• 1.PDCP简介
• 2 PDCP数据过程
  • 2.1 数据发送
  • 2.2 数据接收
  • 2.3 变量维护
• 3 PDCP状态报告
  • 3.1触发时机
  • 3.2 状态报告流程
    • 3.2.1. 切换决策与准备（Preparation）
    • 3.2.2. 切换执行（Execution）
    • 3.2.3. UE侧（接收端）处理 - 生成状态报告
    • 3.2.4. 目标gNB侧（发送端）处理 - 解析与重传
    • 3.2.5. 恢复与完成（Completion）
  • 3.3 总结

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1.PDCP简介

PDCP层主要承担以下功能：

1. 用户面数据传输：对数据包进行头压缩、加密。

2. 控制面数据传输：对RRC和NAS信令进行加密和完整性保护。

3. 重复丢弃：基于SN检测并丢弃重复接收的数据包。

4. 按序递交：对接收到的数据包进行重排序，然后按序递交给上层。

5. 超时丢弃：对于因HARQ失败等原因一直无法成功接收的数据包，在定时器超时后通知上层并丢弃。

PDCP实体与无线承载（RB）一一对应，分为SRB（信令无线承载） 和 DRB（数据无线承载）。

2 PDCP数据过程

2.1 数据发送

发送端主要负责从上层（SDAP或RRC）接收数据包（PDCP SDU），进行处理后交给下层（RLC）。

1. 接收SDU与分配SN

   • 从上层（对于DRB是SDAP，对于SRB是RRC）接收PDCP SDU。

   • 为每个SDU分配一个序列号（SN）。SN的长度由RB类型决定（SRB通常为12bit，DRB可为12bit、18bit等）。

   • 关键变量 TX_NEXT： 用于分配SN的计数器。将当前 TX_NEXT 的值分配给SDU，然后 TX_NEXT 递增。

2. 头压缩（仅限用户面DRB）

   • 使用ROHC（Robust Header Compression）协议对IP数据包的头进行压缩，以减少无线空口的开销。

3. 完整性保护（仅限控制面SRB）

   • 使用特定的算法和密钥为数据计算一个消息认证码（MAC-I），并将其附加在PDCP PDU的尾部。

4. 加密（用户面和控制面）

   • 使用特定的算法和密钥对PDCP PDU的载荷（Payload） 部分进行加密。PDCP头不加密。

5. 添加PDCP头

   • 构建PDCP头，其中包含：

     • SN： 分配的序列号。

     • D/C Bit： 区分数据PDU和控制PDU。

     • …等其他标志位。

6. 缓存与下发

   • 将处理完的PDCP PDU（包含SN、加密后的数据等）下发至下层（RLC层）。

   • 同时，将该PDU的副本存入重传输缓冲区。这是为了支持PDCP层的数据恢复机制（重传）（注：主要在切换等场景下触发，不同于RLC的重传）。

PDCP 发送端流程图

graph TD
    A[接收上层SDU<br>SDAP/RRC] --> B[分配序列号 SN = TX_NEXT];
    B --> C{TX_NEXT++};
    C --> D[RB类型?];
    D -- DRB(用户面) --> E[执行ROHC头压缩];
    D -- SRB(控制面) --> F[计算并添加完整性保护MAC-I];
    E --> G[对所有数据执行加密];
    F --> G;
    G --> H[添加PDCP头<br>包含SN, D/C比特等];
    H --> I[缓存PDU副本至重传缓冲区];
    I --> J[下发PDU至下层RLC];
    J --> K(结束);

    style A fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
    style J fill:#bbf,stroke:#333,stroke-width:2px
    style K fill:#ddd,stroke:#333,stroke-width:2px

