基于GPP的LTE宽带通信系统计算资源调度器及其调度方法技术方案

一种基于GPP的LTE宽带通信系统计算资源调度器及其调度方法，计算资源调度器设有三个部件：LTE组件状态信息存储器、LTE计算资源调度中心和LTE计算资源池，它是为满足LTE宽带通信系统对时延的严格要求，在采用基于GPP的流水线模式处理通信信号过程中，利用“云计算”理念，将基站集中在一起而组成基站集群，基站集群内部使用GPP作为计算资源，通过对GPP计算资源进行调度，将大量的计算任务划分为合理粒度后，再分配到各级流水线进行处理，以使流水线模式处理信号能够满足实时性要求，并为每个任务操作增加时间安全富裕量。针对Turbo译码时间的开销大，本发明专利技术还提供一种合理分配Turbo译码码块的调度方法，进一步增强和提升了LTE宽带通信系统的实时性能。

【技术实现步骤摘要】
基于GPP的LTE宽带通信系统计算资源调度器及其调度方法
本专利技术涉及一种4G宽带通信系统技术，确切地说，涉及一种基于GPP的LTE宽带通信系统计算资源调度器及其调度方法，属于无线通信

技术介绍
4G通信系统是第四代移动通信及其技术的简称。以长期演进LTE(LongTermEvolution)系统为例，4GLTE系统能够以100Mbps和50Mbps的速度分别实现数据的下载和上传，并且能够满足几乎所有用户对无线服务的需求。而4GLTEAdvanced采用载波聚合技术，下行峰值速度可达150Mbps。此外，4G还可以部署在数字用户线DSL(DigitalSubscriberLine)和有线电视调制解调器没有覆盖的地方，然后再扩展到整个地区，可以有效改善小区边缘用户的性能，提高小区容量和降低系统延迟。4G系统成倍增长的吞吐率对基站和移动台的数据处理能力形成了很大的挑战，并且它的高实时性要求，低时延和精确同步等性能参数，更使得设备制造商和运营商必须研发或购买更加昂贵复杂的产品来满足苛刻的技术需求。在百度专利搜索上，利用“4G”、“多核”、“LTE计算资源”和“调度方法”作为关键词，检索到如下两篇专利申请文件：《基于TD-LTE的宽带多媒体集群系统集群调度服务器的鉴权方法》(中国专利技术专利申请公开号：CN101964950B)，该申请介绍了一种宽带多媒体集群系统中集群调度服务器的鉴权方法。它解决了判断主叫用户是否有权发起呼叫以及DC是否有权进行强插、强拆、监听的问题，其具体过程是：当UE/DC发起单呼、组呼以及DC发起强插、强拆、监听流程时，TDS向HSS发送鉴权请求信令进行鉴权，HSS收到消息后，查找数据库，并回复所述TDS鉴权响应信令，通过鉴权响应信令通知UE/DC是否有权发起组呼、单呼以及DC是否有权发起强插、强拆、监听流程。本专利技术满足呼叫业务中的权限判断需求。《一种多核处理器集群任务资源分配方法》(中国专利技术专利申请公开号：CN101916209B)，该方法介绍了一种根据接收用户所提交到该集群上的作业任务，以CPU资源节点为基本分配单元，进行任务分配，构成任务资源分配器。所述任务资源分配器将集群上的资源映射为一个M×N的矩阵AR。在为该任务寻找空闲资源位置时，该方法均匀地将任务分散地分配所需要的资源到节点上，使每个任务所占用的资源节点位置上有一定的间隔。该方法避免了以往任务分配方法中，任务过分集中于某一区域，时间一长时造成该区域突然产生大量的热能集中，局部芯片温度过高，影响计算机的正常工作效率的问题。本方法采用的任务调度方法是一个在线的实时任务调度方法，在多核处理器集群系统的作业与任务管理中有很好的应用前景。在3GPP(3rdGenerationPartnershipProject)标准的演进过程中，三种多址接入技术的差异是显而易见的：2G的全球移动通信系统GSM(GlobalSystemforMobilecommunication)/通用分组无线服务技术GPRS(GeneralPacketRadioService)/增强型数据速率GSM演进技术EDGE(EnhancedDataRateforGSMEvolution)是基于时分和频分多址的接入技术。3G的通用移动通信系统UMTS(UniversalMobileTelecommunicationsSystem)家族标志着码分多址技术进入3GPP演进过程，被称为宽带码分多址接入CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)或简称WCDMA(WidebandCodeDivisionMultipleAccess)；最后，LTE采用了正交频分复用OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)接入技术。