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

1、隨著移動通信的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)基于專用硬件實現(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上，利用軟件實現(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都是基于可編程硬件實現(xiàn)，如現(xiàn)場可編程門陣列或嵌入式數(shù)字信號處理器。這樣的硬件平臺雖然能滿足現(xiàn)代高速無線通信協(xié)議對數(shù)字信號處理能力及時間的要求，但是編程相對

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，程序員在一個熟悉的架構(gòu)與開發(fā)環(huán)境中，使用相對便宜的射頻板卡就可以實現(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處理而設(shè)計，現(xiàn)有基通用處理器的軟件無線電平臺只能實現(xiàn)有限的性能。
　　針對基于通用處理器的軟件無線電平臺所帶來的挑戰(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-SORA;針對無線通信中信號處理的特點設(shè)計并實現(xiàn)了一個高效、模塊化的軟件編程模型-CORA;基于SORA軟件軟件無線電平臺及CORA編程模型實現(xiàn)了IEEE802.11n2×2 MIMO系統(tǒng);利用軟件無線電天然跨層特性，對目前無線局域網(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)新點可以歸納為以下幾個方面:
　　1.基于多核CPU實現(xiàn)了軟件無線電平臺-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所需具備的條件，并基于多核CPU實現(xiàn)了軟件無線電平臺-SORA，并通過實驗驗證了系統(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占CPU核心等技術(shù)，加速無線信號處理的速度，滿足了系統(tǒng)對無線通信協(xié)議中延遲及定時的需求。同時，基于SORA平臺，實現(xiàn)了一個實時802.11a/b/g無線通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實時

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)計并實現(xiàn)了一個靈活、模塊化的信號處理編程模型-CORA。
　　SORA展示了當(dāng)代通用處理器的計算能力可以滿足高速無線通信協(xié)議中數(shù)字信號處理的需求，但是在實際中使用軟件實現(xiàn)高速信號處理仍然是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。程序員需要具備大量的優(yōu)化經(jīng)驗，甚至使用底層匯編指令，通過這樣的方式實現(xiàn)的程

6、序往往結(jié)構(gòu)凌亂，難以實現(xiàn)代碼復(fù)用，程序難以并行化，因此需要建立一個高效、模塊化的數(shù)字信號編程模型。本文在SORA軟件架構(gòu)的基礎(chǔ)上，針對無線通信中數(shù)字信號處理的特點，利用現(xiàn)代處理器結(jié)構(gòu)中多核心并行處理的特點，結(jié)合現(xiàn)代編譯器的優(yōu)化能力，提出了一個靈活、模塊化的編程模型-CORA，具有靈活、高效、低延時、高代碼復(fù)用性等特點，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，對系統(tǒng)實現(xiàn)所面臨的實際問題做了介紹并給出了解決方法。基于CORA編程模型實現(xiàn)了物理層編/譯碼過程，對各部分算法針對多核CPU結(jié)構(gòu)做了特定的優(yōu)化，提高算法運行速度。基于SORA軟件無線電平臺中實現(xiàn)了原型通信系統(tǒng)，通過實驗驗證了物理層編/譯碼吞吐率可以滿足實時計算的要求，并在實際物理信道

8、中評估了物理層譯碼性能。該系統(tǒng)的開發(fā)和實驗進(jìn)一步展示了SORA軟件無線電平臺的高性能及靈活性，又進(jìn)一步驗證了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軟件無線電平臺的靈活性促使了無線新系統(tǒng)的研究。本文針對目前無線局域網(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，將整個寬帶信道分為寬度相等的子信道，多個終端可以根據(jù)各