星星之火-42:LTE空口协议栈、数据处理流程与LTE的调制技术大全
前言:
LTE的数据处理,是数字调制、频分复用、时分复用、数模转换、模拟调制的集大成者。
这里汇集了众多的复杂的调制技术,包括高阶QAM正交幅度调制、正交多载波调制OFDM、CPRI传输、IQ双路正交载波调制、AD转换、射频模拟调制,LTE把调制技术发挥到了极致。
同时LTE的调制技术跨越了LTE系统的两个网元BBU和RU,跨越了LTE协议栈物理层和RF层。
1 LTE空口协议栈
协议栈的分层结构有助于实现简化设计。底层协议为上层提供服务;上层使用下层提供的功能,上层不必清楚下层过程处理的细节。
LTE空口的接口协议分为四层:
L3网络层,包含2个子层:RRC(无线资源控制层)、NAS(非接入层协议)。
L2数据链路层,包含3个子层:MAC:媒体接入层、RLC(无线链路控制层)、PDCP(分组数据汇聚协议层)。
L1物理层PHY:包含两个子层:PHY_Low、PHY_High,主要负责基带调制和解调。
RF射频层: 主要负责射频调制与解调,以及无线电磁波段发送与接收。
RF: 负责模数转换、射频调制、无线电磁波的收与发。
PHY:负责处理编译码、调制解调、多天线映射以及其它电信物理层功能。最为复杂的一层,也是最考验产品的一层协议。实际设计中,涉及诸多算法也最能体现实际芯片的性能。和硬件紧密相关,需要协同工作。
MAC:负责处理HARQ重传与上下行调度。应该说,L2的精华就在这边,重传和调度能做好,对于整个产品来说,速率就能体现出来。
RLC:负责分段与连接、重传处理,以及对高层数据的顺序控制。RLC提出了三种模式:透明模式(Transparent Mode,TM)、非确认模式(Unacknowledged Mode,UM)和确认模式(Acknowledged Mode,AM)。一般来讲,AM模式典型用于TCP的业务,如文件传输,这类业务主要关心数据的无措传输;UM模式用于高层提供数据的顺序传送,但是不重传丢失的PDU,典型用于如Voip业务,这类业务最主要关心传送时延;TM模式则仅仅用于特殊的目的,如随机接入。
PDCP:负责执行头压缩以减少无线接口必须传送的比特流量。头压缩机制基于ROHC,PDHP层在控制面对RRC和NAS层消息进行完整性校验,在用户面不进行完整性校验。以及对数据和信令的加密。
RRC:支持终端和eNodeB间多种功能的最为关键的信令协议。广播NAS层和AS层的系统消息,寻呼功能,RRC连接建立、保持和释放,端到端无线承载的建立、修改和释放,移动性管理包括UE测量报告、小区切换、UE小区选择和重选等。RRC层协议终止于eNode B。
NAS:处理UE和MME之间信息的传输,传输的内容可以是用户信息或控制信息。如业务的建立、释放或者移动性管理信息。NAS层以下,我们称为AS层,而NAS对于eNode B是透明的,从上图可以看到,eNode B是没有这层协议的,所有NAS消息,对于他来说,就是过路。NAS建立在AS层之上,它与接入信息无关,只是通过接入层的信令交互,在UE和MME之间建立起了信令通路,从而便能进行非接入层信令流程了。NAS子层则终止于MME。
2.2 LTE数据处理流程与LTE的调制技术
在上述发送过程如下:
(1)BBU L1 PHY:把二进制的比特流映射到由LT的无线资源构成的LTE的FDD/TDD物理层的帧结构中。
(2)BBU L1 PHY:根据映射关系,对物理层的帧的数据进行基带QAM调制和OFDM复用
(3)BBU L1 PHY: 对把基带信号转换成IQ数字信号
(4)CPRI : 在BBU和RRU之间传输基带IQ数字信号
(5)RRU 数字: 把数字基带信号转换成数字中频信号
(6)RRU RF: 把数字基带或中频信号转换成模拟信号DAC
(7)RRU RF : 进行模拟IQ调制,获得QAM调制+OFDM复用后数字基带或中频模拟信号
(8)RRU RF: 把基带/中频模拟已调信号进行模拟射频调制,即混频。
(9)RRU RF: 对信号进行放大,然后通过天线发送
接收过程正好与发送过程反向对称。
至于每个环节的理论基础、工作原理与实现细节,请参考:
《图解通信原理与案例分析-20:4G LTE调制与多路复用技术:QAM正交幅度调制、多载波调制、O-FDM正交频分复用、SC-FDMA频分复用、IQ调制、混频》图解通信原理与案例分析-20:4G LTE调制与多路复用技术:QAM正交幅度调制、多载波调制、O-FDM正交频分复用、SC-FDMA频分复用、IQ调制、混频_文火冰糖的硅基工坊的博客-CSDN博客
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