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  • 数据单元(数据单位) 应用 message(消息) 运输 segment(TCP 报文段) 或 datagram(UDP 用户数据报) 网络 packet(IP 数据报(或简称数据报、分组或包)) 数据链路 frame() 物理 ...

    起序:本文摘录于《计算机网络(第七版)- 谢希仁》,里面也有自己对 MAC 帧 的理解。

    五层协议体系结构 数据单元(数据单位)
    应用层 message(消息)
    运输层 segment(TCP 报文段) 或 datagram(UDP 用户数据报)
    网络层 packet(IP 数据报(或简称数据报、分组或包))
    数据链路层 frame(帧)
    物理层 bit(比特流)

    一、MAC 层的硬件地址

    在局域网中,硬件地址 又称为 物理地址MAC地址。也就是咱们口中 网卡地址 。这个地址是由 网络设备制造商 在生产的时候就已经写在硬件内部了,是全球唯一的,不需要自己买回来之后再配置的。

    MAC 地址:Media Access Control Address,直译为 媒体存取控制位址,也称为 局域网地址(LAN Address)。

    # 查看自己的 MAC 地址,命令行输入 cmd
    ipconfig /all
    

    可以看到图片上内容:物理地址: D8-C4-97-90-39-2F,这就是自己电脑的真实地址。

    • 有线网卡地址

    在这里插入图片描述

    • 无线网卡地址(和有线网卡地址类似,暂不截图)

    MAC地址的长度为 48位(6个字节),通常表示为 12个16进制数 ,每2个16进制数之间用 冒号 隔开。地址的前24位是由生产厂家向 IEEE 申请的厂商地址,后24位就由生产厂家自行定拟了,代表设备编号。

    下面以我电脑上的 MAC 地址 举例。

    查询MAC地址
    在这里插入图片描述
    便民查询网

    • 有线网卡地址查询

    在这里插入图片描述

    • 无线网卡地址查询(和有线网卡地址类似,暂不截图)

    二、MAC 帧的格式

    • 帧的最大传输单元(MTU):1500 字节
    • 帧的最小传输单元:64 字节,因为 IP报文段 最小为 46 字节

    1、帧格式组成

    帧头 + 上三层数据 + 帧尾

    这里只介绍 帧头帧尾,如果想了解上三层数据单元格式,可以关注我的博客,在博客中查找。

    在这里插入图片描述

    2、帧头

    目的 MAC 地址 + 源 MAC 地址 + 类型 (头可破,血可流,这里顺序不能乱),可以看出 帧头字节长14 字节

    字段 字节长
    目的 MAC 地址 6 字节
    源 MAC 地址 6 字节
    类型 2 字节

    字段中 类型 的作用:识别上层协议,为上层提供服务。下面举例:

    类型的值 代表上层使用的协议
    0x0800 IP 协议
    0x0806 ARP 协议

    3、数据字段

    数据字段属于 IP层(网络层)的数据单元,这里不做详细介绍。

    简单唠一下:数据字段的长度在 46 ~ 1500 字节 之间。(46 字节 :最小长度 64 字节减去 18 字节的首部和尾部 就得出数据字段的最小长度。)

    4、帧尾

    帧检验序列 FCS(Frame Check Sequence),是一段固定 4个字节 的循环冗余校验码。使用 CRC 算法对整个数据进行计算得出的值,类似 hash 算法。

    计算过程:

    1. 源节点发送数据帧时,由 帧的帧头数据部分 计算得出 4个字节的FCS
    2. 目的节点接收到后,用同样的方式再计算一遍得出 4个字节的FCS
    3. 如果与接收到的 FCS 不同,则认为帧在传输过程中发生了错误,从而选择丢弃这个帧。

    注:FCS 提供了一种错误检测机制,用来验证帧在传输过程中的完整性。

    如果对您有帮助,点个赞再走吧。

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  • 数据链路的成方法

    万次阅读 多人点赞 2018-01-09 13:15:54
    之前说过,数据链路一个很重要的功能就是成和拆,因为是数据链路的一个单元,数据链路是对于进行处理的。那么这里就具体讲一讲数据链路是怎么成的。  首先我们应该想想成所涉及的问题。第一...

           之前说过,数据链路层一个很重要的功能就是成帧和拆帧,因为帧是数据链路层的一个单元,数据链路层是对于帧进行处理的。那么这里就具体讲一讲数据链路层是怎么成帧的。

           首先我们应该想想成帧所涉及的问题。第一就是网络层的数据包交给链路层之后,按照怎样的格式封装成帧?第二就是,用什么来区分帧头和帧尾?也就是什么时候帧开始,什么时候结束的问题。以及,怎么看传送的帧是对的?能不能看出来帧的某个比特错了?这些都是成帧机制应该考虑的,所以帧的格式设计成如下这样:


            能看出来,帧的组成主要是标志和字段两个部分,标志主要是标识了帧的开始和结束,字段部分主要有地址字段,控制字段,正文字段和校验字段四个部分。地址字段表明了帧的去向和来源,这是硬件的网卡地址,控制字段就是各种协议,正文字段是真正的信息,校验字段是用来检验帧是不是有错误,通常有CRC校验等等。这样来看,上面的几个问题就都解决了。标志是成帧的一个重要标志,链路层读到标志,就知道帧开始了,这也就界定了一个帧的范围。对于正文字段,链路层读不懂,他也不会在意正文字段是什么,他眼中的正文也就是一串0101而已。

