PDCP¶

PDCP (Packet Data Convergence Protocol, протокол конвергенции пакетных данных) — это подуровень стека протоколов радиодоступа (Radio Access Network, RAN) в системах мобильной связи третьего (3G), четвёртого (4G/LTE) и пятого (5G NR) поколений. PDCP отвечает за обработку пакетов данных на уровне пользователя (User Plane) и уровне управления (Control Plane), обеспечивая такие функции, как сжатие заголовков, шифрование, защиту целостности и упорядоченную доставку данных между пользовательским оборудованием (UE) и базовой станцией (gNB в 5G или eNB в LTE).

¶История и развитие

Протокол PDCP был впервые введён в спецификациях 3GPP (3rd Generation Partnership Project) для систем UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) в рамках релиза 99 (R99). В 3G PDCP выполнял в основном сжатие заголовков IP-пакетов для уменьшения служебной нагрузки при передаче по радиоканалу с ограниченной пропускной способностью. С переходом к сетям LTE (Long Term Evolution, релиз 8, 2008 год) функции PDCP были расширены: добавлены шифрование и защита целостности для трафика пользователя и сигнализации, а также механизмы упорядочивания и дублирования пакетов для обеспечения надёжности при хэндовере (передаче обслуживания между сотами). В 5G NR (New Radio, релиз 15, 2018 год) PDCP был дополнительно модернизирован для поддержки новых сценариев, таких как разделение данных (split bearer) в архитектуре с центральным и распределённым блоками (CU/DU), а также для работы с несколькими соединениями (multi-connectivity) и улучшенной поддержки низкой задержки (URLLC).

¶Основные функции

¶Сжатие заголовков

PDCP использует алгоритмы сжатия заголовков, определённые в RFC 2507 (IP Header Compression) и RFC 6846 (Robust Header Compression, ROHC). Это позволяет уменьшить размер заголовков IP-пакетов (например, с 40 байт для IPv4 до 1–3 байт) за счёт передачи только изменяющихся полей. Сжатие критически важно для эффективного использования радиоканала, особенно при передаче голосового трафика (VoIP) или небольших пакетов данных.

¶Шифрование и защита целостности

PDCP обеспечивает конфиденциальность данных пользователя и сигнализации путём шифрования с использованием алгоритмов AES (Advanced Encryption Standard), SNOW 3G или ZUC (китайский стандарт). Для защиты целостности (проверки, что данные не были изменены в пути) применяется вычисление и проверка кода аутентификации сообщения (MAC-I). Ключи шифрования и защиты целостности генерируются на основе ключей более высокого уровня (например, K_gNB в 5G) и передаются через процедуру установления соединения (NAS-сигнализация). В сетях LTE шифрование применяется как для плоскости пользователя, так и для плоскости управления, в то время как в 5G NR защита целостности обязательна для плоскости управления и опциональна для плоскости пользователя.

¶Упорядочивание и дублирование

PDCP отвечает за поддержание порядка пакетов при передаче по радиоканалу. В случае потери пакета или задержки при хэндовере PDCP может повторно передать потерянные данные из буфера. Для повышения надёжности в 5G NR введена функция дублирования пакетов (PDCP duplication): один и тот же пакет отправляется через два разных радиоканала (например, через разные соты или разные частотные диапазоны), что снижает вероятность потери при высокой мобильности или помехах.

¶Обработка при хэндовере

При переключении между сотами (хэндовере) PDCP обеспечивает бесшовную передачу данных: пакеты, которые не были доставлены до момента хэндовера, буферизируются и передаются после установления нового соединения. В 5G NR для уменьшения задержки при хэндовере используется механизм «make-before-break» (сначала установить новое соединение, затем разорвать старое), который также управляется на уровне PDCP.

¶Архитектура и взаимодействие

PDCP является одним из подуровней стека протоколов радиодоступа (RAN). В LTE стек включает: RRC (Radio Resource Control) — управление радиоресурсами, PDCP — обработка пакетов, RLC (Radio Link Control) — сегментация и повторная передача, MAC (Media Access Control) — доступ к среде, и PHY (Physical Layer) — физический уровень. В 5G NR стек аналогичен, но с добавлением подуровня SDAP (Service Data Adaptation Protocol) для обработки потоков качества обслуживания (QoS). PDCP взаимодействует с вышележащим уровнем (RRC или SDAP) через точки доступа к услугам (SAP) и с нижележащим RLC через логические каналы.

