图书在版编目（CIP）数据
5G网络协议与客户感知/黄昭文编著．--北京：人民邮电出版社有限公司，2020.1
（5G丛书）
国之重器出版工程
ISBN 978-7-115-52639-7
Ⅰ．①5… Ⅱ．①黄… Ⅲ．①计算机网络—通信协议 Ⅳ．①TN915.04
中国版本图书馆CIP数据核字（2019）第269015号
编 著 黄昭文
责任编辑 李强
责任印制 杨林杰
人民邮电出版社出版发行 北京市丰台区成寿寺路11号
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固安县铭成印刷有限公司印刷
开本：720×1000 1/16
印张：29.5
字数：532千字
2020年1月第1版
2020年1月河北第1次印刷
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本书首先介绍5G网络的技术原理和系统架构，包括网络原理功能实体、通信接口、消息协议、关键性能、QoS体系等。对于5G网络的主要通信场景，本书创新地以信令活动序列的形式讲解5G网络从终端、接入网到核心网的端到端工作过程和消息内容。在此基础上，本书对其中重要的信令及数据给出详细的数据结构和数据分组的编解码细节。由于客户体验和感知是5G的核心价值，因此，本书讲解了5G客户感知体系，提出构建5G客户感知体系的步骤，给出了保障和定位客户感知问题的方法。
本书的主要读者对象是需要进一步了解5G网络和信令知识的网络工程技术人员；此外，可作为高等院校相关专业本科生、研究生的教学参考书，也可作为广大读者了解和学习5G相关知识及开发5G网络应用的参考书。
5G将会在4G LTE的基础上大幅提升通信能力，可支持更高速的用户体验速率、更广泛的设备连接、更实时的端到端时延。5G将引入多项关键技术，包括大规模天线阵列技术、超密集组网技术、新型网络架构、边缘计算等。5G网络不仅仅是通信带宽的提升，更是一次通信技术的升级，它将通信从人与人之间进一步扩展到人与物、物与物之间互联，成为社会数字化转型的基础。5G所提升的不仅是通信的能力，还有连接的能力、大数据的能力、人工智能的能力，这些能力将支撑各行各业的创新发展，满足社会发展的需求。4G改变生活，5G改变社会。
那么，我们又该如何更好地迎接5G带来的机遇和挑战呢？只有掌握5G的工作原理和能力特点，理解5G各种功能的实现机制，才能更深入地投入到5G网络的建设、运营和开发的过程中，才能更好地挖掘5G网络的潜力。然而，由于5G网络架构和通信协议较以往做了大量改变，技术人员迫切需要关于5G网络的深入介绍和讲解的参考材料。因此，作者编写了本书，从网络用户感知的角度对5G网络进行讲解，从上层应用逐层解析到最底层的信令，以期能够为读者理解5G提供一定的启发。
本书首先介绍5G系统架构，主要包括网络实体、网络接口、主要协议原理、网络关键性能分析、QoS体系等，然后针对5G通信的主要场景，结合样例深入讲解5G基本通信接口的端到端工作过程，对其中的多个接口通信消息进行详细解释，本书还更进一步地针对重要的信令以及数据给出详细到具体数据结构和IP包的编解码细节。由于客户感知是5G的重要目标，本书还介绍了5G客户感知体系，提出了构建5G客户感知体系的步骤，给出保障和定位客户感知问题的方法。
本书的第一个特点是端到端，基于网络用户的视角组织编写材料，从5G网络外部到网络内部逐步进行介绍。本书的第二个特点是实例化，在讲述5G网络流程、信令分析等概念的基础上，配以直观的图例，并结合仿真网络中的信令进行实例讲述，以便把抽象的概念通过实际的数据形象地呈现给读者。本书的第三个特点是面向应用，书中介绍了大量5G网络需要解决的技术问题和思路，可供通信网络从业人员参考。本书既可作为5G网络的学习材料，又可作为实际工作的参考。
本书关于5G网络架构和工作原理的内容主要参考3GPP关于5G和LTE的系列规范，并参考了大量关于5G和通信技术的书籍和材料，在此向这些作者们致以敬意和感谢。
由于5G标准还在不断向前发展，5G网络也还在不断验证完善，所以本书不能涵盖全部5G技术内容。此外，作者对5G的了解还不够深入全面，加上自身水平有限，书中的不足和错误之处在所难免，恳请读者批评指正。