    数据链路层成帧的方法主要有三个:字符计数法,字符填充的首尾界定法和比特填充的首尾界定法。

    1.字符计数法  用一个帧的第一字节来说明帧的总长度(总长度包含这个帧头)


            看这张图,白色为帧头,指明了长度,比如第一帧长度为5,后面就跟了4个字节,第二帧的长度为5,后面也跟了4字节,之后是两个8字节长度的,所以各自跟了7字节的正文部分。但是很显然,如果头这一个字节出了问题,影响的就不仅仅是这一帧了,其他的都会出问题。比如:


            第二个帧头出了问题,那么就会出现大问题:后面的全部帧都会出错,连锁反应。所以这种方法不太常用。

            2.字符填充的首尾界定法

            在帧的头之前和尾之后加一个特殊的字符,只要读到这个字符帧就开始了,再次读到就认为这个帧结束了,如下图所示:



            这种方法能够避免上面字符计数法的头出错问题,但是他也有问题:如果正文里面出现了flag特殊字符怎么办?解决办法是在正文里面flag字符前面加上转义字符esc,这样读到flag之前如果没有转义字符esc,那么认为帧结束,如果有esc那么认为他就是普通的数据就行。问题又来了,那么正文里面如果有esc字符呢?那么就在esc前面再加一个esc就行了,这两个的处理是一样的。如下图:


          3.比特填充的字符界定法

           这种方法和第二种比较类似,区别是他把flag具体化了,为6个1。这样当正文读取的时候一旦出现了5个连续的1,那么在后面填充一个0,避免出现6个1造成帧提前结束。如下图所示:


           收端接收到之后,每读到5个连续的1之后,就把后面的0去掉一个,这样就得到了原文的数据了。

           上面三种方法就是最常见的链路层成帧的方法。


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  • 数据链路——最大传输单元MTU

    千次阅读 2018-07-23 23:17:11
    以太网结构由四个字段组成,各字段含义: 目的地址:该地址指的是MAC地址,指该数据要发送至哪里 源地址:MAC地址,填本地MAC地址,指该数据从哪里来 类型:值该数据要交给上层(网络)的那个协议(IP协议...

    1 数据链路层的以太网帧结构
    以太网帧结构
    以太网帧结构由四个字段组成,各字段含义为:
    目的地址:该地址指的是MAC地址,指该数据要发送至哪里
    源地址:MAC地址,填本地MAC地址,指该数据从哪里来
    类型:值该数据要交给上层(网络层)的那个协议(IP协议,ARP协议…)
    数据:要传输的数据,不过该数据有长度的要求,是在46–1500字节之间,该长度称为最大传输单元即MTU
    若数据长度不够46字节,则需要填充内容;若数据长度超过1500字节,则需要分片传输。

    2 MTU
    形象理解传输中数据的长度限制
    以寄送快递为例:
    MTU解释
    1500字节就是在传输过程中的最大传输单元,也称为MTU,是指在传输数据过程中允许报文的最大长度。

    3 MTU对IP协议的影响
    (1)IP报文在超过MTU后需要分片,接收端需要组装;
    (2)一旦分片后的IP报文有一部分丢失,则接收端组装会失败,对于整个P报文而言相当于传输失败,而IP协议不会负责重新传输数据;
    (3)由于MTU影响的IP报文的分片和组装会加大报文丢失的可能性;
    (4)报文的分片和组装由IP层自己做,会加大传输的成本,降低性能。

    4 MTU对UDP协议的影响
    (1)UDP协议的报头为固定的20字节;
    (2)若UDP数据的长度超过(1500-20)1480字节,则数据在网络层会分片;
    (3)数据的分片会加大数据丢失的可能性。

    5 MTU对TCP协议的影响
    (1)TCP协议的报头长度为20–60字节;
    (2)若TCP报文的总长度超过1500字节,则数据同样在网络层会分片;
    (3)TCP单个数据报的最大长度称为最大段尺寸MSS;
    (4)在TCP三次握手建立连接的时候,双方会商量传输中MSS的大小;
    (5)与UDP相同的是,分片越多数据丢包的可能性越大,可靠性也就越差。

    【总结】:我们可以发现由于MTU的存在,对于传输的报文长度有限制而导致的分片,会增加数据丢包的可能性,也会降低数据传输的性能;所以在网络中传输数据时尽量将数据的大小控制在不造成分片的最大长度。

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  • 很显然,LTE的时间主线进行组织的。 LTE的时隙长度0.5ms,LTE协议支持0.5ms的调度周期。 但在实际系统实现时,对0.5ms这一个调度的话,信令开销太大,对器件要求高。 一般调度周期设一个子的长度(1...

