从手机开机流程介绍5G通信——大唐杯学习笔记二

        在学习笔记一中，我们已经介绍了“系统消息”“随机接入”两个过程，并围绕这两个过程，对5G通信展开介绍。下面，我想，我们再对之前的内容做一番更加深入的讨论，这对于我们之后的讨论是十分有益的。

        概念答疑一

1.什么是信令？

所谓信令，就是在网络中的各种控制信号，这些信号用于实现网络中的运行和控制，与传输数据的信号相对。打个比方，在一条公路上，既有运送货物的大货车，也有维护交通的管理人员。这里面，维持交通正常运行和控制就是信令的工作。

信令的主要作用包括但不限于以下几个方面：

• 控制网络资源的分配：：信令课用于管理无线资源的分配，如频率、功率、时隙等，确保网络资源的高效利用。我们前面提到的在PDCCH传输的DCI下行控制信息就属于信令的一种。DCI用于下行链路上控制用户设备的信息，包括调度分配，传输参数，调制方式等。根据不同的format格式，可将DCI分为下面八种：
• DCI 0_0和DCI 0_1：用于上行PUSCH的调度
• （DCIformat 0-0必须与Format 1-0 size相等）
• DCI 1_0和DCI 1_1：用于下行PDSCH的调度
   
• DCI 2_0：用于通知时隙格式，动态指示帧结构
   
• DCI 2_1：用于通知不可用的PRB和OFDM符号
   
• DCI 2_2：用于传输PUCCH和PUSCH的功率控制指令
   
• DCI 2_3：用于发送SRS的功率控制和可选的SRS请求

在我们前面提到的随机接入流程，也是由信令来实现的，具体如下：

其实翻译一下英文，就可以和我们前面提到的随机接入对应上： Random Access preamble——随机接入前导码；Random Access Response——随机接入响应。后面的三道信令分别是：RRC建立请求，RRC连接建立，RRC 连接建立完成。由此，我们开始关于RRC连接建立的介绍

RRC连接建立

概述：RRC，全称：Radio Resource Control（无线资源控制）消息。RRC连接建立是在LTE和5G NR等移动通信系统中，用于建立通信会话的过程。在这个过程中，设备和基站之间交换RRC消息以建立连接，其中RRC消息包括RRC连接请求、RRC连接设置等。总之，RRC连接建立的成功与否，直接影响到用户设备能否正常接入网络并进行数据通信。

概念答疑二

RRC连接建立与随机接入是什么关系？

        准确的说，RRC连接建立和随机接入是移动通信系统中两个不同但密切相关的过程。在此，我们需要对之前所讲的随机接入的概念进行修正。随机接入是设备首次接入网络是所执行的过程。在5G NR系统中，当设备首次上电（可以近似理解为“开机”）或从RRC空闲状态换入活动转台时，它需要与网络进行初始连接。这个过程包括设备在随机接入信道PRACH上发送随机接入信令，并等待网络的响应。随机接入允许设备加入网络并获取必要的资源，以便后续进行RRC连接建立等操作。

        RRC连接建立是5G NR系统中用于建立通信会话的过程。它设计设备和基站之间交换RRC消息以建立连接的过程，其中包括设备发起RRC连接请求，基站发送RRC连接设置消息、设备建立RRC连接等步骤。

        在移动通信系统中，设备首先需要通过随机接入过程接入网络，然后才能执行RRC连接建立以建立有效的通信连接。因此，随机接入是RRC连接建立的先决条件之一。

        RRC的状态

         在原来的4G通信系统中，原来只有RRC_IDLE(空闲态），RRC_RRC_CONNECTED（连接态）两种RRC状态，在第15个版本移动通信规范中（这也是关于5G的第一个规范化版本）中，引入了inactive状态，也称挂起态。以下一一对这几个状态进行解释。

1. 空闲态（IDLE）：在空闲状态下，设备不予网络进行连接，也不分配专用资源。简单来说，就是你的手机在这种情况下上不了网。设备在这种状态下只能监听广播信息以及执行周期性的小区搜索，以便发现并接入适当的小区。（虽然上不了网，但是仍然在做一些基础性的工作）。在这种状态下，设备可以执行一些低功耗的操作以延长电池寿命，但不能直接进行数据传输或接收。设备在空闲态可以通过随机接入过程启动RRC连接转为连接态。（一般而言，手机刚开机就处于空闲态，在随后的随机接入，RRC连接建立以后逐步实现向连接态的转移）
2. 连接态（Connected ）：在连接状态下，设备与网络建立了RRC连接，可以进行数据传输和接收。这种状态下，设备分配了专用的无线资源，并可以与基站进行双向通信。连接状态下，设备可以执行更多的高级功能，如更快速的数据传输，快速切换等。
3. 挂起态（inactive）：有些地方也称空闲中的连接状态或去激活态，我觉得这样称呼也好，解释的更清晰一些，但前面的两种状态都是三个字，所以这里我也选了三个字的称呼。 这种状态介于连接态和空闲态之间，是连接态的一个特例。指的是设备仍保持RRC连接，但在一段时间没有传输数据或接收数据。在挂起态下，设备降低功率消耗以节省电池能量，当需要进行数据传输时，设备可以快速从挂起态切换到连接态，而无需重新建立连接。