目前，OFDM技术已经在移动无线标准的最新技术演进中起到主导作用。LTE系统延续了3GPP中的GSM和UMTS家族的技术演进，它可被看作完成了业务扩展的趋势：从简单的语音业务向建立多业务空中接口的转变。这虽然已经是UMTS和GPRS/EDGE的关键目标，但是，LTE在设计之初就考虑了无线接入技术演进这个目标，并设想所有业务都是分组交换模式，而不是最早期的电路交换模式。此外，LTE也伴随着整个系统中非无线方面的演进，即业界称之为系统架构演进SAE(systemarchitectureevolution)，包含演进型分组核心EPC(EvolvedPacketCore)网络。LTE和SAE共同组成了演进的分组交换系统，其核心网和无线接入都完全采用分组交换技术。关于LTE系统需求的讨论，促使3GPP创建了一个正式的“研究项目”：其目标是通过3GPP的无线接入技术演进来确保其在未来10年的竞争力，在该研究项目的主持下，LTERelease8的需求得到完善和细化，具体需求可归纳如下：减少时延，包括建立连接和传输；提高用户数据的传输速率；为保证业务一致性，提高小区边界传输比特率；降低每比特传输成本，也就是提高频谱效率；对现有带宽和新增带宽中的频谱使用更灵活；简化网络结构；无缝移动性，包括在不同的无线接入间；实现移动终端的合理功耗。与现有系统相比较，提高LTE性能是网络运营商的主要需求，以确保LTE的竞争力。出于市场因素考虑，对不同无线接入技术进行衡量与比较的首要参数往往就是每个用户能够达到的峰值数据率。LTERelease8系统在20MHz带宽内的上下行目标峰值数据速率分别为100Mbit/s和50Mbit/s，相对应于频谱效率分别为5bit/s/Hz和2.5bit/s/Hz。移动性支持从120km/h到350km/h，甚至超过500km/h以上。另外，数据处理的时延小于5ms，信令处理时延小于100ms。LTE高速率低时延的通信需求，对设备制造商和运营商提出了巨大的挑战。通讯多核的数字信号处理器DSP(digitalsingnalprocessor)的龙头厂商飞思卡尔和德州仪器TI(TexasInstruments)相继推出高性能的DSP，用于增强基站的处理能力。picoChip公司也宣称其多核picoArray处理器具有专用ASIC的计算密度和传统高端DSP的可编程性，并且能够实现“软件无线电”。尽管DSP的工作时钟频率早已经提升到GHz量级，但是其仍然无法满足高端应用系统对实时性的要求。换句话说，算法复杂度与传统DSP的性能之间一直存在着落差。而且，随着LTE、LTE-A等移动通信技术的出台，通信系统中的多输入多输出MIMO(Multiple-InputMultiple-Output)、OFDM、低密度奇偶校验码LDPC(Low-densityParity-check)等无线算法和AVS等实时视频编译码方法的复杂度直线上升，使得这种落差呈现进一步扩大态势。总之，现有技术一般存在以下缺点：大数据量的通信处理时延高，硬件性能难以满足高速率处理要求。而且，严格的实时性要求，使得硬件的升级成本高。系统平滑演进也对设备提出更高要求，动态负载导致基站利用率低。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种基于GPP的LTE宽带通信系统计算资源调度器及其调度方法，本专利技术创建的计算资源调度器基础是摆脱传统的AS本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于通用处理器GPP（General Purpose Processor）的LTE宽带通信系统计算资源调度器，其特征在于：该装置是为满足LTE宽带通信系统对时延的严格要求，在采用基于GPP的流水线模式处理通信信号过程中，对GPP的计算资源进行调度，以使流水线模式处理通信信号时，能满足实时性要求，并为每个任务的操作增加时间安全富裕量；该装置设有顺序连接的下述三个部件：LTE组件状态信息存储器、LTE计算资源调度中心和LTE计算资源池；其中：LTE组件状态信息存储器，用于存储计算资源所需要的各种LTE组件的类型标识和等待时间的状态信息，其中，类型标识决定LTE计算资源调度中心选择LTE计算资源池中的不同调度模块进行调度，等待时间用于计算LTE组件的优