基于多核CPU的軟件無線電平臺(tái)研發(fā)及應(yīng)用技術(shù)研究.pdf

1、隨著移動(dòng)通信的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)基于專用硬件實(shí)現(xiàn)的通信設(shè)備由于功能單一且固定，造成各通信標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)之間不能互相兼容，而且升級(jí)困難。而軟件無線電技術(shù)可以很好地解決這些問題，它可以將不同無線電系統(tǒng)整合在同一通用硬件平臺(tái)上，利用軟件實(shí)現(xiàn)無線通信協(xié)議，充分發(fā)揮軟件的靈活性。目前，很多軟件無線電平臺(tái)都是基于可編程硬件實(shí)現(xiàn)，如現(xiàn)場可編程門陣列或嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器。這樣的硬件平臺(tái)雖然能滿足現(xiàn)代高速無線通信協(xié)議對(duì)數(shù)字信號(hào)處理能力及時(shí)間的要求，但是編程相對(duì)

2、困難。相比之下，基于通用處理器架構(gòu)（如:普通PC）的軟件無線電平臺(tái)在性能與開發(fā)難易度方面提供了新的權(quán)衡，程序員在一個(gè)熟悉的架構(gòu)與開發(fā)環(huán)境中，使用相對(duì)便宜的射頻板卡就可以實(shí)現(xiàn)新的無線通信協(xié)議。但是，由于PC的硬件和軟件并不是專為無線信號(hào)處理而設(shè)計(jì)，現(xiàn)有基通用處理器的軟件無線電平臺(tái)只能實(shí)現(xiàn)有限的性能。
　　針對(duì)基于通用處理器的軟件無線電平臺(tái)所帶來的挑戰(zhàn)與機(jī)遇，本文以交叉學(xué)科思想，結(jié)合計(jì)算機(jī)與通信學(xué)科，介紹了基于多核CPU的軟件無線電平

3、臺(tái)-SORA;針對(duì)無線通信中信號(hào)處理的特點(diǎn)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高效、模塊化的軟件編程模型-CORA;基于SORA軟件軟件無線電平臺(tái)及CORA編程模型實(shí)現(xiàn)了IEEE802.11n2×2 MIMO系統(tǒng);利用軟件無線電天然跨層特性，對(duì)目前無線局域網(wǎng)中MAC協(xié)議效率低下的問題進(jìn)行分析，并提出跨層解決方案-FICA。論文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)可以歸納為以下幾個(gè)方面:
　　1.基于多核CPU實(shí)現(xiàn)了軟件無線電平臺(tái)-SORA。
　　通過分析無線通信

4、協(xié)議中物理層與MAC層的特性，提出基于通用處理器的軟件無線電平臺(tái)所需具備的條件，并基于多核CPU實(shí)現(xiàn)了軟件無線電平臺(tái)-SORA，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的高性能性。SORA利用現(xiàn)代處理器中多核心及高容量、低延遲緩存結(jié)構(gòu)，通過查找表、SIMD并行指令、多核流水線處理及獨(dú)占CPU核心等技術(shù)，加速無線信號(hào)處理的速度，滿足了系統(tǒng)對(duì)無線通信協(xié)議中延遲及定時(shí)的需求。同時(shí)，基于SORA平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)實(shí)時(shí)802.11a/b/g無線通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)

5、處理物理層編/譯碼以及MAC層協(xié)議，可以與商業(yè)802.11設(shè)備無縫地相互通信，在各調(diào)制速率下，達(dá)到與商業(yè)802.11設(shè)備相似的性能。
　　2.設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)靈活、模塊化的信號(hào)處理編程模型-CORA。
　　SORA展示了當(dāng)代通用處理器的計(jì)算能力可以滿足高速無線通信協(xié)議中數(shù)字信號(hào)處理的需求，但是在實(shí)際中使用軟件實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)處理仍然是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。程序員需要具備大量的優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)，甚至使用底層匯編指令，通過這樣的方式實(shí)現(xiàn)的程

6、序往往結(jié)構(gòu)凌亂，難以實(shí)現(xiàn)代碼復(fù)用，程序難以并行化，因此需要建立一個(gè)高效、模塊化的數(shù)字信號(hào)編程模型。本文在SORA軟件架構(gòu)的基礎(chǔ)上，針對(duì)無線通信中數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn)，利用現(xiàn)代處理器結(jié)構(gòu)中多核心并行處理的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)代編譯器的優(yōu)化能力，提出了一個(gè)靈活、模塊化的編程模型-CORA，具有靈活、高效、低延時(shí)、高代碼復(fù)用性等特點(diǎn)，可以極大地提高編程效率。利用CORA編程模型及輔助開發(fā)庫，程序員可快速、靈活地實(shí)現(xiàn)不同通信協(xié)議物理層，并具有高效的執(zhí)行效

7、率。
　　3.基于SORA實(shí)現(xiàn)了802.11n2×2 MIMO系統(tǒng)。
　　以802.11n2×2 MIMO為例，介紹了物理層編/譯碼過程及算法，對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所面臨的實(shí)際問題做了介紹并給出了解決方法。基于CORA編程模型實(shí)現(xiàn)了物理層編/譯碼過程，對(duì)各部分算法針對(duì)多核CPU結(jié)構(gòu)做了特定的優(yōu)化，提高算法運(yùn)行速度?；赟ORA軟件無線電平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)了原型通信系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了物理層編/譯碼吞吐率可以滿足實(shí)時(shí)計(jì)算的要求，并在實(shí)際物理信道

8、中評(píng)估了物理層譯碼性能。該系統(tǒng)的開發(fā)和實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步展示了SORA軟件無線電平臺(tái)的高性能及靈活性，又進(jìn)一步驗(yàn)證了CORA模型的易用性和有效性。
　　4.細(xì)粒度信道接入媒體訪問控制技術(shù)-FICA。
　　SORA軟件無線電平臺(tái)的靈活性促使了無線新系統(tǒng)的研究。本文針對(duì)目前無線局域網(wǎng)中隨著物理層數(shù)據(jù)速率提高而MAC層效率低下的問題，提出基于OFDM的細(xì)粒度信道隨機(jī)接入方案-FICA，將整個(gè)寬帶信道分為寬度相等的子信道，多個(gè)終端可以根據(jù)各