Protocol Stack & States (LTE và NR)¶
Trang này mở đầu nhóm "Air Interface & Procedures": mô tả UE và trạm gốc (eNodeB của LTE, gNodeB của NR) trao đổi với nhau qua những lớp giao thức nào, dùng kênh, bearer và định danh gì, và UE có những trạng thái nào. Các thủ tục cụ thể nằm ở ba trang tiếp theo:
| Trang | Nội dung |
|---|---|
| Initial Access | Dò cell, đọc system information, chọn cell, random access, thiết lập kết nối RRC |
| Attach / Registration & Session | LTE Attach và default bearer, NR Registration và PDU session, xác thực và bảo mật |
| Connected Mode & Mobility | Lập lịch và HARQ, đo đạc, handover, EN-DC, paging, release, RRC_INACTIVE, lỗi liên kết vô tuyến |
Tài liệu gốc chủ yếu là TS 36.300 (tổng quan E-UTRAN) và TS 38.300 (tổng quan NR), cùng các đặc tả lớp: RRC (TS 36.331 / 38.331), PDCP (36.323 / 38.323), RLC (36.322 / 38.322), MAC (36.321 / 38.321), SDAP (37.324).
Các node và giao diện¶
Thủ tục giữa UE và trạm gốc hiếm khi chỉ có hai bên: phần lớn bản tin NAS đi xuyên qua trạm gốc tới mạng lõi. Vì vậy cần nhớ các node phía core ở mức tên gọi.
| LTE (EPS) | NR standalone (5GS) | |
|---|---|---|
| Trạm gốc | eNB | gNB (có thể tách CU-CP, CU-UP, DU) |
| Giao diện vô tuyến | LTE-Uu | NR-Uu |
| Control plane tới core | S1-MME, giao thức S1AP, tới MME | N2, giao thức NGAP, tới AMF |
| User plane tới core | S1-U, GTP-U, tới S-GW | N3, GTP-U, tới UPF |
| Giữa hai trạm gốc | X2 (X2AP, GTP-U) | Xn (XnAP, GTP-U) |
| Quản lý di động, NAS | MME | AMF |
| Quản lý phiên | MME, S-GW, P-GW | SMF, UPF |
| Thuê bao, xác thực | HSS | UDM, AUSF |
Chế độ NSA (EN-DC, option 3x) trộn hai cột: UE nối đồng thời với eNB (master node) và một en-gNB (secondary node), core vẫn là EPC. Phía control plane chỉ có eNB nói RRC "chính" với UE, en-gNB nối với eNB qua X2 và nối user plane với S-GW qua S1-U. Thủ tục thêm secondary node nằm ở Connected Mode & Mobility.
Control plane và user plane¶
Control plane mang báo hiệu: NAS giữa UE và MME/AMF, RRC giữa UE và trạm gốc.
UE eNB / gNB MME / AMF
┌──────┐ ┌──────┐
│ NAS │ ◄──────────────────────────────────────► │ NAS │
├──────┤ ┌──────┬────────┐ ├──────┤
│ RRC │ ◄──────────► │ RRC │ S1AP / │ ◄──────► │ S1AP/│
├──────┤ ├──────┤ NGAP │ │ NGAP │
│ PDCP │ ◄──────────► │ PDCP ├────────┤ ├──────┤
├──────┤ ├──────┤ SCTP │ ◄──────► │ SCTP │
│ RLC │ ◄──────────► │ RLC ├────────┤ ├──────┤
├──────┤ ├──────┤ IP │ ◄──────► │ IP │
│ MAC │ ◄──────────► │ MAC │ │ │ │
├──────┤ ├──────┤ │ │ │
│ PHY │ ◄──────────► │ PHY │ L2/L1 │ ◄──────► │ L2/L1│
└──────┘ └──────┴────────┘ └──────┘
Trạm gốc không hiểu nội dung NAS. NAS PDU được bọc trong bản tin RRC (trường dedicatedInfoNAS) trên giao diện vô tuyến và trong IE NAS-PDU của S1AP/NGAP về phía core. Đây là lý do một bản tin như Attach Request "đi kèm" RRCConnectionSetupComplete.
