Radio Protocol Stack 5G NR cho người mới: SDAP, PDCP, RLC, MAC, RRC và so sánh với LTE

Dành cho ai? Người mới học viễn thông, đã nghe qua UE / eNB / gNB nhưng chưa nắm “bên trong” giao diện vô tuyến có gì. Sau bài này bạn sẽ: vẽ lại được ngăn xếp giao thức vô tuyến 5G NR, nói được từng lớp làm việc gì, hiểu RRC (TS 38.331) vận hành ra sao và biết 5G khác 4G ở những điểm nào. Bài tiếp theo trong series: Đi sâu Layer 2: PDCP, RLC (TM/UM/AM) và cấu trúc MAC PDU — bài này chỉ giới thiệu từng lớp ở mức đủ hiểu, bài kia mổ xẻ chi tiết từng byte. Bài LTE đã có trên wiki: Tổng Hợp: Mô Hình Giao Thức Vô Tuyến (Radio Protocol Stack) — LTE.

1. Bức tranh tổng thể trong 60 giây

Hãy tưởng tượng bạn gửi hàng bằng dịch vụ chuyển phát. Mỗi lớp giao thức vô tuyến giống một bộ phận trong công ty vận chuyển:

Sơ đồ ngăn xếp 5G NR trên giao diện Uu (UE ↔ gNB):

   CONTROL PLANE (mặt phẳng điều khiển)      USER PLANE (mặt phẳng người dùng)
   ────────────────────────────────         ──────────────────────────────
           NAS (UE ↔ AMF)                           IP / Ethernet / ...
              │ (gNB chỉ chuyển tiếp)                    │
             RRC                                       SDAP   ◄── LỚP MỚI của 5G
              │                                          │
            PDCP                                       PDCP
              │                                          │
             RLC                                        RLC
              │                                          │
             MAC   ◄────── dùng chung ──────►           MAC
              │                                          │
             PHY                                        PHY

• Control plane: mang báo hiệu (RRC, NAS) → đi qua SRB (Signalling Radio Bearer).
• User plane: mang dữ liệu người dùng (gói IP) → đi qua DRB (Data Radio Bearer).
• 5G NR thêm SDAP phía trên PDCP ở user plane. Đó là khác biệt cấu trúc lớn nhất so với LTE.

2. Thuật ngữ nền tảng (đọc trước để khỏi lạc)

• UE (User Equipment): điện thoại/modem. gNB (next-generation Node B): trạm gốc 5G NR. Uu: giao diện vô tuyến UE ↔ gNB.
• NG-RAN: mạng truy nhập vô tuyến 5G (các gNB). 5GC: lõi 5G (AMF quản lý di động/đăng ký, UPF chuyển tiếp dữ liệu).
• AS (Access Stratum) vs NAS (Non-Access Stratum):
  • AS = giữa UE và gNB: RRC, SDAP, PDCP, RLC, MAC, PHY.
  • NAS = giữa UE và AMF (5GMM/5GSM): đăng ký, xác thực, tạo PDU session. gNB không đọc, chỉ gói NAS vào RRC rồi chuyển tiếp (qua NGAP).
• SDU / PDU (khái niệm quan trọng nhất để đọc spec):
  • SDU (Service Data Unit) = dữ liệu mà lớp trên giao xuống cho lớp mình.
  • PDU (Protocol Data Unit) = SDU + header (và đôi khi trailer) của lớp mình.
  • Ví dụ: PDCP PDU = PDCP header + PDCP SDU. Rồi PDCP PDU chính là RLC SDU, cứ thế lồng xuống dưới.
• Radio Bearer: “đường ống logic” giữa UE và gNB. SRB cho báo hiệu, DRB cho dữ liệu.
• Ba loại kênh (người mới hay nhầm nhất):

Ánh xạ điển hình (downlink): DCCH/DTCH → DL-SCH → PDSCH; BCCH → BCH → PBCH hoặc BCCH → DL-SCH → PDSCH; PCCH → PCH → PDSCH; uplink: DCCH/DTCH/CCCH → UL-SCH → PUSCH; RACH → PRACH. PDCCH mang DCI (thông tin lập lịch) và PUCCH mang UCI (phản hồi HARQ, CSI, yêu cầu lập lịch) — hai kênh này không đi qua transport channel.

