 协议)
本文是「3GPP 5G NR 协议与射频指标深度解读」系列第 10/40 篇 · 卷一·协议栈全景PDCP 的加密、完整性保护、去重与双连接分流。系列总览与阅读路线图见开篇《3GPP 5G NR 协议与射频指标深度解读写在系列之前》3GPP TS 38.323 深度解读 — NR 分组数据汇聚协议 (PDCP) 协议规范编号: 3GPP TS 38.323 V16.x.x标题: NR; Packet Data Convergence Protocol (PDCP) specification版本: Release 16关联规范: TS 38.322 (RLC), TS 38.331 (RRC), TS 33.501 (安全), TS 38.321 (MAC)一、文档总览与知识导图1.1 PDCP 层定位PDCP 层位于 RRC/SDAP 层与 RLC 层之间是 NR 用户面和控制面协议栈中 Layer 2 的顶层子层。┌─────────────────────────────────────────────┐ │ 应用层 / IP │ ├──────────────┬──────────────────────────────┤ │ 控制面 │ 用户面 │ │ RRC │ SDAP (TS 37.324) │ ├──────────────┴──────────────────────────────┤ │ ← PDCP (TS 38.323) → ← 本规范 │ ├─────────────────────────────────────────────┤ │ RLC (TS 38.322) │ ├─────────────────────────────────────────────┤ │ MAC (TS 38.321) │ ├─────────────────────────────────────────────┤ │ PHY (TS 38.2xx) │ └─────────────────────────────────────────────┘1.2 核心功能导图PDCP 层核心功能 │ ├── 用户面数据传输 │ ├── 头压缩 (ROHC) — RFC 5795/3095/4815/6846 │ ├── 加密 (Ciphering) │ ├── 完整性保护 (用户面可选) │ └── 按序递交与重复检测 │ ├── 控制面数据传输 │ ├── 加密 (Ciphering) │ ├── 完整性保护 (必选) │ └── 按序递交与重复检测 │ ├── PDCP 重建 (Re-establishment) │ └── 切换、RRC重建等场景下的PDCP恢复 │ ├── PDCP 数据恢复 (Data Recovery) │ └── RLC AM实体重建时的恢复 │ ├── PDCP 复制 (Duplication) ← R16增强 │ ├── 双连接场景 (CA复制) │ └── 多RLC实体承载同一PDCP实体 │ ├── SDU 丢弃 │ └── 基于 discardTimer 的超时丢弃 │ └── PDCP 状态报告 └── 用于PDCP重建后的状态同步1.3 R15 → R16 演进要点特性R15R16基本 PDCP 功能头压缩/加密/完整性保护继承ROHC基础 ROHC 框架ROHC 增强PDCP 复制CA 复制增强复制多RLC实体灵活配置NR-U 适配无新增非授权频谱 PDCP 增强IAB 支持无IAB 节点 PDCP 功能以太网头压缩无EHC (Ethernet Header Compression)上行数据压缩无UDC (Uplink Data Compression)PDCP 重复基础增强的重复激活/去激活机制二、逐章节深度解读2.1 PDCP 实体架构每个 PDCP 实体关联一个或两个复制场景RLC 实体。┌─────────────────────────────────────────────┐ │ PDCP 实体 │ │ │ │ ┌───────────────────────────────────────┐ │ │ │ 发送侧 │ │ │ │ │ │ │ │ PDCP SDU → SN分配 → 头压缩(UP only) │ │ │ │ → 完整性保护 → 加密 │ │ │ │ → 添加PDCP头 → PDCP PDU │ │ │ └───────────────────────────────────────┘ │ │ │ │ │ ▼ │ │ ┌─────────┬─────────┐ │ │ │ 主 RLC │ 辅 RLC │ (复制场景) │ │ │ 实体 │ 实体 │ │ │ └─────────┴─────────┘ │ │ ▲ │ │ ┌───────────────────────────────────────┐ │ │ │ 接收侧 │ │ │ │ │ │ │ │ PDCP PDU → 去PDCP头 → 解密 │ │ │ │ → 完整性校验 → 头解压缩(UP) │ │ │ │ → 重排序 → 重复检测 │ │ │ │ → 按序递交 → PDCP SDU │ │ │ └───────────────────────────────────────┘ │ └─────────────────────────────────────────────┘PDCP 实体与无线承载的关系:SRB (Signaling Radio Bearer): 一个 PDCP 实体关联一个 AM RLC 实体DRB (Data Radio Bearer): 一个 PDCP 实体关联一个或两个 RLC 实体2.2 PDCP PDU 格式详解2.2.1 Data PDU (用户面, 12 bit SN)┌───────────────────────────────────────────┐ │ D/C│R│R│R│ SN (12 bit) │ Oct 1-2 │ ├───────────────────────────────────────────┤ │ Data │ Oct 3-N │ │ │ │ ├───────────────────────────────────────────┤ │ MAC-I (可选, 4 octets) │ Oct N1-N4│ └───────────────────────────────────────────┘字段说明:D/C: 0Control PDU, 1Data PDUR: 保留位SN: PDCP Sequence NumberData: 上层数据加密后MAC-I: 消息认证码-完整性 (Message Authentication Code for Integrity)2.2.2 Data PDU (控制面, 12 bit SN)┌───────────────────────────────────────────┐ │ D/C│R│R│R│ SN (12 bit) │ Oct 1-2 │ ├───────────────────────────────────────────┤ │ MAC-I (4 octets) │ Oct 3-6 │ ├───────────────────────────────────────────┤ │ Data │ Oct 7-N │ └───────────────────────────────────────────┘控制面 Data PDU 中 MAC-I 位于 Data 之前完整性保护是强制的2.2.3 Data PDU (18 bit SN)┌───────────────────────────────────────────┐ │ D/C│R│R│R│ SN (18 bit) │ Oct 1-3 │ ├───────────────────────────────────────────┤ │ Data / MAC-I │ Oct 4-N │ └───────────────────────────────────────────┘支持更大 SN 空间适用于超高速率场景2.2.4 Control PDU — PDCP Status Report┌───────────────────────────────────────────┐ │ D/C│ PDU Type (3 bit) │R│R│R│R│ Oct 1 │ │ 0 │ 000 │ │ │ │ │ │ ├───────────────────────────────────────────┤ │ FMC (32 bit) │ Oct 2-5 │ ├───────────────────────────────────────────┤ │ Bitmap (可选) │ Oct 6-N │ └───────────────────────────────────────────┘字段说明:PDU Type: 000 PDCP Status Report, 001 Interspersed ROHC feedbackFMC(First Missing COUNT): 第一个丢失的 PDCP SDU 的 COUNT 值Bitmap: 指示 FMC 之后的接收状态 (1已接收, 0缺失)2.2.5 Control PDU — ROHC Feedback┌───────────────────────────────────────────┐ │ D/C│ PDU Type (3 bit) │R│R│R│R│ Oct 1 │ │ 0 │ 001 │ │ │ │ │ │ ├───────────────────────────────────────────┤ │ ROHC Feedback Data │ Oct 2-N │ └───────────────────────────────────────────┘用于传递 ROHC 压缩器的反馈信息2.3 用户面和控制面 PDCP 差异特性用户面 (UP)控制面 (CP)头压缩 (ROHC)支持不支持加密支持支持完整性保护可选强制MAC-I 位置Data 之后Data 之前重复检测支持支持按序递交支持支持关联 RLC 模式UM 或 AM仅 AMPDCP 复制支持不支持以太网头压缩 (EHC)支持 (R16)不支持上行数据压缩 (UDC)支持 (R16)不支持2.4 ROHC 协议详解2.4.1 ROHC 框架ROHC (RObust Header Compression) 用于压缩 IP/UDP/RTP 包头大幅减少空口传输开销。原始包 (VoIP 示例): ┌──────────────────────────────────────────────┐ │ L2 │ IP(20B) │ UDP(8B) │ RTP(12B) │ Payload │ → 40B 头开销 └──────────────────────────────────────────────┘ │ ROHC 压缩 ▼ ┌──────────────────────────────────────────────┐ │ L2 │ ROHC(1-3B) │ Payload │ → 1-3B 头开销 └──────────────────────────────────────────────┘2.4.2 ROHC 相关 RFCRFC内容用途RFC 5795ROHC 框架ROHC 基础框架和通用概念RFC 3095ROHC over IP/UDP/RTPRTP/UDP/IP 压缩配置RFC 4815ROHC 修正与澄清RFC 3095 的修正和补充RFC 6846ROHC TCPTCP/IP 包头压缩配置2.4.3 ROHC 协议栈结构┌──────────────────────────────┐ │ ROHC 压缩器/解压器 │ │ │ │ ┌────────────────────────┐ │ │ │ Profile 选择 │ │ │ │ - RTP (0x0001) │ │ │ │ - UDP (0x0002) │ │ │ │ - ESP (0x0003) │ │ │ │ - IP (0x0004) │ │ │ │ - TCP (0x0006) │ │ │ └────────────────────────┘ │ │ │ │ ┌────────────────────────┐ │ │ │ 模式 (Mode) │ │ │ │ - U-mode (单向) │ │ │ │ - O-mode (双向乐观) │ │ │ │ - R-mode (双向可靠) │ │ │ └────────────────────────┘ │ │ │ │ ┌────────────────────────┐ │ │ │ 状态 (State) │ │ │ │ - IR (初始化刷新) │ │ │ │ - FO (一阶) │ │ │ │ - SO (二阶) │ │ │ └────────────────────────┘ │ └──────────────────────────────┘2.4.4 ROHC 在 PDCP 中的配置-- PDCP-Config 中的 ROHC 配置 pdcp-Config :: SEQUENCE { ... headerCompression CHOICE { notUsed NULL, rohc SEQUENCE { maxCID INTEGER (1..16383), profiles SEQUENCE { profile0x0001 BOOLEAN, -- RTP/UDP/IP profile0x0002 BOOLEAN, -- UDP/IP profile0x0003 BOOLEAN, -- ESP/IP profile0x0004 BOOLEAN, -- IP profile0x0006 BOOLEAN, -- TCP/IP ... }, drb-ContinueROHC ENUMERATED {true} } } }关键参数:maxCID: 最大 Context ID (1-16383)决定压缩上下文数量profiles: 启用的 ROHC profiledrb-ContinueROHC: 切换后是否继续 ROHC 上下文2.5 安全机制2.5.1 加密算法算法名称密钥长度说明NEA0Null ciphering—不加密仅测试用NEA1128-Snow3G128 bit基于 Snow 3GNEA2128-AES128 bit基于 AES-CTRNEA3128-ZUC128 bit基于 ZUC 流密码加密过程:密钥参数: KEY ← K_UPenc (用户面) / K_RRCenc (控制面) COUNT ← HFN PDCP SN BEARER ← RB identity DIRECTION ← 0(UL) / 1(DL) LENGTH ← PDCP SDU 长度 加密: KEYSTREAM BLOCK NEA(KEY, COUNT, BEARER, DIRECTION, LENGTH) CIPHERTEXT PLAINTEXT XOR KEYSTREAM BLOCK2.5.2 完整性保护算法算法名称MAC-I 长度说明NIA0Null integrity—无完整性保护仅测试用NIA1128-Snow3G32 bit基于 Snow 3GNIA2128-AES32 bit基于 AES-CMACNIA3128-ZUC32 bit基于 ZUC 完整性算法完整性保护过程:输入参数: KEY ← K_UPint / K_RRCint COUNT ← HFN PDCP SN BEARER ← RB identity DIRECTION ← 0(UL) / 1(DL) MESSAGE ← PDCP Data PDU (不含 MAC-I 字段) 计算: MAC-I/NAS-MAC NIA(KEY, COUNT, BEARER, DIRECTION, MESSAGE)2.5.3 与 TS 33.501 的接口关系TS 33.501 (安全架构) TS 38.323 (PDCP) ┌──────────────────┐ ┌──────────────────┐ │ 密钥派生 │ │ │ │ K_gNB → K_RRCenc│──────────────►│ 加密 (RRC) │ │ K_gNB → K_RRCint│──────────────►│ 完整性 (RRC) │ │ K_gNB → K_UPenc │──────────────►│ 加密 (UP) │ │ K_gNB → K_UPint │──────────────►│ 完整性 (UP) │ └──────────────────┘ └──────────────────┘安全激活流程:1. gNB 完成 AS SMC (Security Mode Command) 2. RRC 配置 PDCP 实体的安全参数 3. PDCP 开始对后续 PDCP PDU 执行加密/完整性保护 4. 