3GPP TS 38.323 深度解读 — NR 分组数据汇聚协议 (PDCP) 协议

本文是「3GPP 5G NR 协议与射频指标深度解读」系列第 10/40 篇 · 卷一·协议栈全景

PDCP 的加密、完整性保护、去重与双连接分流。

系列总览与阅读路线图见开篇：《3GPP 5G NR 协议与射频指标深度解读：写在系列之前》

3GPP TS 38.323 深度解读 — NR 分组数据汇聚协议 (PDCP) 协议

规范编号: 3GPP TS 38.323 V16.x.x
标题: NR; Packet Data Convergence Protocol (PDCP) specification
版本: Release 16
关联规范: TS 38.322 (RLC), TS 38.331 (RRC), TS 33.501 (安全), TS 38.321 (MAC)

一、文档总览与知识导图

1.1 PDCP 层定位

PDCP 层位于 RRC/SDAP 层与 RLC 层之间，是 NR 用户面和控制面协议栈中 Layer 2 的顶层子层。

┌─────────────────────────────────────────────┐ │ 应用层 / IP │ ├──────────────┬──────────────────────────────┤ │ 控制面 │ 用户面 │ │ RRC │ SDAP (TS 37.324) │ ├──────────────┴──────────────────────────────┤ │ ← PDCP (TS 38.323) → ← 本规范 │ ├─────────────────────────────────────────────┤ │ RLC (TS 38.322) │ ├─────────────────────────────────────────────┤ │ MAC (TS 38.321) │ ├─────────────────────────────────────────────┤ │ PHY (TS 38.2xx) │ └─────────────────────────────────────────────┘

1.2 核心功能导图

PDCP 层核心功能 │ ├── 用户面数据传输 │ ├── 头压缩 (ROHC) — RFC 5795/3095/4815/6846 │ ├── 加密 (Ciphering) │ ├── 完整性保护 (用户面可选) │ └── 按序递交与重复检测 │ ├── 控制面数据传输 │ ├── 加密 (Ciphering) │ ├── 完整性保护 (必选) │ └── 按序递交与重复检测 │ ├── PDCP 重建 (Re-establishment) │ └── 切换、RRC重建等场景下的PDCP恢复 │ ├── PDCP 数据恢复 (Data Recovery) │ └── RLC AM实体重建时的恢复 │ ├── PDCP 复制 (Duplication) ← R16增强 │ ├── 双连接场景 (CA复制) │ └── 多RLC实体承载同一PDCP实体 │ ├── SDU 丢弃 │ └── 基于 discardTimer 的超时丢弃 │ └── PDCP 状态报告 └── 用于PDCP重建后的状态同步

1.3 R15 → R16 演进要点

二、逐章节深度解读

2.1 PDCP 实体架构

每个 PDCP 实体关联一个或两个（复制场景）RLC 实体。

┌─────────────────────────────────────────────┐ │ PDCP 实体 │ │ │ │ ┌───────────────────────────────────────┐ │ │ │ 发送侧 │ │ │ │ │ │ │ │ PDCP SDU → SN分配 → 头压缩(UP only) │ │ │ │ → 完整性保护 → 加密 │ │ │ │ → 添加PDCP头 → PDCP PDU │ │ │ └───────────────────────────────────────┘ │ │ │ │ │ ▼ │ │ ┌─────────┬─────────┐ │ │ │ 主 RLC │ 辅 RLC │ (复制场景) │ │ │ 实体 │ 实体 │ │ │ └─────────┴─────────┘ │ │ ▲ │ │ ┌───────────────────────────────────────┐ │ │ │ 接收侧 │ │ │ │ │ │ │ │ PDCP PDU → 去PDCP头 → 解密 │ │ │ │ → 完整性校验 → 头解压缩(UP) │ │ │ │ → 重排序 → 重复检测 │ │ │ │ → 按序递交 → PDCP SDU │ │ │ └───────────────────────────────────────┘ │ └─────────────────────────────────────────────┘

PDCP 实体与无线承载的关系:

• SRB (Signaling Radio Bearer): 一个 PDCP 实体关联一个 AM RLC 实体
• DRB (Data Radio Bearer): 一个 PDCP 实体关联一个或两个 RLC 实体

