 (Bits)	含义
esp-BearerIdentity	4	表示EPS承载ID，如第8章所述
drb-Identity	5	表示用于建立的每个DRB的DRB ID
cipheringAlgorithm	4	密码算法用于加密信令和数据RB，如表3.16所示
integrity- ProtAlgorithmfor	4	用于保护信令RB的完整性算法如表3.17所示
discardTimer	4	丢弃定时器，单位为毫秒。 可能的值为{ms5120，ms10240，ms20480，ms40960，ms81920，infinity}
headerCompression	10	如果出现，则表示与PDCP实体一起使用的包头压缩（RoHC）配置文件。 可能的值如表4.3所示

SRB1使用完整性和安全性参数，但不使用其他参数。由于SRB0和SRB1bis不通过PDCP子层，因此它们不具有PDCP配置。

4.3 PDCP实体

图4.2：控制平面的PDCP实体（信令RB）。 

图4.2和4.3分别说明了用于控制平面或数据平面的PDCP实体的结构。在图4.2中，首先为控制平面PDU或信令SRB PDU分配序列号（SN），完整性保护和加密，并且在将PDCP报头发送到RLC子层之前添加PDCP报头。

 在图4.3中，数据平面PDU或数据DRB PDU不是完整性保护的，而是在为其分配SN之后对其进行加密;添加PDCP报头并将其传输到较低的子层。

 PDCP PDU由标头和SDU组成。两者都是字节的倍数。 PDCP PDU由PDCP SDU和PDCP报头组成，如图4.4所示。 PDCP PDU的最大大小为1600个八位字节。 PDCP PDU可以是数据类型或控制数据类型。第一个意味着PDCP SDU携带信令或数据PDU（即控制平面或数据平面PDU），而后者意味着它携带控制信息，例如散布的RoHC反馈分组。 

 

图4.3：数据平面的PDCP实体（数据RB）。

图4.4：PDCP SDU和PDU。

图4.5：用于信令PDU的PDCP PDU格式（5比特SN）。

图4.6：数据PDU的PDCP PDU格式（7位SN）。

图4.7：散布的RoHC反馈控制SDU的PDCP PDU格式。

图4.5显示了携带信令PDU的PDCP数据PDU格式。数据PDU使用5比特的序列号长度并携带映射到SRB的信令PDU。 MAC-I字段是由完整性算法计算并附加到PDCP SDU的消息认证码。

 图4.6显示了携带数据PDU的PDCP数据PDU格式。 它使用7位的序列号长度并携带映射到DRB的数据PDU。 \ D / C“字段指示PDCP数据SDU是否包含数据或控制PDU。图4.7显示了包含控制PDU的PDCP控制PDU。表4.2总结了PDCP PDU报头字段。

 表4.2 PDCP PDU字段

字段	含义
D/C	如果为1，表示数据PDU; 如果为0，表示控制PDU
SN	表示序列号。 SRB为5位，DRB为7位
Type R	如果为001，表示散布的RoHC反馈包保留

4.4加密和解密

加密和解密是指加密或解密PDCP PDU的过程。当接收RRC SecurityModeCommand PDU时，RRC子层激活加密。用于加密和解密的参数包括以下[24]：

  KEY：KRRCencand KUP enc两个密钥都由RRC驱动，分别用于加密信令或数据平面PDU。密钥长128位。

  BEARER：5位承载ID。

  COUNT：32值，是HFN和PDCP PDU SN的串联。

  方向：0表示上行链路，1表示下行链路。

加密仅应用于包括数据PDU（控制平面或数据平面PDU）的PDCP SDU，并且不适用于PDCP控制SDU。加密也应用于MAC-I字段，其携带完整性算法的消息认证码。

图4.8显示了与输入参数一起使用的EPS加密算法（EEA）：KEY，BEARER，COUNT和DIRECTION。

Length输入参数是所需密钥流块的长度，通常设置为等于PDCP SDU的长度。一旦PDCP SDU被加密，它就通过空中传输并在另一侧使用相同的输入参数进行解密。

