はじめに

この記事は 3GPP TS38.300(V17.6.0)を読んでいく Advent Calendar 2023
の12/21の記事として執筆したものです。

その他の記事は、Qiitaのアドベントカレンダーページから辿れます↓
https://qiita.com/advent-calendar/2023/3gpp_ts38300

本記事では、"6.1 Layer2 Overview ~ 6.5 SDAP Sublayer"を読んでいきます 5GにおけるL2の仕組みの大枠を、理解できたような気がします。

読んでいく章の原典↓
https://www.tech-invite.com/3m38/toc/tinv-3gpp-38-300_g.html#e-6
※筆者の勘違いなど含まれてる可能性があるので、ぜひ原典もご覧ください

昨年のアドベントカレンダー https://qiita.com/advent-calendar/2022/3gpp_ts23501

内容まとめ

説明のために原典と記載順がやや前後します

1. 5Gにおけるレイヤ2の構造

NRにおけるレイヤ2(L2)の構造を示す前に、L2データフローの図と各プロトコルのざっくり説明を書きます

L2データフローの概要

図の引用：https://www.docomo.ne.jp/binary/pdf/corporate/technology/rd/technical_journal/bn/vol25_3/vol25_3_006jp.pdf

上位レイヤから来たIPパケットは、各L2レイヤーでヘッダが付与されながら下層レイヤーで処理されていきます。
LTEにおいてフレーム連結機能はRLCで実装されていましたが、NRではMACで実装されています。

各レイヤの機能概要

SDAP (5Gで新規追加) : QoS flowとData Radio Bearerのマッピング, QFI付与
PDCP : ヘッダ圧縮/伸長, 順序制御, セキュリティ機能など
RLC : セグメントARQ(再送制御), シーケンス制御など
MAC : スケジューリング/優先ハンドリング, 無線リソース割り当て, HARQ(再送制御), フレーム連結、など

DownLink のL2構造

UpLink のL2構造

引用 : https://www.tech-invite.com/3m38/toc/tinv-3gpp-38-300_g.html#e-6

Radio Bearers
SDAPレイヤではQoS FlowsをRadio Bearersにマッピングされます。
Radio Bearersは、以下２つの用途別に分かれます

data radio bearers (DRB): ユーザデータ用
signalling radio bearers (SRB): 制御通信用

論理チャネル

Mac layerでは、論理チャネルをトランスポートチャネルにマッピングします。
論理チャネルの説明と、マッピングの図を以下にまとめます

コントロールチャネル

Broadcast Control Channel（BCCH）: システム制御情報をブロードキャストするDLチャネル
Paging Control Channel（PCCH）: ページングメッセージを送信するDLチャネル
Common Control Channel（CCCH）: UEとネットワーク間で制御情報を転送するチャネル、ネットワークとRRC接続のないUEで使用
Dedicated Control Channel（DCCH）: UEとネットワーク間で専用の制御情報を送受信するポイントツーポイントの双方向チャネル、RRC接続を持つUEで使用

トラフィックチャネル

Dedicated Traffic Channel（DTCH）: 1つのUEに専用のユーザー情報を転送するためのポイントツーポイント・チャネル。DTCHはULとDLの両方で存在できる

Downlinkのマッピングの例

図の引用： https://www.nrexplained.com/chmap

2. IAB　(Integrated Access Backhaul)

5Gでは、Integrated Access Backhaul（無線アクセス・バックホール統合伝送）と呼ばれる構成が定義されており、IABと呼ばれます。
バックホールとは、基地局からコアネットワークに接続する回線のことを言います。
5Gでは、バックホール部分を無線で実現するための仕様を定義しています。

５G無線の特にミリ波では通信可能エリアが狭いことから、光ファイバを用いたバックホールの数が多くなってしまう問題がる。そのため、ある光ファイバーバックホールに接続された５G基地局の近隣の基地局間を無線で繋ぎバックホールの代わりとする技術である（図－３）

