張自然　李　俊　李長(zhǎng)嘯

摘要：長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)系統(tǒng)對(duì)調(diào)度時(shí)延提出了非常嚴(yán)格的時(shí)間要求，并且LTE的空口速率很大，這對(duì)處理基帶部分的器件提出了非常高的要求，原來(lái)的單核處理器已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)的需求。本文利用多核處理器實(shí)現(xiàn)LTE上行解調(diào)、譯碼的并行處理，并設(shè)計(jì)了多核并行處理方法，通過(guò)測(cè)試結(jié)果的分析，這種方法取得了很好的效果。

關(guān)鍵詞：LTE；PUSCH 信道；解調(diào)；譯碼；多核處理器

Abstract: Long Time Evolution (LTE) is strict with the system processing time, and the peak uplink and downlink speed of air interface is very high, so the requirements for the baseband processing chip are high. The use of three-core processor could be 2.6 times faster than single-core processor, it is shown that the LTE uplink demodulation and decoding time is greatly reduced by multi-core parallel processing.

Key words:LTE; PUSCH channel; demodulate; decode; multi-core processor

長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE) 為3G的長(zhǎng)期演進(jìn)，根據(jù)LTE協(xié)議中對(duì)于上行混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求(HARQ)時(shí)延的要求，eNodeB從接收完物理上行共享信道(PUSCH)子幀到下行開(kāi)始發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)包譯碼正確(ACK)或數(shù)據(jù)包譯碼錯(cuò)誤(NACK)響應(yīng)的時(shí)間為3 ms。經(jīng)過(guò)測(cè)試，如果直接利用單核處理器來(lái)串行處理上行的解調(diào)、譯碼，在用戶設(shè)備(UE)類型為能力級(jí)5(Category5)，傳輸塊(TB)大小為75 056 bit，上行采用虛擬多輸入多輸出(MIMO)，空中接口流量達(dá)到150 Mb/s時(shí)，總的處理時(shí)延將無(wú)法滿足協(xié)議要求。因此，為了減小處理時(shí)延，考慮利用多核處理器來(lái)進(jìn)行并行處理上行解調(diào)和譯碼，縮短處理時(shí)間以滿足協(xié)議規(guī)定的3 ms的處理時(shí)延。[1-6]

1 多核處理器架構(gòu)和原理

1.1 多核處理器架構(gòu)

多核處理器技術(shù)是最近CPU設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)新興技術(shù)，它把兩個(gè)或兩個(gè)以上的處理器核集成在一塊芯片上，以增強(qiáng)芯片的處理能力。本文用到的多核處理器將3個(gè)處理器核(Core)集成在1枚芯片上，各個(gè)處理器核之間共享內(nèi)存和其他外部設(shè)備，3個(gè)處理器核分別叫作Core0、Core1、Core2，每個(gè)處理器核上都設(shè)置有獨(dú)立的高速二級(jí)緩存，以減小多核處理器在并行訪問(wèn)內(nèi)存時(shí)的瓶頸效應(yīng)。對(duì)任何共享資源(例如DDR2中的某一段共享代碼或數(shù)據(jù))均可以通過(guò)信號(hào)量來(lái)實(shí)現(xiàn)多核之間的共享和互斥。每一個(gè)處理器核上都運(yùn)行一個(gè)獨(dú)立的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)，而各個(gè)處理器核之間通過(guò)信號(hào)量進(jìn)行通信。運(yùn)行在一個(gè)處理器核上的任務(wù)可以和運(yùn)行在同一處理器核上的任務(wù)通信，這樣，任務(wù)間就可以通過(guò)協(xié)同通信來(lái)完成特定的應(yīng)用。而通過(guò)將應(yīng)用劃分為不同的可以并行運(yùn)行的任務(wù)而運(yùn)行在不同的處理器核上，就可以并行地處理數(shù)據(jù)，從而達(dá)到提高系統(tǒng)處理能力的目的。

1.2 多核并行處理原理分析

在單核中進(jìn)行的串行處理如何轉(zhuǎn)換為多核中進(jìn)行的并行處理呢？假定串行處理分為3個(gè)模塊A、B、C，單核處理3個(gè)模塊的時(shí)間為T(mén)1、T2、T3，如果采用多核并行處理，可以采用的方法包括以下幾種。

1.2.1 流水線方式

A、B、C這3個(gè)模塊分別在Core0、Core1、Core2處理。

將A模塊分解成子過(guò)程A1、A2、A3，B模塊分解成子過(guò)程B1、B2、B3，C模塊分解成C1、C2、C3子過(guò)程，A模塊每處理完一個(gè)子過(guò)程就交給B模塊處理，然后B模塊每處理完一個(gè)子過(guò)程再交給C模塊處理，這樣形成流水處理方式，流水圖樣如圖1所示。流程后面處理的核不用等到前面處理的核把這個(gè)模塊做完才開(kāi)始處理，而是前面一個(gè)核在完成模塊的一個(gè)子過(guò)程后就交給下個(gè)核進(jìn)行處理，這樣就可以流水起來(lái)，達(dá)到并行處理的目的。