Điểm khác LTE: NR không có PCFICH và PHICH; PDCCH được cấu hình linh hoạt qua CORESET; và có SSB (SS/PBCH Block gồm PSS, SSS, PBCH) để UE tìm cell.

3. Từng lớp làm gì trong 5G NR

3.1 SDAP — lớp mới của 5G

Vấn đề SDAP giải quyết. Trong 5G, lõi mạng quản lý chất lượng dịch vụ theo QoS flow (mỗi flow có một QFI — QoS Flow Identifier, 6 bit, và một 5QI mô tả yêu cầu như độ trễ, tỉ lệ mất gói). Nhưng đoạn vô tuyến lại truyền dữ liệu bằng DRB. Cần một lớp “phiên dịch” giữa hai thế giới ⇒ SDAP.

Công việc của SDAP:

1. Downlink: gói IP đến từ UPF mang QFI → SDAP chọn DRB tương ứng (theo bảng ánh xạ do RRC cấu hình) và, nếu được cấu hình, gắn SDAP header có QFI.
2. Uplink: SDAP ở UE nhìn QFI của gói → đẩy vào DRB đúng (theo quy tắc mạng cấu hình, hoặc reflective QoS — UE tự học ánh xạ từ gói downlink). Nếu không có quy tắc, dùng default DRB của PDU session.
3. Một SDAP entity cho mỗi PDU session. Nhiều QoS flow có thể gộp vào một DRB, nhưng một QoS flow tại một thời điểm chỉ thuộc một DRB.

SDAP header chỉ 1 byte (có hay không do RRC cấu hình qua sdap-HeaderDL / sdap-HeaderUL):

Downlink:  | RDI | RQI |   QFI (6 bit)   |
Uplink:    | D/C |  R  |   QFI (6 bit)   |

RDI (Reflective DRB mapping Indication) và RQI (Reflective QoS flow-to-DRB mapping Indication) phục vụ reflective QoS; D/C phân biệt data PDU và control PDU (control PDU dùng làm end-marker khi flow chuyển sang DRB khác).

Ghi nhớ:

• SDAP chỉ có ở user plane và chỉ khi lõi là 5GC. SRB không đi qua SDAP.
• Trong kiến trúc EN-DC / NSA (NR kết nối với lõi 4G EPC), bearer vẫn là EPS bearer nên không có SDAP.

3.2 PDCP của NR (tóm tắt — chi tiết ở bài Layer 2)

• Header compression: ROHC cho gói IP (tiết kiệm băng thông, quan trọng với VoNR/VoLTE).
• Ciphering (mã hóa): NEA0 (không mã hóa) / NEA1 / NEA2 / NEA3. Integrity (toàn vẹn): NIA0–NIA3. Integrity bắt buộc cho SRB; với DRB là tùy chọn (cấu hình qua RRC). LTE thì chủ yếu chỉ bảo vệ toàn vẹn cho SRB.
• Đánh số (SN): SRB dùng 12 bit; DRB dùng 12 hoặc 18 bit.
• Reordering + loại gói trùng: khi có handover hoặc nhiều đường truyền (dual connectivity), gói có thể đến sai thứ tự — PDCP trả về cho lớp trên theo đúng thứ tự.
• PDCP duplication: gửi cùng một gói qua hai đường (hai RLC/hai cell) để tăng độ tin cậy cho dịch vụ URLLC.
• Data recovery khi handover: gửi lại những gói chưa được xác nhận để không mất dữ liệu.

3.3 RLC của NR (tóm tắt)

Ba chế độ, chọn theo dịch vụ:

Thay đổi lớn so với LTE: RLC của NR không còn ghép (concatenation) các SDU và không còn sắp xếp lại thứ tự. Ghép chuyển lên MAC, sắp xếp lại chuyển lên PDCP. Lý do: cho phép gNB/UE chuẩn bị sẵn RLC PDU trước khi biết kích thước cấp phát, giảm trễ xử lý — rất quan trọng cho yêu cầu độ trễ thấp của 5G.

