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空口协议栈的介绍及CA对其的影响

news 2025/11/13 9:54:30

在没有CA的情况下，一个终端只连接一个服务小区（一个载波），所有协议层都为此单个载波服务。引入CA后，一个终端可以同时通过多个成员载波与网络通信。协议栈需要管理这些并行的载波，但对上层（核心网）和应用程序来说，这仍然表现为一个单一的、更高带宽的“虚拟管道”。

一、空口协议栈的分层结构

用户面主要负责用户数据的传输。我们从上到下，逐一深入讲解每一层的职责和核心机制。

1. 分组数据汇聚协议层

IP头压缩：使用ROHC算法，将巨大的IP/UDP/TCP头（通常40-60字节）压缩到几个字节。这对于语音、视频等小数据包业务效率提升至关重要。

安全性保障：负责对用户面数据和控制面信令进行加密和完整性保护。

按序递交：在切换等场景下，可能发生数据包乱序到达，PDCP负责将数据包重新排序后递交给上层。

深入理解：

PDCP是用户数据进入空口协议栈的“第一道加工站”，它让数据变得“更轻便、更安全”。
在双连接等高级技术中，一个PDCP实体可以对应多个RLC实体，实现数据分流。

2. 无线链路控制层

分段与重组： MAC层调度器决定了一次传输块的大小，RLC负责将来自PDCP的、大小不等的数据包，分割或拼接成适合传输块的大小。

纠错：通过ARQ机制进行错误修正。如果RLC层检测到数据包丢失或错误（基于下层HARQ的失败或自身序列号检查），它会发起重传。

按序递交：在AM下，确保递交给PDCP层的数据是顺序的。

深入理解：

三种工作模式：

透明模式：不添加任何头，用于语音等实时性要求高的业务。
非确认模式：进行分段/重组，但不重传，用于广播等业务。
确认模式：具备所有功能，是数据业务的主要模式。

HARQ与ARQ的关系： HARQ在MAC层，速度快但可能出错；ARQ在RLC层，速度慢但更可靠。二者构成了空口的两级重传机制，确保了高可靠性。

3. 媒体接入控制层

调度：这是MAC层最核心的功能，由基站实现。调度器就像交通指挥中心，决定在什么时候、为哪个用户、使用多少无线资源（RB）。调度算法会综合考虑信道质量、QoS要求、公平性、缓冲区状态等。

复用与解复用：将多个逻辑信道（对应不同的业务或承载）的数据复用到一个传输块中，通过物理层发送。

HARQ：快速重传机制。接收方在收到数据后，会立刻回复ACK或NACK。如果收到NACK，发送方会快速重传。HARQ通过“停止等待”协议和软合并技术，极大地提高了传输效率。

深入理解：

MAC层是资源管理和效率优化的核心。它直接将逻辑上的数据流映射到物理层的时频资源上。
在载波聚合中，MAC层的一个实体管理多个载波的逻辑信道和HARQ实体，是并行传输的“大脑”。

4. 物理层

信号处理：负责编码、解码、调制、解调、加扰等。

信道编码：给数据添加冗余，对抗信道干扰。
调制：将数字比特映射到模拟波形上。

多天线技术：实现MIMO，通过空间复用提升速率，通过波束赋形提升覆盖。

时频资源映射：将MAC层传来的传输块，映射到具体的OFDM时频资源格上。

深入理解：

物理层是协议栈的“搬运工”，负责将数字比特转化为电磁波在空气中传播。
物理层的性能直接决定了空口的峰值速率、覆盖和时延。

二、控制面协议栈

控制面负责管理连接、控制行为。它大部分与用户面共享底层协议（PHY, MAC, RLC），但有自己的高层信令协议。

RRC：

位于eNodeB中，是控制面的核心。
负责连接管理（建立、修改、释放RRC连接）、无线承载管理、系统信息广播、移动性管理（切换、小区选择/重选）等。
RRC消息通常承载在SRB上。

NAS：

位于终端和核心网之间，透明通过eNodeB。
负责核心网层面的连接和会话管理，如鉴权、业务请求、承载建立等。

三、协议栈的协同工作流程

让我们以一个用户下载文件的例子，看整个协议栈如何协同：

数据到达： IP数据包（如一个HTTP响应）到达基站的PDCP层。
PDCP处理： PDCP层对IP包进行头压缩，并进行加密，然后打上PDCP头，交给RLC层。
RLC处理： RLC层根据MAC层指示的传输块大小，将PDCP PDU进行分段，并打上RLC头（包含序列号），形成RLC PDU。
MAC调度： MAC调度器根据当前信道条件和优先级，决定在下一个TTI调度这个用户。它将RLC PDU与其他数据（如有）复用，添加MAC头，形成一个传输块，交给物理层。
PHY发送：物理层对传输块进行信道编码、调制，并将其映射到指定的OFDM时频资源上，通过天线发射出去。
终端侧反向过程：终端物理层接收到信号，进行解调、解码。MAC层进行HARQ校验，若失败则要求重传。若成功，则解复用并将数据递给RLC层。RLC层重组RLC PDU，并按序递交给PDCP层。PDCP层进行解密和解头压缩，恢复出原始的IP包，交给终端的应用程序。