4G改变生活，5G改变社会。4G的发展使移动通信速率比3G时代有了极大提高，通信速度进入了无线宽带时代，但随着移动互联网的快速发展，以及工业化场景的不断增加，4G的网络能力已难以满足社会发展的需求，因此，需要一种能够适应多种场景的通信网络技术来满足需求。
5G将会在4G的基础上对速率、时延、能耗、移动性、覆盖等方面进行全方位的提升，给人们带来更多更全面的感知体验[1][2]。5G将具备比4G更高的性能。理论上，5G应可支持更高速的用户体验速率，更密集的连接数，更低的端到端时延，更高的流量密度、移动性和峰值速率等。同时，5G还将大幅提高网络部署和运营的效率，相比4G[3]，频谱效率提升5～15倍，能效和成本效率提升百倍以上。在应用方面，5G提出了三大应用场景：增强移动宽带（eMBB）、海量机器类通信（mMTC）、超高可靠低时延通信（uRLLC）。
5G网络将以一张物理基础网络实现各项网络功能[4]，进而支撑多种不同的业务和应用需求。因此，需要对5G网络进行有效的系统设计和组网设计。系统设计需要考虑5G网络的接入、控制、转发三方面能力；组网设计则分别通过平面视图、组网视图进行网络资源的灵活配置，从而实现端到端的通信网络能力提供，以及网络能力的开放应用。
基于5G网络架构设计的整体思想，结合建网初期2G/3G/4G网络将会共存混合组网的情况[5]，3GPP提出了5G非独立组网（NSA，Non-Stand Alone）和独立组网（SA，Stand Alone）两种组网模式。
5G非独立组网架构利用LTE网络现有的核心网设备实现控制面信令的处理，在空口新建5G基站。在NSA架构中，用户面数据有多种处理模式，其中典型的方案有两种不同的数据流向：通过LTE的核心网用户面直接进行数据转发，通过PDN-GW、S-GW将数据转发到5G基站，再下发到用户；利用LTE基站进行数据中转，即用户数据先下发到LTE基站，然后由LTE基站通过X2接口转发到5G基站，再下发到用户，实现数据传输。
在5G独立组网架构中，核心网和接入网均为新建。用户使用5G网络业务时，在新的5G网络内进行信令控制和数据转发，从而充分发挥5G网络灵活、高效的技术特点，是5G网络建设的最终目标。本书主要讲解5G独立组网架构。
无论采用何种网络架构，5G基础设施平台都将更多地基于通用数据中心构成，以支持5G网络的高性能转发要求和电信级管理要求。5G将通过网络切片实现网络定制化部署。网络切片技术是指通过网络设备编排技术，在同一个硬件设施上编排虚拟服务器、网络带宽、服务质量等专属资源以实现多个虚拟的端到端网络，适配各种类型服务的不同特征需求。每个端到端切分单元即为一个网络切片，各网络切片在逻辑上隔离，一个切片的错误或故障不会影响其他切片。在同一套物理基础上基于不同的业务需求生成逻辑隔离的独立运行的网络切片，通过基于数据中心的云化架构支撑多种应用场景。
在无线接入网和核心网领域，5G将带来多项技术创新。
在无线接入网领域[6][7]，4G LTE的BBU/RRU重构为5G的CU-DU-AAU架构，CU设备具有处理非实时的无线高层协议栈功能，DU设备处理物理层功能和满足实时性需求，由DU和CU共同组成5G的基站gNB。每个CU可以连接一个或者多个DU，CU和DU之间存在多种功能分割，可以配置不同的通信场景和不同的通信需求。利用云化无线接入网（Cloud RAN）对无线接入网络进行重构，满足5G时代多种接入技术以及RAN功能按需部署的需求；利用平台虚拟化技术，可以在同一基站平台同时承载多个不同类型的无线接入方案，并能完成接入网逻辑实体的实时动态的功能迁移和资源伸缩。
在核心网领域[8][9][10]，通过实现控制面和用户面的分离，将网络功能模块化。通过网络功能虚拟化来简化核心网络部署，进而实现网络功能的按需配置；在垂直行业应用方面，基于应用驱动来自动生成、维护、终止网络切片服务，利用敏捷的网络运维降低运营商的运营成本。
在无线网络方面，为了提高无线网络的吞吐能力，采用了大规模天线阵列，充分挖掘空间资源，有效利用频带资源，提升网络容量。5G将引入超密集组网技术，通过增加基站部署密度，在网络结构中融入5G、TD-LTE、UMTS等多种无线接入技术，进一步提高频率复用效率。
