LTE系统中PDCP子层功能研究

摘要：针对LTE系统的高数据速率和海量信息容量的特点，对分组数据汇聚协议(PDCP)在功能上进行了改进。对压缩算法进行了简化，支持完整性保护和加密(UMTS的加密在RLC的非TM模式和MAC的TM模式下实现)功能，分析了新的上下行数据传输方式以及在切换时的PDU重排序，最后设计了在OPNET中PDCP的具体实现方式。
关键词：LTE；分组数据汇聚协议；OPNET；UMTS

0 引言
3GPP希望通过升级诸如HSDPA和HSUPA这样的无线接口技术，来确保未来10年或者更长的时间内，保持竞争能力。因此LTE长期演进主要是以降低时延、提高用户数据速率、改善系统容量以及覆盖，并且降低运营商的成本为目标。为了实现这些目标，LTE系统设计涵盖了无线接口和无线网络架构两个方面。
本文研究的分组数据汇聚协议(Packet Data Convergence Protocol，PDCP)层属于无线接口协议栈的第二层，处理控制平面上的无线资源管理(RRC)消息以及用户平面上的因特网协议(IP)包。在用户平面上，PDCP子层得到来自上层的IP数据分组后，可以对IP数据分组进行头压缩和加密，然后递交到RLC子层。PDCP子层还向上层提供按序提交和重复分组检测功能。在控制平面，PDCP子层为上层RRC提供信令传输服务，并实现RRC信令的加密和一致性保护，以及在反方向上实现RRC信令的解密和一致性检查。

1 PDCP子层功能
PDCP子层的主要功能如图1所示。

PDCP协议包括以下具体支持的功能：
(1)用户平面数据的报头压缩和解压缩。
(2)安全性功能：
①用户和控制平面协议的加密和解密；
②控制平面数据的完整性保护和验证。
(3)数据的传输功能：
①下层重建时，对向上层发送的PDU顺序发送和重排序；
②对映射到AM模式的RB的下层SDU进行重排序。
(4)数据包的丢弃。
1．1 报头压缩
在LTE系统中，规定PDCP子层支持由IETF(互联网工程任务组)定义的健壮性报头压缩协议(ROHC)来进行报头压缩。在LTE中，因其不支持通过电路交换域(CS)传输的语音业务，为了在分组交换域(PS)提供语音业务且接近常规电路交换域的效率，必须对IP／UDP／RTP报头进行压缩，这些报头通常用于VoIP业务。
典型的，对于一个含有32 B有效载荷的VoIP分组传输来说，IPv6报头增加60 B，IPv4报头增加40 B，即188％和125％的开销。
为了解决这个问题，在LTE系统中，设定在激活周期内PDCP子层采用ROHC报头压缩技术，在压缩实体初始化之后，这一开销可被压缩成4～6个字节，即12．5％～18．8％的相对开销，从而提高了信道的效率和分组数据的有效性。
IETF在“RFC 4995”中规定了一个框架，ROHC框架中有多种头压缩算法，称为Profile，每一个Profile与特定的网络层、传输层和更上层的协议相关，如TCP／IP和RTP／UDP／IP等。具体的报头压缩协议及属性如表1所示。

报头压缩协议可以产生两种类型的输出包：
(1)压缩分组包，每一个压缩包都是由相应的PDCP SDU经过报头压缩产生的；
(2)与PDCP SDU不相关的独立包，即ROHC的反馈包。
压缩包总是与相应的PDCP SDU采用相同的PDCP SN和COUNT值；ROHC反馈包不是由PDCPSDU产生的，没有与之相关的PDCP SN，也不加密。
1．2 安全性功能
LTE的安全性是在PDCP层负责的，通过加密(控制平面RRC数据和用户平面数据)及完整性保护(仅控制平面数据)实现。
1．2．1 加密／解密
在LTE系统中，加密功能位于PDCP实体中，加密对象包括：
(1)控制平面，被加密的数据单元是PDCP PDU的数据部分(未压缩的用户面或控制面的PDCP SDU或压缩的用户平面PDCP SDU)和MAC—I域(完整性消息鉴权码)。
(2)用户平面，被加密的数据单元是PDCP PDU的数据部分。
PDCP实体所使用的加密算法和密钥(KEY)由高层协议配置。一旦激活安全功能，加密功能即被高层激活，该功能应用于高层指示的所有PDCP PDU。PDCP用于加密的参数包括以下2个：COUNT；DIRECTION(传输的方向)。
RRC协议提供给PDCP加密功能所需要的参数包括以下2个：BEARER；KEY(控制平面使用KRRCenc，用户平面使用KUPenc)。
加密是通过对消息和加密流做异或(XOR)运算来实现的，这里加密流是由基于接入层(AS)导出密钥、无线承载ID、传输方向(上行或下行)以及COUNT值的加密算法所生成的。加密仅适用于PDCP数据PDU。控制PDU(如ROHC反馈或PDCP状态报告)既不使用加密，也不适用完整性保护。
1．2．2 完整性保护
完整性保护功能包括完整性保护和完整性验证两个过程，完整性保护功能仅应用于SRB。用于PDCP实体的完整性保护功能的算法和KEY由上层配置。一旦激活安全功能，完整性保护功能即被高层激活，该功能应用于高层指示的所有PDCP PDU。PDCP用于完整性保护的参数包括以下2个：COUNT；DIREC-TION(传输的方向)。
RRC协议提供给PDCP完整性保护功能的参数包括以下2个：BEARER；KEY(控制平面使用KRRCint)。
UE基于上述输入的参数计算X-MAC，进行PDCP PDU的完整性验证。如果计算出的X-MAC与MAC-I相同，则完整性保护验证成功。
1．3 数据的传输
控制平面的PDCP PDU和用户平面的PDCP数据PDU都拥有一个序列号SN字段，PDCP子层的发送和接收实体就是通过设置和检查SN字段来实现PDCPPDU的按序发送和接收。PDCP子层在发送侧和接收侧分别维护一个重排序窗口的大小是SN范围的50％。当SN为0～4 095时，即“最大PDCP SN”的值为4 095时，重排序窗口的大小为2 048。
在非切换状态下，RLC子层位为PDCP子层提供按序提交和重复包丢弃服务。而在切换状态下，由于UE与两个eNodeB同时通信，因此其RLC子层无法保证按序提交和重复包丢弃，从而需要由PDCP子层来完成这些功能。
下面以UE侧的操作为例说明PDCP子层的发送和接收流程。
1．3．1 上行发送
每一个PDCP SDU对应一个Discard Timer，一旦由高层接收到一个PDCP SDU，即启动该SDU对应的Discard Timer。同时，进行发送相关的状态变量更新及加密、完整性保护等，具体过程如图2所示。