上行和下行独立激活2.6 PDCP 重建与恢复2.6.1 PDCP 重建 (Re-establishment)PDCP 重建由上层RRC请求触发常见场景包括切换 (Handover)RRC 连接重建 (RRC Connection Re-establishment)RRC 连接恢复 (RRC Resume触发 SRB PDCP 重建)重建过程:PDCP 重建触发 │ ▼ ┌─────────────────────────────────┐ │ 上行 PDCP 重建 │ │ 1. 对 SRB: 复位 ROHC 协议 │ │ 2. 对 UM DRB: 复位 ROHC │ │ 3. 对 AM DRB: 从第一个未确认的 │ │ PDCP SDU 开始重传 │ │ 4. 重新计算所有 PDCP PDU 的 │ │ 加密和完整性保护 │ │ (使用新的安全密钥) │ └─────────────────────────────────┘ │ ▼ ┌─────────────────────────────────┐ │ 下行 PDCP 重建 │ │ 1. 对 SRB: 处理并递交所有已接收 │ │ 但未递交的 PDCP SDU │ │ 2. 对 UM DRB: 复位 ROHC │ │ 3. 对 AM DRB: 存储并处理已接收 │ │ PDCP SDU │ └─────────────────────────────────┘发送侧处理:UM DRB: TX_NEXT 0 不重传 PDCP SDU AM DRB: TX_NEXT 第一个未确认的 PDCP SDU 的 COUNT 从 TX_NEXT 开始重传所有已分配 SN 但未确认的 PDCP SDU SRB: 丢弃所有已存储的 PDCP SDU/PDU接收侧处理:UM DRB: - 尝试解压缩并递交所有已接收的 PDCP SDU - RX_NEXT 0, RX_DELIV 0 - 复位 ROHC AM DRB: - 处理所有已接收的 PDCP PDU - 解压缩并递交所有可递交的 PDCP SDU - 存储乱序 SDU 等待后续补齐 SRB: - 处理并递交所有已接收的 PDCP SDU - 丢弃所有剩余的 PDCP PDU2.6.2 PDCP 数据恢复 (Data Recovery)PDCP 数据恢复用于 RLC AM 实体重建后恢复数据传输。触发条件:下层RLC指示重建完成上层请求数据恢复恢复过程:对于 AM DRB: 1. 从第一个未确认的 PDCP SDU 开始重传 2. 使用已有的安全密钥 3. 保持 ROHC 上下文不变 4. 不改变 COUNT 值 与 PDCP 重建的区别: - 重建: 使用新密钥ROHC 可复位 - 恢复: 保持密钥和 ROHC 上下文2.7 PDCP 复制 (Duplication)2.7.1 基本概念PDCP 复制是 R15 引入、R16 增强的功能通过在不同载波上发送相同的 PDCP PDU 来提高可靠性。┌─────────────┐ │ PDCP 实体 │ └──────┬──────┘ │ ┌──────▼──────┐ │ 原始 PDCP PDU│ └──────┬──────┘ │ ┌────────────┼────────────┐ │ │ │ ┌────▼───┐ ┌───▼────┐ │ │ RLC #1 │ │ RLC #2 │ (可更多) │ 主路径 │ │ 辅路径 │ └────┬───┘ └───┬────┘ │ │ ┌────▼───┐ ┌───▼────┐ │ 载波 1 │ │ 载波 2 │ │ (PCell) │ │ (SCell) │ └────────┘ └────────┘2.7.2 R15 复制 vs R16 增强特性R15R16 增强最大 RLC 实体数2 (主辅)支持更多 RLC 实体激活/去激活MAC CEMAC CE 增强SCell 限制仅配置的 SCell灵活选择初始状态可配置激活/去激活增强初始状态控制复制指示无复制指示增强2.7.3 复制配置示例-- RRC 中的 PDCP 复制配置 PDCP-Config :: SEQUENCE { ... moreThanOneRLC SEQUENCE { primaryPath SEQUENCE { cellGroup CellGroupId, logicalChannel LogicalChannelIdentity }, ul-DataSplitThreshold ENUMERATED {...}, pdcp-Duplication BOOLEAN } }复制激活/去激活:通过 MAC CE 控制每条复制路径的激活/去激活激活后PDCP PDU 同时提交给主 RLC 实体和辅 RLC 实体去激活后仅使用主 RLC 实体2.8 PDCP SDU 丢弃discardTimer 机制: PDCP SDU 到达 │ ▼ 启动 discardTimer (由 RRC 配置) │ ├── 成功递交到下层 → 停止定时器 │ └── 定时器超时 → 丢弃 SDU │ ▼ 通知下层丢弃对应 PDCP PDU参数说明范围discardTimerSDU 存活时间由 RRC 配置 (ms)2.9 R16 新增: 以太网头压缩 (EHC)R16 引入以太网头压缩功能用于支持 5G LAN/TSN 业务。EHC 特点:支持以太网帧头部压缩基于 ROHC 框架扩展适用于工业互联网和 TSN 场景EHC 协议栈:┌──────────────────────────────────┐ │ 以太网帧 (含 VLAN 标签等) │ └──────────────┬───────────────────┘ │ EHC 压缩 ▼ ┌──────────────────────────────────┐ │ 压缩后的以太网头 Payload │ └──────────────┬───────────────────┘ │ PDCP 处理 ▼ ┌──────────────────────────────────┐ │ PDCP PDU │ └──────────────────────────────────┘2.10 R16 新增: 上行数据压缩 (UDC)UDC 用于压缩上行数据减少上行传输资源消耗。