2.2 PDCP PDU 格式详解

2.2.1 Data PDU (用户面, 12 bit SN)

┌───────────────────────────────────────────┐ │ D/C│R│R│R│ SN (12 bit) │ Oct 1-2 │ ├───────────────────────────────────────────┤ │ Data │ Oct 3-N │ │ │ │ ├───────────────────────────────────────────┤ │ MAC-I (可选, 4 octets) │ Oct N+1-N+4│ └───────────────────────────────────────────┘

字段说明:

• D/C: 0=Control PDU, 1=Data PDU
• R: 保留位
• SN: PDCP Sequence Number
• Data: 上层数据（加密后）
• MAC-I: 消息认证码-完整性 (Message Authentication Code for Integrity)

2.2.2 Data PDU (控制面, 12 bit SN)

┌───────────────────────────────────────────┐ │ D/C│R│R│R│ SN (12 bit) │ Oct 1-2 │ ├───────────────────────────────────────────┤ │ MAC-I (4 octets) │ Oct 3-6 │ ├───────────────────────────────────────────┤ │ Data │ Oct 7-N │ └───────────────────────────────────────────┘

• 控制面 Data PDU 中 MAC-I 位于 Data 之前
• 完整性保护是强制的

2.2.3 Data PDU (18 bit SN)

┌───────────────────────────────────────────┐ │ D/C│R│R│R│ SN (18 bit) │ Oct 1-3 │ ├───────────────────────────────────────────┤ │ Data / MAC-I │ Oct 4-N │ └───────────────────────────────────────────┘

• 支持更大 SN 空间，适用于超高速率场景

2.2.4 Control PDU — PDCP Status Report

┌───────────────────────────────────────────┐ │ D/C│ PDU Type (3 bit) │R│R│R│R│ Oct 1 │ │ 0 │ 000 │ │ │ │ │ │ ├───────────────────────────────────────────┤ │ FMC (32 bit) │ Oct 2-5 │ ├───────────────────────────────────────────┤ │ Bitmap (可选) │ Oct 6-N │ └───────────────────────────────────────────┘

字段说明:

• PDU Type: 000 = PDCP Status Report, 001 = Interspersed ROHC feedback
• FMC(First Missing COUNT): 第一个丢失的 PDCP SDU 的 COUNT 值
• Bitmap: 指示 FMC 之后的接收状态 (1=已接收, 0=缺失)

2.2.5 Control PDU — ROHC Feedback

┌───────────────────────────────────────────┐ │ D/C│ PDU Type (3 bit) │R│R│R│R│ Oct 1 │ │ 0 │ 001 │ │ │ │ │ │ ├───────────────────────────────────────────┤ │ ROHC Feedback Data │ Oct 2-N │ └───────────────────────────────────────────┘

• 用于传递 ROHC 压缩器的反馈信息

2.3 用户面和控制面 PDCP 差异

2.4 ROHC 协议详解

2.4.1 ROHC 框架

ROHC (RObust Header Compression) 用于压缩 IP/UDP/RTP 包头，大幅减少空口传输开销。

原始包 (VoIP 示例): ┌──────────────────────────────────────────────┐ │ L2 │ IP(20B) │ UDP(8B) │ RTP(12B) │ Payload │ → 40B 头开销 └──────────────────────────────────────────────┘ │ ROHC 压缩 ▼ ┌──────────────────────────────────────────────┐ │ L2 │ ROHC(1-3B) │ Payload │ → 1-3B 头开销 └──────────────────────────────────────────────┘

2.4.2 ROHC 相关 RFC

2.4.3 ROHC 协议栈结构

┌──────────────────────────────┐ │ ROHC 压缩器/解压器 │ │ │ │ ┌────────────────────────┐ │ │ │ Profile 选择 │ │ │ │ - RTP (0x0001) │ │ │ │ - UDP (0x0002) │ │ │ │ - ESP (0x0003) │ │ │ │ - IP (0x0004) │ │ │ │ - TCP (0x0006) │ │ │ └────────────────────────┘ │ │ │ │ ┌────────────────────────┐ │ │ │ 模式 (Mode) │ │ │ │ - U-mode (单向) │ │ │ │ - O-mode (双向乐观) │ │ │ │ - R-mode (双向可靠) │ │ │ └────────────────────────┘ │ │ │ │ ┌────────────────────────┐ │ │ │ 状态 (State) │ │ │ │ - IR (初始化刷新) │ │ │ │ - FO (一阶) │ │ │ │ - SO (二阶) │ │ │ └────────────────────────┘ │ └──────────────────────────────┘