3.4 MAC của NR (tóm tắt)

• Ánh xạ kênh logic ↔ kênh truyền tải; ghép/tách nhiều SDU của nhiều kênh logic vào một Transport Block.
• Lập lịch (scheduling): gNB quyết định UE nào được dùng tài nguyên nào (cấp phát qua DCI trên PDCCH). Uplink: UE gửi SR (Scheduling Request) → nhận grant → gửi BSR (Buffer Status Report) báo còn bao nhiêu dữ liệu.
• HARQ: truyền lại nhanh ở tầng MAC/PHY, kết hợp mềm (soft combining). NR hỗ trợ tối đa 16 HARQ process, bất đồng bộ cả downlink lẫn uplink.
• Random Access (RACH): 4 bước (Msg1–Msg4) hoặc 2 bước (từ Release 16).
• Khác: LCP (Logical Channel Prioritization — ưu tiên giữa các kênh logic khi gói vào Transport Block), PHR (báo công suất dư), DRX (ngủ tiết kiệm pin), Timing Advance, Beam Failure Recovery (đặc thù NR).
• MAC PDU của NR có cấu trúc khác LTE: subheader nằm ngay trước payload của nó (sẽ giải thích trong bài Layer 2).

3.5 PHY — chỉ cần nhớ vài điều

• Numerology linh hoạt: khoảng cách sóng mang con 15 × 2^μ kHz (15/30/60/120/240 kHz); một slot luôn có 14 symbol OFDM (CP thường), slot càng ngắn khi SCS càng lớn → độ trễ thấp hơn.
• Băng tần: FR1 (sub-6 GHz, 410–7125 MHz) và FR2 (mmWave, 24.25–52.6 GHz). Băng thông mỗi carrier tối đa 100 MHz (FR1) / 400 MHz (FR2); LTE là 20 MHz.
• Mã hóa kênh: LDPC cho dữ liệu, Polar cho điều khiển (LTE dùng Turbo / tail-biting convolutional).
• Waveform: downlink CP-OFDM; uplink CP-OFDM hoặc DFT-s-OFDM.

4. RRC (TS 38.331) — “bộ não” của giao diện vô tuyến

4.1 RRC làm những việc gì?

1. Phát system information (MIB, SIB1, …) để UE biết cách truy nhập cell.
2. Paging (gọi UE ở trạng thái rảnh/inactive).
3. Thiết lập, duy trì, giải phóng kết nối RRC; thiết lập/sửa/xóa radio bearer (SRB, DRB).
4. Kích hoạt bảo mật AS (mã hóa + toàn vẹn).
5. Cấu hình đo đạc và nhận MeasurementReport; điều khiển mobility (handover).
6. Tunnel NAS: mang bản tin NAS giữa UE và AMF.
7. Quản lý UE capability (UE hỗ trợ băng tần, MIMO, … nào).

RRC dùng ASN.1 để định nghĩa bản tin, mã hóa bằng PER (Packed Encoding Rules, unaligned). Muốn đọc nội dung phải dùng Wireshark hoặc công cụ ASN.1 — nhìn hex không hiểu gì.

4.2 Ba trạng thái RRC

                 RRCSetup (sau random access)
      ┌───────────────────────────────────────────┐
      │                                           ▼
  RRC_IDLE ◄───────── RRCRelease ────────── RRC_CONNECTED
      ▲                                       │       ▲
      │                    RRCRelease         │       │ RRCResume
      │                  (có suspendConfig)   ▼       │
      │                                  RRC_INACTIVE ┘
      └──── RRCRelease / từ bỏ context ──────┘

Vì sao cần INACTIVE? Điện thoại hay có kiểu “gửi gói nhỏ rồi im” (tin nhắn, ping của ứng dụng). Nếu mỗi lần phải đi từ IDLE → CONNECTED qua cả loạt báo hiệu với lõi thì tốn thời gian, pin và tải báo hiệu. INACTIVE cho phép resume nhanh bằng RRCResumeRequest / RRCResume vì context đã được giữ sẵn.

4.3 Signalling Radio Bearer (SRB)

(LTE chỉ có SRB0–SRB2.)