UDC 特点:使用 DEFLATE 算法基于 RFC 1951可选功能由 UE 能力决定配置在 PDCP-Config 中-- UDC 配置 uplinkDataCompression :: SEQUENCE { bufferSize ENUMERATED {kbyte2, kbyte4, kbyte8, spare1}, dictionary ENUMERATED { sip-SDP, operatorDefined, ... } }三、与其他标准的脉络关系图3.1 协议栈上下文┌────────────────────────────────────────────────────────────┐ │ 应用层 │ │ IP / Ethernet │ ├──────────┬──────────┬──────────┬──────────┬────────────────┤ │ RRC │ SDAP │ │ │ │ │ (38.331) │ (37.324) │ │ │ │ ├──────────┴──────────┴──────────┴──────────┴────────────────┤ │ PDCP (38.323) │ │ ┌──────────────────────────────────────────────────────┐ │ │ │ 加密(NEA0/1/2/3) ← 33.501 完整性(NIA0/1/2/3) │ │ │ │ ROHC ← RFC 5795/3095/4815/6846 │ │ │ │ EHC/UDC (R16) │ │ │ └──────────────────────────────────────────────────────┘ │ ├────────────────────────────────────────────────────────────┤ │ RLC (38.322) │ ├────────────────────────────────────────────────────────────┤ │ MAC (38.321) │ ├────────────────────────────────────────────────────────────┤ │ PHY (38.2xx) │ └────────────────────────────────────────────────────────────┘3.2 接口交互矩阵接口方向内容PDCP ← RRC配置PDCP-Config, 安全算法, ROHC 参数PDCP → RRC指示完整性校验失败, PDCP 重建完成PDCP ← SDAP数据QoS Flow → DRB 映射PDCP → RLC数据PDCP PDU (作为 RLC SDU)PDCP ← RLC指示RLC 重建通知 (触发 PDCP 恢复)PDCP ← 33.501密钥K_UPenc, K_UPint, K_RRCenc, K_RRCint3.3 COUNT 值结构COUNT (32 bit) ┌──────────────────┬──────────────────────┐ │ HFN (高位) │ PDCP SN (低位) │ │ (32 - SN 长度) │ (SN 长度) │ └──────────────────┴──────────────────────┘ 示例 (SN12 bit): ┌────────────────────┬────────────┐ │ HFN (20 bit) │ SN (12 bit)│ └────────────────────┴────────────┘ 示例 (SN18 bit): ┌──────────┬─────────────────────┐ │ HFN (14) │ SN (18 bit) │ └──────────┴─────────────────────┘COUNT 用于:加密/完整性保护的输入参数接收窗口管理和重复检测状态报告中的 FMC 指示四、参数表详解4.1 核心参数参数适用模式说明配置范围sn-FieldLength所有PDCP SN 长度12 bit 或 18 bitdiscardTimer所有SDU 丢弃定时器ms 级别t-Reordering所有重排序定时器ms 级别pdcp-SN-SizeDL所有下行 SN 长度12/18 bitpdcp-SN-SizeUL所有上行 SN 长度12/18 bitmaxCIDUP (ROHC)最大 Context ID1-16383profilesUP (ROHC)ROHC Profile 集位图drb-ContinueROHCUP (ROHC)切换后继续 ROHCtrue/falsecipheringAlgorithm所有加密算法NEA0/1/2/3integrityProtAlgorithm所有完整性算法NIA0/1/2/3statusReportRequiredAM DRB是否需要状态报告true/falseoutOfOrderDeliveryAM DRB乱序递交true/false4.2 t-Reordering 详解属性说明用途接收侧等待乱序 PDCP PDU 的定时器启动条件收到 SN RX_DELIV 的 PDU 时停止条件RX_DELIV 推进到 ≥ 触发 SN超时处理递交所有 COUNT RX_REORD 的 SDU对 AM DRB超时后可能触发 PDCP 状态报告4.3 窗口参数参数值说明PDCP SN 12 bit窗口大小 2048[0, 2047] 循环使用PDCP SN 18 bit窗口大小 131072[0, 131071] 循环使用HFN 大小32 - SN bit当 SN 回绕时 HFN 递增4.4 安全参数配置-- RRC SecurityConfig SecurityConfig :: SEQUENCE { securityAlgorithmConfig SEQUENCE { cipheringAlgorithm CipheringAlgorithm, integrityProtAlgorithm IntegrityProtAlgorithm }, keyToUse ENUMERATED {master, secondary} } CipheringAlgorithm :: ENUMERATED { nea0, nea1, nea2, nea3, spare4, ... } IntegrityProtAlgorithm :: ENUMERATED { nia0, nia1, nia2, nia3, spare4, ... }五、R15 → R16 演进详解5.1 PDCP 复制增强多路径复制: 从 2 个 RLC 实体扩展到支持更多灵活激活: MAC CE 增强以支持独立路径控制初始状态: 更灵活的初始激活/去激活配置5.2 NR-U 增强适配非授权频谱的 LBT 不确定性PDCP 层面的重传和复制策略优化5.3 以太网头压缩 (EHC)支持 5G LAN 和 TSN 场景基于 ROHC 框架的以太网帧压缩减少工业以太网业务空口开销5.4 上行数据压缩 (UDC)使用 DEFLATE 算法压缩上行数据可配置缓冲区大小和字典有效减少上行带宽消耗5.5 IAB 支持IAB 节点的 PDCP 功能增强回传链路 (BH RLC channel) 上的 PDCP 适配5.6 Sidelink PDCPNR V2X Sidelink 通信的 PDCP 支持PC5 接口上的 PDCP 实体六、延伸阅读6.1 相关 3GPP 规范规范内容关系TS 38.322RLC 协议下层接口TS 38.321MAC 协议下层接口TS 38.331RRC 协议配置 PDCPTS 37.324SDAP 协议QFI 到 DRB 映射TS 33.501安全架构密钥派生和算法TS 38.300NR 总体描述协议栈概述TS 38.314层二测量PDCP 测量项TS 36.323LTE PDCP对比参考6.2 关键 IETF RFCRFC内容相关度RFC 5795ROHC 框架核心RFC 3095ROHC RTP/UDP/IP核心RFC 4815ROHC 修正重要RFC 6846ROHC TCP重要RFC 5225ROHCv2 Profiles参考RFC 1951DEFLATE 压缩UDC 使用6.3 参考书籍5G NR: The Next Generation Wireless Access Technology(Dahlman et al.) — 第 7 章 PDCP5G NR: Architecture, Technology, Implementation(Ahmadi) — 第 9 章 PDCP5G System Design: Architectural and Functional Considerations(Marsch et al.) — 层二设计LTE-Advanced and Next Generation Wireless Networks(de la Roche et al.) — ROHC 章节6.4 实用资源3GPP 规范: https://www.3gpp.org/ftp/Specs/archive/38_series/38.323/开源实现:OpenAirInterface 5G:openair2/LAYER2/nr_pdcp/srsRAN:lib/pdcp/free5GRAN: PDCP 模块ROHC 库: rohc-lib (开源 ROHC 实现)文档版本: 1.0生成日期: 2026-07-28适用版本: 3GPP TS 38.323 V16.x.x (Release 16)作者声明: 本文档仅供技术学习参考具体实现请以 3GPP 官方规范为准系列导航上一篇见系列第 09 篇下一篇见系列第 11 篇返回系列开篇与全部目录《3GPP 5G NR 协议与射频指标深度解读写在系列之前》 3GPP TS 38.323 深度解读 — NR 分组数据汇聚协议 (PDCP) 协议