好的，这是一个非常专业且核心的问题。LTE载波聚合（CA）是提升数据速率和网络容量的关键技术，它对空口协议栈的影响是根本性的，其核心思想可以概括为：“在高层保持单一性，在低层实现并行化”。

下面我们分层详细解析CA对空口协议栈（用户面）的影响。

四、CA对各协议层的影响

我们从协议栈自上而下分析：

1. PDCP 层

影响：基本无影响，保持单一性。

详细说明：

PDCP层负责安全性（加密和完整性保护）、头压缩（ROHC）和重排序。在CA中，一个无线承载（Radio Bearer）只由一个PDCP实体处理。

无论数据包最终通过哪个成员载波发送，它们都经过同一个PDCP实体进行加/解密和头压缩。PDCP层向下层（RLC层）提供的数据包是顺序的，并负责将接收到的数据包按序递交给上层。

2. RLC 层

影响：基本无影响，保持单一性。

详细说明：

RLC层负责分段/重组、ARQ纠错和保证按序递交（在确认模式下）。

与PDCP类似，一个无线承载也对应一个RLC实体。

这个RLC实体并不关心其下层（MAC层）有多少个逻辑信道或物理载波。它只处理来自PDCP的RLC SDU，并将其分段成RLC PDU传递给MAC层。在接收端，它从MAC层接收RLC PDU并进行重组和重排序。

3. MAC 层

影响：重大影响，是实现CA并行化的核心。

详细说明：

MAC层是受CA影响最大的层。它引入了多个逻辑信道和多个HARQ实体。

调度与复用：一个MAC实体需要管理多个逻辑信道（每个载波对应一个或多个）。MAC调度器位于基站（eNodeB）中，它根据每个成员载波的无线信道质量、缓冲区状态、QoS要求等，动态地决定将哪个逻辑信道的数据在哪个成员载波上发送。这是CA提升效率的关键。

HARQ实体：在非CA中，一个MAC实体对应一个HARQ实体。在CA中，每个成员载波（Cell）都有自己的独立HARQ实体。这意味着：

每个载波都有自己的停等进程。
一个载波上的传输错误和重传不会直接影响另一个载波。
这大大提高了链路的鲁棒性和效率。

功能总结： MAC层将来自单一RLC实体的数据流，动态地分发到多个并行的物理链路上，并独立管理每条链路的快速重传。

4. 物理层

影响：重大影响，是CA的物理基础。

详细说明：

多套射频链：终端和基站需要支持多套并行的射频收发链，以同时在不同频段上收发信号。

独立的物理信道：每个成员载波都有自己独立的一套物理信道（PDSCH, PUSCH, PDCCH, PUCCH等）。

控制信令：

PDCCH： 调度信令可以灵活配置。最常见的是，每个成员载波都有自己的PDCCH来调度自己的PDSCH/PUSCH。但也支持跨载波调度，即一个载波上的PDCCH可以调度另一个载波上的数据。
PUCCH： 在早期的CA规范中，只有主小区（PCell）可以发送PUCCH，用于传输CQI、PMI、RI等信道状态信息以及ACK/NACK。这意味着所有载波的ACK/NACK都需要在PCell的PUCCH上合并反馈，这对PUCCH的设计提出了更高要求。后续版本也支持在辅小区（SCell）上发送PUCCH。

CSI报告：终端需要为每个激活的成员载波单独测量并报告信道状态信息（CQI, PMI, RI），以便基站进行精准的调度。

五、关键概念：PCell 和 SCell

为了管理多个载波，CA引入了两个关键角色：

主小区：

是初始建立连接的小区。
负责传输控制信令（如RRC连接）、系统信息。
通常承载PUCCH（上行控制信令）。
是连接可靠性的锚点，即使SCell失败，连接仍可通过PCell维持。

辅小区：

在RRC连接建立后，通过RRC重配消息动态添加、修改或释放。
主要提供额外的数据传输资源（PDSCH/PUSCH）。
可以被快速激活或去激活以节省终端功耗。

六、总结

协议层	非载波聚合（单载波）	载波聚合（多载波）	影响总结
PDCP	单一实体	单一实体	无变化，保持数据流统一
RLC	单一实体	单一实体	无变化，保持数据流统一
MAC	单一实体，一个HARQ进程组	单一实体，但管理多个逻辑信道和多个HARQ实体	核心变化，实现数据分流与并行传输
PHY	一套射频链，一个载波	多套射频链，多个载波（PCell + SCell(s)）	基础性变化，提供物理并行能力