User plane mang gói IP của người dùng:
UE eNB / gNB S-GW / UPF
┌──────┐ ┌──────┐
│ IP │ ◄───────────────────────────────────────► │ IP │
├──────┤ ┌──────┬────────┐ ├──────┤
│ SDAP*│ ◄──────────► │ SDAP*│ GTP-U │ ◄───────► │GTP-U │
├──────┤ ├──────┤────────┤ ├──────┤
│ PDCP │ ◄──────────► │ PDCP │ UDP/IP │ ◄───────► │UDP/IP│
├──────┤ ├──────┤ │ │ │
│ RLC │ ◄──────────► │ RLC │ │ │ │
│ MAC │ ◄──────────► │ MAC │ │ │ │
│ PHY │ ◄──────────► │ PHY │ L2/L1 │ ◄───────► │L2/L1 │
└──────┘ └──────┴────────┘ └──────┘
* SDAP chỉ có ở NR nối 5GC
Khi gNB tách theo kiến trúc CU/DU (xem RAN Architecture & Splits), RRC và PDCP-C nằm ở CU-CP, SDAP và PDCP-U nằm ở CU-UP, RLC, MAC và High-PHY nằm ở DU. Bản tin RRC đi giữa CU và DU trong container của F1AP.
Chức năng từng lớp¶
| Lớp | LTE | NR | Khác biệt chính |
|---|---|---|---|
| NAS | EMM (di động), ESM (phiên) | 5GMM, 5GSM | 5G tách đăng ký khỏi thiết lập phiên, thêm network slicing |
| RRC | Hai trạng thái IDLE, CONNECTED | Thêm RRC_INACTIVE | NR có system information theo yêu cầu (on-demand SI) |
| SDAP | Không có | Ánh xạ QoS flow (QFI) vào DRB, gắn QFI vào header | Mới ở NR, chỉ dùng khi nối 5GC |
| PDCP | ROHC, mã hóa, bảo vệ toàn vẹn cho SRB, sắp xếp lại khi handover | Thêm bảo vệ toàn vẹn cho DRB (tùy chọn), duplication, luôn sắp xếp lại | Chức năng reordering chuyển hẳn về PDCP |
| RLC | TM, UM, AM; phân mảnh, ghép (concatenation), sắp xếp lại | TM, UM, AM; chỉ phân mảnh, không ghép, không sắp xếp lại | NR bỏ ghép để chuẩn bị PDU trước khi có grant |
| MAC | Lập lịch, HARQ (8 process FDD), ghép kênh logic, random access, DRX, timing advance | Như LTE, HARQ đến 16 process (32 cho NTN), subheader đặt ngay trước mỗi SDU | Thêm BWP, beam management, configured grant |
| PHY | DL OFDMA, UL SC-FDMA; 15 kHz; Turbo cho dữ liệu, TBCC cho điều khiển | DL CP-OFDM, UL CP-OFDM hoặc DFT-s-OFDM; 15·2^µ kHz; LDPC cho dữ liệu, Polar cho điều khiển | Numerology linh hoạt, không có CRS |
Một số điểm cần nhớ khi đọc log hoặc viết phần mềm:
- Thời gian. LTE có subframe 1 ms gồm 2 slot, TTI là 1 ms. NR có subframe 1 ms nhưng slot dài 1/2^µ ms (14 symbol với CP thường), nên với 30 kHz một slot là 0,5 ms. NR còn cho phép lập lịch theo mini-slot (2, 4, 7 symbol).
- Không có kênh "luôn bật". LTE phát CRS trên mọi subframe, kể cả khi không có tải. NR bỏ CRS, chỉ còn SSB định kỳ, các tín hiệu khác (CSI-RS, DMRS, PTRS, TRS, SRS) được cấu hình theo UE, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm nhiễu.