让我们用一个例子将三个状态的转换串联起来：手机刚开机的时候，处于空闲态，在经历了随机接入和RRC连接建立以后，进入连接态，可以开始进行高效的数据传输，在一段时间不用以后，为了节省功耗也为了能够在需要数据传输的时候快速恢复到连接态，会进入挂起态。等在需要进行数据传输的时候，有进入连接态，如此循环往复。

关于三种状态更详细的描述，大家可以看看这篇博客：5G/NR中RRC的三种状态。

为了方便大唐杯的同学复习也为了行文流畅，在这里我将其中的内容整理如下：

1.RRC_IDLE（空闲模式）可以完成的功能：

• 小区选择；
• 小区重选；
• 接收寻呼消息；
• 接收广播系统消息；
• 由NAS配置的用于CN寻呼的DRX。

2.RRC_INACTIVE(去激活模式)可以完成的功能：

• 小区选择
• 小区重选
• 接收广播系统消息；
• 接受寻呼；
• 基于RAN的通知区域（RNA）由NG-RAN管理;
• 由NG-RAN配置的RAN寻呼DRX;
• UE AS报文存储在NG-RAN和UE中;
• NG-RAN知道UE所属的RNA；

3.RRC_ACTIVE (CONNECTED)（连接模式）：

• 为UE建立5GC-NG-RAN连接（包括控制面 / 用户面）；
• UE AS报文存储在NG-RAN和UE中;
• NG-RAN知道UE所属的小区;
• 向或从UE传输单播数据;
• 网络控制移动性，包括测量

关于inactive mode下如何实现能耗降低和时延减小的呢？

1.UE进入去激活态时会保留核心网的上下文（相当于你的身份信息还留在那，它知道有你这个人），在出现有数据接收或发生事只需要在恢复过程携带核心网唯一UE标识进行恢复节课，并且在基站收到连接恢复完成后就可以接收和发送数据包了。打个不太恰当的比方就是说，第一次租房子，要办一堆手续；当你很久不住以后但你有不想下次想回来住还要重新租一次房子，就跟房东打个商量，房东不缺钱，同时觉得你这人不错，答应你帮你留着。房租因为你不在，收的比平时收少一点，下次等你回来，因为房东记得你这个人所以你只需要带着你的身份证核对一下信息就可以回去住。相比于重新租一房子，大大简化了流程，也提升了效率。

2.就想上面说的，连接态转到空闲态会释放在核心网申请的上下文；当空闲态想转入连接态时，需要再次申请上下文，这个过程需要与核心网则的信令交互。而去激活态跃迁至连接态则可以略去上述过程。

3.终端接受基站信令消息时，都需要去盲检PDCCH，以便知道信令所在的资源位置。而在去激活态跃迁至连接态时，由于UE没有释放上下文，并且核心网则也不需要再次分配上下文，因此减少了信令的接收，进而减少UE盲检带来的能耗和空口传输带来的传输时间。

RRC连接建立的步骤：

从下面开始，我们就要开始用信令来跟深入的了解在RRC建立的过程中发生的事。通过下面的RRC建立作为学习实例也可以帮助我们逐步理解信令的概念。

这是一份RRC连接建立的信令流程图，看英文其实很简单，UE向网络发起建立请求RRCSetupREquest。此时UE启动T300,将请求消息传到底层后继续做测量和小区重选。如果收到Setup前发生了小区重选或T300超时，就会重置MAC,重建RLC.通知NAS层RRC连接失败。

        如果基站（gNB）允许UE建立RRC连接，则gNB会给UE发送RRC Setup，用于为UE建立SRB1和主小区。UE通过解析该消息即可获得专用的小区资源，并且后续的信令消息（RRC和NAS）可通过SRB1传输。UE成功解码RRCSetup消息后，会给gNB发送RRCSetupComplete。在该消息中，一般会包含NAS。gNB收到后，会将NAS消息透传给AMF。到这里RRC连接的建立就算完成了。