5G无线网络在继承了LTE网络的OFDM、高阶调制、MIMO、载波聚合等技术的基础上，进一步对OFDM技术进行了改进，子载波实现了可扩展的参数配置，更加灵活地适用于多种业务场景；在5G无线网络中，将引入非正交多址接入技术（NOMA，Non-Orthogonal Multiple Access），将一个资源分配给多个用户。在某些场景中，比如远近效应场景和广覆盖多节点接入的场景，特别是上行密集场景，采用功率复用的非正交接入多址方式较传统的正交接入有明显的性能优势，更适合未来系统的部署；在MIMO的基础上提出了大规模MIMO，从而实现3D的波束成形，进一步提升网络覆盖和容量；毫米波技术的应用将使移动带宽得到极大的提升，为用户提供极致的数据传输速率和容量；5G网络的频谱共享技术，可使用共享频谱和非授权频谱，将5G扩展到多个维度，实现更大容量，使用更多频谱，支持新的部署场景。这不仅将使拥有授权频谱的移动运营商受益，还会为没有授权频谱的厂商创造机会，如有线运营商、企业和物联网垂直行业，使他们能够充分利用5G新空口（NR，New Radio）技术。
在具体部署5G网络时，由于5G相对于4G的频段更高，基站的覆盖范围进一步受限。因此，可以引入超密集组网方案，增加单位面积内小基站的密度，通过在异构网络中引入超大规模低功率节点来实现热点增强、消除盲点、改善网络覆盖、提高系统容量。另外，在更高的频段下，终端上行能力受限，因此，需要引入上行覆盖增强技术，包括上下行解耦，在距离基站的中远点上行采用低频段，在近点可以采用较高频段，从而提升上行覆盖；也可以引入载波聚合，在远点借助低频段进行数据收发，低频段支持上下行NR低频段小区作为主载波，网络上行数据在低频段上发送，从而增强上行边缘速率；还有一种方案是5G与4G LTE基于双连接技术联合组网，并以LTE作为控制锚点，可借助LTE实现连续覆盖，快速提供5G功能。
在5G无线网络中还将考虑逐步引入滤波组多载波技术（FBMC）、大规模MIMO技术（3D /Massive MIMO）、认知无线电技术（Cognitive Radio Spectrum Sensing Techniques）、超宽带频谱、超密度异构网络（ultra-dense Hetnets）、多技术载波聚合（Multi-technology Carrier Aggregation）等方面的最新研究成果。
在核心网络方面，5G网络继承了4G网络的网络IP化方案，同时引入了NFV/SDN，支持网络切片化和可定制，5G的网络服务除了提供管道服务外，还将为企业提供定制化的专用网络体系，使网络更加开放，更加贴近用户感知。边缘计算、云计算等技术的引入，也使网络资源调配和用户感知得到了极大的提升。NFV技术实现底层物理资源到虚拟化资源的映射，构造虚拟机，加载网络逻辑功能，虚拟化系统实现对虚拟机基础设施平台的统一管理和资源动态重配置；SDN则实现虚拟机之间的逻辑连接，构建承载信令和数据流的通路，最终实现接入网和核心网功能单元的动态连接，配置端到端的业务链，实现灵活组网。通过网络切片技术将构成多个端到端的逻辑网络，根据个人用户或企业用户的需求进行资源整合，构建成多个端到端的逻辑网络，提供一种或多种网络服务。网络切片的功能包括切片管理、切片选择、共享切片或独立切片实体、切片的虚拟化管理与编排等。网络切片分为公共部分和独立部分，公共部分是可以共用的功能，一般包括签约信息、鉴权、策略等相关功能模块；独立部分是每个切片按需定制的功能，一般包括会话管理、移动性管理等相关功能模块。为了能够支持网络切片，3GPP协议引入了S-NSSAI（单一网络切片选择辅助信息）标识技术。
移动边缘计算（MEC，Mobile Edge Computing）被视为向5G过渡的关键技术和架构性概念[11][12]。MEC正在推动传统集中式数据中心的云计算平台与移动网络的融合，将原本位于云数据中心的服务和功能“下沉”到移动网络的边缘，在移动网络边缘提供计算、存储、网络和通信资源。MEC强调靠近用户，从而减少网络操作和服务交付的时延，提升用户服务体验。MEC将改变4G系统中网络与业务分离的状态，将业务平台下沉到网络边缘，为移动用户就近提供业务计算和数据缓存能力，实现网络从接入管道向信息化服务使能平台的转变。
