一種面向LTE基站的SOC平臺(tái)軟件解決方案

本文分析了基于最新SOC處理器設(shè)計(jì)的LTE基站對(duì)于平臺(tái)軟件的功能需求。針對(duì)基于SOC的基站平臺(tái)軟件應(yīng)用中所遇到的問題， 提出了Enea面向于基站中SOC處理器的平臺(tái)軟件解決方案， 給出了詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)過程及應(yīng)用實(shí)例， 該方案對(duì)基站平臺(tái)軟件的設(shè)計(jì)提供了新的思路。

1.前言：

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，從最早的第一代模擬無線網(wǎng)絡(luò)、第二代GSM通信網(wǎng)絡(luò)、第三代3G通信網(wǎng)絡(luò)、直到目前商用的4G LTE通信網(wǎng)絡(luò)，甚至正在研究階段的5G通信網(wǎng)絡(luò)，從GSM 的TCH9.6Kbps，到GPRS的171Kbps，再到WCDMA、TDSCDMA的384kbps，以及HSDPA的14.4Mbps，再到目前LTE的下行100Mbps，數(shù)據(jù)的傳輸速率越來越快。數(shù)據(jù)處理能力的增加對(duì)無線基站平臺(tái)提出了越來越高的要求，從而無線基站處理單板的設(shè)計(jì)也越來越復(fù)雜，逐步向多核多CPU、多核多DSP的方向演進(jìn)，隨著芯片集成度越來越高，融合多CPU和多DSP核的單芯片SOC解決方案成為目前LTE基站設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)。

在融合CPU和DSP的單芯片SOC中，一般包含多個(gè)CPU和DSP核，以及大量的片內(nèi)外設(shè)，例如目前LTE基站的主流SOC芯片F(xiàn)reescale的B4860，片內(nèi)包含4個(gè)PowerPC CPU核以及6個(gè)SC3900 DSP核，集成以太網(wǎng)、SRIO、MAPLE算法加速器等大量外設(shè)。隨著芯片硬件的復(fù)雜度提高，對(duì)于如何管理如此復(fù)雜的系統(tǒng)，對(duì)基站平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)與規(guī)劃提出了更高的要求。

下文介紹一種面向基站平臺(tái)處理單板的基于融合SOC處理器的平臺(tái)軟件解決方案。

2.基站平臺(tái)軟件方案的特點(diǎn)：

2.1基站平臺(tái)軟件的定義

基站的功能由機(jī)架上的業(yè)務(wù)子板來實(shí)現(xiàn)。子板上的軟件一般分為驅(qū)動(dòng)層、操作系統(tǒng)層和應(yīng)用層(協(xié)議層和運(yùn)維部分)。一般把驅(qū)動(dòng)層和操作系統(tǒng)層統(tǒng)稱為平臺(tái)軟件層。平臺(tái)軟件層負(fù)責(zé)管理硬件資源，為應(yīng)用層提供服務(wù)包括資源分配、任務(wù)調(diào)度、冗錯(cuò)處理、文件系統(tǒng)接口、IP協(xié)議棧、驅(qū)動(dòng)封裝等。

可以說一切應(yīng)用層的設(shè)計(jì)，都是基于平臺(tái)軟件層的架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。一個(gè)優(yōu)秀的、功能豐富的平臺(tái)軟件層，可以使應(yīng)用層的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)變得尤為簡(jiǎn)單，其高可靠性又可使整個(gè)系統(tǒng)變得更為強(qiáng)壯。因此選擇一個(gè)好的平臺(tái)軟件層，對(duì)整個(gè)基站性能至關(guān)重要。

2.2目前面臨的問題

隨著通信技術(shù)的演進(jìn)，對(duì)基站數(shù)據(jù)處理能力的要求也越來越高，單板之上的包含多核DSP和多核CPU的融合SOC芯片系統(tǒng)成為未來的發(fā)展趨勢(shì)。復(fù)雜的多核SOC系統(tǒng)，對(duì)平臺(tái)軟件功能提出了更高的要求。

對(duì)于一個(gè)多核CPU+DSP的SOC系統(tǒng)，如何管理多核CPU上的資源和任務(wù)調(diào)度，如何為多核DSP提供高效穩(wěn)定的操作系統(tǒng)，如何管理如此龐大的DSP陣列，如何有效地進(jìn)行跨核乃至跨處理器間的通信，如何對(duì)這樣的多核CPU和DSP的復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和日志追蹤? 這一切都對(duì)平臺(tái)軟件提出了新的挑戰(zhàn)。

面對(duì)這樣一個(gè)日益龐雜的系統(tǒng)，我們?cè)撊绾螒?yīng)對(duì)?

