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。

1．3．2 下行接收
    在不需重建的普通工作模式下，PDCP实体在接收到RLC AM实体提交的PDCP PDU时，不需执行重排序过程，因为RLC AM在向PDCP实体提交PDCPPDU时，已保证顺序递交。以切换引起的PDCP重建为例，UE先从源eNodeB收到一些PDCP SDU，重建开始后从目的eNodeB接收PDCP SDU(其中部分是源eNodeB转给目的eNodeB的，并且有一些是源eNodeB已发给UE但尚未得到确认的)，因此，UE的PDCP实体收到的PDCP SDU可能是乱序并且有重复的，因此对于RLC AM模式，在重建情况下，PDCP接收实体需对接收的PDCP SDU进行重排序和重复检测。
    综合上述各种情况，对映射到RLC AM模式的DRB接收处理过程如下：定义接收的PDCP序列号为SN，接收端上一次提交给高层的PDCP SDU序列号为Last_Submitted_PDCP_RX_SN，Reordering_Window为序列号空间50％长度的重排序窗，RX_HFN为接收端当前HFN，Next_PDCP_RX_SN为接收端期待的下一个接收的PDCP序列号，具体流程如图3所示。

1．4 数据包丢弃
    LTE的PDCP层的丢弃功能基于定时器，发射机从高层接收到每一个PDCP SDU时该定时器启动，当定时器溢出时UE仍未发起PDCP SDU传输，那么丢弃该PDCP SDU。如果定时器被设置到一个合适的值来满足无线承载所要求的QoS，这一丢弃机制可以防止发射机的过渡延时和排队现象。具体的处理过程如下：
1．4．1 上行发送
    当高层要求PDCP重建时，映射到RLC AM模式的DRB处理过程：
    (1)重置上行头压缩协议。
    (2)在重建过程中，应用高层提供的加密算法以及密钥。
    (3)由第一个还没有确认成功发送的PDCP SDU开始执行重传，或者按COUNT升序，优先于重传过程发送所有已关联了PDCP序列号的PDCP SDU。
    ①按照第一节报头压缩中提及的压缩算法，执行PDCP SDU报头压缩过程。
    ②按照安全性功能介绍的加密过程，执行PDCPSDU加密过程。
    ③将经过上述处理的PDCP数据PDU递交给下层。
1．4．2 下行接收
    当高层要求PDCP重建时，映射到RLC AM模式的DRB处理过程：
    (1)处理所有由于下层重建而由下层接收的PDCP数据PDU。
    (2)重置下行头压缩协议。
    (3)在重建过程中，应用高层提供的加密以及完整性保护算法。

2 PDCP在OPNET中的实现
2．1 PDCP传输的实现
    在OPNET中PDCP传输的实现是通过直接改变数据包的大小来仿真网络流量，PDCP在OPNET中压缩侧的实现流程图如图4所示。

    PDCP的传输过程是在收到来自上层的数据流时调用，进入strm==FROM_HIGHER分支之后执行lte_gmm_client_packet_process(pkptr)函数，在这个函数中GMM层完成对上层数据包的处理，并生成向RLC转发的数据包rlc_pkptr以及接口控制信息ICI包pdu_iciptr，并将ICI包绑定在传给RLC的数据包上。当获取ICI中断，如果有ICI的中断，那说明当前状态为收到上层发来的IP数据包，如果没有ICI中断，那么需要转发的是命令消息。但是不管是数据包还是命令包，都进入lte_suppor_pdcp_header_comp_size_compute函数得到压缩后的大小，公式为：
   
    这里的comp_ratio就是从GMM属性中获取的PDCP压缩率，保存在pdcp_comp_info变量之中。
2．2 仿真结果
    为了验证头压缩在LTE中空口的应用，设计了一个简单的网络模型，主要由用户终端UE、eNodeB、核心网CN和外部网络FTP组成。分别对UE设定在采用PDCP和没有采用PDCP的两种情况下，仿真eNo-deB的上下行吞吐量性能。在这个场景中，设置了30个移动终端UE执行FTP业务，并且假设已经建立了PS信令连接，并且在仿真期间一直保持。
    这种FTP背景类业务对吞吐量要求很高，图5表示从eNodeB采集到的上行吞吐量性能，采用了PDCP压缩技术的曲线(虚线)，相对于没有使用PDCP的曲线(实线)的吞吐量缓慢的提升，这是由于FTP这种业务特性决定的。当用户激活背景类业务时，网络首先对该类用户进行接入控制，判断网络是否有剩余容量接入该用户，如果有容量则允许该用户接入，但是并不给该业务预留带宽。当系统拥塞时，允许对该类型用户进行丢弃操作。背景类业务对时延和时延抖动要求较低，采用尽力而为的方式进行转发。图6显示的是下行链路的吞吐量情况，采用PDCP技术后吞吐量得到了明显的提升。

3 结论
    LTE作为3GPP中GSM和UMTS家族的技术演进，被看作完成了业务扩展这一趋势，即从简单的语音业务向建立多业务空中接口的转变，并且所有的业务都是基于分组交换模式，这就对系统容量的需求非常大。诸如在实时业务VoIP中，空中接口资源有限，应用PDCP层中优化的头压缩技术，能够有效地降低包头的开销，提高空口的传输效率，而且PDCP层还支持加密功能，让传输更具有可靠性。由此可见，LTE中的PDCP层的设计，在功能上体现了LTE系统的高数据速率、低时延和分组优化的设计目标。