TD-LTE系統(tǒng)中MAC層子幀調(diào)度研究與實現(xiàn)

蔣忠均，張德民，庹 勤

（重慶郵電大學(xué) 移動通信重點實驗室，重慶 400065）

為了加速TD-LTE(Long Term Evolution)在中國的全面成長和產(chǎn)業(yè)鏈的的形成，2011年我國啟動了“新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)”重大專項。本文介紹了在國家重大專項“TD-LTE無線綜合測試儀表開發(fā)”的基礎(chǔ)上，對TD-LTE網(wǎng)絡(luò)端 MAC(Medium Access Control)調(diào)度的實現(xiàn)。目前關(guān)于MAC層的文獻有不少，但大都局限于簡單的協(xié)議研究和設(shè)計[1]。在協(xié)議棧里所有的數(shù)據(jù)都需要通過MAC層的調(diào)度才能走向空中接口和時間軸上，MAC層是實現(xiàn)實時性和調(diào)度機制的樞紐[2]，所以設(shè)計MAC層子幀調(diào)度方案顯得尤為重要。

1 Nucleus操作機制

Nucleus主控程序的操作機制是采用等待檢測機制[3]，不斷循環(huán)檢測當前執(zhí)行任務(wù)或高級中斷的封閉循環(huán)，僅當有中斷到達、未處理任務(wù)設(shè)置或復(fù)位時才跳出循環(huán)。主控程序首先檢測當前是否有高優(yōu)先級中斷被激活，如果有，則跳出循環(huán)進入高優(yōu)先級中斷處理服務(wù)函數(shù)；如果沒有，則繼續(xù)檢測當前是否有未處理激活任務(wù)。如果有未處理激活任務(wù)，則轉(zhuǎn)入任務(wù)處理模塊；如果沒有，則返回繼續(xù)檢測。

TD-LTE系統(tǒng)為每層設(shè)置狀態(tài)機入口函數(shù),函數(shù)設(shè)計為一個死循環(huán)。函數(shù)從相應(yīng)層隊列中接收消息，根據(jù)當前不同狀態(tài)進入相應(yīng)消息處理函數(shù)[4]；最后將承載消息內(nèi)存釋放，依次循環(huán)，直到隊列為空時掛起當前任務(wù)，跳出循環(huán)，返回操作系統(tǒng)。圖1為MAC狀態(tài)機入口函數(shù)的處理機制。在隊列中所有消息接收完成后，系統(tǒng)將在隊列中掛起MAC任務(wù)，返回操作系統(tǒng)主控程序[5]。

2 MAC調(diào)度

根據(jù)TD-LTE整體硬件設(shè)計，經(jīng)過實際調(diào)試，對于不同大小消息，DSP和FPGA處理消息的總時間為0.8 ms～0.9 ms，ARM 處理MAC層消息的總時間為 0.4 ms～0.5 ms。從而得出，消息處理的總時間為1.2 ms～1.4 ms。圖2為消息在實際調(diào)試中的處理時間：示波器通道1高電平為ARM處理消息所消耗時間(為 465μs)；通道 2高電平為DSP和 FPGA處理消息所消耗時間(為 882μs)?？倳r間為1 347μs。所以MAC層必須提前2子幀配置消息，MAC調(diào)度設(shè)計方案[6]才能得到實現(xiàn)。

在代碼實現(xiàn)中，MAC調(diào)度器維護一個消息發(fā)送標志數(shù)組 assignment_flag[i][j]，其中，0≤i＜10，0≤j＜1 023。 數(shù)組的行代表子幀號，列代表幀號。這樣，assignment_flag[i][j]總共可表示10 240個子幀時刻。由于每一調(diào)度時刻只允許發(fā)送一個任務(wù)，因此在第j幀的第i子幀有消息發(fā)送任務(wù)被配置后，assignment_flag[i][j]被置1。每當有新消息被調(diào)度發(fā)送時，任務(wù)調(diào)度指針p_assignment_flag將查詢assignment_flag[i][j]變量，如果 assignment_flag[i][j]不為 1，則將消息配置在assignment_flag[i][j]-2的時刻發(fā)送至物理層。如圖3所示，設(shè)在第39幀的子幀9收到RLC層新數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)，p_assignment_flag指針繼續(xù)向后查詢，可得第40幀中第3子幀無發(fā)送任務(wù)。調(diào)度器將assignment_flag[3][40]變量置 1，并提前 2個子幀，在 40幀的子幀1將此消息發(fā)送至物理層。