    目录

    第1章 基带无线资源概述

    1.1 无线资源的作用

    1.2 基带无线资源

    1.3 无线资源的核心地位

    1.4 无线资源的分类

    1.5 无线资源的组织:物理层帧

    第2章 4G LTE的时频资源

    2.1 LTE的带宽

    2.2 LTE子载波间隔

    2.3 LTE子载波个数

    2.3 LTE OFDM时域信号

    2.3 LTE的时频资源RE矩阵

    第3章 4G LTE的物理层帧结构

    3.1 以太网帧结构

    3.2 LTE无线帧结构的特点

    3.3 LTE的双工模式

    3.4 LTE FDD的帧结构

    3.5 LTE TDD的帧结构

    3.6 时隙Slot的构成

    第4章 5G NR的时频资源

    4.1 5G NR的时频资源与4G LTE时频资源的比较

    4.2 5G NR的基带载波带宽

    4.3 5G NR的子载波间隔

    4.4 5G NR的时隙slot时长与子载波间隔的关系

    4.5 5G子载波间隔的应用

    4.6 子载波间隔(SCS,SubCarrier Spacing)对覆盖、时延、移动性、相噪的影响

    4.7 关于循环前缀CP

    第5章 5G NR的物理层帧结构

    5.1 NR的物理层帧结构概述

    5.2 固定的10ms系统帧、5ms的半帧和1ms的子帧结构

    5.3 灵活多变的时隙结构

    5.4 5G NR的调度周期

    5.5 Mini-Slot的引入

    5.6 基于slot的调度格式(Format)

    5.7 时隙Slot的pattern(样式、模式)

    第6章 空间资源

    第7章 功率资源

    7.1 功率的层次

    7.2 功能控制的类型

    第8章 码资源

    第9章 5G NR时频资源矩阵中几个基本概念

    9.1 频域:SCS (sub-carrier space)- 子载波间隔

    9.2 时域:slot

    9.3 RB

    9.4 CRB

    9.5  Point A

    第x章 时频资源的功能划分




    第1章 基带无线资源概述

    1.1 无线资源的作用

    所谓无线资源是指能够承载用户二进制数据的无线信号。

    有点类似飞机以及飞机上的座位。

    不同的频率类似不同航班的飞机。

    不同子载波波类似于同一个飞机上的不同座位。

    不同的时隙类似于同一个飞机不同的起飞时间。

    关于5G的高频载波的频谱,请参考:《[4G&5G专题-25]:架构-4G&5G频谱资源大全与详解》

    https://blog.csdn.net/HiWangWenBing/article/details/113281420

    1.2 基带无线资源

    物理层的无线资源,主要是低频基带无线信号,而不是高频的载波信号。

    “基带”Baseband是相对于RF射频而言的。

    “低频”是相对与RF的数字中频与射频高频而言的,低频是从0频率开始的一定带宽的频谱资源。

    1.3 无线资源的核心地位

    一定带宽的无线信号,一次能够携带的二进制比特是有限的。

    为了在一定的带宽下能够传递更多的比特、或通过增加带宽传递更多的比特,于是产生了各种调制技术。

    为了能够利用有限的无线资源为更多的动态变化的用户提供二进制比特的传输服务,于是产生了各种多址复用技术

    为了能够在不可靠的的无线信道上,稳定、可靠的传输二进制比特服务,于是产生了各种防错、检错、纠错的编码技术

    可以这样说,物理层的各种技术都是构建各种无线资源之上的,是其他技术的基础;其他的技术都是围绕着无线资源展开的。

    1.4 无线资源的分类

    在4G和5G中,无线资源在进一步细化为:

    image.png

    • 小区频率带宽资源:比如 4G LTE支持5M/10M/15M/20M,5G LTE可以支持更大的带宽,如50M/100M/200M/400M.
    • 不对称、可变带宽BWP资源:这是5G新引入的技术,该技术可是使得终端信号带宽与基站的载波带宽不相同。
    • 频率子载波资源:4G LTE是15K的子载波,5G的子载波可以是15K, 30K, 60K, 120K子载波。

    子载波:把一群人分割成一个个的人,每个人就是一个子载波,一个子载波可以单独传递信息。20M带宽的无线信号,可以分割成载波间隔15K的1200个子载波,就相当于有1200个人。

    • 时间资源:不同的用户,不同时分复用的方式,共享相同的子载波

    一个人,不会时时刻刻干相同的活,如果说,一个人写一张PPT的活称为一个“”符号”的话,那么写一张PPT的时间就是符号的时间,那么一个人写7张PPT的时间称为一个slot。

    也就是说,一个人,在不同的时间可以写不同的PPT, 除了人力资源,时间也是资源,这就是时间资源,一个人工作8小时和10小时的差别,不是人力资源的差别,而是时间资源的差别。

    把12个人分成一组,各自完成7张PPT,共84张PPT,称为“物理资源块” PRB。

    • 时频资源:频率和时间资源合称为时频资源

    1200个人+ 工作时间,就构成了公司的时频资源。

    • 功率资源:任何信号的发送和接收,都需要消耗能量,能量也是一个非常重要的资源,每个基站有最大的功率,每个UE会分得一部分功率。
    • 空间资源:空间资源是MIMO的“层”,在LTE中,同一个RE的MIMO的所有“层”只能归属同一个用户,用于增加用户的带宽,在5G中,结合波束赋形,MIMO的层,可以分配给不同的用户,称为多用户MIMO
    • 无线信道:把各种无线资源按照功能的方式组织起来,向MAC层提供服务。

    1.5 无线资源的组织:物理层帧

    这些无线资源按照一定的方式有机的结构化的组织起来的,称为物理层的帧结构。

    image.png

    第2章 4G LTE的时频资源

    2.1 LTE的带宽

    在LTE中,每个小区的带宽可以是5M/10M/15M/20M, 最大带宽是20M.