2.4.4 ROHC 在 PDCP 中的配置

-- PDCP-Config 中的 ROHC 配置 pdcp-Config ::= SEQUENCE { ... headerCompression CHOICE { notUsed NULL, rohc SEQUENCE { maxCID INTEGER (1..16383), profiles SEQUENCE { profile0x0001 BOOLEAN, -- RTP/UDP/IP profile0x0002 BOOLEAN, -- UDP/IP profile0x0003 BOOLEAN, -- ESP/IP profile0x0004 BOOLEAN, -- IP profile0x0006 BOOLEAN, -- TCP/IP ... }, drb-ContinueROHC ENUMERATED {true} } } }

关键参数:

• maxCID: 最大 Context ID (1-16383)，决定压缩上下文数量
• profiles: 启用的 ROHC profile
• drb-ContinueROHC: 切换后是否继续 ROHC 上下文

2.5 安全机制

2.5.1 加密算法

加密过程:

密钥参数: KEY ← K_UPenc (用户面) / K_RRCenc (控制面) COUNT ← HFN + PDCP SN BEARER ← RB identity DIRECTION ← 0(UL) / 1(DL) LENGTH ← PDCP SDU 长度 加密: KEYSTREAM BLOCK = NEA(KEY, COUNT, BEARER, DIRECTION, LENGTH) CIPHERTEXT = PLAINTEXT XOR KEYSTREAM BLOCK

2.5.2 完整性保护算法

完整性保护过程:

输入参数: KEY ← K_UPint / K_RRCint COUNT ← HFN + PDCP SN BEARER ← RB identity DIRECTION ← 0(UL) / 1(DL) MESSAGE ← PDCP Data PDU (不含 MAC-I 字段) 计算: MAC-I/NAS-MAC = NIA(KEY, COUNT, BEARER, DIRECTION, MESSAGE)

2.5.3 与 TS 33.501 的接口关系

TS 33.501 (安全架构) TS 38.323 (PDCP) ┌──────────────────┐ ┌──────────────────┐ │ 密钥派生 │ │ │ │ K_gNB → K_RRCenc│──────────────►│ 加密 (RRC) │ │ K_gNB → K_RRCint│──────────────►│ 完整性 (RRC) │ │ K_gNB → K_UPenc │──────────────►│ 加密 (UP) │ │ K_gNB → K_UPint │──────────────►│ 完整性 (UP) │ └──────────────────┘ └──────────────────┘

安全激活流程:

1. gNB 完成 AS SMC (Security Mode Command) 2. RRC 配置 PDCP 实体的安全参数 3. PDCP 开始对后续 PDCP PDU 执行加密/完整性保护 4. 上行和下行独立激活

2.6 PDCP 重建与恢复

2.6.1 PDCP 重建 (Re-establishment)

PDCP 重建由上层（RRC）请求触发，常见场景包括：

• 切换 (Handover)
• RRC 连接重建 (RRC Connection Re-establishment)
• RRC 连接恢复 (RRC Resume，触发 SRB PDCP 重建)

重建过程:

PDCP 重建触发 │ ▼ ┌─────────────────────────────────┐ │ 上行 PDCP 重建 │ │ 1. 对 SRB: 复位 ROHC 协议 │ │ 2. 对 UM DRB: 复位 ROHC │ │ 3. 对 AM DRB: 从第一个未确认的 │ │ PDCP SDU 开始重传 │ │ 4. 重新计算所有 PDCP PDU 的 │ │ 加密和完整性保护 │ │ (使用新的安全密钥) │ └─────────────────────────────────┘ │ ▼ ┌─────────────────────────────────┐ │ 下行 PDCP 重建 │ │ 1. 对 SRB: 处理并递交所有已接收 │ │ 但未递交的 PDCP SDU │ │ 2. 对 UM DRB: 复位 ROHC │ │ 3. 对 AM DRB: 存储并处理已接收 │ │ PDCP SDU │ └─────────────────────────────────┘

发送侧处理:

UM DRB: TX_NEXT = 0 不重传 PDCP SDU AM DRB: TX_NEXT = 第一个未确认的 PDCP SDU 的 COUNT 从 TX_NEXT 开始重传所有已分配 SN 但未确认的 PDCP SDU SRB: 丢弃所有已存储的 PDCP SDU/PDU

接收侧处理:

UM DRB: - 尝试解压缩并递交所有已接收的 PDCP SDU - RX_NEXT = 0, RX_DELIV = 0 - 复位 ROHC AM DRB: - 处理所有已接收的 PDCP PDU - 解压缩并递交所有可递交的 PDCP SDU - 存储乱序 SDU 等待后续补齐 SRB: - 处理并递交所有已接收的 PDCP SDU - 丢弃所有剩余的 PDCP PDU

2.6.2 PDCP 数据恢复 (Data Recovery)

PDCP 数据恢复用于 RLC AM 实体重建后恢复数据传输。

触发条件:

• 下层（RLC）指示重建完成
• 上层请求数据恢复

恢复过程:

对于 AM DRB: 1. 从第一个未确认的 PDCP SDU 开始重传 2. 使用已有的安全密钥 3. 保持 ROHC 上下文不变 4. 不改变 COUNT 值 与 PDCP 重建的区别: - 重建: 使用新密钥，ROHC 可复位 - 恢复: 保持密钥和 ROHC 上下文

2.7 PDCP 复制 (Duplication)

2.7.1 基本概念

PDCP 复制是 R15 引入、R16 增强的功能，通过在不同载波上发送相同的 PDCP PDU 来提高可靠性。

┌─────────────┐ │ PDCP 实体 │ └──────┬──────┘ │ ┌──────▼──────┐ │ 原始 PDCP PDU│ └──────┬──────┘ │ ┌────────────┼────────────┐ │ │ │ ┌────▼───┐ ┌───▼────┐ │ │ RLC #1 │ │ RLC #2 │ (可更多) │ 主路径 │ │ 辅路径 │ └────┬───┘ └───┬────┘ │ │ ┌────▼───┐ ┌───▼────┐ │ 载波 1 │ │ 载波 2 │ │ (PCell) │ │ (SCell) │ └────────┘ └────────┘

2.7.2 R15 复制 vs R16 增强

2.7.3 复制配置示例

-- RRC 中的 PDCP 复制配置 PDCP-Config ::= SEQUENCE { ... moreThanOneRLC SEQUENCE { primaryPath SEQUENCE { cellGroup CellGroupId, logicalChannel LogicalChannelIdentity }, ul-DataSplitThreshold ENUMERATED {...}, pdcp-Duplication BOOLEAN } }

复制激活/去激活:

• 通过 MAC CE 控制每条复制路径的激活/去激活
• 激活后，PDCP PDU 同时提交给主 RLC 实体和辅 RLC 实体
• 去激活后，仅使用主 RLC 实体

2.8 PDCP SDU 丢弃

discardTimer 机制: PDCP SDU 到达 │ ▼ 启动 discardTimer (由 RRC 配置) │ ├── 成功递交到下层 → 停止定时器 │ └── 定时器超时 → 丢弃 SDU │ ▼ 通知下层丢弃对应 PDCP PDU

2.9 R16 新增: 以太网头压缩 (EHC)

R16 引入以太网头压缩功能，用于支持 5G LAN/TSN 业务。

EHC 特点:

• 支持以太网帧头部压缩
• 基于 ROHC 框架扩展
• 适用于工业互联网和 TSN 场景

EHC 协议栈:

┌──────────────────────────────────┐ │ 以太网帧 (含 VLAN 标签等) │ └──────────────┬───────────────────┘ │ EHC 压缩 ▼ ┌──────────────────────────────────┐ │ 压缩后的以太网头 + Payload │ └──────────────┬───────────────────┘ │ PDCP 处理 ▼ ┌──────────────────────────────────┐ │ PDCP PDU │ └──────────────────────────────────┘

2.10 R16 新增: 上行数据压缩 (UDC)

UDC 用于压缩上行数据，减少上行传输资源消耗。

UDC 特点:

• 使用 DEFLATE 算法（基于 RFC 1951）
• 可选功能，由 UE 能力决定
• 配置在 PDCP-Config 中

-- UDC 配置 uplinkDataCompression ::= SEQUENCE { bufferSize ENUMERATED {kbyte2, kbyte4, kbyte8, spare1}, dictionary ENUMERATED { sip-SDP, operatorDefined, ... } }