发送流程关键点：

1. 序列号分配：每个新到的SDU都会分配一个唯一的SN，由 TX_NEXT 决定，分配后 TX_NEXT 自增。

2. 差异化处理：用户面数据进行头压缩，控制面数据进行完整性保护。

3. 必选加密：所有数据（用户面和控制面）的载荷部分都会被加密。

4. 缓存机制：发送后的PDU会被缓存，主要用于切换时的数据恢复。

2.2 数据接收

接收端主要负责从下层（RLC）接收数据包（PDCP PDU），进行处理后递交给上层。

1. 接收PDU与重复检测

   • 从RLC层接收PDCP PDU。

   • 关键变量 RX_NEXT： 期望接收的下一个按序PDU的SN。

   • 重复检测： 如果收到PDU的SN < RX_NEXT，则认为是重复包，直接丢弃。

2. 解密（用户面和控制面）

   • 使用与发送端对应的算法和密钥，对PDU的载荷部分进行解密。

3. 完整性验证（仅限控制面SRB）

   • 计算接收到的数据的MAC-I，并与PDU尾部附带的MAC-I进行比对。如果验证失败，则丢弃该PDU并上报错误。

4. 头解压缩（仅限用户面DRB）

   • 对解密后的数据进行ROHC解压缩，恢复出原始的IP包头。

5. 重排序与按序交付

   • 接收端维护一个重排序窗口和重排序缓冲区。

   • 关键变量 RX_DELIV： 指向下一个需要按序递交给上层的PDU的SN。

   • 关键变量 RX_REORD： 用于管理重排序定时器t-Reordering。

   • 如果接收到的PDU的SN等于 RX_DELIV，则立即将其解密/验证后递交给上层，并递增 RX_DELIV。

   • 如果接收到的PDU的SN > RX_DELIV（即出现乱序），则将其存入重排序缓冲区。

   • 每当 RX_DELIV 被更新后，接收端都会检查重排序缓冲区中是否存在SN = RX_DELIV 的PDU。如果存在，则取出递交并再次递增 RX_DELIV，直到找不到连续的SN为止。这确保了按序交付。

6. 重排序定时器

   • 定时器 t-Reordering：

     • 当接收到一个SN > RX_DELIV 的PDU（即乱序），并且该SN超出了当前重排序窗口时，会启动或重启此定时器。

     • 该定时器超时意味着等待缺失PDU的时间已到。此时，接收端会将所有已缓存且SN < RX_REORD 的PDU都递交给上层（即使中间还有缺失），然后将 RX_DELIV 设置为 RX_REORD。这防止了因一个包丢失而一直阻塞后续所有包的上报。

PDCP 接收端流程图

graph TD
    A[从RLC接收PDU] --> B{SN < RX_NEXT?};
    B -- 是 --> C[重复包，丢弃];
    B -- 否 --> D[更新RX_NEXT为最大接收SN+1];
    D --> E[执行解密];
    E --> F{RB类型?};
    F -- SRB(控制面) --> G{完整性验证};
    G -- 失败 --> H[丢弃PDU并上报失败];
    G -- 成功 --> I[移除MAC-I];
    F -- DRB(用户面) --> J[执行ROHC头解压缩];
    I --> K[PDU送入重排序缓冲区];
    J --> K;

    subgraph 重排序与按序交付引擎
        K --> L{SN == RX_DELIV?};
        L -- 是 --> M[立即递交上层];
        M --> N[RX_DELIV++];
        N --> O[检查缓冲区：<br>SN=RX_DELIV的PDU存在?];
        O -- 存在 --> M;
        O -- 不存在 --> P[退出];
        L -- 否<br>SN > RX_DELIV --> Q[PDU存入缓冲区];
        Q --> R[启动/重启t-Reordering定时器];
    end

    R --> P;
    P --> Z(结束);

    style A fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
    style M fill:#bbf,stroke:#333,stroke-width:2px
    style Z fill:#ddd,stroke:#333,stroke-width:2px

接收流程关键点：

1. 第一道关卡 - 重复检测：利用 RX_NEXT 判断是否为重复包，是则直接丢弃。

2. 安全操作：先解密，再进行完整性验证或解压缩。

3. 核心引擎 - 重排序与按序交付：

   • 按序直达：如果收到的PDU正好是下一个期望的（SN == RX_DELIV），则直接递交上层，并尝试连续递交缓冲区中后续的数据。

   • 乱序缓存：如果收到的PDU是未来的数据（SN > RX_DELIV），则存入缓冲区，并启动/重启 t-Reordering 定时器。

4. 定时器驱动 - 超时处理：

   • 图中未直接绘制的 t-Reordering 定时器超时后，接收端会将所有已缓存且SN < RX_REORD 的PDU全部递交给上层，从而跳过丢失的包，防止交付阻塞。

2.3 变量维护

3 PDCP状态报告

NR PDCP层的状态报告（Status Report）流程是其数据恢复机制的核心，主要用于切换（Handover） 场景。

首先需要明确一个核心概念：PDCP状态报告是一个由接收端发往发送端的、用于指示丢失PDU的控制报文。它不同于RLC的状态报告，它的主要目的不是用于常规的重传（那是RLC的工作），而是用于在基站切换后，快速恢复在源基站未能成功送达的数据。