在传输网络方面，需要考虑接入层和业务层的传输需求和技术实现方案。5G传输网需要根据实际条件选择合适的技术架构。
5G承载网分成了3个部分：前传、中传和回传。前传（Fronthaul）：AAU和DU之间；中传（Middlehaul）：DU和CU之间；回传（Backhaul）：CU。因此，传输网需要根据实际条件选择合适的技术架构。回传网络由两层演变为三层，业务控制网元下沉至城域骨干或汇聚层，回传流量以接入核心网的流向为主，接入节点相互之间的移动切换流向虽较4G有增加，但带宽占比仍较低。因此，需要根据业务特点，对前传带宽及网络接口进行合理设计。5G空口需要更为严格的时间同步要求，较4G的±1.5 µs降低至正负几百纳秒，如果未来引入跨站联合发送、带间CA技术，要求将更为严格。为了综合满足不同业务在时延、带宽、QoS、路由等方面的需求，传送承载层需要具有网络分片、软硬管道隔离及业务控制等新功能。
在对业务支撑方面，由5G硬件平台支撑虚拟化资源的动态配置和高效调度，在广域网层面，NFV编排器可实现跨数据中心的功能部署和资源调度；SDN控制器负责不同层级数据中心之间的广域互联。为应对网络灵活化、效率化配置需求，随着SDN架构、控制器的逐渐成熟，可利用规模部署SDN控制器和转发器的架构简化现网络运维，同时提供基于业务的网络流量自动调度。
为了配合5G网络能力的演进，网络终端也需要进行较大规模的技术升级，包括对高速率数据传输、多发送多接收天线等技术的支持。
5G系统体系结构的设置要遵循一系列原则，以确保5G网络的功能满足要求。相关原则如下。
（1）5G网络要支持数据连接和服务。
（2）5G网络部署要能够使用诸如NFV和SDN等技术。
（3）5G系统架构应利用已定义的控制面（CP）网络功能之间基于服务（SBA）的交互。
（4）将用户面（UP）功能与控制面（CP）功能分开。
（5）支持独立的可扩展、演进和灵活部署，例如集中部署或分布式部署。
（6）模块化功能设计，例如实现灵活高效的网络切片。
（7）提高可用性，将网络过程（网络功能之间的交互集）定义为网络服务，以便重复使用。
（8）每个网络功能（NF）可以根据需要直接与其他NF交互。体系结构不排除使用中继功能来协助帮助路由控制面消息（例如DRA）。
（9）最小化接入网络（AN）和核心网络（CN）之间的依赖关系，具有共同的AN-CN接口的融合核心网络定义，集成不同的接入类型（例如3GPP接入和非3GPP接入）。
（10）支持统一的身份验证框架。
（11）支持“无状态”网络功能，实现“计算”资源与“存储”资源分离。
（12）支持能力开放。
（13）支持对本地和集中服务的并发访问。为了支持低延迟服务和对本地数据网络的访问，可以在接入网络附近部署用户面功能。
（14）支持漫游，包括归属路由流量以及访问PLMN中的本地疏导流量。
3GPP在定义网络功能之间的交互过程时提出以两种方式表示网络功能的接口，如下。
（1）基于服务的表示，其中，控制面内的网络功能（例如Namf）向其他授权的网络功能提供访问其服务。5GC控制面内的网络功能仅应使用基于服务的接口进行交互。
（2）基于参考点表示，指示出在由两个网络功能（例如AMF和SMF）之间的点对点参考点（例如N11）所描述的网络功能中的NF服务之间存在的交互。
在3GPP相关规范（主要是3GPP TS 23.501）的基础上，可通过整合核心网、无线网、业务网和终端功能实体以及相关的接口绘制5G网络端到端系统架构模型，如图1.1所示。本书后续的内容主要基于该端到端系统架构模型展开描述。
5G系统架构主要由表1.1所列举的网络功能组成。
5G网络协议包括控制面协议和用户面协议，如图1.2所示，其中控制面协议从不同方面（包括请求服务、控制不同传输资源、切换等）控制PDU会话以及UE与网络之间的连接协议，包括透明传输NAS消息的机制；用户面协议实现PDU会话服务的数据承载传输，即通过接入层承载用户数据。