图4.8：加密和解密框图。

4.5完整性保护和验证

完整性是指向PDCP PDU添加散列值以验证其完整性并检测对PDU的任何篡改的过程。由于SecurityModeCommand过程，RRC子层激活完整性。用于完整性保护和验证的参数包括以下[24]：

  KEY：密钥，KRRCint，由RRC驱动并用于完整性保护信令PDU。密钥长128位。

  BEARER：5位承载ID。

  COUNT：32值，是HFN和PDCP PDU SN的串联。

  方向：0表示上行链路，1表示下行链路。

在加密之前，完整性保护仅应用于控制平面PDU的PDCP报头和有效载荷（PDCP SDU）。图4.9说明了验证信令PDU完整性的EPS完整性算法（EIA）。

 发送器计算32位消息认证码（MAC-I）。发送时，MAC-I被附加到PDCP SDU。在接收方，接收方计算接收到的PDCP PDU的预期消息认证码（XMAC-I），与发送方计算的方式相同。如果MAC-I和XMAC-I匹配，则PDCP PDU通过完整性验证;否则，PDCP PDU未通过完整性验证。

图4.9：完整性框图。

4.6标题压缩和解压缩

每个PDCP实体根据RoHC框架支持报头压缩和解压缩。根据网络层使用的协议，有不同的压缩算法或配置文件。表4.3总结了UE支持的所有报头压缩和解压缩配置文件。报头压缩仅适用于数据无线电承载，但不适用于信令无线电承载。

 RRC子层配置PDCP和每个PDCP实体，其中配置文件ID将用于其头压缩算法。

 标头压缩或解压缩仅适用于数据平面PDU。也就是说，在加密之前，映射到单个PDCP PDU的网络层分组（例如，TCP / IP）被压缩。

 压缩算法还可以生成另一个称为散布的RoHC反馈包的SDU，用于压缩算法的操作。反馈数据包封装在没有SN的PDCP PDU中，如图4.7所示。该PDCP PDU未加密。上

在接收方，该PDCP PDU既不被解密也不被解压缩。 PDCP头字段如表4.2所示。对于上行链路和下行链路，UE可以使用表4.3中定义的报头压缩算法。

 表4.3头部压缩和解压缩算法

配置文件ID	传输/网络层协议	参考
0x0000	没有压缩	RFC 5795
0x0002	UDP/IP	RFC 3095, RFC 4815
0x0003	ESP/IP	RFC 3095, RFC 4815
0x0004	IP	RFC 3843, RFC 4815
0x0006	TCP/IP	RFC 6846
0x0102	UDP/IP	RFC 5225
0x0103	ESP/IP	RFC 5225
0x0104	IP	RFC 5225

4.7 PDCP传输

4.7.1上行链路上的数据和信令无线承载传输

PDCP子层从上层（即，PDCP SDU）接收分组，为其分配SN，对这些分组进行完整性和密码保护并将它们转发到RLC子层。

 对于将PDCP PDU发送到RLC的PDCP实体，它为每个PDCP PDU维护丢弃定时器。此外，存在状态变量Next PDCP TX SN，其初始设置为零。在将数据PDU发送到下层时，启动与PDU相关联的丢弃定时器，并且PDCP将输出PDCP PDU的SN设置为下一个PDCP TX SN，执行报头压缩（仅用于DRB），完整性保护（仅用于SRB），加密，并递增Next PDCP TX SN。如图4.10所示。 SN为7比特（对于DRB）和5比特（对于SRB），并且如果Next PDCP TX SN超过127（对于DRB）或32（对于SRB），则计数器设置为零并且TX HFN递增1。表4.4总结了用于PDCP实体的状态变量。

 

图4.10：上行链路上的PDCP PDU传输。

图4.11：SRB的COUNT（SN为5位）。

图4.12：DRB的COUNT（SN为7位）。

当PDCP PDU被发送到RLC时，启动定时器discardTimer，使得如果没有从RLC子层接收到ACK或NACK（作为从eNodeB接收它的结果），则丢弃PDCP PDU并且不再次重发RLC。如果PDCP实体接收到针对所发送的PDCP PDU的ACK，则停止该定时器。