下文重點(diǎn)介紹Enea面向SOC(CPU+DSP)基站設(shè)計(jì)的平臺(tái)軟件解決方案，相信能為未來基站軟件的設(shè)計(jì)提供幫助。

3.Enea面向基站的平臺(tái)軟件解決方案：

3.1 ENEA簡(jiǎn)介

Enea源自于1968年，于1989年在瑞典上市，是全球網(wǎng)絡(luò)和終端軟件供應(yīng)商的領(lǐng)導(dǎo)者，專注于通訊領(lǐng)域?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)和平臺(tái)軟件。作為一家走過半個(gè)世紀(jì)的，服務(wù)于全球主要的的網(wǎng)絡(luò)和終端軟件供應(yīng)商，Enea以其先進(jìn)技術(shù)為通信領(lǐng)域的發(fā)展提供源源不絕的動(dòng)力。

3.2 ENEA SOC平臺(tái)軟件解決方案

Enea的平臺(tái)軟件解決方案由四大部分組成，包括面向多核CPU的Enea Linux操作系統(tǒng)、針對(duì)多核DSP的OSEck操作系統(tǒng)、SOC上的管理中間件和Enea系統(tǒng)級(jí)調(diào)試工具OpTIma。目標(biāo)系統(tǒng)上的各個(gè)實(shí)體由Enea的分布式透明傳輸模塊LINX連接起來。整體系統(tǒng)框圖如下所示：

圖1 Enea平臺(tái)軟件方案框圖

Enea的平臺(tái)軟件解決方案為單板之上的包含多核DSP和多核CPU的融合SOC芯片提供了完整的軟件架構(gòu)、豐富的調(diào)試監(jiān)測(cè)功能以及簡(jiǎn)單實(shí)用的高可靠通信的IPC工具。

在SOC的DSP側(cè)，Enea的OSEck操作系統(tǒng)為DSP的軟件架構(gòu)和編程提供了可靠的選擇。OSEck是Enea專門針對(duì)DSP進(jìn)行優(yōu)化的精簡(jiǎn)高效的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，也是業(yè)內(nèi)最優(yōu)秀商用的面向DSP的操作系統(tǒng)。OSEck支持Freescale、TI、LSI、ADI、CEVA等幾乎所有的最新DSP處理器，與LINX模塊相同的應(yīng)用層API接口，為每款DSP專門優(yōu)化的內(nèi)核，小至10kB footprint，豐富的BSP及應(yīng)用模塊例如TImeout server，另外DSP錯(cuò)誤檢測(cè)、CoreDump模塊等為程序的設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)的出錯(cuò)追蹤提供了更多的可能。

在SOC的CPU側(cè)，提供基于Yocto開發(fā)環(huán)境的Enea Linux操作系統(tǒng)或OSE硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。Yocto是一個(gè)圖形化的集成開發(fā)調(diào)試環(huán)境，提供Linux的配置、組件的自動(dòng)下載、編譯、調(diào)試、性能監(jiān)控等功能，受到各大主流芯片以及嵌入式軟件提供商的支持。Enea Linux基于Yocto的開發(fā)環(huán)境，提供針對(duì)于SOC做特別優(yōu)化的Linux版本，除此以外，針對(duì)基站開發(fā)的實(shí)時(shí)性要求，提供在Linux環(huán)境下的硬實(shí)時(shí)調(diào)度環(huán)(LWRT)。Enea LWRT是一種Linux用戶空間的多核執(zhí)行環(huán)境，任務(wù)調(diào)度時(shí)間、中斷響應(yīng)時(shí)間都是高性能、可確定性的，對(duì)滿足基站高層協(xié)議棧的性能要求尤為重要。

在CPU側(cè)也可使用OSE操作系統(tǒng)，這是Enea針對(duì)多核CPU作專門優(yōu)化的操作系統(tǒng)，支持幾乎所有類型的CPU，廣泛地應(yīng)用于各大通信廠商的移動(dòng)臺(tái)和局端通信設(shè)備之中。如下圖：