先级：所述LTE组件是计算资源池中包括LTE物理层算法库、LTE上层协议算法库和Turbo译码算法库中的每一个子算法的总称；LTE计算资源调度中心，作为该装置的控制枢纽，设有两个组成模块：LTE物理层和上层协议处理调度模块和Turbo译码码块分割调度模块，负责从LTE组件状态信息存储器获得各个LTE组件的状态信息和从LTE计算资源池获得多核GPP的内核负载信息，根据不同的LTE组件类型及其相应的调度准则，给每个LTE组件合理、均衡地分配LTE计算资源，即集中管理各个LTE组件的运行时序、数据存储和计算的分配：若某个LTE组件在通信过程中即将运行，LTE计算资源调度中心就把该LTE组件的状态信息按照时序先后存入于LTE组件状态信息存储器，并接收来自LTE计算资源池反馈的LTE计算资源池的实时状态信息；再按照设定的调度方法对LTE组件的运行顺序进行重新排列后，告知LTE计算资源池如何分配LTE计算资源：指示其中的多核GPP的内核分别加载哪个LTE组件执行信号处理；LTE计算资源池，是处理LTE信号的基站集群，用作该计算资源调度器LTE计算资源的汇总；设有大量的多核GPP构成的多核GPP组和容量足够大的内存存储单元，其中的多核GPP的每个内核负责在LTE计算资源调度中心调度下，加载LTE组件进行信号处理，完成复杂的计算任务；每个多核GPP上内嵌下述三个部件：LTE物理层算法库模块、LTE上层协议算法库模块和Turbo译码算法库模块；内存存储单元负责存储LTE组件运行时尚未处理的、处理过程中和/或完成处理后所产生的各种数据；且内存存储单元与每个GPP都有一条专用于数据交换的数据总线。...

【技术特征摘要】
1.一种基于通用处理器GPP(GeneralPurposeProcessor)的LTE宽带通信系统计算资源调度器，其特征在于：该计算资源调度器是为满足LTE宽带通信系统对时延的严格要求，在采用基于GPP的流水线模式处理通信信号过程中，对GPP的计算资源进行调度，以使流水线模式处理通信信号时，能满足实时性要求，并为每个任务的操作增加时间安全富裕量；该计算资源调度器设有顺序连接的下述三个部件：LTE组件状态信息存储器、LTE计算资源调度中心和LTE计算资源池；其中：LTE组件状态信息存储器，用于存储计算资源所需要的各种LTE组件的类型标识和等待时间的状态信息，其中，类型标识决定LTE计算资源调度中心选择LTE计算资源池中的不同调度模块进行调度，等待时间用于计算LTE组件的优先级：所述LTE组件是计算资源池中包括LTE物理层算法库、LTE上层协议算法库和Turbo译码算法库中的每一个子算法的总称；LTE计算资源调度中心，作为该计算资源调度器的控制枢纽，设有两个组成模块：LTE物理层和上层协议处理调度模块和Turbo译码码块分割调度模块，负责从LTE组件状态信息存储器获得各个LTE组件的状态信息和从LTE计算资源池获得多核GPP的内核负载信息，根据不同的LTE组件类型及其相应的调度准则，给每个LTE组件合理、均衡地分配LTE计算资源，即集中管理各个LTE组件的运行时序、数据存储和计算的分配：若某个LTE组件在通信过程中即将运行，LTE计算资源调度中心就把该LTE组件的状态信息按照时序先后存入于LTE组件状态信息存储器，并接收来自LTE计算资源池反馈的LTE计算资源池的实时状态信息；再按照设定的调度方法对LTE组件的运行顺序进行重新排列后，告知LTE计算资源池如何分配LTE计算资源：指示其中的多核GPP的内核分别加载哪个LTE组件执行信号处理；LTE计算资源池，是处理LTE信号的基站集群，用作该计算资源调度器LTE计算资源的汇总；设有大量的多核GPP构成的多核GPP组和容量足够大的内存存储单元，其中的多核GPP的每个内核负责在LTE计算资源调度中心调度下，加载LTE组件进行信号处理，完成复杂的计算任务；每个多核GPP上内嵌下述三个部件：LTE物理层算法库模块、LTE上层协议算法库模块和Turbo译码算法库模块；内存存储单元负责存储LTE组件运行时尚未处理的、处理过程中和/或完成处理后所产生的各种数据；且内存存储单元与每个GPP都有一条专用于数据交换的数据总线。2.