    一个基站可以支持多个5M/10M/15M/20M的小区。

    20M的小区带宽,有效带宽为18M, 两边各留了1M作为保护带宽。

    2.2 LTE子载波间隔

    (1)FDM

    (2)OFDM子载波

    OFDM并非可以任意重叠,每个载波的最大带宽只能是30K,重叠为载波间隔15K。

    2.3 LTE子载波个数

    2.3 LTE OFDM时域信号

    (1)OFDM时域信号的频谱

    (2)OFDM已调波的时域波形

    (3)OFDM已调波的IQ采样点

    采样点的个数与子载波的个数相关,即与基带信号的频域带宽相关,带宽越大,所需要的时域采样点的个数越多。

    子载波间隔为15K

    基波信号的频率为15K,  基波信号的传输时间=1/15K = 66.67us,传输一个完整的符号的最短时间为66.67us,即至少能传输一个完整的基波信号,可以传输N个谐波信号。

    20M带宽时,1200子载波,经过一次快速傅里叶变换,生成一个OFDM符号,一个OFDM符号用2048个时域采样点来表达。

    OFDM中包含的子载波越多,OFDM符号所需要的时域采样点的个数就越多。

    采样率=2048 * 15K = 30.72M。

    2.3 LTE的时频资源RE矩阵(频域)

    (1)LTE基带信号的带宽:1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz等多种带宽配置。

    (2)无线资源的复用模式:频分复用FDD + 时分复用TDD

    (3)“频分复用“”的最小复用单位:子载载波,一个符号周期内的一个子载波资源成为一个资源单元RE.

    • 频率:就一个15K带宽的子载波,载波频率为n*15K, n=1,2,3....周期为1/15K = 66.67us/n,频率越高,周期越小,传输一个完整波形的时间越小,相同时间内,传输的完整的波形就越多。因此恢复波形所需要的采样点就越多。
    • 时域-有效数据:一个符号符号的传输时间为66.7us,正好包含1....N个完整的载波的波形, 频率越高,包含的完整的波形的个数越多,N个波形称为一个符号symbol。
    • 时域-CP:填充数据,是两个有效符号之间的空挡时间,是为了克服符号间的干扰(ISI)添加的。第0个OFDM符号CP长度约为5.2us;而其他6个OFDM符号CP长度约为4.7us;
    • 时域-RE:   每个RE传输与一个携带无效数据CP和一个携带有效数据的OFDM符号,平均时间为71.43us。
    • 时域-时隙:7个带CP的符号的传输时间为0.5ms,为一个时隙。
    • 时域-子帧:2个0.5ms的时隙,共14个符号构成一个子帧,一个子帧的传输时间为1ms。
    • 时域-10ms系统帧:10个1ms的子帧,构成了10ms的系统帧。

    (4)子载波个数: 子载波间隔=15K, OFDM子载波带宽=30K, SC-FDMA子载波宽度=15K,20M带宽时子载波的个数=1200。

    (5)时频资源矩阵

    由子载波和时间组合而成的二维的矩阵,矩阵中的每个单元是可以调制二进制比特的符号(子载波)。

    • 频率维度:

    1200个单元格,最小单元是单载波的RE, 也称为符号;每个子载波之间的间隔是15K, 子载波的个数取决与小区带宽。

    20M带宽时,有1333子载波,有效子载波为1200,多余的子载波用于小区的保护。

    • 时间维度:每个RE预留的传输时间为0.5ms/7=0.07ms(0.67us+CP时间),RE传输时间的时域采样点的个数与带宽成正比比。

    (6)"时分复用"的最小复用单位:连续7个RE构成的一个时隙slot,15KHz子载波时,一个时隙的传输时间为0.5ms。

    (7)无线资源最小的多用户复用单位:物理资源块PBR

    1PRB = 12个子载波 * 7个连续时间的符号RE = 84个RE

    在这里插入图片描述

    频域上12个子载波,时域上7个符号的时间,构成一个物理资源块PRB。

    无线资源的分配,是以单个PRB为最小单位的。

    5M带宽情况下,  单个时隙有300%12   = 25PRB,   10ms内有  25 * 2slot * 10ms = 500个PRB.

    10M带宽情况下,单个时隙有 600%12 =  50PRB,   10ms内有  50 * 2slot * 10ms = 1000个PRB.

    20M带宽情况下,单个时隙有1200%12 = 100PRB, 10ms内有100 * 2slot * 10ms = 2000个PRB.