- Byte alignment của MAC. Ở NR, mỗi MAC subheader đứng ngay trước SDU của nó, MAC CE uplink đặt cuối PDU, MAC CE downlink đặt đầu PDU. Nhờ vậy MAC PDU có thể dựng dần khi chưa biết kích thước grant cuối cùng.
Kênh logic, kênh truyền tải, kênh vật lý¶
Dữ liệu đi xuống qua ba tầng kênh: logic (giữa RLC và MAC, phân theo loại thông tin), truyền tải (giữa MAC và PHY, phân theo cách truyền) và vật lý (tài nguyên thời gian, tần số thực sự).
| Kênh logic | Mang gì | Kênh truyền tải | Kênh vật lý |
|---|---|---|---|
| BCCH | MIB | BCH | PBCH |
| BCCH | SIB1 và các SIB khác | DL-SCH | PDSCH |
| PCCH | Paging | PCH | PDSCH |
| CCCH | Bản tin RRC trước khi có SRB1 (Setup, Reject, Reestablishment) | DL-SCH, UL-SCH | PDSCH, PUSCH |
| DCCH | Bản tin RRC và NAS trên SRB1, SRB2, SRB3 | DL-SCH, UL-SCH | PDSCH, PUSCH |
| DTCH | Dữ liệu người dùng (DRB) | DL-SCH, UL-SCH | PDSCH, PUSCH |
| (không có) | Preamble truy nhập | RACH | PRACH |
Các kênh vật lý chỉ mang thông tin điều khiển lớp 1:
| Kênh | LTE | NR |
|---|---|---|
| PDCCH | DCI, nằm ở 1 đến 3 (4) symbol đầu subframe, trải toàn băng | DCI, nằm trong CORESET cấu hình được về tần số và thời gian |
| PCFICH | Báo số symbol của vùng điều khiển | Bỏ |
| PHICH | ACK/NACK cho PUSCH (HARQ uplink đồng bộ) | Bỏ, dùng bit NDI trong DCI |
| PUCCH | ACK/NACK, SR, CSI | Như LTE, có 5 format (0 đến 4) |
Radio bearer¶
Bearer là "ống" logic giữa UE và trạm gốc, mỗi bearer có một thực thể PDCP và một hoặc hai thực thể RLC.
| Bearer | Kênh logic | Dùng cho |
|---|---|---|
| SRB0 | CCCH | RRCConnectionRequest/Setup (LTE), RRCSetupRequest/Setup (NR); không mã hóa, không bảo vệ toàn vẹn |
| SRB1 | DCCH | Bản tin RRC sau khi setup, NAS ghép kèm trước khi có SRB2 |
| SRB2 | DCCH | NAS, độ ưu tiên thấp hơn SRB1, chỉ lập sau khi kích hoạt bảo mật AS |
| SRB3 | DCCH | Chỉ ở EN-DC/NR-DC: RRC trực tiếp giữa UE và secondary node |
| DRB | DTCH | Dữ liệu người dùng |
Quan hệ với QoS khác nhau giữa hai hệ:
- LTE: một EPS bearer (có QCI, ARP, GBR/non-GBR) ứng với đúng một DRB và một E-RAB trên S1. Lọc gói vào bearer dùng TFT ở UE và P-GW.
- NR: một PDU session có nhiều QoS flow (định danh bằng QFI, tham số 5QI). gNB tự quyết định ghép nhiều QoS flow vào một DRB, SDAP thực hiện ánh xạ. Core không quy định số DRB, nên gNB có toàn quyền tổ chức bearer vô tuyến.
