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基于多核CPU的软件无线电平台研发及应用技术研究

房骥  
【摘要】:随着移动通信的飞速发展,传统基于专用硬件实现的通信设备由于功能单一且固定,造成各通信标准和系统之间不能互相兼容,而且升级困难。而软件无线电技术可以很好地解决这些问题,它可以将不同无线电系统整合在同一通用硬件平台上,利用软件实现无线通信协议,充分发挥软件的灵活性。目前,很多软件无线电平台都是基于可编程硬件实现,如现场可编程门阵列或嵌入式数字信号处理器。这样的硬件平台虽然能满足现代高速无线通信协议对数字信号处理能力及时间的要求,但是编程相对困难。相比之下,基于通用处理器架构(如:普通PC)的软件无线电平台在性能与开发难易度方面提供了新的权衡,程序员在一个熟悉的架构与开发环境中,使用相对便宜的射频板卡就可以实现新的无线通信协议。但是,由于PC的硬件和软件并不是专为无线信号处理而设计,现有基通用处理器的软件无线电平台只能实现有限的性能。 针对基于通用处理器的软件无线电平台所带来的挑战与机遇,本文以交叉学科思想,结合计算机与通信学科,介绍了基于多核CPU的软件无线电平台-SORA;针对无线通信中信号处理的特点设计并实现了一个高效、模块化的软件编程模型-CORA;基于SORA软件软件无线电平台及CORA编程模型实现了IEEE802.11n2x2MIMO系统;利用软件无线电天然跨层特性,对目前无线局域网中MAC协议效率低下的问题进行分析,并提出跨层解决方案-FICA。论文的主要工作和创新点可以归纳为以下几个方面: 1.基于多核CPU实现了软件无线电平台-SORA。 通过分析无线通信协议中物理层与MAC层的特性,提出基于通用处理器的软件无线电平台所需具备的条件,并基于多核CPU实现了软件无线电平台-SORA,并通过实验验证了系统的高性能性。SORA利用现代处理器中多核心及高容量、低延迟缓存结构,通过查找表、SIMD并行指令、多核流水线处理及独占CPU核心等技术,加速无线信号处理的速度,满足了系统对无线通信协议中延迟及定时的需求。同时,基于SORA平台,实现了一个实时802.11a/b/g无线通信系统,该系统可以实时处理物理层编/译码以及MAC层协议,可以与商业802.11设备无缝地相互通信,在各调制速率下,达到与商业802.11设备相似的性能。 2.设计并实现了一个灵活、模块化的信号处理编程模型-CORA。 SORA展示了当代通用处理器的计算能力可以满足高速无线通信协议中数字信号处理的需求,但是在实际中使用软件实现高速信号处理仍然是一项具有挑战性的任务。程序员需要具备大量的优化经验,甚至使用底层汇编指令,通过这样的方式实现的程序往往结构凌乱,难以实现代码复用,程序难以并行化,因此需要建立一个高效、模块化的数字信号编程模型。本文在SORA软件架构的基础上,针对无线通信中数字信号处理的特点,利用现代处理器结构中多核心并行处理的特点,结合现代编译器的优化能力,提出了一个灵活、模块化的编程模型-CORA,具有灵活、高效、低延时、高代码复用性等特点,可以极大地提高编程效率。利用CORA编程模型及辅助开发库,程序员可快速、灵活地实现不同通信协议物理层,并具有高效的执行效率。 3.基于SORA实现了802.11n2×2MIMO系统。 以802.11n2×2MIMO为例,介绍了物理层编/译码过程及算法,对系统实现所面临的实际问题做了介绍并给出了解决方法。基于CORA编程模型实现了物理层编/译码过程,对各部分算法针对多核CPU结构做了特定的优化,提高算法运行速度。基于SORA软件无线电平台中实现了原型通信系统,通过实验验证了物理层编/译码吞吐率可以满足实时计算的要求,并在实际物理信道中评估了物理层译码性能。该系统的开发和实验进一步展示了SORA软件无线电平台的高性能及灵活性,又进一步验证了CORA模型的易用性和有效性。 4.细粒度信道接入媒体访问控制技术-FICA。 SORA软件无线电平台的灵活性促使了无线新系统的研究。本文针对目前无线局域网中随着物理层数据速率提高而MAC层效率低下的问题,提出基于OFDM的细粒度信道随机接入方案-FICA,将整个宽带信道分为宽度相等的子信道,多个终端可以根据各自需求同时使用子信道,从而提高总体效率。在SORA软件无线电平台中实现了FICA的物理层,在实际信道中验证了物理层设计的合理性与可行性。基于NS-3的仿真进一步验证了在大规模网络中,FICA的网络效率比802.11有了极大地提高(10%-600%)。


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