2. 5G NR协议栈架构与信令流程总览
5G NR的协议栈不是一组并列的“层”，而是一条从空口物理波形一直延伸到核心网会话管理的纵向处理链。理解这条链的关键，是同时抓住两个维度：分层职责（每一层对数据做什么加工）和面与平面的归属（控制面信令走哪条路径、用户面数据走哪条路径）。在R&S测试仪上做协议测试时，仪表并不是“黑盒抓包”，而是按同样的分层结构逐层解析、逐层构造，因此协议栈模型直接决定了你在仪表上能看到什么、能改什么、能触发什么。
一、分层职责：从比特到业务数据
自下而上，NR空口协议栈由PHY、MAC、RLC、PDCP、SDAP五层构成，其上再叠加RRC（控制面）与NAS（核心网信令）。
PHY（物理层）负责把MAC传来的传输块映射到无线资源上：加扰、调制（QPSK/16QAM/64QAM/256QAM）、层映射与预编码、RE映射、OFDM符号生成，以及对应的解调与解码。它输出的是时频资源网格上的信号，关键参数包括numerology（子载波间隔SCS，如15/30/120 kHz）、带宽部分BWP、时隙与符号结构。测试中PHY层对应的是功率、EVM、星座图、误块率等测量。
MAC（媒体接入控制）承担调度与复用：把多个逻辑信道的数据复用到传输块，通过LCID标识逻辑信道，处理HARQ重传、随机接入过程（RACH）、定时提前与功率余量上报。MAC PDU由MAC子头与MAC SDU组成，子头中的LCID是测试仪解析“这段数据属于哪个承载”的第一把钥匙。
RLC（无线链路控制）提供三种模式：TM（透明）、UM（非确认）、AM（确认）。AM模式通过ARQ重传保证可靠，使用SN序列号、分段与重组；UM用于对时延敏感但可容忍丢包的业务。RLC的SN长度（如12 bit或18 bit）和重排序定时器是影响吞吐与时延的重要参数。
PDCP（分组数据汇聚协议）负责头压缩（ROHC）、加密与完整性保护、按序递交与重排序、重复检测，并在双连接场景下承担分流。PDCP COUNT由HFN与PDCP SN组成，是加解密与完整性校验的核心输入。
SDAP（服务数据适配协议）是5G新增层，负责QoS流到数据无线承载（DRB）的映射，通过SDAP头中的QFI标识QoS流。它让“一个PDU会话承载多种业务”成为可能。
RRC位于控制面，管理连接建立/释放、无线承载配置、测量配置、切换、系统消息广播。RRC消息通过SRB（信令无线承载）传输，SRB1承载RRC信令，SRB2承载NAS信令。
NAS是UE与核心网AMF/SMF之间的信令，包括注册、鉴权、PDU会话建立与管理。NAS消息对gNB透明，被封装在RRC消息中透传。
二、控制面与用户面：两条并行的栈
控制面栈为：NAS – RRC – PDCP – RLC – MAC – PHY，其中NAS在RRC之上，RRC负责空口信令的可靠传输。用户面栈为：SDAP – PDCP – RLC – MAC – PHY，SDAP与PDCP共同完成QoS映射与安全处理。两条栈在PDCP以下共用RLC/MAC/PHY，这正是“控制面与用户面共享底层传输”的体现。
下图给出NR协议栈的分层结构、控制面/用户面路径以及R&S测试仪中对应的解析与注入位置。
三、信令流程中的协议栈视角
以一次典型的“UE开机注册并建立PDU会话”为例，信令在协议栈中的流动顺序是：
- 随机接入：UE在PRACH上发送前导码，gNB用RAR响应，MAC层完成定时提前与临时C-RNTI分配。
- RRC连接建立：UE发送RRCSetupRequest（SRB0），gNB回RRCSetup，UE回RRCSetupComplete，其中携带NAS注册请求。此时SRB1建立。
- NAS注册与鉴权：AMF与UE完成鉴权、安全模式命令，NAS消息经RRC透传。
- 安全激活：RRC SecurityModeCommand触发PDCP层加密与完整性保护，此后所有RRC/NAS消息均受保护。
- RRC重配置：gNB通过RRCReconfiguration建立SRB2和DRB，配置SDAP/PDCP/RLC/MAC参数。
- PDU会话建立：NAS PDU Session Establishment Request经SRB2传输，SMF分配UE IP，用户面路径打通。
在R&S测试仪上，这一流程可以逐条消息观察：仪表作为“模拟gNB”或“模拟UE”，在RRC层构造RRCSetup，在NAS层构造注册接受，在PDCP层验证COUNT与完整性，在PHY层测量接入前导的功率与定时。测试工程师需要关注的是：消息在哪一层被加密、哪一层被分段、哪一层的SN出现跳变——这些才是定位问题的入口。
四、测试仪中的协议栈实现映射
R&S的NR信令测试方案（如CMX/CMW系列配合NR信令选件）通常提供“消息级”与“IQ级”两种视图。消息级视图中，仪表按协议栈逐层解码并展示：PHY层给出时隙号、波束、MCS；MAC层给出LCID、HARQ进程号；RLC层给出SN与分段信息；PDCP层给出COUNT与安全状态；RRC/NAS层给出完整消息内容。IQ级视图则保留原始采样，用于EVM、频谱与波束验证。
实际测试中一个常见操作是：在RRCReconfiguration中修改某个DRB的RLC模式（从AM改为UM），观察用户面时延与丢包的变化。此时仪表会在RLC层显示模式切换，在PDCP层显示重排序窗口变化，在MAC层显示HARQ重传次数下降。这种“改一层、看多层”的联动，正是协议栈分层测试的价值所在。
五、关键参数速查
| 层 | 关键标识/参数 | 测试关注点 |
|---|---|---|
| PHY | SCS、BWP、MCS、波束ID | EVM、功率、BLER、波束切换 |
| MAC | LCID、HARQ进程、TA | 调度公平性、重传次数、RACH成功率 |
| RLC | SN、模式(TM/UM/AM)、重排序定时器 | 吞吐、时延、分段重组正确性 |
| PDCP | COUNT、ROHC、完整性算法 | 加解密正确性、重排序、重复检测 |
| SDAP | QFI、DRB映射 | QoS流到承载的映射一致性 |
| RRC | SRB、测量配置、切换命令 | 连接建立成功率、重配时延 |
| NAS | 注册状态、PDU会话ID、5G-GUTI | 注册成功率、会话建立时延 |
把这张表与前面的协议栈图对照使用，就能在测试仪日志中快速定位：一条异常消息究竟出在PHY的译码失败、MAC的调度缺失、RLC的重传超时，还是PDCP的安全校验不通过。协议栈不是背诵对象，而是排查问题的坐标系。