3 MAC子幀中斷服務(wù)函數(shù)

子幀中斷信號由FPGA提供，每1 ms觸發(fā)1次中斷，MAC層的任務(wù)調(diào)度將通過子幀中斷觸發(fā)。當每1 ms的子幀中斷到達時，子幀中斷觸發(fā)MAC層進入子幀中斷服務(wù)函數(shù)INT_Schedule。下面是子幀中斷服務(wù)函數(shù)INT_Schedule的實現(xiàn)方案。

(1)同步。進入INT_Schedule函數(shù)讀取當前幀號和子幀號并保存至本地，以達到本地與硬件計數(shù)同步。

(2)狀態(tài)選擇。在同步之后，根據(jù)MAC當前狀態(tài)進入狀態(tài)分支。

(3)任務(wù)執(zhí)行判斷。在進入MAC當前狀態(tài)分支后，調(diào)度器將規(guī)劃的待發(fā)送消息的發(fā)送幀號和子幀號與當前幀號和子幀號對比，如果相等則轉(zhuǎn)入步驟(4)；如果不相等，則跳出狀態(tài)分支，轉(zhuǎn)入步驟(5)。

(4)消息發(fā)送。進入原語組裝函數(shù)，組裝原語直接發(fā)送給物理層。

(5)跳出子幀中斷服務(wù)函數(shù)。

友好的歡迎和支持總是能讓我們倍感溫暖。在皮蘭，當?shù)卣鷾饰覀凂{駛那些跑車進入原本禁止游客車輛進入的中心廣場，我們在那里瞬間成為了所有人關(guān)注的焦點。起初，我還自作多情地以為那里的游客是為我們這些“有錢人”而來，但過了一段時間我才意識到，他們真正感興趣的只是那幾輛跑車而已。在那里，我們聽到最多的話就是：“不好意思，稍微靠邊一點好嗎，順便幫我和這輛車拍張合影吧？”

此方案的處理方法比較簡潔，在消息數(shù)據(jù)量非常小時具有可執(zhí)行性。但隨著數(shù)據(jù)量逐漸增大，MAC組裝原語的數(shù)據(jù)搬移時間也隨之變長。MAC層處理消息時間為 465μs，從而子幀中斷擴展至約 0.5 ms，使得 ARM芯片一直處于硬件中斷中，造成其他低優(yōu)先級中斷無法響應(yīng)。更加嚴重的是，如果子幀中斷時間大于1 ms，則下一個子幀中斷也將無法響應(yīng)，使得TD-LTE系統(tǒng)無法正常運行，所以該方案缺乏可執(zhí)行性。為此，對該方案進行以下改進。

3.1 子幀中斷處理改進方案1

(1)同步。進入INT_Schedule后，MAC首先讀取當前幀號和子幀號并保存至本地使用。

(2)狀態(tài)選擇。在同步之后，MAC根據(jù)當前狀態(tài)進入狀態(tài)分支。

(3)任務(wù)執(zhí)行判斷。在進入MAC當前狀態(tài)分支后，MAC將之前規(guī)劃的待發(fā)送消息的發(fā)送幀號和子幀號與當前幀號和子幀號對比，如果相等則轉(zhuǎn)入步驟(4)；否則轉(zhuǎn)入步驟(5)。