根据权利要求1所述的计算资源调度器，其特征在于：所述LTE计算资源调度中心的两个组成模块的结构与功能介绍如下：LTE物理层和上层协议处理调度模块，负责从LTE组件状态信息存储器获得类型为LTE物理层算法库或LTE上层协议算法库中的各个LTE组件状态信息，再根据LTE计算资源池中多核GPP的内核负载状况，根据不同的LTE组件类型和不同的调度准则，统筹兼顾地为每个LTE组件合理分配计算资源；该处理调度模块设有：分别基于负载均衡、优先级和实时性三个调度准则的LTE计算资源调度单元；Turbo译码码块分割调度模块，负责采用贪婪算法将译码前的码块等分成三部分后，分配到用作LTE计算资源的三个不同的GPP内核同时进行译码处理，且保证进行译码的三个GPP内核负载平衡；以便藉由分割Turbo译码码块提高数据处理的并行度，降低LTE译码操作时延，满足LTE通信的实时性要求。3.根据权利要求2所述的计算资源调度器，其特征在于：所述LTE物理层和上层协议处理调度模块给每个LTE组件分配计算资源时，需要遵循下述三个准则：(1)负载均衡准则：合理利用已有的计算资源：在部署单处理器时，平均分配每个GPP内核的任务量；在部署多处理器时，均衡每个GPP的负载，以充分利用每个GPP内核的计算能力，避免出现空闲和超负荷状况；(2)优先级准则：根据小区的不同业务类型之间、物理层的不同信道类型之间、物理层的比特级符号级之间和物理层与上层协议之间的优先级的差异，提供优先处理机制，对优先级高的LTE组件及时分配计算资源；(3)实时性准则：因4G通信系统中所有LTE组件的实时性要求很高：必须在规定时间内分配到计算资源并完成信号处理；故该方法的调度基础是必须满足实时性要求，保证低优先级的LTE组件能够在设定时间内分配到计算资源；LTE物理层和上层协议处理调度模块设置的分别基于负载均衡、优先级和实时性三个调度准则的LTE计算资源调度单元，每个调度单元设有优劣特点各异的调度方法，以供根据具体情况选择适宜的调度方法或组合应用之；其中：基于负载均衡的LTE计算资源调度单元，根据引入的计算资源负载信息的两个数值：LTE绝对负载值和LTE相对负载值，区分LTE计算资源池里多核GPP中不同内核的任务处理量；再根据每个GPP内核反馈的负载值，均衡分配任务，平均、合理地使用计算资源，避免出现空闲和超负荷的情况；基于优先级的LTE计算资源调度单元，除了考虑LTE计算资源池里多核GPP内核的负载状况以外，还引入根据组件的类型和组件的运行时间两个固有属性计算得到的LTE组件的优先级，再按照优先级的高低对各个LTE组件重新排序，把高优先级的LTE组件分配给低负载的LTE计算资源，以便能够很好地兼顾组件的优先级和GPP内核的负载状况；基于实时性的LTE计算资源调度单元，因LTE通信的实时性要求严格，在设定时间内LTE组件必须完成处理操作，即LTE组件的等待时间有限；该调度单元根据LTE组件的等待时间对LTE组件的优先级执行实时调整，等待时间越长，优先级越高，直到在允许的处理时延内将各个LTE组件都分配到计算资源。4.根据权利要求1所述的计算资源调度器，其特征在于：所述计算资源池的多核GPP内核上内嵌LTE物理层算法库模块、LTE上层协议算法库模块和Turbo译码算法库模块三个部件的结构与功能说明如下：为增加该计算资源调度器调度LTE计算资源的灵活性和适应性，所述LTE物理层算法库模块存储的多种算法，按照不同的信道被划分成：包括PUSCH信道、PUCCH信道、PRACH信道、PDSCH信道、PDCCH信道和PBCH信道的多种物理层信号处理所使用的各种算法，每种算法又细分为：包括快速傅里叶变换FFT(FastFourierTransformation)、MIMO信号检测、软解调和速率匹配的多个子算法，其中，每个子算法被称为一个LTE组件；所述LTE上层协议算法库模块负责选择其如下所述的各个内置单元执行LTE上层协议信号处理操作：非接入层NAS(NonAccessStratum)处理单元：支持移动性管理功能和用户平面激活、修改和释放功能，执行演进分组系统EPS(EvolvedPacketSystem)的承载管理、鉴权、空间状态下的移动性处理、寻呼与安全控制功能；无线资源控制层RRC(RadioResourceControl)处理单元：用于执行广播、寻呼、RRC连接管理、无线承载资源块RB(ResourceBlock)管理、移动性管理、密钥管理、用户设备UE(UserEquipment)测量报告与控制、多媒体广播多播服务MBMS(MultimediaBroadcastMulticastService)控制、NAS消息直传和服务质量QoS(QualityofService)管理的多项功能；分组数据汇聚层PDCP(PacketDataConvergenceProtocol)处理单元：用于执行头压缩、数据传输、加密和完整性保护的功能；无线链路控制层RLC(RadioLinkControl)处理单元：负责执行分段与连接、重传处理和对高层数据的顺序传送的功能；媒体访问控制层MAC(MediaAccessControl)处理单元：负责处理混合自动重传请求HARQ(HybridAutomaticRepeatRequest)与上下行调度的功能；所述Turbo译码算法库模块用于存储Turbo码的编译码的各种算法；需要说明的是：尽管Turbo码的编译码也归属于LTE物理层算法库中的一种子算法或组件，但因Turbo译码算法库的调度方法不同于物理层算法库中的其他子算法，故被作为LTE组件的第三种类型而执行单独处理。