 COUNT是32位状态变量，由SN和超帧号（HFN）的串联组成。 COUNT用作完整性和加密算法期间的参数。信令和数据无线承载的SN比特数不同（图4.11）。 SN是5比特用于信令，而7比特用于数据。 HFN的比特大小为27位（如果SN为5位）或25位（如果SN为7位）（图4.12）。

表4.4在上行链路上传输数据时由PDCP实体维护的状态变量

状态变量	初始值	含义
Next PDCP_ TX SN	0	表示要分配给要为给定PDCP实体传输的下一个PDCP PDU的SN
TX HFN	0	指示用于生成给定PDCP实体的COUNT值的HFN

4.8 PDCP接收

4.8.1下行链路RLC AM上的数据无线承载接收

每个PDCP实体维护一个重新排序窗口，该窗口始终是SN空间的一半。 此重新排序窗口的目的是接收位于窗口内的PDCP PDU，然后根据COUNT值对它们重新排序，并按顺序将它们传递给上层。 当接收到落在窗口外的PDCP PDU时，它被丢弃。 表4.5显示了PDCP实体使用的状态变量。

 图4.13解释了窗口和状态变量重新排序的概念。 PDCP SN环绕并且如果接收到的PDCP SN落入窗口内，则将进一步处理; 否则，它被丢弃。 如果不丢弃PDCP，则根据图4.14更新RX HFN和状态变量。

表4.5映射到RLC AM的DRB的PDCP实体的状态变量

状态变量	初始值	含义
Last Submitted_PDCP_RX _SN	127	PDCP PDU的SN最后提交给给定PDCP实体的上层（IP层）
Next_PDCP_RX _SN	0	要为给定PDCP实体接收的下一个预期PDCP PDU的SN
PDCP_SN	0	为给定PDCP实体接收的PDCP PDU的SN
RX_HFN	0	HFN用于为给定的PDCP实体生成所接收的PDCP PDU的COUNT值

图4.13：重新排序窗口和PDCP实体（7位SN）状态变量。

图4.14：下行链路RLC AM上的数据接收。

图4.14示出了在下行链路上接收PDCP PDU的流程图，其中SN空间由7个比特（从0到127的SN）和SN的重新排序窗口的一半（63）组成。如果接收的PDCP PDU的SN在重排序窗口之外，则丢弃PDCP PDU。在丢弃PDCP PDU之前，仍然对其进行解密和解压缩以保持密码和解压缩算法的状态。确定RX HFN并将其与所接收的PDCP PDU相关联，以确定用于解密和完整性验证的COUNT值。

4.8.2下行链路RLC UM上的数据无线承载接收

与RLC UM一起使用的DRB分别用于在SC-MTCH或SC-MCCH上接收多播数据和信令PDU。这是因为RLC UM仅支持SC-MCCH和SC-MTCH。映射到RLC UM的PDCP实体不使用重新排序窗口。如果接收到这样的业务，则将所接收的PDCP的SN与状态变量Next PDCP RX SN进行比较。对流量进行解密并对报头进行解压缩（如果DRB由RRC配置用于报头压缩）并最终转发到上层。图4.15显示了在下行链路RLC UM上接收PDCP PDU的流程图。

4.8.3下行链路上的信令无线电承载接收

下行链路上的信令PDU接收如图4.16所示，没有重新排序窗口。如果接收到PDCP PDU，则对其进行解密并验证其完整性。根据其SN是大于还是小于接下来要接收的PDCP PDU的预期SN来选择HFN。 COUNT根据HFN和接收的SN计算。可以运行完整性和加密算法来解密和验证所接收的PDCP PDU的完整性。

 

图4.15：下行链路RLC UM上的数据接收。

图4.16：下行链路上的信令接收。