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完整性保护 (用户面可选) │ └── 按序递交与重复检测 │ ├── 控制面数据传输 │ ├── 加密 (Ciphering) │ ├── 完整性保护 (必选) │ └── 按序递交与重复检测 │ ├── PDCP 重建 (Re-establishment) │ └── 切换、RRC重建等场景下的PDCP恢复 │ ├── PDCP 数据恢复 (Data Recovery) │ └── RLC AM实体重建时的恢复 │ ├── PDCP 复制 (Duplication) ← R16增强 │ ├── 双连接场景 (CA复制) │ └── 多RLC实体承载同一PDCP实体 │ ├── SDU 丢弃 │ └── 基于 discardTimer 的超时丢弃 │ └── PDCP 状态报告 └── 用于PDCP重建后的状态同步1.3 R15 → R16 演进要点特性R15R16基本 PDCP 功能头压缩/加密/完整性保护继承ROHC基础 ROHC 框架ROHC 增强PDCP 复制CA 复制增强复制多RLC实体灵活配置NR-U 适配无新增非授权频谱 PDCP 增强IAB 支持无IAB 节点 PDCP 功能以太网头压缩无EHC (Ethernet Header Compression)上行数据压缩无UDC (Uplink Data Compression)PDCP 重复基础增强的重复激活/去激活机制二、逐章节深度解读2.1 PDCP 实体架构每个 PDCP 实体关联一个或两个复制场景RLC 实体。┌─────────────────────────────────────────────┐ │ PDCP 实体 │ │ │ │ ┌───────────────────────────────────────┐ │ │ │ 发送侧 │ │ │ │ │ │ │ │ PDCP SDU → SN分配 → 头压缩(UP only) │ │ │ │ → 完整性保护 → 加密 │ │ │ │ → 添加PDCP头 → PDCP PDU │ │ │ └───────────────────────────────────────┘ │ │ │ │ │ ▼ │ │ ┌─────────┬─────────┐ │ │ │ 主 RLC │ 辅 RLC │ (复制场景) │ │ │ 实体 │ 实体 │ │ │ └─────────┴─────────┘ │ │ ▲ │ │ ┌───────────────────────────────────────┐ │ │ │ 接收侧 │ │ │ │ │ │ │ │ PDCP PDU → 去PDCP头 → 解密 │ │ │ │ → 完整性校验 → 头解压缩(UP) │ │ │ │ → 重排序 → 重复检测 │ │ │ │ → 按序递交 → PDCP SDU │ │ │ └───────────────────────────────────────┘ │ └─────────────────────────────────────────────┘PDCP 实体与无线承载的关系:SRB (Signaling Radio Bearer): 一个 PDCP 实体关联一个 AM RLC 实体DRB (Data Radio Bearer): 一个 PDCP 实体关联一个或两个 RLC 实体2.2 PDCP PDU 格式详解2.2.1 Data PDU (用户面, 12 bit SN)┌───────────────────────────────────────────┐ │ D/C│R│R│R│ SN (12 bit) │ Oct 1-2 │ ├───────────────────────────────────────────┤ │ Data │ Oct 3-N │ │ │ │ ├───────────────────────────────────────────┤ │ MAC-I (可选, 4 octets) │ Oct N1-N4│ └───────────────────────────────────────────┘字段说明:D/C: 0Control PDU, 1Data PDUR: 保留位SN: PDCP Sequence NumberData: 上层数据加密后MAC-I: 消息认证码-完整性 (Message Authentication Code for Integrity)2.2.2 Data PDU (控制面, 12 bit SN)┌───────────────────────────────────────────┐ │ D/C│R│R│R│ SN (12 bit) │ Oct 1-2 │ ├───────────────────────────────────────────┤ │ MAC-I (4 octets) │ Oct 3-6 │ ├───────────────────────────────────────────┤ │ Data │ Oct 7-N │ └───────────────────────────────────────────┘控制面 Data PDU 中 MAC-I 位于 Data 之前完整性保护是强制的2.2.3 Data PDU (18 bit SN)┌───────────────────────────────────────────┐ │ D/C│R│R│R│ SN (18 bit) │ Oct 1-3 │ ├───────────────────────────────────────────┤ │ Data / MAC-I │ Oct 4-N │ └───────────────────────────────────────────┘支持更大 SN 空间适用于超高速率场景2.2.4 Control PDU — PDCP Status Report┌───────────────────────────────────────────┐ │ D/C│ PDU Type (3 bit) │R│R│R│R│ Oct 1 │ │ 0 │ 000 │ │ │ │ │ │ ├───────────────────────────────────────────┤ │ FMC (32 bit) │ Oct 2-5 │ ├───────────────────────────────────────────┤ │ Bitmap (可选) │ Oct 6-N │ └───────────────────────────────────────────┘字段说明:PDU Type: 000 PDCP Status Report, 001 Interspersed ROHC feedbackFMC(First