在控制面，UE通过N1接口与AMF建立信令连接以收发NAS信令，N1接口的两个端点分别是UE和AMF。N1 NAS信令连接用于注册管理和连接管理，以及用于UE的会话管理相关消息和过程。N1接口上的NAS协议包括NAS-MM（NAS-移动性管理）和NAS-SM（NAS-会话管理）部分。NASMM协议提供用于在用户设备（UE）使用NG无线电接入网络（NG-RAN）和/或非3GPP接入网络时控制移动性的过程，以及提供对NAS协议的安全性的控制。NAS-SM协议提供了处理5GS PDU会话的流程。5G核心网的网络功能相互之间通过基于SBA的一系列接口交换信令信息。
5G网络控制面协议栈如图1.3所示。
用户面的数据封装在PDU层。PDU层对应于PDU与PDU会话之间携带的PDU。当PDU会话类型为IPv4或IPv6或IPv4v6时，它对应于IPv4数据分组或IPv6数据分组或两者；当PDU会话类型是以太网时，它对应于以太网帧。由于用户面数据需要在多个网络间传播，PDU层的数据通过用户面的GPRS隧道协议（GTP U）传输，该协议支持通过在N3/N9上的隧道传输用户数据（在5G-AN节点和UPF之间）来复用不同PDU会话的流量（可能对应于不同的PDU会话类型）。GTP-U应封装所有最终用户的PDU。它在每个PDU会话级别上提供封装。该层还携带QoS流相关联的标记。
5G网络用户面协议栈如图1.4所示。
1. 网络接口概况
5G网络接口和相关协议以及与3GPP所定义的规范的对应关系见表1.2。
2. N1接口
N1接口基于NAS协议，是5G系统（5GS）中的NAS协议，用于对通过3GPP或非3GPP接入的UE与AMF之间的移动性管理（5GMM）流程，以及UE与SMF之间的会话管理（5GSM）流程。NAS协议与AS提供的承载控制功能一起控制用户面资源。
NAS-MM支持通用功能，如下。
（1）用于UE与核心网络之间交互多种协议，包括会话管理信令、短信、UE策略、定位服务等。
（2）处理UE的注册管理和连接管理状态机和过程，包括NAS传输。
（3）用户面连接激活和停用。
基于NAS-MM消息，AMF支持以下功能。
（1）决定在注册/连接过程中是否接受N1信令的注册/连接信令，而不考虑在相同NAS信令内容中可能组合的其他非NAS-MM消息（例如会话管理）。
（2）决定在注册/连接过程中是否应将一条NAS消息路由到另一个NF（例如SMF），或在内部使用NAS路由功能进行本地处理。
（3）在UE和AMF之间提供安全的NAS信令连接（完整性保护、加密），包括有效载荷的传输。
（4）提供访问控制。
（5）通过支持NAS传输不同类型的有效载荷或不在AMF终止的消息（NASSM），可以将其他类型的NAS消息与RM/CM NAS消息一起发送，包括UE与AMF之间的短信、UE策略和定位服务信息。
（6）当UE通过多个（3GPP/非3GPP）接入连接由单个AMF服务时，每个接入存在一个N1接口NAS信令连接。
NAS-SM支持UE和SMF之间的会话管理的处理。在UE的NAS-SM层和SMF中处理，SMF信令消息的内容不由AMF解释。NAS-MM层处理SM信令的过程如下。
（1）用于传输SM信令。
（2）NAS-MM层创建NAS-MM消息，包括指示NAS信令的NAS传输的安全报头、用于接收NAS-MM的附加信息，以获得转发SM信令消息的方式和位置。
（3）接收SM信令。
（4）接收NAS-MM处理消息的NAS-MM部分，即执行完整性检查，并解释附加信息以导出如何以及在何处导出SM信令消息。
（5）SM消息部分包括PDU会话ID。
3. N2接口
N2接口基于NGAP，应用于NG RAN与5GC之间。NGAP由一系列单独定义的基本流程组成。每个基本流程是NG-RAN节点和AMF之间的信令交互单元，由信令的发起消息和可能的响应消息组成，具有以下两种基本流程类型。
（1）具有响应的基本流程（成功和/或失败）。
响应类型可以如下。
① 成功的响应：信令消息明确指示基本过程在收到响应时成功完成。
② 不成功的响应：信令消息明确指示基本过程失败，或超时监督到期（没有预期的响应）。
③ 同时包含成功与不成功的多个响应：一个信令消息报告包含不同请求的成功和不成功结果，其中使用的响应消息是为成功结果定义的响应消息。
（2）无应答的基本流程。