圖2 OSE 5.x系統(tǒng)框圖

OSE 5.x獨(dú)有的XMP模式即有SMP模式的簡(jiǎn)單易用性，又具有到AMP模式的性能，為平臺(tái)軟件CPU側(cè)的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)提供了方便。OSE的直接消息傳遞機(jī)制和集中式錯(cuò)誤處理大大簡(jiǎn)化了編程的工作，OSE豐富的模塊，文件系統(tǒng)、IP協(xié)議棧、動(dòng)態(tài)加載模塊、LINX工具、ramlog工具、OpTIma系統(tǒng)級(jí)調(diào)試工具，這一切功能都節(jié)約了開發(fā)工作時(shí)間，加快了產(chǎn)品化速度。

對(duì)于基于SOC(CPU+DSP)的基站平臺(tái)來說，DSP數(shù)量較多，并用于物理層協(xié)議棧、甚至MAC層的業(yè)務(wù)處理，并由SOC的CPU側(cè)來進(jìn)行管理。如何管理、監(jiān)控和調(diào)試這樣一個(gè)數(shù)量龐大的DSP核陣列是一個(gè)需要考慮的問題。Enea針對(duì)這一需求推出的DSP管理模塊從根本上解決了這一問題。[!--empirenews.page--]

SOC之上的DSP管理模塊如下圖所示：

圖3 DSP管理功能框圖

DSP管理模塊主要實(shí)現(xiàn)下面五大功能：

(1)CPU側(cè)對(duì)DSP執(zhí)行文件的加載啟動(dòng)和復(fù)位。

(2)CPU側(cè)對(duì)DSP應(yīng)用(包括進(jìn)程和設(shè)備狀態(tài))的監(jiān)控。

(3)CPU側(cè)對(duì)DSP coredump事后分析的管理(包括收集coredump，上傳服務(wù)器和在線分析)。

(4)為DSP提供Shell命令行的接入服務(wù)。

(5)Enea系統(tǒng)級(jí)調(diào)試工具Optima從CPU側(cè)通過LINX通路接入DSP，用于DSP上系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

這些功能專門針對(duì)SOC芯片中DSP核陣列的管理而設(shè)計(jì)，為基于SOC設(shè)計(jì)的基站等有CPU和大量DSP的復(fù)合系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，提供可靠的解決方案。

Enea的分布式透明傳輸模塊LINX負(fù)責(zé)SOC中CPU與DSP、以及DSP與DSP節(jié)點(diǎn)間無縫通信，針對(duì)于單芯片內(nèi)的方案基于共享內(nèi)存池的通信方式，高效沒有數(shù)據(jù)拷貝。另外，LINX支持幾乎所有的物理通信介質(zhì)包括共享內(nèi)存、以太網(wǎng)、sRIO、PCI等。統(tǒng)一了核間、同構(gòu)/異構(gòu)處理器間乃至板間的通信接口，并提供保證鏈路可靠性的機(jī)制，使分布式系統(tǒng)間的通信猶如在同一個(gè)核內(nèi)通信那么簡(jiǎn)單。因此，LINX的出現(xiàn)大大簡(jiǎn)化了分布式系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)。

針對(duì)整個(gè)平臺(tái)軟件的調(diào)試，Enea的Optima系統(tǒng)級(jí)調(diào)試工具為系統(tǒng)的調(diào)試提供了方便。Optima調(diào)試工具可以以插件的形式整合到Freescale CodeWarrior或TI CCS環(huán)境中，與JTAG代碼級(jí)調(diào)試結(jié)合使用。Optima工具主要通過以太網(wǎng)與目標(biāo)系統(tǒng)相連，只要目標(biāo)系統(tǒng)中的實(shí)體有LINX鏈路，那么通過PC側(cè)的Optima工具就可以看到整個(gè)分布式系統(tǒng)的拓?fù)鋱D。Optima可以查看CPU或者DSP上操作系統(tǒng)的進(jìn)程狀態(tài)、內(nèi)存和堆的詳細(xì)分配情況、CPU使用率、查看系統(tǒng)coredump、進(jìn)行基于GDB的在線調(diào)試、實(shí)時(shí)查看系統(tǒng)和用戶的日志等，為查看系統(tǒng)瓶頸、代碼優(yōu)化等提供方便。