PDCP-объект (PDCP entity) создаётся для каждого радиоканала (radio bearer) — канала передачи данных между UE и сетью. В 5G NR различают два типа PDCP-объектов: для плоскости пользователя (Data Radio Bearer, DRB) и для плоскости управления (Signalling Radio Bearer, SRB). Каждый объект имеет свой идентификатор (PDCP-SN) и последовательность номеров пакетов (PDCP SN), используемую для упорядочивания и защиты.

¶Режимы работы

PDCP поддерживает три режима передачи данных, определённых на уровне RLC:

• Прозрачный режим (Transparent Mode, TM): PDCP не выполняет никаких функций (ни сжатия, ни шифрования). Используется для передачи служебной информации, например, системных сообщений (MIB, SIB).
• Неподтверждённый режим (Unacknowledged Mode, UM): PDCP выполняет сжатие и шифрование, но не гарантирует доставку пакетов (нет повторной передачи). Применяется для трафика, чувствительного к задержкам, например, для голосовой связи (VoIP) или потокового видео.
• Подтверждённый режим (Acknowledged Mode, AM): PDCP выполняет все функции, включая повторную передачу потерянных пакетов и упорядочивание. Используется для трафика, требующего высокой надёжности, например, для передачи файлов или веб-трафика.

¶Применение в сетях 5G

В 5G NR PDCP играет ключевую роль в реализации таких сценариев, как:

• Разделение данных (split bearer): в архитектуре с центральным блоком (CU) и распределённым блоком (DU) PDCP может быть размещён в CU, а RLC и ниже — в DU. Это позволяет гибко распределять нагрузку и уменьшать задержки.
• Множественные соединения (multi-connectivity): PDCP управляет одновременной передачей данных через несколько сот или частотных диапазонов (например, через LTE и 5G), что повышает пропускную способность и надёжность.
• Сверхнадёжная связь с низкой задержкой (URLLC): PDCP обеспечивает дублирование пакетов и быструю повторную передачу для достижения задержки менее 1 мс и надёжности 99.999%.
• Сети среза (network slicing): PDCP может быть настроен для каждого среза сети, обеспечивая изоляцию трафика и гарантированное качество обслуживания.

¶Сравнение с другими протоколами

В отличие от RLC, который занимается сегментацией и повторной передачей на уровне радиоканала, PDCP работает на более высоком уровне — с IP-пакетами и их заголовками. MAC-уровень управляет доступом к физической среде и планированием, а PDCP — сжатием и безопасностью. В 5G NR функции PDCP частично пересекаются с SDAP, который отвечает за маркировку потоков QoS, но не за сжатие или шифрование.

¶Интересные факты

• Алгоритм сжатия ROHC, используемый в PDCP, был разработан в 2001 году и до сих пор остаётся основным для мобильных сетей. Он позволяет сжимать заголовки RTP/UDP/IP до 1–2 байт, что критически важно для голосовых вызовов.
• В LTE длина последовательного номера PDCP (PDCP SN) составляет 12 бит (4096 пакетов), а в 5G NR — 12 или 18 бит (до 262 144 пакетов), что связано с увеличением пропускной способности.
• PDCP является одним из немногих протоколов в стеке RAN, который остаётся неизменным в своей основной функциональности на протяжении трёх поколений (3G, 4G, 5G), что свидетельствует о его фундаментальной роли.

¶Источники

• 3GPP TS 36.323: Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Packet Data Convergence Protocol (PDCP) specification.
• 3GPP TS 38.323: NR; Packet Data Convergence Protocol (PDCP) specification.
• 3GPP TS 23.501: System architecture for the 5G System (5GS).
• RFC 2507: IP Header Compression.
• RFC 6846: Robust Header Compression (ROHC).
• Dahlman, E., Parkvall, S., Sköld, J. (2018). 5G NR: The Next Generation Wireless Access Technology. Academic Press.