4.4 System Information

• MIB (Master Information Block): kênh BCCH → BCH → PBCH, nằm trong SSB. Rất nhỏ: SFN, khoảng cách sóng mang con, vị trí DMRS, cấu hình PDCCH cho SIB1 (CORESET#0/SearchSpace#0), cờ cellBarred…
• SIB1: kênh BCCH → DL-SCH → PDSCH. Chứa thông tin cơ bản để truy nhập cell: PLMN, TAC, Cell ID, cấu hình RACH, tham số chọn cell, và lịch của các SIB khác.
• SIB2–SIB5: thông số cell reselection (SIB2 chung, SIB3 neighbor cùng tần số, SIB4 khác tần số, SIB5 sang E-UTRA/LTE).
• On-demand SI (mới ở NR): SIB ít dùng không phát liên tục; UE nào cần mới yêu cầu → tiết kiệm tài nguyên và năng lượng cell.

4.5 Các bản tin RRC chính và kênh mang chúng

Mẹo nhớ: LTE có chữ “Connection” (RRCConnectionSetup, RRCConnectionReconfiguration…); NR bỏ chữ đó (RRCSetup, RRCReconfiguration…).

4.6 Luồng thiết lập kết nối (SA, đơn giản hóa)

 UE                              gNB                             AMF
  │ (1) PRACH preamble (Msg1)     │                               │
  │──────────────────────────────►│                               │
  │ (2) Random Access Response    │                               │
  │◄──────────────────────────────│                               │
  │ (3) RRCSetupRequest (Msg3)    │   CCCH / SRB0                 │
  │──────────────────────────────►│                               │
  │ (4) RRCSetup (Msg4)           │   CCCH / SRB0 → tạo SRB1      │
  │◄──────────────────────────────│                               │
  │ (5) RRCSetupComplete          │   DCCH / SRB1                 │
  │     [NAS: Registration Req]   │   NGAP: Initial UE Message    │
  │──────────────────────────────►│──────────────────────────────►│
  │        ... NAS xác thực / NAS security (qua DL/UL InformationTransfer) ...
  │ (6) SecurityModeCommand       │   (sau khi AMF gửi context/key)
  │◄──────────────────────────────│                               │
  │ (7) SecurityModeComplete      │                               │
  │──────────────────────────────►│                               │
  │ (8) RRCReconfiguration        │   tạo SRB2 + DRB (khi có PDU session)
  │◄──────────────────────────────│                               │
  │ (9) RRCReconfigurationComplete│                               │
  │──────────────────────────────►│                               │

Điều đáng chú ý: bước (3)–(4) chạy trên SRB0 chưa có bảo mật; từ (5) mới qua SRB1; sau (7) bản tin RRC mới được mã hóa + bảo vệ toàn vẹn bởi PDCP. Đây cũng là lý do bản tin RRC/NAS giai đoạn đầu là mục tiêu quen thuộc của tấn công trạm giả.

4.7 Mổ xẻ RRCReconfiguration — bản tin quan trọng nhất

Mẹo để không rối: mỗi lớp được cấu hình bởi một nhóm IE riêng.

RRCReconfiguration
├── radioBearerConfig                 ← cấu hình SDAP + PDCP
│   ├── srb-ToAddModList  (SRB1..3, pdcp-Config)
│   └── drb-ToAddModList
│        ├── cnAssociation → sdap-Config  (pdu-Session, qfi, sdap-Header...)
│        └── pdcp-Config   (discardTimer, SN size, headerCompression, integrity...)
├── measConfig                        ← cấu hình đo đạc
└── nonCriticalExtension
    └── masterCellGroup (CellGroupConfig)   ← cấu hình RLC + MAC + PHY
         ├── rlc-BearerToAddModList  (logicalChannelIdentity, rlc-Config: AM/UM, SN length, timers)
         ├── mac-CellGroupConfig     (BSR, PHR, DRX, SR...)
         ├── physicalCellGroupConfig
         └── spCellConfig            (cell phục vụ: BWP, PDCCH, PDSCH, PUSCH...)

Khi đọc capture, cứ hỏi “mình đang tìm tham số của lớp nào?” rồi đi vào đúng nhánh. Cũng dễ hiểu vì sao kiến trúc CU/DU split đặt RRC + SDAP + PDCP ở gNB-CU và RLC + MAC + PHY ở gNB-DU: CU sinh radioBearerConfig, DU sinh CellGroupConfig.