        假如gNB拒绝连接的建立，则会发RRCReject。UE收到RRC拒绝消息后，停止T300定时器，复位MAC并释放MAC配置，通知上层RRC连接建立失败；然后按照RRC拒绝消息中携带waitTime启动T302定时器。T302定时器运行期间禁止发起新的RRC建立请求，超时后可以发起。

        总之UE收到RRC拒绝后启动T302，T302超时后发起新的RRC建立请求）

到这里一个RRC连接建立就算完成了。但是，我想我们还有必要再多说一点，我手机总是要上网的呀，被拒绝就算结束了算是怎么回事？其实，我们在终端还有一个定时器，当我收到RRCReject后，我会启动定时器，等待一段时间继续发生RRC Setup Request,接着请求建立建立。意思就是，现在基站没有资源，那我就等一等，过会再请求。

RRC状态的转换：

有了上面的接触，我们接下来看看下面这张状态转坏图，它显示了RRC之间状态转换的初始信令，通过它，我们来加深对信令和RRC状态的认知。

RRC重建

到这里，关于RRC连接的介绍就算完了吗？其实没有，人生总有意外，万一由于某种原因导致RRC连接中断或失效了怎么办？比如说，我们上面讲，我们的随机接入和RRC连接建立是基于小区的，当我们离开了这个小区，来到了另一个小区，为了能够继续上网，我们就需要进行小区切换，换到另一个小区来。这个切换的过程如果失败了，我们就需要RRC重建。通过RRC重建，UE可以在RRC连接中断或失效后，快速重新建立与网络的通信连接，以确保持续的数据传输和通信服务。

RRC重建步骤：

1. RRC连接丢失检测：设备通过监测信号质量或接收基站发送的系统信息等方式检测到RRC连接的丢失或失效。

2. 重新选小区：如果RRC连接丢失是由于设备移动到新的服务小区而导致的，设备需要重新进行小区选择过程，以确定最佳的服务小区并获取系统信息。

3. RRC连接重建请求：设备向新选择的服务小区发送RRC连接重建请求，请求建立新的RRC连接。

4. RRC连接重建设置：服务小区收到设备的连接请求后，向设备发送RRC连接重建设置消息，其中包含了建立连接所需的参数和配置信息。

5. RRC连接重建完成：设备收到服务小区发送的连接设置消息后，根据其中的参数建立新的RRC连接，并向服务小区发送连接建立完成的消息，表示RRC连接已成功重建。

以下是信令流程图：

上面的信令流程很好理解，如果网络那边还记得你（网络侧有上下文），那我们很顺利就可以完成重建流程；如果不记得你（没有上下文），那我们就要重新走一遍流程：随机接入，RRC从IDLE态建立连接......

拓展：以下场景需要RRC重建：

• 切换失败
• 重配置失败；
• 完整性保护（以下简称“完保”）校验失败；
• 检测到无线链路失败。

概念答疑三

讲到这里，又冒出了新的概念不得不解释一下，同时，也是关于上文介绍的补充。

1.什么是基站？

        5G整体结构

简单得讲，基站就是那个有高塔能发射信号的家伙。但是光了解这些还不够，我们下面来讨论更多关于基站的东西。我们所谓的移动通信系统主要由：终端，基站，核心网这三部分组成两个子系统。其中，终端和基站组成了基站子系统，核心网内部很多负责的网元（网络功能单元）组成了网络子系统。核心网暂时可以把它理解为一个路由器，把各个基站连接起来，这样才相互通信。

        现在我们给基站子系统一个更加正式的名字：接入网。然后我们从这里开始更加深入的介绍5G网络的整体架构。

上面这样图表示的就是5G网络的整体结构。我们可以看他，它由两部分组成：5GC,NG-RAN。5GC我们之前提到过，就是5G的核心网，NG-RAN就是我们刚才将的接入网的英文缩写。图中的gNB表示的是5G基站，ng-eNB表示是增强型的4G基站。5G是非常灵活的，可以独立组网，也可以跟4G一起非独立组网。在独立组网时，5G基站连接的是5G核心网；非独立组网时，5G基站和4G基站可以连接4G核心网，也可以连接5G核心网。下面给出独立组网与非独立组网的架构图。其中option2,5是独立组网，option3,7,4是非独立组网。中国移动早期采用就是option3x（option3的一个变形）的非独立组网方式。现在，我们正在朝着option2独立组网的目标演进。

        核心网的架构

        核心网需要实现的功能很多，这必然导致它需要很多的网络功能单元（以下简称网元）来实现这些功能。刚才我们可以看到，核心网部分有一些不同的英文缩写，它代表的就是5GC中功能多样的网元。如此多的网元，就需要一个合理的结构将它们组织起来共同完成核心网复杂的工作。下面介绍核心网的结构。