3.1触发时机

PDCP状态报告不是周期性发送的，也不是由轮询触发的。它的触发时机非常特定：

1. 主要场景：切换过程中

   • 当目标基站（Target gNB）为UE建立好新的PDCP实体后，会通过RRC信令指示UE的PDCP实体执行重建（Re-establishment）。

   • PDCP重建过程（Re-establishment） 是触发接收端生成并发送状态报告的核心指令。

2. 次要场景：连接重建立

   • 在RRC连接重建（Reconfiguration with sync）过程中也可能触发PDCP重建和状态报告流程。

3.2 状态报告流程

sequenceDiagram
    participant UE
    participant SgNB as 源 gNB
    participant TgNB as 目标 gNB

    Note over SgNB, TgNB: 1. 切换决策与准备
    SgNB->>TgNB: SN STATUS TRANSFER (HFN, Next DL SN)

    Note over UE, TgNB: 2. 切换执行
    UE->>TgNB: 同步到目标小区
    TgNB->>UE: RRC Reconfiguration<br>(指示PDCP重建)

    Note right of UE: 3. UE侧(接收端)处理
    UE->>UE: a. 暂停向上层递交<br>b. 生成PDCP状态报告
    UE->>TgNB: 发送状态报告 (FMC, 缺失SN Bitmap)

    Note right of TgNB: 4. 目标gNB侧(发送端)处理
    TgNB->>TgNB: a. 根据状态报告识别缺失PDU<br>b. 从源gNB获取数据<br>c. 从重传缓冲区重传缺失PDU
    TgNB->>UE: 重传丢失的PDCP PDU

    Note over UE, TgNB: 5. 恢复与完成
    UE->>UE: 接收重传，重组并按序递交
    UE->>TgNB: 发送状态报告确认 (可选)
    UE->>UE: 恢复正常数据处理

3.2.1. 切换决策与准备（Preparation）

• 源gNB（Source gNB）做出切换决策，并与目标gNB（Target gNB）进行切换准备。

• 在SN STATUS TRANSFER消息中，源gNB会将下行链路（DL）的HFN（Hyper Frame Number）和下一个要发送的SN（TX_NEXT）等信息传递给目标gNB。这是为了同步计数器状态，避免加解密不同步。

3.2.2. 切换执行（Execution）

• UE断开与源小区的连接，并同步到目标小区。

• 目标gNB通过RRC Reconfiguration消息指示UE进行PDCP实体重建。

3.2.3. UE侧（接收端）处理 - 生成状态报告

• UE侧的PDCP实体收到重建指令后：

  • a. 暂停向上层（SDAP或RRC）递交数据。

  • b. 生成一个PDCP状态报告（PDCP Status Report）。

    • 这个报告是一个控制PDU（D/C比特设为0）。

    • 报告内容主要包括：

      • FMC (First Missing Count)： 指示接收端第一个丢失的PDCP SDU的COUNT值（COUNT = HFN « SN长度 + SN）。这告诉了发送端丢失的起点。

      • Bitmap： 一个比特映射，紧跟在FMC之后。每个比特对应FMC之后的一个SN：

        • 0 表示该SN对应的PDU已成功接收。

        • 1 表示该SN对应的PDU丢失或未成功接收。

    • c. 将状态报告发送给目标gNB。

3.2.4. 目标gNB侧（发送端）处理 - 解析与重传

• 目标gNB的PDCP实体（作为新的下行链路发送端）收到UE发来的状态报告后：

  • a. 解析报告： 根据FMC和Bitmap，精确地计算出UE丢失了哪些PDU（即哪些SN的PDU需要重传）。

  • b. 获取数据： 目标gNB通过回传链路（从源gNB到目标gNB的Xn接口）获取这些需要重传的PDCP SDU原始数据。

  • c. 重传： 目标gNB使用原有的SN和COUNT值（保持加密和完整性保护不变），将这些SDU重新构建为PDCP PDU，并通过新的RLC信道发送给UE。

  • 注意： 这些重传数据是作为新数据下发到RLC层的，由RLC层保证传输的可靠性。

3.2.5. 恢复与完成（Completion）

• UE收到重传的PDCP PDU后，由于SN和COUNT是连续的，可以顺利地解密、重组并按序递交给上层。

• 当所有缺失的PDU都被成功接收后，UE的PDCP实体恢复正常的数据接收和处理流程。

• 整个切换过程中的数据丢失得以恢复，保证了用户面业务的无中断或低中断。

3.3 总结

• 这个机制是NR实现无缝切换（Seamless Handover）和超高可靠性的关键技术之一。