Missing COUNT): 第一个丢失的 PDCP SDU 的 COUNT 值Bitmap: 指示 FMC 之后的接收状态 (1已接收, 0缺失)2.2.5 Control PDU — ROHC Feedback┌───────────────────────────────────────────┐ │ D/C│ PDU Type (3 bit) │R│R│R│R│ Oct 1 │ │ 0 │ 001 │ │ │ │ │ │ ├───────────────────────────────────────────┤ │ ROHC Feedback Data │ Oct 2-N │ └───────────────────────────────────────────┘用于传递 ROHC 压缩器的反馈信息2.3 用户面和控制面 PDCP 差异特性用户面 (UP)控制面 (CP)头压缩 (ROHC)支持不支持加密支持支持完整性保护可选强制MAC-I 位置Data 之后Data 之前重复检测支持支持按序递交支持支持关联 RLC 模式UM 或 AM仅 AMPDCP 复制支持不支持以太网头压缩 (EHC)支持 (R16)不支持上行数据压缩 (UDC)支持 (R16)不支持2.4 ROHC 协议详解2.4.1 ROHC 框架ROHC (RObust Header Compression) 用于压缩 IP/UDP/RTP 包头大幅减少空口传输开销。原始包 (VoIP 示例): ┌──────────────────────────────────────────────┐ │ L2 │ IP(20B) │ UDP(8B) │ RTP(12B) │ Payload │ → 40B 头开销 └──────────────────────────────────────────────┘ │ ROHC 压缩 ▼ ┌──────────────────────────────────────────────┐ │ L2 │ ROHC(1-3B) │ Payload │ → 1-3B 头开销 └──────────────────────────────────────────────┘2.4.2 ROHC 相关 RFCRFC内容用途RFC 5795ROHC 框架ROHC 基础框架和通用概念RFC 3095ROHC over IP/UDP/RTPRTP/UDP/IP 压缩配置RFC 4815ROHC 修正与澄清RFC 3095 的修正和补充RFC 6846ROHC TCPTCP/IP 包头压缩配置2.4.3 ROHC 协议栈结构┌──────────────────────────────┐ │ ROHC 压缩器/解压器 │ │ │ │ ┌────────────────────────┐ │ │ │ Profile 选择 │ │ │ │ - RTP (0x0001) │ │ │ │ - UDP (0x0002) │ │ │ │ - ESP (0x0003) │ │ │ │ - IP (0x0004) │ │ │ │ - TCP (0x0006) │ │ │ └────────────────────────┘ │ │ │ │ ┌────────────────────────┐ │ │ │ 模式 (Mode) │ │ │ │ - U-mode (单向) │ │ │ │ - O-mode (双向乐观) │ │ │ │ - R-mode (双向可靠) │ │ │ └────────────────────────┘ │ │ │ │ ┌────────────────────────┐ │ │ │ 状态 (State) │ │ │ │ - IR (初始化刷新) │ │ │ │ - FO (一阶) │ │ │ │ - SO (二阶) │ │ │ └────────────────────────┘ │ └──────────────────────────────┘2.4.4 ROHC 在 PDCP 中的配置-- PDCP-Config 中的 ROHC 配置 pdcp-Config :: SEQUENCE { ... headerCompression CHOICE { notUsed NULL, rohc SEQUENCE { maxCID INTEGER (1..16383), profiles SEQUENCE { profile0x0001 BOOLEAN, -- RTP/UDP/IP profile0x0002 BOOLEAN, -- UDP/IP profile0x0003 BOOLEAN, -- ESP/IP profile0x0004 BOOLEAN, -- IP profile0x0006 BOOLEAN, -- TCP/IP ... }, drb-ContinueROHC ENUMERATED {true} } } }关键参数:maxCID: 最大 Context ID (1-16383)决定压缩上下文数量profiles: 启用的 ROHC profiledrb-ContinueROHC: 切换后是否继续 ROHC 上下文2.5 安全机制2.5.1 加密算法算法名称密钥长度说明NEA0Null ciphering—不加密仅测试用NEA1128-Snow3G128 bit基于 Snow 3GNEA2128-AES128 bit基于 AES-CTRNEA3128-ZUC128 bit基于 ZUC 流密码加密过程:密钥参数: KEY ← K_UPenc (用户面) / K_RRCenc (控制面) COUNT ← HFN PDCP SN BEARER ← RB identity DIRECTION ← 0(UL) / 1(DL) LENGTH ← PDCP SDU 长度 加密: KEYSTREAM BLOCK NEA(KEY, COUNT, BEARER, DIRECTION, LENGTH) CIPHERTEXT PLAINTEXT XOR KEYSTREAM BLOCK2.5.2 完整性保护算法算法名称MAC-I 长度说明NIA0Null integrity—无完整性保护仅测试用NIA1128-Snow3G32 bit基于 Snow 3GNIA2128-AES32 bit基于 AES-CMACNIA3128-ZUC32 bit基于 ZUC 完整性算法完整性保护过程:输入参数: KEY ← K_UPint / K_RRCint COUNT ← HFN PDCP SN BEARER ← RB identity DIRECTION ← 0(UL) / 1(DL) MESSAGE ← PDCP Data PDU (不含 MAC-I 字段) 计算: MAC-I/NAS-MAC NIA(KEY, COUNT, BEARER, DIRECTION, MESSAGE)2.5.3 与 TS 33.501 的接口关系TS 33.501 (安全架构) TS 38.323 (PDCP) ┌──────────────────┐ ┌──────────────────┐ │ 密钥派生 │ │ │ │ K_gNB → K_RRCenc│──────────────►│ 加密 (RRC) │ │ K_gNB → K_RRCint│──────────────►│ 完整性 (RRC) │ │ K_gNB → K_UPenc │──────────────►│ 加密 (UP) │ │ K_gNB → K_UPint │──────────────►│ 完整性 (UP) │ └──────────────────┘ └──────────────────┘安全激活流程:1. gNB 完成 AS SMC (Security Mode Command) 2. RRC 配置 PDCP 实体的安全参数 3. PDCP 开始对后续 PDCP PDU 执行加密/完整性保护 4. 