        5G核心网的一大特点就是他基于服务架构（SBA）实现的核心网架构，除此之外，它还是用网络功能虚拟化（NFV）重构网络功能，使用SDN（软件定义网络）构建数据转发通道，使用切片技术时延业务保障和资源利用率最大化，完全实现了控制面与用户面分离。

       主要网元功能

    5G系统接口

        在介绍接口之前，我们需要先了解协议栈的概念。因为詹姆斯·F·库罗斯先生在《计算机网络 自顶向下》对于协议栈的解释实在精妙，所以我希望读者通过阅读下面截自他书里的一段话来理解什么是协议栈。

在理解了协议栈之后，我们来理解接口的概念。如果细心的读者，刚才看图的时候应该可以发现，不同的图表之间的连线上有一串英文，诸如NG,XN,N1,N2之类的。这些负责两不同系统连接起来协同工作的我们称之为接口。主要的接口有我们之前提到的Uu接口，连接基站与核心网的NG接口，基站与基站之间相连的Xn接口，基站内容部功能单元：CU（集中单元）与DU（分布单元）相连的F1接口以及CU与CU相连的E1接口。这一个一个的接口，代表的就是一个又一个的协议栈。

        5G接口中的协议栈支持控制面与用户面分离，也就是说，一个接口的协议栈有两个：控制面的协议栈和用户面的协议栈。

        上面这些图是截自中移动的培训PPT中的图。细心的读者肯定发现了，大部分接口的协议栈都是大同小异的，从下到上分别是：物理层，数据链路层，IP层，SCTP层（传输层），不同的只是XX—AP这里换了个名字而已。还有一个值得注意的是在CU之间的接口，E1只有控制面的接口，没有用户面的接口，因为它不能用于用户数据的转发。

上面这样图是5G中最关键，也是里我们日常生活最近的Uu口的协议栈，它的控制面由物理层，介质访问层层，分组输出处理层，无限资源控制层组成。控制面的主要功能有：PDCP层完成加密和完整性保护；RRC层完成广播，寻呼，RRC连接管理，资源控制，移动性管理，UE测量报告控制。NAS层完成核心网承载管理，鉴权和安全控制。下面列出来各协议层的功能：

1. PHY层协议（Physical Layer Protocol）：物理层协议负责处理无线信号的调制解调、信道编解码等功能，将数字数据转换为无线信号进行传输。

2. MAC层协议（Medium Access Control Protocol）：介质访问控制层协议负责管理无线传输介质的访问，包括调度、资源分配、接入过程等。

3. RLC层协议（Radio Link Control Protocol）：无线链路控制层协议负责管理无线链路的建立、维护和释放，包括数据的分段、重组、重传等功能。

4. PDCP层协议（Packet Data Convergence Protocol）：分组数据收敛协议负责处理数据的压缩、加密、重传请求等功能，同时负责处理IP层和RLC层之间的数据传输。

5. RRC层协议（Radio Resource Control Protocol）：无线资源控制协议负责管理无线资源的分配和释放，包括小区的选择、重选、切换等功能。

用户面的协议与控制面的协议类似，也就是物理层，MAC层，RLC层，PDCP层，SDAP层。值得注意的事，SDAP层是5G新增的一个协议层，它主要负责完成QoS流到无线承载(DRB）的映射功能，为每个报文打上流标识。

        为了按照部分读者旺盛的好奇心，这里还把这些其他接口的主要功能罗列了出来。但是值得注意的事，对于参加大唐杯的同学，这些是不用刻意去记的，在后面的学习会逐渐掌握。对于不参加大唐杯的读者，下面的内容不知道也不影响后面的阅读，我们只要知道通过结果，不同实体之间可以互相沟通就行了。

概念答疑四：

什么是QoS流？

        所谓Qos流，就是是在网络中的一个数据传输路径，具有特定的服务质量要求。QoS流通常由一系列数据包组成，这些数据包共享相同的服务质量特性，如带宽、延迟、丢包率等。QoS流在各种网络应用中都很重要，特别是对于实时应用（如VoIP、视频流媒体）和对延迟敏感的应用（如在线游戏、远程控制）而言，保证其服务质量是至关重要的。通过QoS流，可以有效地管理网络资源，提高网络的利用率和用户体验。

基站的架构

        我们一般看基站就是一个高高的发射塔，但是其实它内有乾坤。它包括：射频单元（AAU）（主要负责射频处理），集中单元（CU）,分布单元（DU），电源系统，传输接口和辅助设备等。我们把AAU到DU的这段路径成为前传，CU到DU的这段路径成为中传，从CU到核心网这段路径成为回传。

        （未完待续）文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-859930.html

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