上記の引用： https://www.kendenkyo.or.jp/wordpress_test/wp-content/uploads/2021/08/kisokouza_5G_20210803.pdf

図の引用：　https://www.metaswitch.com/knowledge-center/reference/what-is-5g-integrated-access-and-backhaul-iab

用語解説

IAB Donor : IABノードの親となるノードでCNと接続する機能を持つ, IABノードとバックホールを接続する
IAB Node
- IAB-MT : IABドナー, 親IABノードに無線アクセス回線(NR Uu)でバックホールを接続する機能
- IAB-DU : UE, 子ノードをアクセスリンクとして接続する機能

IABを含んだL2構成は以下の画像なります。
IABを利用する場合は、先述のL2 sublayerに加えてBAP(Backhaul Adaptation Protocol )というプロトコルが使用されます。

BAP sublayerの機能

IAPトポロジのルーティング
通信の優先制御やQoSBHのために、 "BH RLCチャンネル"に通信をマッピングする

IAB-donorにおける DL U-plane L2構造

IAB-nodeにおける DL L2構造

図の引用 : https://www.tech-invite.com/3m38/toc/tinv-3gpp-38-300_g.html#e-6

以下は翻訳メモ 6. Layer 2

6.1 overview

5GのLayyer2は以下のサブレイヤーに分かれる

Medium Access Control (MAC)
Radio Link Control (RLC)
Packet Data Convergence Protocol (PDCP)
Service Data Adaptation Protocol (SDAP)

Radio bearersは用途別に２つに分かれる

data radio bearers (DRB): ユーザデータ用
signalling radio bearers (SRB): 制御通信用

IABのために、MAC, RLC, Backhaul Adaptation Protocol (BAP), PDCP, optionally SDAPが含まれている。
BAP sublayerの機能

IAPトポロジのルーティング
通信の優先制御やQoSBHのために、 "BH RLCチャンネル"に通信をマッピングする

IABとは
Integrated Access Backhaul（無線アクセス・バックホール統合伝送）のこと

５G無線の特にミリ波では通信可能エリアが狭いことから、光ファイバを用いたバックホールの数が多くなってしまう問題がる。そのため、ある光ファイバーバックホールに接続された５G基地局の近隣の基地局間を無線で繋ぎバックホールの代わりとする技術である（図－３）

参考：

バックホールとは、基地局からコアネットワークに接続する回線のことを言う。
5Gのミリ波帯ではバックホール部分を無線で実現するための規格を定義している。

IABドナー : IABノードの親となるノードでCNと接続する機能を持つ, IABノードとバックホールを接続する
IABノード
- IAB-MT : IABドナー, 親IABノードに無線アクセス回線(NR Uu)でバックホールを接続する機能
- IAB-DU : UE, 子ノードをアクセスリンクとして接続する機能

(図に対する説明は特に無し)

6.2 MAC sublayer

6.2.1 Services and Functions

主なMACサブレイヤのサービスと機能

論理チャネルとトランスポートチャネルのマッピング
同一または異なる論理チャネルに属するMAC SDUをトランスポートブロック（TB）にMultiplexing/demultiplexingし、物理層でトランスポートチャネル上で送受信
Scheduling information reporting
HARQ（CAの場合、セルごとに1つのHARQエンティティ）を通じたエラー訂正
Priority handling : 動的スケジューリングによるUE
Priority handling : 論理チャネルの優先順位づけによるUE
Priority handling : UEのオーバーラッピングリソース
パディング

単一のMACエンティティは、複数の数値、送信タイミング、およびセルをサポート
論理チャネルの優先順位づけにおけるマッピング制限は、論理チャネルがどの数値、セル、および送信タイミングを使用できるかを制御

6.2.2 Logical Channnels(論理チャネル)

論理チャネルは「コントロールチャネル」と「トラフィックチャネル」に分けられる

コントロールチャネル

Broadcast Control Channel（BCCH）: システム制御情報をブロードキャストするDLチャネル
Paging Control Channel（PCCH）: ページングメッセージを送信するDLチャネル
Common Control Channel（CCCH）: UEとネットワーク間で制御情報を転送するチャネル、ネットワークとRRC接続のないUEで使用
Dedicated Control Channel（DCCH）: UEとネットワーク間で専用の制御情報を送受信するポイントツーポイントの双方向チャネル、RRC接続を持つUEで使用