Định danh¶
| Định danh | LTE | NR | Ý nghĩa |
|---|---|---|---|
| Định danh thuê bao vĩnh viễn | IMSI | SUPI (thường dạng IMSI) | Gửi rõ ở LTE khi mạng yêu cầu; NR gửi dạng che giấu SUCI |
| Định danh tạm thời ở core | GUTI | 5G-GUTI | Do MME/AMF cấp, đổi định kỳ |
| Bản rút gọn dùng trên vô tuyến | S-TMSI (40 bit) | 5G-S-TMSI (48 bit) | Dùng trong RRC setup và paging |
| Định danh UE trong cell | C-RNTI | C-RNTI | 16 bit, trạm gốc cấp trong random access |
| RNTI tạm | TC-RNTI | TC-RNTI | Cấp trong Msg2, thành C-RNTI nếu thắng tranh chấp |
| RNTI chung | SI-RNTI, P-RNTI, RA-RNTI | Như LTE, thêm MSGB-RNTI (2-step RACH) | Dùng để scramble CRC của DCI |
| Định danh UE ở RRC_INACTIVE | (Rel-13 có Resume ID) | I-RNTI | Trỏ tới UE context lưu ở gNB neo |
| Physical Cell ID | 504 giá trị | 1008 giá trị | Suy ra từ PSS/SSS |
| Định danh cell toàn cục | ECGI | NCGI | PLMN + cell identity (28 bit LTE, 36 bit NR) |
| Vùng theo dõi | TAI (TAC 16 bit) | TAI (TAC 24 bit) | Đơn vị cập nhật vị trí khi idle |
Trạng thái của UE¶
Trạng thái UE được mô tả ở hai tầng độc lập: NAS (core biết UE thế nào) và RRC (trạm gốc biết UE thế nào).
| Tầng | LTE | NR |
|---|---|---|
| Đăng ký | EMM-DEREGISTERED, EMM-REGISTERED | RM-DEREGISTERED, RM-REGISTERED |
| Kết nối báo hiệu với core | ECM-IDLE, ECM-CONNECTED | CM-IDLE, CM-CONNECTED |
| Kết nối RRC | RRC_IDLE, RRC_CONNECTED | RRC_IDLE, RRC_INACTIVE, RRC_CONNECTED |
Ở LTE, ECM-CONNECTED đi cùng RRC_CONNECTED: khi trạm gốc nhả kết nối RRC thì S1 cũng bị nhả. NR thêm RRC_INACTIVE để tách hai việc này.
stateDiagram-v2
[*] --> RRC_IDLE
RRC_IDLE --> RRC_CONNECTED: RRCSetup
RRC_CONNECTED --> RRC_IDLE: RRCRelease
RRC_CONNECTED --> RRC_INACTIVE: RRCRelease kèm suspendConfig
RRC_INACTIVE --> RRC_CONNECTED: RRCResume
RRC_INACTIVE --> RRC_IDLE: RRCRelease, hoặc lỗi resume| RRC_IDLE | RRC_INACTIVE | RRC_CONNECTED | |
|---|---|---|---|
| UE context ở trạm gốc | Không | Có, lưu ở gNB neo | Có |
| Kết nối N2/N3 với core | Không (CM-IDLE) | Giữ nguyên (CM-CONNECTED) | Có |
| Di động | Cell reselection do UE | Cell reselection, cập nhật RNA | Handover do mạng điều khiển |
| Paging | Do core khởi tạo, theo TA | Do RAN khởi tạo, theo RNA | Không cần |
| Định danh trên vô tuyến | 5G-S-TMSI | I-RNTI | C-RNTI |
| Thời gian quay lại CONNECTED | Đầy đủ: RRC setup, bảo mật, cấu hình lại | Ngắn: một lượt resume |
Bảng trên dùng thuật ngữ NR. LTE Rel-13 có cơ chế suspend/resume tương tự cho IoT, nhưng chỉ NR đưa nó thành trạng thái RRC chính thức. Chi tiết chuyển trạng thái nằm ở Connected Mode & Mobility.
Đọc thêm¶
- 3GPP TS 36.300 và TS 38.300: tổng quan E-UTRAN và NR, phần lớp giao thức và trạng thái.
- 3GPP TS 23.401 (EPS) và TS 23.501 (kiến trúc 5GS): các node core, bearer, QoS.
- RAN Architecture & Splits: vị trí các lớp trong CU, DU, RU.