对于第二类基本流程，被认为总是成功的。
N2接口提供的功能见表1.3。
4. N3/N9接口
通过GTP-U协议承载用户面数据。该协议支持通过在N3/N9上隧道传输用户数据（即在5G-AN节点和UPF之间）来承载不同PDU会话的流量（可能对应于不同的PDU会话类型）。GTP-U应封装所有最终用户PDU，它在每个PDU会话级别上提供封装。
5. N4接口
N4接口基于分组转发控制协议（PFCP，Packet Forwarding Control Protocol）实现在控制面和用户面功能之间的接口，同时具备控制面和用户面的功能。在5G核心（5GC）网络中，N4接口是控制面和用户面之间的桥梁。它是用于PDU会话管理和流量转向的管道，用于向UPF和PDU使用以及SMF报告事件。SMF将关于分组处理、转发和使用报告的PCF的策略规则传达给UPF。为了使UPF能够识别由特定规则管理的用户面流量，它使用由SMF提供的分组流描述（PFD）。在一些场景中，SMF可以通过UPF缓冲用户面流量或将用户面流量转发到DN或UE。
N4接口上承载的控制面协议栈如图1.5所示。
N4接口上承载的用户面协议栈如图1.6所示。
6. RRC层协议
当UE需要发送初始NAS消息时，UE必须预先请求建立RRC连接，并且NAS应该向下层提供RRC建立相关信息。当UE在建立相关信息中指示优先级时，RAN在RRC连接建立过程中及之后处理具有优先级的RRC连接。无线电资源控制协议（RRC，Radio Resource Control Protocol）定义了用于UE和NG-RAN之间的无线电接口。RRC协议具有系统信息、连接控制、RAT间移动、测量及UE能力等几类功能，其功能列表见表1.4。
7. SDAP层协议（用户面）
SDAP子层属于二层信令，支持以下功能。
（1）用户面数据的传输。
（2）DL和UL的QoS流和DRB之间的映射。
（3）在上行和下行分组中标记QoS流ID。
（4）针对上行的SDAP数据PDU的DRB映射的反射QoS流。
8. PDCP层协议
PDCP层支持以下功能。
（1）数据传输（用户面或控制面）。
（2）维护PDCP SN。
（3）使用ROHC协议的报头压缩和解压缩。
（4）加密和解密。
（5）完整性保护和完整性验证。
（6）基于定时器的SDU丢弃。
（7）分离承载、路由。
（8）重复传送。
（9）重新订购和有序交付。
（10）无序交付。
（11）丢弃重复。
9. RLC层协议
RLC子层支持以下功能。
（1）上层PDU的传输。
（2）通过ARQ纠错（仅适用于AM数据传输）。
（3）RLC SDU的分段和重组（仅适用于UM和AM数据传输）。
（4）重新分割RLC SDU段（仅适用于AM数据传输）。
（5）重复检测（仅适用于AM数据传输）。
（6）RLC SDU丢弃（仅适用于UM和AM数据传输）。
（7）RLC重建。
（8）协议错误检测（仅适用于AM数据传输）。
10. MAC层协议
MAC子层支持以下功能。
（1）逻辑信道和传输信道之间的映射。
（2）将来自一个或不同逻辑信道的MAC SDU复用到传输块（TB）上，以便传输到传输信道上的物理层。
（3）从传输信道上的物理层传送过来的传输块（TB）将MAC SDU解复用到一个或不同的逻辑信道。
（4）调度信息报告。
（5）通过HARQ纠错。
（6）逻辑信道优先级。
在MAC层通过逻辑信道与传输信道的映射实现上下行数据（包括用户面和信令面）的传输。逻辑信道是指NR的媒体访问控制（MAC）层以逻辑信道的形式向无线电链路控制（RLC）层提供服务。逻辑信道由其携带的信息类型定义，并且通常被区分为控制信道（用于传输控制和配置信息）以及用于用户数据的业务信道。NR的逻辑信道包括以下几种。
（1）广播控制信道（BCCH）：用于在小区覆盖范围内从网络向UE发送系统信息。在访问系统之前，UE需要获取系统信息以找出系统配置。BCCH信道用于NR的独立（SA）操作。在非独立操作（NSA）的情况下，系统信息由LTE小区提供，并且没有BCCH。
（2）寻呼控制信道（PCCH）：用于网络寻呼小区级别位置信息未知的UE。寻呼消息需要在多个小区中发送。与BCCH类似，PCCH也用于SA操作。在NSA操作的情况下，寻呼由LTE小区提供，并且没有PCCH。