上行和下行独立激活2.6 PDCP 重建与恢复2.6.1 PDCP 重建 (Re-establishment)PDCP 重建由上层RRC请求触发常见场景包括切换 (Handover)RRC 连接重建 (RRC Connection Re-establishment)RRC 连接恢复 (RRC Resume触发 SRB PDCP 重建)重建过程:PDCP 重建触发 │ ▼ ┌─────────────────────────────────┐ │ 上行 PDCP 重建 │ │ 1. 对 SRB: 复位 ROHC 协议 │ │ 2. 对 UM DRB: 复位 ROHC │ │ 3. 对 AM DRB: 从第一个未确认的 │ │ PDCP SDU 开始重传 │ │ 4. 重新计算所有 PDCP PDU 的 │ │ 加密和完整性保护 │ │ (使用新的安全密钥) │ └─────────────────────────────────┘ │ ▼ ┌─────────────────────────────────┐ │ 下行 PDCP 重建 │ │ 1. 对 SRB: 处理并递交所有已接收 │ │ 但未递交的 PDCP SDU │ │ 2. 对 UM DRB: 复位 ROHC │ │ 3. 对 AM DRB: 存储并处理已接收 │ │ PDCP SDU │ └─────────────────────────────────┘发送侧处理:UM DRB: TX_NEXT 0 不重传 PDCP SDU AM DRB: TX_NEXT 第一个未确认的 PDCP SDU 的 COUNT 从 TX_NEXT 开始重传所有已分配 SN 但未确认的 PDCP SDU SRB: 丢弃所有已存储的 PDCP SDU/PDU接收侧处理:UM DRB: - 尝试解压缩并递交所有已接收的 PDCP SDU - RX_NEXT 0, RX_DELIV 0 - 复位 ROHC AM DRB: - 处理所有已接收的 PDCP PDU - 解压缩并递交所有可递交的 PDCP SDU - 存储乱序 SDU 等待后续补齐 SRB: - 处理并递交所有已接收的 PDCP SDU - 丢弃所有剩余的 PDCP PDU2.6.2 PDCP 数据恢复 (Data Recovery)PDCP 数据恢复用于 RLC AM 实体重建后恢复数据传输。触发条件:下层RLC指示重建完成上层请求数据恢复恢复过程:对于 AM DRB: 1. 从第一个未确认的 PDCP SDU 开始重传 2. 使用已有的安全密钥 3. 保持 ROHC 上下文不变 4. 不改变 COUNT 值 与 PDCP 重建的区别: - 重建: 使用新密钥ROHC 可复位 - 恢复: 保持密钥和 ROHC 上下文2.7 PDCP 复制 (Duplication)2.7.1 基本概念PDCP 复制是 R15 引入、R16 增强的功能通过在不同载波上发送相同的 PDCP PDU 来提高可靠性。┌─────────────┐ │ PDCP 实体 │ └──────┬──────┘ │ ┌──────▼──────┐ │ 原始 PDCP PDU│ └──────┬──────┘ │ ┌────────────┼────────────┐ │ │ │ ┌────▼───┐ ┌───▼────┐ │ │ RLC #1 │ │ RLC #2 │ (可更多) │ 主路径 │ │ 辅路径 │ └────┬───┘ └───┬────┘ │ │ ┌────▼───┐ ┌───▼────┐ │ 载波 1 │ │ 载波 2 │ │ (PCell) │ │ (SCell) │ └────────┘ └────────┘2.7.2 R15 复制 vs R16 增强特性R15R16 增强最大 RLC 实体数2 (主辅)支持更多 RLC 实体激活/去激活MAC CEMAC CE 增强SCell 限制仅配置的 SCell灵活选择初始状态可配置激活/去激活增强初始状态控制复制指示无复制指示增强2.7.3 复制配置示例-- RRC 中的 PDCP 复制配置 PDCP-Config :: SEQUENCE { ... moreThanOneRLC SEQUENCE { primaryPath SEQUENCE { cellGroup CellGroupId, logicalChannel LogicalChannelIdentity }, ul-DataSplitThreshold ENUMERATED {...}, pdcp-Duplication BOOLEAN } }复制激活/去激活:通过 MAC CE 控制每条复制路径的激活/去激活激活后PDCP PDU 同时提交给主 RLC 实体和辅 RLC 实体去激活后仅使用主 RLC 实体2.8 PDCP SDU 丢弃discardTimer 机制: PDCP SDU 到达 │ ▼ 启动 discardTimer (由 RRC 配置) │ ├── 成功递交到下层 → 停止定时器 │ └── 定时器超时 → 丢弃 SDU │ ▼ 通知下层丢弃对应 PDCP PDU参数说明范围discardTimerSDU 存活时间由 RRC 配置 (ms)2.9 R16 新增: 以太网头压缩 (EHC)R16 引入以太网头压缩功能用于支持 5G LAN/TSN 业务。EHC 特点:支持以太网帧头部压缩基于 ROHC 框架扩展适用于工业互联网和 TSN 场景EHC 协议栈:┌──────────────────────────────────┐ │ 以太网帧 (含 VLAN 标签等) │ └──────────────┬───────────────────┘ │ EHC 压缩 ▼ ┌──────────────────────────────────┐ │ 压缩后的以太网头 Payload │ └──────────────┬───────────────────┘ │ PDCP 处理 ▼ ┌──────────────────────────────────┐ │ PDCP PDU │ └──────────────────────────────────┘2.10 R16 新增: 上行数据压缩 (UDC)UDC 用于压缩上行数据减少上行传输资源消耗。UDC 特点:使用 DEFLATE 算法基于 RFC 1951可选功能由 UE 能力决定配置在 PDCP-Config 中-- UDC 配置 uplinkDataCompression :: SEQUENCE { bufferSize ENUMERATED {kbyte2, kbyte4, kbyte8, spare1}, dictionary ENUMERATED { sip-SDP, operatorDefined, ... } }三、与其他标准的脉络关系图3.1 协议栈上下文┌────────────────────────────────────────────────────────────┐ │ 应用层 │ │ IP / Ethernet │ ├──────────┬──────────┬──────────┬──────────┬────────────────┤ │ RRC │ SDAP │ │ │ │ │ (38.331) │ (37.324) │ │ │ │ ├──────────┴──────────┴──────────┴──────────┴────────────────┤ │ PDCP (38.323) │ │ ┌──────────────────────────────────────────────────────┐ │ │ │ 加密(NEA0/1/2/3) ← 33.501 完整性(NIA0/1/2/3) │ │ │ │ ROHC ← RFC 5795/3095/4815/6846 │ │ │ │ EHC/UDC (R16) │ │ │ └──────────────────────────────────────────────────────┘ │ ├────────────────────────────────────────────────────────────┤ │ RLC (38.322) │ ├────────────────────────────────────────────────────────────┤ │ MAC (38.321) │ ├────────────────────────────────────────────────────────────┤ │ PHY (38.2xx) │ └────────────────────────────────────────────────────────────┘3.2 接口交互矩阵接口方向内容PDCP ← RRC配置PDCP-Config, 安全算法, ROHC 参数PDCP → RRC指示完整性校验失败, PDCP 重建完成PDCP ← SDAP数据QoS Flow → DRB 映射PDCP → RLC数据PDCP PDU (作为 RLC SDU)PDCP ← RLC指示RLC 重建通知 (触发 PDCP 恢复)PDCP ← 33.501密钥K_UPenc, K_UPint, K_RRCenc, K_RRCint3.3 COUNT 值结构COUNT (32 bit) ┌──────────────────┬──────────────────────┐ │ HFN (高位) │ PDCP SN (低位) │ │ (32 - SN 长度) │ (SN 长度) │ └──────────────────┴──────────────────────┘ 示例 (SN12 bit): ┌────────────────────┬────────────┐ │ HFN (20 bit) │ SN (12 bit)│ └────────────────────┴────────────┘ 示例 (SN18 bit): ┌──────────┬─────────────────────┐ │ HFN (14) │ SN (18 bit) │ └──────────┴─────────────────────┘COUNT 用于:加密/完整性保护的输入参数接收窗口管理和重复检测状态报告中的 FMC 指示四、参数表详解4.1 核心参数参数适用模式说明配置范围sn-FieldLength所有PDCP SN 长度12 bit 或 18 bitdiscardTimer所有SDU 丢弃定时器ms 级别t-Reordering所有重排序定时器ms 级别pdcp-SN-SizeDL所有下行 SN 长度12/18 bitpdcp-SN-SizeUL所有上行 SN 长度12/18 bitmaxCIDUP (ROHC)最大 Context ID1-16383profilesUP (ROHC)ROHC Profile 集位图drb-ContinueROHCUP (ROHC)切换后继续 ROHCtrue/falsecipheringAlgorithm所有加密算法NEA0/1/2/3integrityProtAlgorithm所有完整性算法NIA0/1/2/3statusReportRequiredAM DRB是否需要状态报告true/falseoutOfOrderDeliveryAM DRB乱序递交true/false4.2 t-Reordering 详解属性说明用途接收侧等待乱序 PDCP PDU 的定时器启动条件收到 SN RX_DELIV 的 PDU 时停止条件RX_DELIV 推进到 ≥ 触发 SN超时处理递交所有 COUNT RX_REORD 的 SDU对 AM DRB超时后可能触发 PDCP 状态报告4.3 窗口参数参数值说明PDCP SN 12 bit窗口大小 2048[0, 2047] 循环使用PDCP SN 18 bit窗口大小 131072[0, 131071] 循环使用HFN 大小32 - SN bit当 SN 回绕时 HFN 递增4.4 安全参数配置-- RRC SecurityConfig SecurityConfig :: SEQUENCE { securityAlgorithmConfig SEQUENCE { cipheringAlgorithm CipheringAlgorithm, integrityProtAlgorithm IntegrityProtAlgorithm }, keyToUse ENUMERATED {master, secondary} } CipheringAlgorithm :: ENUMERATED { nea0, nea1, nea2, nea3, spare4, ... } IntegrityProtAlgorithm :: ENUMERATED { nia0, nia1, nia2, nia3, spare4, ... }五、R15 → R16 演进详解5.1 PDCP 复制增强多路径复制: 从 2 个 RLC 实体扩展到支持更多灵活激活: MAC CE 增强以支持独立路径控制初始状态: 更灵活的初始激活/去激活配置5.2 NR-U 增强适配非授权频谱的 LBT 不确定性PDCP 层面的重传和复制策略优化5.3 以太网头压缩 (EHC)支持 5G LAN 和 TSN 场景基于 ROHC 框架的以太网帧压缩减少工业以太网业务空口开销5.4 上行数据压缩 (UDC)使用 DEFLATE 算法压缩上行数据可配置缓冲区大小和字典有效减少上行带宽消耗5.5 IAB 支持IAB 节点的 PDCP 功能增强回传链路 (BH RLC channel) 上的 PDCP 适配5.6 Sidelink PDCPNR V2X Sidelink 通信的 PDCP 支持PC5 接口上的 PDCP 实体六、延伸阅读6.1 相关 3GPP 规范规范内容关系TS 38.322RLC 协议下层接口TS 38.321MAC 协议下层接口TS 38.331RRC 协议配置 PDCPTS 37.324SDAP 协议QFI 到 DRB 映射TS 33.501安全架构密钥派生和算法TS 38.300NR 总体描述协议栈概述TS 38.314层二测量PDCP 测量项TS 36.323LTE PDCP对比参考6.2 关键 IETF RFCRFC内容相关度RFC 5795ROHC 框架核心RFC 3095ROHC RTP/UDP/IP核心RFC 4815ROHC 修正重要RFC 6846ROHC TCP重要RFC 5225ROHCv2 Profiles参考RFC 1951DEFLATE 压缩UDC 使用6.3 参考书籍5G NR: The Next Generation Wireless Access Technology(Dahlman et al.) — 第 7 章 PDCP5G NR: Architecture, Technology, Implementation(Ahmadi) — 第 9 章 PDCP5G System Design: Architectural and Functional Considerations(Marsch et al.) — 层二设计LTE-Advanced and Next Generation Wireless Networks(de la Roche et al.) — ROHC 章节6.4 实用资源3GPP 规范: https://www.3gpp.org/ftp/Specs/archive/38_series/38.323/开源实现:OpenAirInterface 5G:openair2/LAYER2/nr_pdcp/srsRAN:lib/pdcp/free5GRAN: PDCP 模块ROHC 库: rohc-lib (开源 ROHC 实现)文档版本: 1.0生成日期: 2026-07-28适用版本: 3GPP TS 38.323 V16.x.x (Release 16)作者声明: 本文档仅供技术学习参考具体实现请以 3GPP 官方规范为准系列导航上一篇见系列第 09 篇下一篇见系列第 11 篇返回系列开篇与全部目录《3GPP 5G NR 协议与射频指标深度解读写在系列之前》