5.一种采用权利要求1所述的基于通用处理器GPP的LTE宽带通信系统计算资源调度器的调度方法，其特征在于：LTE计算资源调度中心分别从LTE组件状态信息存储器获取LTE组件的状态信息，以及从LTE计算资源池获得多核GPP的内核负载信息后，根据不同的LTE组件类型和不同的调度准则，给每个LTE组件合理分配LTE计算资源；所述方法包括下列操作步骤：(1)对于通信过程中即将开始运行的LTE组件，LTE计算资源调度中心按照时间顺序把该LTE组件状态信息存入LTE组件状态信息存储器中，形成LTE组件队列；(2)LTE计算资源调度中心统计LTE计算资源池中包括每个多核GPP内核的传输时延、负载状况和LTE组件在内核上的运行时间的各种状态信息；(3)LTE计算资源调度中心统计LTE组件状态信息存储器中存储的、包括每个LTE组件的类型标识及其等待时间的LTE组件状态信息；(4)LTE计算资源调度中心根据两种不同类型的组件，分别选择相应的调度模块工作：若LTE组件类型为LTE物理层算法库或LTE上层协议算法库，则选择LTE物理层和上层协议处理调度模块进行调度；其调度操作步骤如下：(4A)根据LTE组件类型属于LTE物理层算法库或LTE上层协议算法库，相应启动LTE物理层和上层协议处理调度模块；(4B)根据LTE物理层和上层协议处理调度模块设定的调度准则，相应选择下述的调度单元之一或组合：若为负载均衡准则，则使用基于负载均衡的LTE计算资源调度单元；若为优先级准则，则使用基于优先级的LTE计算资源调度单元；若为实时性准则，则使用基于实时性的LTE计算资源调度单元；(4C)被选中的LTE计算资源调度单元按照各自的LTE计算资源调度方法给LTE组件分配计算资源；若LTE组件类型为Turbo译码算法库，则选择Turbo译码码块分割调度模块进行调度；Turbo译码码块分割调度模块按照下述操作步骤执行调度：(41)先把即将进行Turbo译码的码块状态信息按照时间先后顺序存入LTE组件状态信息存储器中，构成译码码块等待队列；(42)从LTE组件状态信息存储器获得每个Turbo译码码块长度及其状态信息后，将处于译码码块等待队列中的所有Turbo译码码块按照其码块长度降序排列；(43)将LTE计算资源池中专用于Turbo译码的3个GPP内核分配到的码块长度都初始化为0；(44)从Turbo译码码块等待队列中按照从大到小顺序选取位于该等待队列最前面的Turbo译码码块；再把该Turbo译码码块分配给3个GPP内核中码块总长度最小的内核进行译码；(45)3个GPP内核分别更新各自分配到的码块总长度，并反馈给Turbo译码码块分割调度模块；(46)返回执行步骤(44)，直到把所有的Turbo译码码块都分配完毕和完成其译码操作；(5)LTE计算资源调度中心根据所选择的物理层和上层协议处理调度模块或Turbo译码码块调度模块，按照两者各自相应的调度方法，给不同类型的LTE组件合理分配计算资源。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤(4B)中，基于负载均衡的LTE计算资源调度原则是综合考虑所有GPP内核的负载情况和每个GPP内核处理LTE组件的计算任务量后执行均衡配置，避免出现内核空闲和超负荷；基于负载均衡的LTE计算资源调度单元的具体操作内容如下：分配完成上一次任务而GPP内核LTE绝对负载值还未反馈回来的时间TQ＝1ms内，把即将运行的LTE组件的状态信息按照时间先后顺序放入LTE组件状态信息存储器中，构成LTE组件等待队列；然后按照下述方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛凯，欧远彪，贺志强，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11