三、与其他标准的脉络关系图

3.1 协议栈上下文

┌────────────────────────────────────────────────────────────┐ │ 应用层 │ │ IP / Ethernet │ ├──────────┬──────────┬──────────┬──────────┬────────────────┤ │ RRC │ SDAP │ │ │ │ │ (38.331) │ (37.324) │ │ │ │ ├──────────┴──────────┴──────────┴──────────┴────────────────┤ │ PDCP (38.323) │ │ ┌──────────────────────────────────────────────────────┐ │ │ │ 加密(NEA0/1/2/3) ← 33.501 完整性(NIA0/1/2/3) │ │ │ │ ROHC ← RFC 5795/3095/4815/6846 │ │ │ │ EHC/UDC (R16) │ │ │ └──────────────────────────────────────────────────────┘ │ ├────────────────────────────────────────────────────────────┤ │ RLC (38.322) │ ├────────────────────────────────────────────────────────────┤ │ MAC (38.321) │ ├────────────────────────────────────────────────────────────┤ │ PHY (38.2xx) │ └────────────────────────────────────────────────────────────┘

3.2 接口交互矩阵

3.3 COUNT 值结构

COUNT (32 bit) ┌──────────────────┬──────────────────────┐ │ HFN (高位) │ PDCP SN (低位) │ │ (32 - SN 长度) │ (SN 长度) │ └──────────────────┴──────────────────────┘ 示例 (SN=12 bit): ┌────────────────────┬────────────┐ │ HFN (20 bit) │ SN (12 bit)│ └────────────────────┴────────────┘ 示例 (SN=18 bit): ┌──────────┬─────────────────────┐ │ HFN (14) │ SN (18 bit) │ └──────────┴─────────────────────┘

COUNT 用于:

• 加密/完整性保护的输入参数
• 接收窗口管理和重复检测
• 状态报告中的 FMC 指示

四、参数表详解

4.1 核心参数

4.2 t-Reordering 详解

4.3 窗口参数

4.4 安全参数配置

-- RRC SecurityConfig SecurityConfig ::= SEQUENCE { securityAlgorithmConfig SEQUENCE { cipheringAlgorithm CipheringAlgorithm, integrityProtAlgorithm IntegrityProtAlgorithm }, keyToUse ENUMERATED {master, secondary} } CipheringAlgorithm ::= ENUMERATED { nea0, nea1, nea2, nea3, spare4, ... } IntegrityProtAlgorithm ::= ENUMERATED { nia0, nia1, nia2, nia3, spare4, ... }

五、R15 → R16 演进详解

5.1 PDCP 复制增强

• 多路径复制: 从 2 个 RLC 实体扩展到支持更多
• 灵活激活: MAC CE 增强以支持独立路径控制
• 初始状态: 更灵活的初始激活/去激活配置

5.2 NR-U 增强

• 适配非授权频谱的 LBT 不确定性
• PDCP 层面的重传和复制策略优化

5.3 以太网头压缩 (EHC)

• 支持 5G LAN 和 TSN 场景
• 基于 ROHC 框架的以太网帧压缩
• 减少工业以太网业务空口开销

5.4 上行数据压缩 (UDC)

• 使用 DEFLATE 算法压缩上行数据
• 可配置缓冲区大小和字典
• 有效减少上行带宽消耗

5.5 IAB 支持

• IAB 节点的 PDCP 功能增强
• 回传链路 (BH RLC channel) 上的 PDCP 适配

5.6 Sidelink PDCP

• NR V2X Sidelink 通信的 PDCP 支持
• PC5 接口上的 PDCP 实体

六、延伸阅读

6.1 相关 3GPP 规范

6.2 关键 IETF RFC

6.3 参考书籍

• 5G NR: The Next Generation Wireless Access Technology(Dahlman et al.) — 第 7 章 PDCP
• 5G NR: Architecture, Technology, Implementation(Ahmadi) — 第 9 章 PDCP
• 5G System Design: Architectural and Functional Considerations(Marsch et al.) — 层二设计
• LTE-Advanced and Next Generation Wireless Networks(de la Roche et al.) — ROHC 章节

6.4 实用资源

• 3GPP 规范: https://www.3gpp.org/ftp/Specs/archive/38_series/38.323/
• 开源实现:
  • OpenAirInterface 5G:openair2/LAYER2/nr_pdcp/
  • srsRAN:lib/pdcp/
  • free5GRAN: PDCP 模块
• ROHC 库: rohc-lib (开源 ROHC 实现)

文档版本: 1.0
生成日期: 2026-07-28
适用版本: 3GPP TS 38.323 V16.x.x (Release 16)
作者声明: 本文档仅供技术学习参考，具体实现请以 3GPP 官方规范为准

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