    很显然,带宽越大,10ms帧包含的PRB就越多。

    (8)传输速率

    调制方式  调制bits 单个RE的速率
    (Kbits)

    PRB的速率

    12个子载波
    (Kbits)

    20M带宽的速率

    1200个子载波
    (Mbits)

    QAM16 4 56 672 67.2
    QAM64 6 84 1008 100.8
    QAM256 8 112 1344 134.4
    QAM1024 10 140 1680 168

    (9)PRB的内容

    在实际系统中,PRB中,不仅仅存放多个用户的数据,还存放小区公共数据。

    移动通信中,对10ms帧所有的二维的无线资源PRB进行功能的划分和结构化的管理,就构成了10ms的帧结构

    10ms帧内所有的二维的无线资源PRB的功能进行分类,就得到了各种物理信道

    第3章 4G LTE的物理层帧结构

    3.1 以太网帧结构

    上图是熟悉的以太网的帧结构。以太网帧结构的特点:

    • 帧结构:以太网的帧是没有时间信息,只有反应二进制比特数据关系的的结构化信息,反应了如何结构化的方式组织二进制比特。
    • 完整性:通常在一个连续的时间内,处理完(发送和接收)一个完整、独立的以太网帧。
    • 复用方式:在以太网中,物理层的传输资源是分时复用的,不同的用户分时复用底层的传输资源,但分时的时间间隔不是严格固定的。而是取决于以太网帧的长度信息。
    • 调度方式:不同用户,采用公平竞争的方式获取物理层的传输资源,并通过载波侦听和冲突检测的方式解决不同用户何时使用共享的传输信道、以及解决冲突问题。

    3.2 LTE无线帧结构的特点

    • 帧结构:移动通信中的无线帧结构二维的结构,一维是可用的无线频率(频域)资源,另一维是时间(时域)资源。称之为时频资源。
    • 完整性:通常在一段连续的时间内,由多个、离散时间组成的帧结构,比如10ms的基本帧,1ms的子帧。
    • 多址复用方式:每个无线帧不归属于任何用户,同一个帧结构为多个用户同时共享。
    • 双工复用方式:空口的无线资源为上下行复用。
    • 调度方式:完全基站采用独裁的方式、进行统一调度,每个用户没有权利在未获得基站授权的情况下使用无线资源。
    • LTE的帧结构与LTE的双工模式密切相关。

    3.3 LTE的双工模式

    双工模式是接收方向(上行)和发送方向(下行)共享无线资源。上行和下行,接收与发送是站在基站的角度来定义的,而不是手机。

    LTE支持两种双工模式:TDD和FDD,于是LTE定义了两种帧结构:TDD帧结构和FDD帧结构。

    FDD:是指使用不同的频率来区分上行与下行,上行与下行,在时间上是可以重叠的。因此,无线帧的结构不需要包含上行与下行的时间信息。

    TDD: 是指使用相同的频率来发送和接收,并使用时间来区分上行和下行。上行与下行,在时间上是不能重叠。因此,无线帧的结构需要包含上行与下行的时间信息。

    这就决定了LTE FDD和TDD具有不同的物理层的帧结构。

    3.4 LTE FDD的帧结构(时域)

    (1)10ms帧结构

    LTE FDD类型的无线基本帧时间长为10ms,每帧含10个1ms子帧,称为TTI, 每个TTI包含2个0.5ms的时隙,因此,一个10ms的基本帧,包含20个时隙。

    很显然,LTE的帧是以时间为主线进行组织的。

    LTE的时隙长度为0.5ms,LTE协议支持0.5ms的调度周期。

    但在实际系统实现时,对0.5ms这一个调度的话,信令开销太大,对器件要求高。

    一般调度周期设为一个子帧的长度(1ms),包括两个slot的时间长度,因此一个调度周期内,slot都是成对出现的。

    3.5 LTE TDD的帧结构(时域)

    (1)TDD 10ms帧结构 (时域)

    TDD帧结构中,同时包含上行与下行时隙,用于分时复用接收和发送数据。

    • 10ms帧包含20个半帧

    • 10ms帧中包含10个1ms子帧

    (2)LTE的TDD帧结构和FDD相同的地方:

    • 每个10ms帧由10个1ms的子帧组成,
    • 每个子帧包含2个0.5ms的时隙。

    (3)LTE的TDD帧结构和FDD不相同的地方:

    • 存在三种类型的子帧:上行子帧、下行子帧、特殊子帧
    • 下行子帧=》上行子帧切换时,中间必须有一个特殊时隙进行过度。
    • 上行子帧=》下行子帧切换时,中间无需有一个特殊时隙进行过度。

    (4)上下行子帧的配比

    D代表下行、S代表特殊时隙(也算下行),U代表上行。

    3.6 时隙Slot的构成

    (1)子帧或时隙的结构

    (2)普通模式时每个slot的构成

    每个时隙slot,映射到1个无线资源块(PRB)上, PRB是分配无线资源的最小单元块,一个PRB=12*7=84个RE.