（3）公共控制信道（CCCH）：用于随机接入向UE发送控制信息。
（4）专用控制信道（DCCH）：用于与UE收发传输控制信息，该信道用于UE的单独配置，例如为不同层设置不同的参数。
（5）专用业务信道（DTCH）：用于与UE收发传输用户数据，这是用于传输所有单播上行链路和下行链路用户数据的逻辑信道类型。
传输信道将数据组织成传输块在无线电接口收发。NR的传输信道包括以下几种。
（1）广播信道（BCH）：用于发送BCCH系统信息，更具体地说用于发送主信息块（MIB）。它具有固定的传输格式，由规范提供。
（2）寻呼信道（PCH）：该信道用于从PCCH逻辑信道发送寻呼信息。PCH支持非连续接收（DRX），允许设备通过唤醒仅在预定义的时刻接收PCH来节省电池电量。
（3）下行链路共享信道（DL-SCH）：这是用于在NR中发送下行链路数据的主要传输信道。它支持所有关键的NR功能，如动态速率自适应和信道感知调度、HARQ和空间复用。DL-SCH还用于发送未映射到BCH的BCCH系统信息的一些部分。每个设备、每个小区都连接一个DL-SCH。
（4）上行链路共享信道（UL-SCH）：与DLSCH的上行链路对应，即用于传输上行链路数据的上行链路传输信道。
（5）随机接入信道（RACH）：RACH也是传输信道，尽管它不携带传输块。
逻辑信道和传输信道的映射关系如图1.7所示。
11. 物理层（PH Y）协议
（1）物理层为下行链路（DL，Down Link）提供的功能见表1.5。
（2）物理层为上行链路（UL，Up Link）提供的功能见表1.6。
InitialUE-Identity ::= CHOICE {
ng-5G-S-TMSI-Part1 BIT STRING ( SIZE ( 39 ) ) ,
randomValue BIT STRING ( SIZE ( 39 ) )
}<InitialUE-Identity> <!-- <CHOICE> --> <!-- <CHOICE: ng-5G-S-TMSI-Part1 randomValue > --> <ng-5G-S-TMSI-Part1> <!-- <BIT STRING> --> <!-- <size:[39]> --> 111111111111111111111111111111111111111 </ng-5G-S-TMSI-Part1> <randomValue> <!-- <BIT STRING> --> <!-- <size:[39]> --> 111111111111111111111111111111111111111 </randomValue> </InitialUE-Identity>
1. ASN.1标准
5G的RRC、NGAP、Xn、F1、E1接口都是采用ASN.1描述和编解码的，因此，有必要掌握ASN.1相关原理。ASN.1（Abstract Syntax Notation One，抽象语法标记）是ISO/ITU-T制定的标准，描述在网络上传输信息格式的方法[13]。ASN.1标准包括两部分，即ASN.1的抽象语法和ASN.1编码规则。
（1）ASN.1的抽象语法。
ASN.1中的主要概念是类型。类型是非空的值集，可以对其进行编码以进行传输。除了包括高级语言（如Pascal、Ada）中的语法形式，ASN.1类型还可以为特定的传输任务定义并提供足够的功能（例如SEQUENCE或SET类型的OPTIONAL子句）以定义更复杂的数据类型。ASN.1中诸如BIT STRING或EMBEDDED PDV之类的类型甚至更加适用于电信场合。例如，5G网络用户身份ID可以用以下ASN.1语法表示。
ASN.1本身只定义了表示信息的抽象语法，但是没有限定其编码的方法。
（2）ASN.1的编码规则。
根据应用场景的特点和消息特性，存在多种ASN.1的编码规则。各种ASN.1编码规则分别提供了由ASN.1描述其抽象句法的数据的值的传送语法（具体编解码）。标准的ASN.1编码规则包括：
基本编码规则（BER，Basic Encoding Rule）；
