第二节 无线通信基础
1.1 通信系统的分层模型
1.1.1开放系统互连模型
开放系统互连(OSI)模型由国际标准组织(ISO)和国际电工委员会于1984年首次发布，其目的是“为系统互连目的的标准开发协调提供共同基础，同时允许将现有标准置于整体参考模型中的角度”。它定义了一组七层，每一层在不同的抽象层次上描述通信系统的功能。
OSI模型如图1.1所示。在这个图中，节点A和节点B正在通信。顶层是应用层，它代表最终用户界面，是模型中最高级别的抽象。最底层是物理层(PHY)，它涉及通过通信通道或介质进行数据的物理传输和接收，所需的硬件连接和信号处理操作。
数据链路层是不同的，因为它包含两个已定义的子层。下层是MAC (Media Access Control)子层，负责管理节点对物理传输介质的访问;上层是LLC (Logical Link Control)子层，负责MAC层建立的点对点链路。
在链路的发送端遍历各层时，数据被封装(和反封装)，如图1.2所示。一般来说，来自L层的数据被分割成块，并在前面加上协议信息，形成一个更大的块，称为协议数据单元PDU (protocol data Unit)。因此，每个PDU由一个报头(用于协议信息)和一个负载(承载数据)组成，在某些情况下还包含一个尾(包含进一步的协议信息)。来自L层的PDU随后被传递到L-1层，L-1层向每个层添加自己的报头信息，形成新的(更大的)PDU，依此类推。在接收端，在层中，提取每个PDU中的报头信息用于实现L层协议，并将有效载荷传递到上面的L+1层。请注意，最低层必须处理最大量的数据。
根据OSI层的不同，PDU有不同的名称。它们被定义为：
第七至五层——数据
第四层——段
第三层——包
第二层——帧
第一层——串行化为比特，然后在介质中传输物理信号。
1.1.2 TCP/IP模型
传输控制协议/互联网协议(TCP/ IP)模型被定义为四或五层。TCP/IP模型如图1.3所示。
它还阐明了它如何映射到OSI模型。TCP/IP模型使用类似的封装和反封装PDU的方法，当数据在传输端向下移动时添加协议信息，然后在接收端提取和利用协议信息术语“TCP/IP”也指用于实现该模型的一系列与互联网相关的协议。有几个这样的协议，在它的四个主要层中提供各种功能，最重要的是TCP和IP，以及用户数据报协议(UDP)。这些可以简要概括如下。
TCP传输层协议提供有保证的数据传输。在源端生成的数据包被编号，通过网络发送，并在目标端重新排序。数据包确认、超时和选择性重传的方案用于从发生的任何丢失中恢复，这提供了交付的保证，尽管代价是显著的复杂性。
UDP也是一个传输层协议，但与TCP不同，它不提供任何成功交付的保证。这产生了一个简单得多的协议，其中消息只在一个方向上发送，并且没有确认和重传。
TCP和UDP都假定Internet层实现IP协议。IP协议使数据能够从一个网络上的源节点传输到另一个网络上的预期目标节点，可能在途中经过几个其他网络。
TCP/IP模型被设计为与底层物理介质无关，因此与无线、有线或光学传输兼容。用于实现数据链路层及其下面的物理层的协议是特定于目标传输介质、功能和性能属性的。
1.1.3通信协议栈
定义大多数数据通信系统及其实际实现的标准反映了形成堆栈的层的一般思想。接下来介绍一些无线通信堆栈的示例。
a.Wi-Fi
支持Wi-Fi技术的标准由IEEE维护，并被称为IEEE802.11。针对不同频段，支持不同数据传输速率;它们用字母后缀表示，如IEEE 802.11a、IEEE 802.11b等。
在数据链路层的下部(MAC子层)和物理层采用IEEE 802.11，如图1.4所示。
b.数字增强无线通信（DECT）
DECT的主要目的是为数字无线电话传输语音信号。DECT标准定义了四个协议层(网络层、数据链路控制层、MAC层和物理层)，它们映射到OSI模型的最低三个层，以及两个平面——控制平面和用户平面。图1.5总结了这些DECT平面和层到OSI模型的映射。
DECT物理层定义了跨多个射频载波的时分多址(TDMA)协议。定义帧结构，每10ms重复一次，包含24个时隙;每个时隙提供了传输一个从MAC层生成和传递的数据包的机会。MAC层还选择物理通道，并在这些通道上建立和关闭连接。
在MAC层之上，协议在数据链路控制层分为两个平面:用户平面负责数据流量，控制平面负责管理流量和任务。数据链路控制层负责链路可靠性和数据完整性，而网络层用于信令，例如建立和释放呼叫。
c.第五代新无线电(5G NR)
5G NR定义了三层(记为layer 1 - 3)，其中layer 2和layer 3由子层组成。图1.6展示了这些5G NR层和子层到OSI模型的映射。
1.1.4 通信栈的SDR实现
在RFSoC的背景下，我们设想了一个通用的无线收发器模型，如图1.7所示。物理层和MAC子层的部分可以针对RFSoC的PL部分，因为这些算法适合硬件实现，并且受益于低延迟、确定性操作。上层通常在PS上的软件中实现，并可选择适当算法的硬件加速。考虑到RFSoC体系结构，系统实现在硬件和软件之间的划分是灵活的。
a.底层(MAC和PHY)
物理层需要高吞吐量操作，但采用的是需要确定性信号处理操作的恒定数据流的形式。在这种情况下，我们使用术语确定性来表示处理阶段具有一致的延迟，并且保持数据路径的相对时序，这两者都是成功实现所设计的DSP算法的重要因素。因此，物理层很好地映射到FPGA上的硬件实现，或者相当于RFSoC设备的PL部分。
MAC层也需要处理高数据吞吐量。在这一层，数据被划分成帧，在某些标准中，这些帧可能与上面层中的不同逻辑通道相关联;因此，MAC层的任务之一就是对这些帧进行多路复用和解复用处理。MAC层还必须确定何时访问无线信道以传输数据。
b.顶层
在最上层实现的功能自然在软件中实现。应用程序和表示层协议的例子有，例如，web浏览器和其他GUI，以及超文本传输协议(HTTP)和XML等协议。传输层和网络层所涉及的任务也最好在软件中实现;例如，TCP和路由协议的实现。因此，总的来说，上层更好地映射到运行软件的处理器，而不是在PL中实现的硬件体系结构。然而，有一些上层任务可能适合使用硬件协处理器加速，例如编码和解码。
文章来源：威视锐科技