1.2.2 分布式處理

每個(gè)Core都處理A、B、C模塊，對(duì)于一個(gè)UE，在單個(gè)Core對(duì)A、B、C模塊的處理滿足時(shí)延要求時(shí)，把一個(gè)UE的A、B、C 模塊在Core0、Core1、Core2上進(jìn)行分布式處理。由于每個(gè)Core都處理A、B、C模塊，那么可以把多個(gè)UE分在不同的Core上進(jìn)行負(fù)荷分擔(dān)，達(dá)到并行處理的目的。處理圖樣如圖2所示：

圖2中(a)和(b)的區(qū)別在于：(a)圖中模塊B需要等模塊A的所有子過(guò)程處理完之后才能處理，(b)圖中模塊A和模塊B可以同時(shí)進(jìn)行。

2 LTE PUSCH信道解調(diào)譯碼多核并行處理分析和設(shè)計(jì)

2.1 PUSCH信道介紹

PUSCH用于傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，多UE共享，通過(guò)媒體接入控制(MAC)調(diào)度器來(lái)進(jìn)行調(diào)度。

在UE側(cè)，PUSCH信道的處理流程如圖3所示。

PUSCH信道的解調(diào)譯碼流程如圖4所示。

2.2 系統(tǒng)時(shí)延要求

2.2.1 LTE上行HARQ處理時(shí)延要求

LTE在混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求(HARQ)的上行，由于HARQ 是同步的，eNodeB在收到上行共享信道(UL-SCH)的數(shù)據(jù)包后，經(jīng)過(guò)信道估計(jì)、MIMO解碼、離散傅里葉逆變換(IDFT)、解調(diào)、譯碼等，然后在給定的時(shí)間在空中接口下ACK或NACK，eNodeB處理的所有時(shí)間為3 ms。

2.2.2 單核的測(cè)試情況

采用單核處理器，處理器CPU主頻為1 GHz。測(cè)試?yán)秊椋阂粋€(gè)20 MHz帶寬的小區(qū)，1 200個(gè)子載波，eNodeB有4天線接收，UE由2天線發(fā)射，上行接收采用虛擬MIMO，即4×2的MU-MIMO, 2個(gè)碼字, 傳輸塊的大小為75 056 bit，采用64QAM調(diào)制方式，峰值流量為150 Mb/s。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示，總的時(shí)間為5.92 ms，大于給定的3 ms的處理時(shí)間，所以采用單核的處理器已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)的時(shí)延要求。

2.3 解調(diào)譯碼多核并行處理可行性分析

對(duì)于解調(diào)，可以從時(shí)域按照調(diào)制符號(hào)來(lái)進(jìn)行多核之間的拆分，不必等到所有調(diào)制符號(hào)都得到就可以開(kāi)始處理。

對(duì)于解擾，可以從時(shí)域按照軟比特來(lái)進(jìn)行多核之間的拆分，每個(gè)核都需要產(chǎn)生整個(gè)擾碼序列，不必等到所有軟比特都得到就可以開(kāi)始處理。

對(duì)于控制和數(shù)據(jù)解復(fù)用，多核之間的拆分只能按照用戶來(lái)進(jìn)行，不同的用戶可以在不同的Core上處理。將同一個(gè)用戶的解復(fù)用分到不同的核上處理實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度非常高，并且由于解復(fù)用的過(guò)程還包含一個(gè)傳輸間隔(TTI)內(nèi)不同SC-FDMA符號(hào)之間的解交織，因此必須是在一個(gè)TTI收齊之后才能開(kāi)始處理。

對(duì)于解速率匹配，多核之間的拆分可以按照碼塊進(jìn)行，即不同的用戶可以在不同的Core上處理，同一個(gè)用戶的不同碼塊也可以在不同的Core上處理。

對(duì)于編碼塊CRC校驗(yàn)，多核之間的拆分可以按照碼塊進(jìn)行，即不同的用戶可以在不同的Core上處理，同一個(gè)用戶的不同碼塊也可以在不同的Core上處理。某個(gè)編碼塊譯碼完成之后就可以進(jìn)行編碼塊CRC，不必等待所有碼塊都譯碼完成。

對(duì)于碼塊連接，多核之間的拆分只能按照用戶來(lái)進(jìn)行，同一個(gè)用戶只能在一個(gè)Core上處理。某個(gè)編碼塊譯碼完成之后就可以進(jìn)行碼塊連接，不必等待所有碼塊都譯碼完成。