规范编码规则（CER，Canonical Encoding Rule）；
唯一编码规则（DER，Distinguished Encoding Rule）；
压缩编码规则（PER，Packed Encoding Rule）；
XML编码规则（XER，XML Encoding Rule）。
其中，XER是用XML的方式来对消息进行表示的方法，比较方便阅读和修改，所以本书中的关于ASN.1表达的信令都是用XER的方式进行编解码的。
上述5G网络用户ID的ASN.1的例子可以用以下XER编码样例表示，其中，“111111111111111111111111111111111111111”是对比特流的一个编码示例。相比二进制编码，XER的编码方式显然更容易理解。
为了将ASN.1的内容以表格的方式进行表达，还可以用表1.7的方式表达ASN.1的语法，这就可以直观掌握各种语法元素的构成与层次，其中“>”表示相关变量在进行ASN.1编码时的缩进层数。
表1.7 ASN.1的表格表示
| InitialUE-Identity | |
| （1） | > ng-5G-S-TMSI-Part1 |
| （2） | > randomValue |
2. SBA架构
5G核心网内部网络功能之间的控制面接口采用SBA（Service BasedArchitecture）架构。
基于SBA的服务以比传统网络更精细的粒度运行，并且彼此松散耦合，允许升级/扩展单个服务，而对其他服务的影响最小。基于SBA架构的服务可以提高网络运营优势，例如，缩小测试和集成时间表（转向持续集成）缩短了安装错误修复、推出新网络功能和运营商应用过程的时间。与传统的逐跳模型相比，SBA可以轻松扩展基于服务的接口，而无须引入新的参考点。
基于SBA的每项服务都可以通过轻量级服务接口（SBI）直接与其他服务进行交互。网络由模块化服务组成，这些服务反映了网络功能，可以被网络切片等5G功能进行调用。其他服务（获得特定授权后）可以轻松调用指定服务，使每个服务尽可能重用。通过与一些控制功能（身份验证）结合，基于服务的接口可以轻松地开放给外部用户，如第三方应用功能提供商。
SBA是基于服务的体系结构，支持网络服务框架，包括以下机制。
（1）NF服务注册和注销：使NRF了解可用的NF实例和支持的服务。
（2）NF服务发现：使NF服务消费者能够发现提供预期NF服务的NF服务生产者实例。
（3）NF服务授权：确保NF服务消费者有权访问NF服务生产者提供的NF服务。
SBA的协议栈如图1.8所示。
3. HTTP/2协议
SBA基于HTTP/2协议开发。HTTP/2（超文本传输协议第2版），简称为h2（基于TLS/1.2或以上版本的加密连接）或h2c（非加密连接），是HTTP协议的第二个主要版本，通过RFC7540[14]定义，如图1.9所示。HTTP/2相比HTTP提供了更优化的传输。HTTP/2支持HTTP/1.1的所有核心功能，但通过多种方式提高了传输效率。HTTP/2中的基本协议单元是一个帧。HTTP/2的每个帧类型都有不同的用途，例如，HEADERS和DATA帧构成了HTTP请求和响应的基础；HTTP/2的其他帧类型（如SETTINGS、WINDOW_UPDATE和PUSH_PROMISE）用于支持其他HTTP/2功能，如图1.10所示。通过使每个HTTP请求/响应交换与自己的流相关联来实现请求的多路复用。
HTTP/2流基本上是相互独立的，因此，对一个数据流的阻塞或停止的请求或响应不会阻止其他流的处理。流控制和优先级保障可以有效地使用多路复用流。流量控制有助于确保只传输接收端可以使用的数据。通过优先级机制可确保首先将有限的资源应用于传送最重要的流。HTTP/2添加了一种新的交互模式，服务器可以将响应推送到客户端。服务器推送允许服务器预测性地将数据发送到有需要的客户端，虽然降低一些网络利用率，但是减小了延迟。服务器通过合成客户端请求来完成此操作，并将其作为PUSH_PROMISE帧发送。由于连接中使用的HTTP头字段可能包含大量冗余数据，因此，HTTP/2压缩HTTP头字段所包含的冗余数据帧，通常情况下这有利于减小HTTP的请求数据量，并允许将许多请求压缩成一个分组。