Handover trong NR cũng là một RRCReconfiguration có chứa reconfigurationWithSync (LTE: mobilityControlInfo trong RRCConnectionReconfiguration).

4.8 INACTIVE: suspend và resume

1. Mạng gửi RRCRelease kèm suspendConfig (chứa I-RNTI, chu kỳ RAN paging, RNA).
2. UE sang RRC_INACTIVE, giữ context AS; gNB cũng giữ; kết nối NG với lõi không bị phá.
3. Khi có dữ liệu: UE gửi RRCResumeRequest (kèm I-RNTI + resumeMAC-I để xác thực) → gNB trả RRCResume → UE quay lại CONNECTED mà không cần làm lại toàn bộ thủ tục với lõi.

5. So sánh LTE và NR (bảng tra cứu)

6. Thực hành: nhìn thấy các lớp này trong capture

Wireshark có dissector riêng cho từng lớp (ở tầng RAN, cần pcap có “MAC context”, ví dụ từ srsRAN/OAI hoặc UE log):

Gợi ý lộ trình học bằng lab:

1. Dựng lab LTE ảo hóa theo bài Hướng dẫn dựng lab LTE ảo hóa hoàn toàn (Open5GS + srsRAN qua ZMQ), quan sát RRC/MAC/RLC của LTE.
2. Chuyển sang lab 5G SA (Open5GS 5GC + srsRAN Project hoặc OAI gNB), bật pcap cho MAC và NGAP, đối chiếu với luồng ở mục 4.6.
3. Với mỗi RRCReconfiguration, mở cây IE và tìm lại sdap-Config, pdcp-Config, rlc-BearerToAddModList, mac-CellGroupConfig như sơ đồ mục 4.7.

7. Những hiểu nhầm hay gặp

• “SDAP là một lớp bảo mật.” Không. SDAP chỉ ánh xạ QoS; mã hóa/toàn vẹn nằm ở PDCP.
• “SRB1 và SRB2 là hai kênh logic khác nhau.” Cả hai đều dùng kênh logic DCCH, chỉ khác nhau ở LCID.
• “RLC của NR vẫn sắp xếp lại gói.” Không — việc đó đã chuyển lên PDCP.
• “gNB đọc được nội dung NAS.” Không — NAS được bảo mật đầu cuối UE ↔ AMF; gNB chỉ chuyển tiếp.
• “HARQ và ARQ là một.” HARQ (MAC/PHY) sửa lỗi nhanh ở cỡ mili-giây bằng soft combining; ARQ (RLC AM) xử lý các lỗi còn sót, chậm hơn. Chi tiết trong bài Layer 2.
• “5G NR luôn có SDAP.” Chỉ khi kết nối với 5GC; NSA/EN-DC dùng lõi 4G thì không có.

8. Tóm tắt để nhớ

• Stack U-plane NR: SDAP → PDCP → RLC → MAC → PHY; C-plane: RRC → PDCP → RLC → MAC → PHY (NAS chạy trên RRC).
• SDAP ánh xạ QoS flow (QFI) → DRB; PDCP bảo mật + đánh số + sắp xếp lại; RLC phân mảnh + ARQ; MAC lập lịch + ghép + HARQ.
• RRC có 3 trạng thái (IDLE / INACTIVE / CONNECTED) và bản tin đa năng RRCReconfiguration: nhánh radioBearerConfig ↔ SDAP/PDCP, nhánh CellGroupConfig ↔ RLC/MAC/PHY.
• So với LTE, NR thêm SDAP, thêm INACTIVE, bỏ ghép/sắp xếp lại ở RLC, đổi cấu trúc MAC PDU, LCID 6 bit, numerology linh hoạt.

Tài liệu tham khảo

• 3GPP TS 38.300 — NR; Overall description (NR and NG-RAN).
• 3GPP TS 37.324 (SDAP), TS 38.323 (PDCP), TS 38.322 (RLC), TS 38.321 (MAC), TS 38.331 (RRC), TS 38.211–38.214 (PHY).
• 3GPP TS 36.321 / 36.322 / 36.323 / 36.331 — các lớp tương ứng của LTE để đối chiếu.
• ShareTechnote — 5G NR Radio Protocol Stack Architecture.