圖4 系統(tǒng)級(jí)調(diào)試工具Optima圖示

綜上，Enea針對(duì)基站開發(fā)的基于SOC的平臺(tái)軟件解決方案包括，面向CPU的Enea Linux操作系統(tǒng)和LWRT實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境、針對(duì)DSP核的OSEck操作系統(tǒng)、SOC芯片中DSP核的管理模塊以及Enea系統(tǒng)級(jí)調(diào)試工具Optima。這些功能滿足了新一代基于SOC(CPU+DSP)的基站平臺(tái)軟件的需求，為基站的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。下面介紹一個(gè)應(yīng)用實(shí)例：

3.3 應(yīng)用實(shí)例

Enea面向基站的平臺(tái)軟件方案廣泛地應(yīng)用于愛立信、華為、諾西、阿朗、普天、大唐等大型通信設(shè)備公司的設(shè)備中，為世界通信設(shè)備的發(fā)展貢獻(xiàn)自己的智慧。

當(dāng)今基站的發(fā)展日趨多樣性，除了常規(guī)的Marco型基站外，Pico或小型基站成為目前主流通信設(shè)備廠商3G、4G局端設(shè)備發(fā)展的新方向。下面簡(jiǎn)單介紹一個(gè)Enea的基站平臺(tái)解決方案在LTE Pico基站的應(yīng)用實(shí)例。如下圖所示：

圖5 基站平臺(tái)解決方案應(yīng)用實(shí)例

B4860是freescale針對(duì)LTE中型基站的包含PowerPC CPU核和SC3900 DSP核的SOC芯片，片內(nèi)集成的MAPLE2 LTE物理層協(xié)處理器，可完整的自動(dòng)處理PDSCH和PUSCH信道流程，最多可支持三個(gè)20M的LTE小區(qū)。在Enea針對(duì)這個(gè)SOC芯片的平臺(tái)軟件方案中，CPU側(cè)運(yùn)行Enea Linux、Enea LWRT環(huán)境以及DSP的管理模塊、DSP側(cè)運(yùn)行OSEck硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，CPU和DSP之間使用Enea的LINX基于共享內(nèi)存池的方式進(jìn)行通信。通過PC側(cè)的Optima工具進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控與調(diào)試。

按照一般基站BBU的軟件設(shè)計(jì)，物理層協(xié)議棧運(yùn)行于DSP上，MAC及以上協(xié)議棧運(yùn)行于CPU之上，因此對(duì)于B4860這樣的芯片整體軟件架構(gòu)如下圖所示。每?jī)蓚€(gè)DSP核為一組，負(fù)責(zé)一個(gè)小區(qū)，每個(gè)核分別處理上行和下行數(shù)據(jù)，共六個(gè)DSP核因此對(duì)應(yīng)三個(gè)LTE小區(qū)，OSEck可提供實(shí)時(shí)的調(diào)度性能以滿足物理層對(duì)實(shí)時(shí)性的需要，同時(shí)基于共享內(nèi)存池的LINX交互模塊提供DSP與DSP，CPU與DSP間的高效無縫通信。CPU核上的MAC層及高層協(xié)議棧中對(duì)性能敏感的部分，運(yùn)行于Enea的LWRT實(shí)時(shí)環(huán)境之上，可對(duì)Linux之上的應(yīng)用提供實(shí)時(shí)的性能的保證，使之符合LTE的1ms限制的調(diào)度要求。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求不高的部分，可直接運(yùn)行于Enea Linux之上，例如運(yùn)維等部分。本套軟件方案已應(yīng)用于此客戶的量產(chǎn)型基站產(chǎn)品中。

圖6 基站平臺(tái)解決方案應(yīng)用實(shí)例任務(wù)劃分

4. 結(jié)論：

本文介紹了Enea面向SOC處理器基站的平臺(tái)軟件解決方案。詳細(xì)介紹了方案的組成，包括面向CPU核的Enea Linux操作系統(tǒng)和LWRT實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境或OSE硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、針對(duì)DSP核的OSEck操作系統(tǒng)、DSP核的管理模塊、Enea系統(tǒng)級(jí)調(diào)試工具Optima以及Enea的分布式透明傳輸模塊LINX。文章突出了此方案的優(yōu)點(diǎn)以及應(yīng)用的實(shí)例，為新一代基站的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。