    每个PRB包含7个时间上连续的OFDM/SC-FDM调制信号,每个调制信号也称之为一个OFDM/SC-FDM symbol或RE. 挼下图所示:

    (3)普通模式时每个符号的构成

    采样周期:LTE采用OFDM技术,子载波间隔为△f=15kHz,每个子载波为2048阶IFFT采样,则LTE采样周期Ts=1/(2048×15 000)=0.033us。在LTE中,帧结构时间描述的最小单位就是采样周期Ts。

    • 有效数据:每个时域调制信号由2048个采样点组成,约为66.7us。
    • 填充数据:为了克服符号间的干扰(ISI),需要加入CP。CP长度与覆盖半径有关,要求的覆盖半径越大需要配置的CP长度就越长,但过长的CP也会导致系统开销太大。第0个OFDM符号CP长度为160Ts,约为5.2us;而其他6个OFDM符号CP长度为144Ts,约为4.7us;

    在这种情况下, 0.5ms时间内,只能容纳7个符号; 或者说7个符号的传输时间为0.5ms。

    (4)扩展模式时每个slot的构成

    (5)扩展模式时每个符号的构成

    • 有效数据:每个时域调制信号由2048个采样点组成, 约为66.7us。
    • 填充数据:每个OFDM周期内有用CP时间长度为512Ts,约为16.7us。

    在这种情况下, 0.5ms时间内,只能容纳6个符号; 或者说6个符号的传输时间为0.5ms。

    (6)循环前缀CP

    (6)特殊子帧内部的组成与配比

    特殊子帧的构成

    • DwPTS:下行导频时隙,长为75us
    • GP:保护间隔,长为75us
    • UpPTS:上行导频时隙,长为125us

    通过特殊子帧,就可以从下行时隙顺利过度上行时隙。

    不同的特殊时隙DwPTS、GP、DwPTS的长度,在LTE-TDD帧中可配置,如上图所示。

    TDD的一个子帧长度包括2个时隙,普通CP配置情况下,TDD的一个子帧长度是14个OFDM符号周期;

    而在扩展CP配置情况下,TDD的一个子帧长度 为12个OFDM符号周期。

    第4章 5G NR的时频资源

    4.1 5G NR的时频资源与4G LTE时频资源的比较

    (1)相同点

    • 从总体看,5G NR与LTE采用类似的,甚至说,几乎相同的时频资源的结构。
    • NR中的一个frame的时间长度依然是10ms,包含10个subframe,其中每个subframe的时间为1ms。

    (2)不同点

    • 4G LTE的小区载波带宽最大为20M, 5G NR的载波带宽高达400M。
    • 4G LTE的子载波的间隔为15K, 而5G NR的子载波的间隔15K, 30K, 60K, 120K, 且子载波的间隔与小区带宽相关。
    • 4G LTE的一个不带CP的符号的时长固定为1/15KHz=0.67us, 而5G由于支持不同子载波间隔,不同的子载波间隔导致每个符号的时长不同,分别为:66.7us, 33us,16us,8us.
    • 4G LTE的一个时隙slot,占用7个符号symbol,5G NR的一个时隙slot,占14个符号symbol,相当于LTE的子帧所占的时隙,实际上,5G改变了时隙slot的内涵,14个符号为1个时隙。
    • 4G LTE的一个时隙时长共0.5ms,而5G由于支持不同子载波间隔,一个时隙的时长分别为:1ms, 0.5ms,0.25ms,0.125ms,这为5G支持更短的时间调度和更短的空口延时提供了技术上的保障。
    • 4G LTE的一个1ms子帧,包含2个slot,5G NR 1ms子帧,包含的slot数,与子载波间隔相关,分布是:1, 2,4,  8个slot。

    4.2 5G NR的基带载波带宽

    很显然,5G NR支持的基带信号的带宽,不再是最大20M。基带信号的带宽与高频射频载波的频谱位置相关。

    如果射频载波在FR1频段,基带信号的带宽为5M-100M;

    如果射频载波在FR2频段,基带信号的带宽为50M-400M;

    4.3 5G NR的子载波间隔

    (1)子载波的间隔(SCS:SubCarrier Spacing)可变:

    子载波间隔不再是固定的15KHz,可以是15KHz, 30KHz, 60KHz, 120KHz. 240KHz。

    不同的子载波间隔,称为不同的numerologies,如下图所示

    这里写图片描述

    (2)子载波的间隔(SCS:SubCarrier Spacing)与基带信号带宽有关。

    FR1:

    • 带宽为5M时,子载波的间隔可以为:15K, 30K
    • 带宽为10M-50M时,子载波的间隔可以为:15K, 30K, 60K
    • 带宽为60M-100M时,子载波的间隔可以为:30K, 60K

    FR2: 

    • 带宽为60M-200M时,子载波的间隔可以为:60K, 120K
    • 带宽为400MM时,子载波的间隔可以为:120K

    4.4 5G NR的时隙slot时长与子载波间隔的关系

    1/15KHz : 1ms (14个符号)

    1/30KHz: 0.5ms (14个符号)

    1/60KHz: 0.25ms (14个符号)

    1/120KHz:0.125ms (14个符号)

    1/240KHz:0.0625ms (14个符号)

    4.5 5G子载波间隔的应用

    这里写图片描述

    子载波间隔为:

    15KHz、30KHz、120KHz可用于数据传输信道,也可以用于同步信道。

    60KHz:只能用于同步信道

    240KHz:只能用户数据信道。

    4.6 子载波间隔(SCS,SubCarrier Spacing)对覆盖、时延、移动性、相噪的影响

    • 覆盖:SCS越小,符号长度/CP越长,覆盖越好;
    • 移动性:SCS越大,多普勒频移影响越小,性能越好;
    • 时延:SCS越大,符号长度越短,时延越小;
    • 相噪:SCS越大,相噪影响越小,性能越好。
    • C-band建议子载波间隔30kHz,28GHz建议120kHz。

    4.7 关于循环前缀CP

    (1)什么是循环前缀CP:  双头蛇

    多径时延扩展(最大传输时延和最小传输时延的差值),导致

    • 符号间干扰ISI(Inter-Symbol Interference),严重影响数字信号的传输质量;
    • 信道间干扰ICI(Inter-Channel Interference),OFDM系统下子载波的正交性被破坏,影响接收侧的解调。

    引入CP解决ISI和ICI:

    • 保护间隔减少ISI:在每个OFDM符号之间插入保护间隔,该保护间隔的时间长度Tg一般要大于无线信道的最大时延扩展;
    • 保护间隔内填入循环前缀CP减少ICI:将每个OFDM符号的后时间中的样点复制到OFDM符号的前面,保证在FFT周期内,OFDM符号的延时副本内包含的波形的周期个数也是整数。

    (2)循环前缀的时长:

    第5章 5G NR的物理层帧结构

    5.1 NR的物理层帧结构概述

    对于5G帧结构,由固定结构和灵活结构两部分组成。

     

    ac3d4c1fbccfa54e11f64d5a3a2f57c8.png

    (1)系统帧的时长不变:10ms

    (2)半帧的时长不变:5ms

    (3)子帧的时长不变:1ms

    (4)时隙slot的时长赋予了新的含义,时长为1ms,0.5ms,0.25ms,0.125ms......与子载波的长度成反比。相对于LTE, 变化最大。

    (5)每个slot包含的符号重新定义:14个符号

    5.2 固定的10ms系统帧、5ms的半帧和1ms的子帧结构

    如上图,与LTE相同,10ms无线帧、5ms的半帧和1ms子帧的长度固定,从而允许更好的保持LTE与NR间共存。

    这样的固定结构,利于LTE和NR共同部署模式下时隙与帧结构同步,简化小区搜索和频率测量。

    5.3 灵活多变的时隙结构

    NR赋予了时隙slot新的含义。

    不同的是,5G NR定义了灵活的时隙构架: 时隙和符号长度可根据子载波间隔灵活定义。

    (1)每个slot包含符号的个数, 这与LTE是不一样的,为14个符号

    (2)1ms子帧中,包含的slot的个数,随着子载波的间隔变化而变化。。

    (3)每个时隙的时长不固定,反比于子载波的宽度。

    时隙的时长为1ms,0.5ms,0.25ms,0.125ms......相对于LTE, 变化最大。

    (4)1ms子帧中包含的符号数,随着子载波的间隔变化而变化。

    15KHz: 14;

    30KHz: 28;

    60KHz: 56;

    120KHz: 112;

    240KHz: 224;

    子载的宽度越大,一个时隙的时长(持续时间)越短:1ms、0.5ms、0.25ms;

    子载的宽度越大,1ms中包含的时隙的个数就越多:1、2、4、8

    子载的宽度越大,1ms中包含的符号数越多:14、28、56、120、240

    5.4 5G NR的调度周期

    5G NR是按照Slot的周期来进行调度的,调度周期取决于调度周期内子载波的宽度。

    一个调度周期内,包含了上行数据和下行数据;包含了控制信令和用户数据。

    5.5 Mini-Slot的引入

    为了支持URLLC业务,进一步降低空口延时,5G NR中引入了mini slot的定义。

    在特定场景下,可以支持非Slot的调度,基于mini slot进行调度,这是5G(NR)网络中的最小调度单位。当然,这需要终端的支持。

    如上图所示:

    (1)普通slot:

    • 14个符号
    • 2个PDCCH信道
    • 1个参考信号符号
    • N个数据信道符号。

    (2)Mini slot:

    • 符号个数不固定
    • 符号个数可定制为2, 4 or 7个符号。
    • 图示中,一个mini slot包含1个PDCCH控制信道符号和3个URLLC数据信道符号

    mini slot的时间:

    7个符号时:7/14 * 1 slot的时间

    4个符号时:4/14 * 1 slot的时间

    2个符号时:2/14 * 1 slot的时间

    5.6 基于slot的调度格式(Format)

    所谓调度格式:是指一个slot内,14个符号的上行配比。

    5G NR支持非常多的调度格式,可以说支持任意的配比。

    上图中,D表示下行,U表示上行,X表示任意,可以上行下行。

    0:1个slot中所有的符号用于下行。

    1:1个slot中所有的符号用于上行。

    2:1个slot中符号的上行行是任意的。

    其他:组合。

    备注:

    • 时隙格式的可变性和灵活性,为不同厂家的调度算法的发挥提供了空间。
    • MAC的调度是以时隙为单位进行调度的,一个时隙内的载波的宽度相同!简化傅里叶变换。
    • 一个时隙内14个符号,不同的符号,可以放不同的内容,而不是统一的。实际上,一个时隙的14个符号中,必须有一个控制信道,然后才是数据信道。
    • 一个时隙内14个符号,可以用于上行,也可以用于下行;可以用于控制信令,也可以用于用户数据。
    • FDD可以看成是TDD的一种特殊格式,全部下行或全部上行。
    • 不同的高频载波的频谱位置与带宽不同,支持的子载波的宽度不同。

    • 不同的时隙子载波的宽度可不同。

    5.7 时隙Slot的pattern(样式、模式)

    (1)任意配比,任意slot周期的样式

    任意配比的上行行符号的格式,虽然增加了灵活性,也增加了设备设计的复杂性。

    • Slot内部符号的上下行配比是任意的。
    • slot的与slot之间,没有任何规律,周期性。

    为了简化设计,设计了一些常用的基于Slot调度的重复规律,并用一个数值来代表这些预先约定好的格式,这些些预先约定好的格式就是时隙样式。

    (1)时隙样式案例1:

    • 上下行的配比有:9:1, 8:2, 7:3, 5:5
    • 系统同步块SSB的时隙位置固定
    • PARCH的的时隙位置固定
    • 以40个slots为周期重复。

    (2)时隙样式案例2:

    • 上下行的配比有:9:1, 8:2, 7:3, 5:5
    • 系统同步块SSB的时隙位置固定
    • PARCH的的时隙位置固定
    • 以320个slots为周期重复。

    第6章 空间资源

    为了在相同的时频资源上和载波频率上,能够传送更多的数据,采用了多天线技术MIMO。

    在空间构成了一个相互不干扰的时频资源的“层”。每一层“时频”资源与前面讨论的是完全一样的。

    不同的是,由于不同“层”至今的时频资源,共享的相同的高频载波,为了避免不同“层”的时频资源之间的相互干扰,需要采用预编码技术。

    详见《图解通信原理与案例分析-21:4G LTE多天线技术--天线端口、码流、分集Diveristy、波束赋形BF、空分复用MIMO、空分多址》

    https://blog.csdn.net/HiWangWenBing/article/details/110871535

    第7章 功率资源

    7.1 功率的层次

    功率资源是指基站的总功率,如何分配给不同的终端。

    (1)单基站的总功率:取决于基站的电源。

    (2)单小区的功率:

    (3)单信道的功率:

    (4)单PRB的功率:

    (5)单RE的功率:

    (6)单用户的功率:

    7.2 功能控制的类型

    (1)模拟功率

    (2)数字功率

    关于功率控制,后续章节再继续探讨。

    第8章 码资源

    在4G & 5G中,可以通过扰码区分不同的小区。扰码本身就是一个无线资源。

    第9章 5G NR时频资源矩阵中几个基本概念

    9.1 频域:SCS (sub-carrier space)- 子载波间隔

    在5G中,频域上的子载波间隔是可变的,而LTE中,子载波间隔固定为15KHz。

    在38.211中,规定了5种可用的子载波间隔,其中只有子载波间隔为60KHz时,可应用扩展循环前缀。

    9.2 时域:slot

    (1)相同

    4G和5G的一个系统帧=10ms, 1个帧中包含10个子帧,每个子帧=1ms。

    4G和5G的每个slot中的symbol数也和LTE相同,固定为14个。

    (2)不同

    在LTE中一个子帧中固定包含两个slot,1个slot=0.5ms。

    在5G中,1个子帧所包含的slot个数是根据子载波间隔而变化的,并不固定。

    9.3 RB

    (1)LTE RB的定义:

    定义RB为频域上连续的12个子载波,时域上7个符号的时频资源, 称为PRB.

    (2)NR对RB的定义

    在38.211中,定义RB为频域上连续的12个子载波,并没有对RB的时域进行定义。

    9.4 CRB

    CRB (common resource block)通用资源块。

    这是5G NR新定义的资源块。之所以在已有的RB的基础之上,再定义一个新的名称,是因为在5G NR中,子载波的带宽是可变的。

    9.5  Point A

    这是5G中新增的概念,Point A相当于一个频域上的参考点。

    因为在5G中,频带宽度大幅增加,频域资源分配的灵活度增加。

    在5G中弱化了中心频点的概念,而使用Point A作为频域上的参考点来进行其他资源的分配。

    Ponit A可以从两个参数中读取:

    •   offsetToPointA : 这个参数定义了Point A 和频域最低频率点之间的距离
    •   absoluteFrequencyPointA : 直接定义了Point A的频率点,单位是ARFCN

    第x章 时频资源的功能划分

    对10ms帧内所有的二维的无线资源PRB的功能进行分类,就得到了各种物理信道。后续章节再继续探讨。

    简单的说,物理信道,就是对一群人和他们的时间进行分类,每个部门,就相当于一个信道,一个信道完成特定目标的任务。

    有些部门,有些部门只负责财务、有些部门只负责生产、有些部门负责技术、有些部门负责战略,有些负责后勤,有些负责人力资源管理。

    而有些部门,可以负责多件任务,还能为多个部门共享。

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