對(duì)于傳輸塊CRC校驗(yàn)，多核之間的拆分只能按照用戶來(lái)進(jìn)行，同一個(gè)用戶只能在一個(gè)Core上處理。只能等待所有碼塊都譯碼完成才能開(kāi)始處理。

2.4 多核解調(diào)譯碼并行處理設(shè)計(jì)

解調(diào)譯碼并行處理如圖5所示。

Core0作為調(diào)度核，Core1和Core2為非調(diào)度核。調(diào)度核調(diào)度的原則是：新增用戶如果需要的處理資源不超過(guò)單核的限制，按照UE進(jìn)行在各個(gè)Core間進(jìn)行負(fù)荷分擔(dān)；新增用戶需要的處理資源超過(guò)單核處理能力，對(duì)占用資源最大的用戶進(jìn)行子過(guò)程分解進(jìn)行并行處理。

2.4.1 調(diào)度核處理方案

對(duì)每個(gè)處理函數(shù)，以ProcessFunc為例，再外包一層ProcessDispatch函數(shù)，調(diào)度核Core0的ProcessDispatch函數(shù)的流程圖如圖6所示。

首先對(duì)該P(yáng)rocess進(jìn)行調(diào)度，如果Core0可以自己完成，那么直接調(diào)用ProcessFunc函數(shù)處理。如果需要分派，則將參數(shù)打包放到Core1和Core2的參數(shù)池內(nèi)，通知Core1和Core2開(kāi)始處理，同時(shí)調(diào)用Core0的ProcessFunc處理分派給自己的部分，然后Core0等待收集處理完的數(shù)據(jù)，收集齊之后ProcessFunc處理完畢。

2.4.2非調(diào)度核方案

非調(diào)度核增加一個(gè)優(yōu)先級(jí)較高的任務(wù)DispatchTsk，專門(mén)處理調(diào)度核Core0分派的子過(guò)程，該任務(wù)由調(diào)度核觸發(fā)。DispatchTsk從參數(shù)池內(nèi)取出ProcessFunc的入口參數(shù)，調(diào)用ProcessFunc函數(shù)處理，完成后將該子過(guò)程設(shè)置完成標(biāo)志，并通知調(diào)度核Core0。為了減少調(diào)度核Core0的等待時(shí)間，將DispatchTsk的優(yōu)先級(jí)設(shè)置成比本核的業(yè)務(wù)處理任務(wù)高，使DispatchTsk得到及時(shí)響應(yīng)。在DispatchTsk沒(méi)有得到控制權(quán)時(shí)，非調(diào)度核處理本核的業(yè)務(wù)處理任務(wù)。這一處理流程如圖7所示。

3 結(jié)果分析

以解速率匹配為例進(jìn)行單核串行和多核并行處理測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2的測(cè)試數(shù)據(jù)表明采用3核并行處理，可以得到大部分情況下多核比單核處理快2.6倍以上的處理速度，可見(jiàn)利用多核進(jìn)行并行處理可以大大的縮短LTE上行解調(diào)、譯碼的處理時(shí)間。這種多核并行處理的方法也為無(wú)線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種新的思路。

4 結(jié)束語(yǔ)

將來(lái)的通信系統(tǒng)要求能支持的空中接口峰值速率越來(lái)越大，而對(duì)系統(tǒng)處理的處理時(shí)延要求卻越來(lái)越短，如何提高系統(tǒng)的處理速度和處理能力，降低系統(tǒng)的處理時(shí)延是通信系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵[7-12]。本文分析了多核并行處理思路，提出了一種利用多核處理器架構(gòu)來(lái)進(jìn)行LTE 上行解調(diào)和譯碼并行處理的方法，解速率匹配的測(cè)試結(jié)果表明，這種設(shè)計(jì)方法取得了很好的效果。

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收稿日期：2008-02-22

張自然，畢業(yè)于電子科技大學(xué)?，F(xiàn)任中興通訊股份有限公司高級(jí)工程師，主要從事UMTS、LTE等無(wú)線通信系統(tǒng)的前沿技術(shù)研究工作。已發(fā)表論文5篇，提交專利2篇。

李俊，畢業(yè)于華中科技大學(xué)?，F(xiàn)任中興通訊股份有限公司高級(jí)工程師，主要從事UMTS、LTE等無(wú)線通信系統(tǒng)的前沿技術(shù)研究工作。

李長(zhǎng)嘯，畢業(yè)于電子科技大學(xué)?，F(xiàn)任中興通訊股份有限公司工程師，主要從事UMTS、LTE等無(wú)線通信系統(tǒng)的前沿技術(shù)研究工作。