(4)發(fā)送消息。向MAC隊列發(fā)送一條消息，消息體為空，消息頭附帶所要發(fā)送的原語ID，激活一個MAC任務(wù)。

(5)跳出子幀中斷服務(wù)函數(shù)。

由于發(fā)送隊列所占用的時間特別短，子幀中斷服務(wù)函數(shù)很快結(jié)束跳出中斷。該方案巧妙地將發(fā)送原語交至操作系統(tǒng)執(zhí)行，操作系統(tǒng)在循環(huán)檢測中檢測到存在MAC任務(wù)時即進入MAC狀態(tài)機處理MAC任務(wù)，使耗時較多的數(shù)據(jù)搬移放到了MAC狀態(tài)機中去執(zhí)行，很好地解決了原始方案中子幀中斷耗時長的問題。但在操作系統(tǒng)任務(wù)繁多時，子幀中斷中激活的MAC任務(wù)并不會立即得到執(zhí)行，而是在操作系統(tǒng)中排隊等待。由于子幀中斷規(guī)劃的MAC任務(wù)要求很強的實時性，長時間的排隊等待將使得MAC任務(wù)被延遲執(zhí)行，最終導(dǎo)致消息不能實時發(fā)送，所以該方案也缺乏實時性。

3.2 子幀中斷處理改進方案2

(1)利用子幀中斷處理函數(shù)INT_Schedule完成以下操作：

①激活高級中斷HISR。

②跳出子幀中斷服務(wù)函數(shù)。

(2)利用高優(yōu)先級中斷服務(wù)函數(shù)HISR_Schedule完成以下操作：

①同步。進入INT_Schedule后，MAC首先讀取當前幀號和子幀號并保存至本地使用。

②狀態(tài)選擇。在同步之后，MAC根據(jù)當前狀態(tài)進入狀態(tài)分支。

③任務(wù)執(zhí)行判斷。在進入MAC當前狀態(tài)分支后，MAC將之前規(guī)劃的待發(fā)送消息的發(fā)送幀號和子幀號與當前幀號和子幀號對比，如果相等轉(zhuǎn)入步驟(4)；如果不相等，轉(zhuǎn)入步驟(5)。

④發(fā)送消息。如果此時滿足了發(fā)送消息的條件，MAC立即組裝原語直接發(fā)送給物理層。

⑤跳出HISR服務(wù)函數(shù)。

由于該方案的子幀中斷只占用一個激活高優(yōu)先級中斷的時間，使得子幀中斷的時間變得非常短，滿足了子幀中斷快速跳出的特性。高優(yōu)先級中斷的優(yōu)先級別比一般任務(wù)高，在激活HISR后，在操作系統(tǒng)循環(huán)檢測中將優(yōu)先處理HISR進入HISR_Schedule函數(shù)，把消息發(fā)送至物理層，使該方案避免了任務(wù)隊列的等待時間，有效滿足了MAC任務(wù)的實時性。圖4為改進的HISR中斷服務(wù)函數(shù)示意圖。

圖5是子幀中斷優(yōu)化方案2的示波器截圖，圖中通道3波形為子幀中斷，通道1高電平為MAC層處理消息時需要耗費時間長度(為465μs)。從圖5中可以看出，子幀中斷的時間非常的短，幾乎可以忽略不計。而在子幀中斷結(jié)束時，MAC任務(wù)被很快地得到了執(zhí)行，說明HISR的改進方案使得MAC層任務(wù)優(yōu)先得到了執(zhí)行。

本文給出了TD-LTE系統(tǒng)中MAC層子幀調(diào)度和子幀中斷函數(shù)的實現(xiàn)機制。通過示波器測出MAC層與物理層之間消息處理的時間偏移，提出子幀調(diào)度方案，并驗證了其正確性；通過幾個子幀中斷函數(shù)的比較，找到了運用HISR設(shè)計子幀中斷函數(shù)的最佳方案，并得到了最佳的效果。最后通過板級調(diào)試驗證了本設(shè)計方案具有較強的獨立性和實時性，優(yōu)化了系統(tǒng)資源利用率，實現(xiàn)了任務(wù)中斷與任務(wù)調(diào)度的高強度反復(fù)的穩(wěn)定性。

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