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4G网络数据传输流程与速率分析系列(一)

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发表于 2019-12-17 20:58:53
摘要:生命不息,提速不止。4G时代,百兆、双百兆、300兆速率的广告比比皆是,现在1Gbps也要来了。本系列5篇文章将围绕4G速率做系统介绍,包括数据传输流程、终端等级、速率计算、如何达到1Gbps。本文是第一篇,讲述用户数据在空口的传输流程。
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2009年1月,瑞典运营商TeliaSonera宣布商用4G LTE网络,建成全球首个4G商用网络;
2013年12月,中国移动宣布商用4G网络,速率超百兆,成为国内首家4G网络运营商;
2014年12月,韩国SK电信宣布商用4G+ LTE-A网络,速率达300M每秒,是全球首个4G+商用运营商;
到2016年7月,全球已有170个国家521个运营商商用4G网络,69个国家147个运营商商用4G+网络。4G发展如火如荼。
然而也是从2016年起,各领先运营商、网络厂商、终端厂商携5G强势袭来,4G已成强弩之末?当然不是,4G时代,我们看到了百兆、双百兆、300兆网络速率的大幅广告,现在,4G要放出最后一个大招:1Gbps。
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1Gbps到底是什么鬼?为此,小编将围绕4G速率用若干篇文章娓(luo)娓(suo)道(luo)来(suo)。等等,前四篇和1Gbps有半毛钱关系?是为了凑字数吧?

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4G网络数据传输流程之从“小视频”到“传输块”
Alice和Bob是好朋友,他们用的都是中国某动比快更快4G+网络。
从此世界少了一个科学家,多了一个攻城狮。若干天后,Bob通信大讲堂开课了:
在4G高速网路下,Alice和Bob互传小视频是分分钟的事,可是拨开台前看幕后,小视频经历了九曲十八弯才从Alice手中传到Bob眼里。
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小视频首先从Alice的手机通过4G无线接入网络(其实就是我们通常说的4G网络)上传到4G基站(eNB),然后通过基站相继转发到SGW和PDN-GW,SGW和PDN-GW是4G核心网的两个网元,负责路由和转发用户产生的IP数据包。小视频通过PDN-GW进入Internet,遨游一圈后再次通过PDN-GW和SGW传到Bob所在的4G基站,由Bob下载到自己的手机中。

在整个传输过程中,Alice上传和Bob下载小视频是通过4G网络,那么在4G网络里,小视频都经历了什么?听小编继续分(xia)析(bai)。
Alice和Bob(用户)与他们的4G基站传输小视频(数据)是按照事先定义好的步骤和准则执行的,我们把这些步骤和准则的集合称为接口,由于小视频是通过无线链路传输的,所以把这个接口称为空中接口,简称空口。和1984年ISO定义的7层网络参考结构类似,空口也是一层一层的,在传输用户数据时可认为有两层(用户面):L1物理层、L2数据链路层,L2又包括PDCP、RLC、MAC三个子层 。当然这里层是逻辑概念上的,不像千层蛋糕一样看得见、掰的开。
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Alice的小视频就是应用层的微信产生的数据,在IP层被分段,每段增加一个IP包头后传递到L2的PDCP子层,其中每个IPv4包头最小20Byte,最大60Byte,IPv6包头40Byte。之后各层对小视频的处理如下。
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L2的PDCP子层(Packet Data Convergence Protocol,分组数据汇聚协议),主要功能是对上层的IP包进行IP包头压缩和解压,以及数据加密和解密。PDCP只处理IP数据,在3G时代可有可无,到了4G时代,由于网络全IP化,PDCP不可或缺,实现了从跑龙套到主角的华丽变身。例如,对一个含有32Byte有效载荷的VoIP分组,IPv4报头增加40Byte,IPv6报头增加60Byte,即125%和188%的开销。在PDCP层采用ROHC报头压缩技术后,这一开销可被压缩成4~6个字节,即12.5%~18.8%的相对开销,资源利用率大幅提升。
Alice手机的PDCP层收到包含小视频分段的IP包后,对每一个IP包进行包头压缩、数据加密后,添加一个PDCP包头,传递到RLC子层。

L2的RLC子层(Radio Link Control,无线链路控制),主要功能是将PDCP子层传下来的数据包进行重排序,以及分割、重组、级联,同时通过ARQ机制进行错误检测、重传。RLC子层有3种工作模式:透明模式(TM),非确认模式(UM),确认模式(AM)。
  • 透明模式(TM)最简单,不需要RLC层进行任何处理,用于随机接入等特殊目的;
  • 非确认模式(UM)支持数据包丢失检测,并提供分组数据包的排序和分割,重组,级联,适用于高层提供数据的顺序传送,且无需重传丢失的数据,典型地用于VoIP等时延敏感业务;
  • 确认模式(AM)是最复杂的模式,除了支持UM模式的特征外,还要支持ARQ机制,即在检测到丢包时重传数据包。一般来讲,AM模式用于TCP业务,如文件传输,这类业务主要关心数据的无错传输。

此时,Alice手机的RLC子层将包含小视频分段的PDCP数据包重排序、分割、重组、级联为一个或多个RLC层数据单元,每个RLC数据单元添加一个包头形成RLC数据包(RLC包头大小至少10bit,其中含有RLC数据包的序列号),传递到MAC子层。

L2的MAC子层(Medium Access Control,介质访问控制),主要功能是对RLC子层数据(又叫逻辑信道)复用和解复用,进行调度和优先级处理(下行方向是多个用户之间优先级处理;上行方向是同一用户不同逻辑信道的优先级处理),基于HARQ机制的纠错等。
Alice手机的MAC子层这时收到包含小视频的RLC层数据包,还有包含老板邮件的RLC层数据包,将这两部分数据复用,添加一个MAC帧头形成MAC帧(又叫传输信道),同时启动HARQ模式,确保小视频不传错,不丢失。完成这些后,手机将MAC帧传递到L1物理层,准备发射。(小视频:每到一层都要打标签,有完没完?还有那封老板的邮件是哪来的什么鬼?)
这里,MAC帧数据也可称为传输块(TB,Transport Block),意思是传输信道的数据,后续物理层以一个TB为单位对数据进行处理。

L1的物理层(PHY)以1ms(一个TTI时长,一个子帧时长)为单位,对MAC子层传下来的TB进行调制、交织、信道编码、波形生成等一系列处理,并映射到二维时频资源块中(RB)。
Alice的手机里这时发生了什么且听下回分解。

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