2. 5G NR协议栈与信令基础
在5G NR测试工程中，协议栈不是一张“分层图”那么简单。它决定了测试仪表在哪个接口抓包、在哪个层注入异常、以及一条信令消息从空口到核心网究竟经过了哪些封装与解封装。理解各层职责与交互关系，是后续做信令跟踪、时延分解、吞吐量归因和故障定位的前提。
一、用户面与控制面的两条主干
NR协议栈分为用户面（U-Plane）和控制面（C-Plane）。用户面承载业务数据，自下而上为：PHY → MAC → RLC → PDCP → SDAP，最终映射到5G核心网的UPF。控制面承载信令，自下而上为：PHY → MAC → RLC → PDCP → RRC → NAS，其中RRC终结于gNB，NAS终结于AMF。
关键区别在于：SDAP只存在于用户面，负责QoS流到数据无线承载（DRB）的映射；NAS只存在于控制面，承载注册、鉴权、会话管理等核心网信令。RRC则是空口信令的“总管”，负责连接建立、重配置、测量控制和移动性管理。
二、各层职责与关键参数
PHY（物理层）：负责调制解调、编码、层映射、波束赋形和物理信道处理。NR物理层的关键参数是Numerology，由子载波间隔（SCS）决定。例如SCS=30kHz时，时隙长度为0.5ms，每帧20个时隙。测试中常关注RSRP、SINR、BLER、MCS等指标。
MAC（媒体接入控制）：负责逻辑信道到传输信道的映射、调度、HARQ重传、随机接入和功率余量上报。MAC PDU由MAC子头和MAC SDU组成，测试中可通过MAC层日志观察HARQ进程号和重传次数。
RLC（无线链路控制）：提供三种模式——TM（透明）、UM（非确认）、AM（确认）。AM模式支持ARQ重传和状态报告，是URLLC和eMBB业务的关键。RLC PDU的序列号（SN）长度可配置为6bit或12bit，直接影响重传窗口和时延。
PDCP（分组数据汇聚协议）：负责头压缩（ROHC）、加密、完整性保护和重排序。PDCP SN长度可配置为12bit或18bit。在双连接（EN-DC）场景中，PDCP还承担分流功能，测试时需关注PDCP重排序时延和丢弃定时器。
SDAP（服务数据适配协议）：负责QoS流与DRB的映射，通过SDAP头中的QFI（QoS Flow ID）标识。一个QoS流可以映射到一个DRB，多个QoS流也可以复用同一DRB。测试中需验证QFI映射是否与核心网配置一致。
RRC（无线资源控制）：负责系统信息广播、连接控制、测量配置、切换和重建立。RRC消息通过SRB1/SRB2承载，SRB1承载RRC信令和NAS消息，SRB2仅承载NAS消息。RRC状态包括IDLE、INACTIVE和CONNECTED。
NAS（非接入层）：终结于AMF，负责注册管理、连接管理、会话管理和移动性管理。NAS消息在空口上通过RRC消息透传，测试中常关注5G-GUTI、注册接受/拒绝、PDU会话建立等流程。
三、信令交互关系与数据流
以一次“UE发起PDU会话建立”为例，信令交互如下：UE的NAS层生成PDU Session Establishment Request，封装在RRC UL Information Transfer中，经PDCP加密、RLC分段、MAC调度、PHY发送。gNB收到后，RRC层解析出NAS消息，通过NGAP接口转发给AMF。AMF与SMF交互后，返回PDU Session Establishment Accept，再经gNB的RRC DL Information Transfer下发给UE。
在这个过程中，每一层都会添加或移除自己的头部。测试仪表若在Uu接口抓包，看到的是PHY帧；若在NG接口抓包，看到的是NGAP消息。理解封装关系，才能正确解析抓包内容。
四、测试中的分层观察点
在Anritsu信令测试仪上，分层观察是定位问题的核心手段。若UE无法注册，先看NAS层是否有Registration Request发出；若有，再看RRC层是否成功建立SRB1；若RRC建立失败，则回溯到MAC层随机接入是否成功。这种“自顶向下”或“自底向上”的排查逻辑，依赖于对协议栈封装关系的清晰认知。
以时延分解为例：端到端时延 = PHY传输时延 + MAC调度时延 + RLC重传时延 + PDCP处理时延 + 核心网转发时延。测试中可通过在每层打时间戳，计算各层贡献。例如某次实测中，PHY时延约1ms，MAC调度等待约2ms，RLC无重传，PDCP处理约0.5ms，核心网往返约3ms，总时延约6.5ms。这些数据需结合具体配置和场景判断，不能直接套用。
五、常见分层故障与判断依据
| 故障现象 | 可能层级 | 判断依据 |
|---|---|---|
| UE无法驻留小区 | PHY / RRC | 检查SSB是否解码成功、MIB/SIB1是否读取 |
| 随机接入失败 | MAC / PHY | 查看Msg1是否发送、Msg2是否收到、功率是否足够 |
| RRC连接建立失败 | RRC / RLC | 检查SRB1是否建立、RLC AM模式是否正常 |
| 注册被拒绝 | NAS | 查看5GMM Cause值，如#3非法UE、#7不允许服务 |
| PDU会话建立失败 | NAS / SDAP | 检查QFI映射、UPF可达性、PDU会话类型 |
| 吞吐量偏低 | PDCP / RLC / MAC | 检查PDCP重排序、RLC重传率、MAC调度MCS |
需要强调的是，协议栈各层并非孤立工作。RLC重传会直接影响PDCP重排序时延，MAC调度不足会导致RLC缓冲区堆积，PHY的BLER升高会触发更多HARQ重传。测试工程师应建立“层间联动”的思维，而不是只盯着某一层的计数器。
六、实操建议：分层抓包与关联分析
建议在测试中同时开启Uu接口和NG接口的抓包，并确保时间戳同步。以一次切换流程为例：源gNB的RRC Reconfiguration触发切换，UE在目标小区发起随机接入，目标gNB通过NGAP Path Switch Request通知AMF。若切换失败，可对比源侧和目标侧的RRC消息、MAC随机接入日志和NGAP信令，快速定位是空口问题还是核心网问题。
对于NAS层消息，由于其封装在RRC中，抓包工具通常需要配置NAS解码密钥（如KAMF、KNASenc）才能解密。测试前应与核心网侧确认密钥派生参数，避免抓包后无法解析。