トラフィックチャネル

Dedicated Traffic Channel（DTCH）: 1つのUEに専用のユーザー情報を転送するためのポイントツーポイント・チャネル。DTCHはULとDLの両方で存在できる

6.2.4 HARQ

HARQ（Hybrid Automatic Repeat reQuest）は、L1でのピア通信を保証する。(データ誤り訂正的な意味？)
物理層が下りリンク/上りリンクの空間多重化(Spatial Multiplexing)で構成されていない場合、HARQプロセスは1つのトランスポートブロック（TB）をサポートする
物理層が下りリンク/上りリンクの空間多重化(Spatial Multiplexing)で構成されている場合、HARQプロセスは1つまたは複数のTBをサポートする

6.3 RLC Sublayer

6.3.1 Transmission modes

RLCサブレイヤは、以下の3つの転送モードを持つ

Transparent Mode (TM);
Unacknowledged Mode (UM);
Acknowledged Mode (AM).

RLCの構成は論理チャネルごとにあり、numerologies(*)および(または)送信期間に依存せず、ARQは論理チャネルが構成されている任意の数値および(または)送信期間で動作できる

numerologiesとは

異なるサブキャリア間隔やシンボル時間などの物理的なパラメータの数値ことと思われる

SRB0、ページング、およびシステム情報のブロードキャスト : TMモード
他のSRB : AMモード
DRB : UMモード or AMモード

6.3.2 Services and Functions

RLCサブレイヤの主なサービスと機能 (翻訳すると逆にわかりにくいので一部原文まま)

transmission mode and include:
上位レイヤーのPDUの転送;
Sequence numbering independent of the one in PDCP (UMとAM);
ARQ(AMのみ)による誤り訂正
RLC SDUsのセグメンテーション(AM, UM) とリセグメンテーション (AMのみ);
Reassembly of SDU (AM and UM)
Duplicate Detection (AM only)
RLC SDU discard (AM and UM)
RLC 再確立
プロトコルエラー検知(AMのみ)

6.3.3 ARQ （Automatic Repeat reQuest）

RLCのARQの特徴

ARQは、RLCステータスレポートに基づいてRLC SDUまたはRLC SDUセグメントを再送する
RLCで必要な場合には、RLCステータスレポートはポーリングで使用される
RLC受信側でも、欠落したRLC SDUまたはRLC SDUセグメントを検出した後に、RLCステータスレポートをトリガーすることができる

6.4 PDCP Sublayer

6.4.1 Services and Functions

データ転送 (user plane or control plane)
PDCP SNs(シーケンスナンバー)のメンテナンス
ROHC protocolのヘッダー圧縮と伸長
EHC protocolのヘッダー圧縮と伸長
uplink PDCP SDUsの圧縮と伸長(DEFLATE based UDC only)
暗号化と復号
整合性保護と検証
Timer based SDU discard
For split bearers, routing
Duplication（多重化？）
並べ替えと順序付き配信
順序外配信
重複廃棄

PDCPは、DLおよびULでCOUNTのwrao around(数値が上限や加減に達した後に巻き戻る)を許可していないため、ネットワークによって発生しないようにする責任がある
たとえば、対応するラジオベアラーの解放および追加やfull configration(文意わからず)の使用など

6.5 SDAP Sublayer

SDAPの主なサービスと機能

QoS flow と data radio bearer のマッピング
DLとULパケットの QoS flow ID (QFI)のマーキング
SDAPの単一プロトコルのエンティティは、それぞれの独立したPDUセッションに合わせて設定する

3GPP TS38.300(V17.6.0) 6.1 Layer2 Overview ~ 6.5 SDAP Sublayerを読んでみた