TM5005GNR系統(tǒng)下行多載波聚合下系統(tǒng)時(shí)延優(yōu)化設(shè)計(jì)

鄭旸

摘 ?要：該文圍繞解決TM500測(cè)試終端載波聚合下行吞吐率和系統(tǒng)時(shí)延問(wèn)題，提出了使用多核多線程并行處理來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)時(shí)延的方案。通過(guò)對(duì)比分析方案前后的數(shù)據(jù)，確定了基于多核多線程并行處理的優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)上述方案的具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)論述。最后，通過(guò)測(cè)試儀表與基站聯(lián)調(diào)，證明了該測(cè)試方案的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞：通信與信息系統(tǒng);載波聚合;吞吐率測(cè)試;多核多線程

中圖分類號(hào)： TN929.5 ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 項(xiàng)目概況

5G NR基站測(cè)試儀表被用在5G NR基站的研發(fā)、生產(chǎn)、入網(wǎng)認(rèn)證、維修等多個(gè)環(huán)節(jié)，測(cè)試儀表的成熟度和高效性對(duì)5G NR產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展和產(chǎn)品研發(fā)起著重要的推動(dòng)作用[1]。唯亞威公司生產(chǎn)的符合3GPP標(biāo)準(zhǔn)的TM500網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀被認(rèn)為是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)測(cè)試的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，在5G研發(fā)生命周期的測(cè)試中被市場(chǎng)廣泛采用，并被應(yīng)用于新服務(wù)推出前的網(wǎng)絡(luò)性能壓力測(cè)試。5G NR基于毫米波的多載波聚合技術(shù)可以給用戶提供超高速及短時(shí)延的服務(wù)，但這對(duì)基站及基站測(cè)試儀表性能都提出一個(gè)不小的課題。

2 多載波聚合技術(shù)原理

載波聚合（Carrier Aggregation，簡(jiǎn)稱CA），通過(guò)將多個(gè)連續(xù)或非連續(xù)的載波（Component Carrier，簡(jiǎn)稱CC）聚合成更大的帶寬，從而提高頻譜資源的利用率，提升上下行速率。下行N個(gè)小區(qū)載波聚合的最大吞吐率計(jì)算公式如公式（1）所示。

式中：J 表示聚合的載波個(gè)數(shù)，表示每個(gè)小區(qū)的層數(shù)，表示每個(gè)小區(qū)的最大調(diào)制方式，為調(diào)節(jié)因子，可以配置為1、0.8、0.75和0.4，Rmax為常數(shù)，值為 948/1024，為每個(gè)小區(qū)的最大帶寬，為每個(gè)小區(qū)的平均每子幀的OFDM符號(hào)數(shù)，參數(shù)在FR2下行時(shí)配置為0.18。以FR2 120 kHz子載波間隔的8載波為例，當(dāng)每小區(qū)為2層，PDSCH調(diào)制方式為256-QAM，小區(qū)帶寬為100 M時(shí)，下行最大速率可達(dá)8.6 Gbps。

3 5G NR系統(tǒng)下行鏈路載波聚合方案設(shè)計(jì)

3.1 TM500的架構(gòu)設(shè)計(jì)

每個(gè)5G小區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的基帶服務(wù)器，運(yùn)行在Dell R630 Intel（R） Xeon（R） Gold 6140 CPU @ 2.30GHz上。由于載波聚合后的下行數(shù)據(jù)要在MAC層聚合，所以有一臺(tái)層2服務(wù)器運(yùn)行在Dell R630 CPU： E5-2687W v4 @ 3.00GHz上，負(fù)責(zé)運(yùn)行L2協(xié)議棧以及管理8個(gè)基帶服務(wù)器。另外一臺(tái)層3服務(wù)器負(fù)責(zé)運(yùn)行實(shí)時(shí)的L3協(xié)議棧。TM500作為基站負(fù)載測(cè)試儀表，可以模擬每個(gè)eMBB小區(qū)的256個(gè)UE，而每個(gè)UE的PCC，SCC1，SCC2…SCC7可以隨意分布在任何一個(gè)基站服務(wù)器上。

因此層2服務(wù)器作為TM500架構(gòu)的中心節(jié)點(diǎn)，要同時(shí)接收并處理來(lái)自8個(gè)基帶服務(wù)器的各個(gè)UE的下行數(shù)據(jù)，在MAC層聚合后傳給RLC和PDCP層處理，并再對(duì)各個(gè)UE遍歷其所有基帶服務(wù)器的下行數(shù)據(jù)CRC結(jié)果，匯總后計(jì)算其HARQ反饋的碼本，再把計(jì)算結(jié)果發(fā)送給其PCC對(duì)應(yīng)的基帶服務(wù)器。TM500架構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。

3.2 下行載波聚合的HARQ反饋設(shè)計(jì)

根據(jù)3GPP協(xié)議，在下行載波聚合時(shí)，其DL的HARQ反饋是承載在PCC的PUCCH信道上的（當(dāng)有上行載波聚合時(shí)，也可以承載在SCC的PUSCH信道上）。因各個(gè)基帶服務(wù)器每個(gè)時(shí)隙獨(dú)自解碼下行PDCCH和PDSCH信道，并把解碼結(jié)果通過(guò)消息發(fā)送給L2服務(wù)器。L2服務(wù)器接收到信息后，保存到HARQ反饋目標(biāo)時(shí)隙，并計(jì)算該基帶服務(wù)器目標(biāo)時(shí)隙上PUCCH的SR信息。當(dāng)?shù)三R系統(tǒng)中全部基帶服務(wù)器的消息后，L2服務(wù)器輪詢每個(gè)UE在各個(gè)載波上的HARQ反饋并計(jì)算碼本，保存到目標(biāo)時(shí)隙。然后L2服務(wù)器還需要計(jì)算各個(gè)基帶服務(wù)器在目標(biāo)時(shí)隙上PUCCH的CSI信息。最后根據(jù)每個(gè)UE的PCC所對(duì)應(yīng)的基帶服務(wù)器位置，發(fā)送PUCCH的SR/CSI/HARQ反饋信息給相應(yīng)的基帶服務(wù)器。

3GPP在dl-DataToUL-ACK中規(guī)定了下行HARQ反饋的值域（后用HARQ RTT代替）為0～15個(gè)時(shí)隙，以FR2 120 kHz子載波間隔中常用配置的4個(gè)時(shí)隙來(lái)計(jì)算。手機(jī)只有4 × 125us/slot = 500 us的反饋時(shí)延預(yù)算。再扣除下行解碼和上行編碼的開(kāi)銷，實(shí)際留給L2服務(wù)器計(jì)算時(shí)間只有100 us左右。由于各個(gè)基帶服務(wù)器的編解碼優(yōu)化空間是有限的，所以解決系統(tǒng)時(shí)延的關(guān)鍵在于L2服務(wù)器。

4 系統(tǒng)延時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 L2服務(wù)器代碼重構(gòu)

Dell R630為戴爾雙插槽機(jī)架式服務(wù)器，屬于第13代PowerEdge服務(wù)器，采用E5-2687W v4 @ 3.00GHz處理器和四通道DDR4 ECC內(nèi)存。擁有12核，開(kāi)啟超線程時(shí)可同時(shí)運(yùn)行24個(gè)線程，L3緩存為30 MB。

在代碼重構(gòu)前，3.2章節(jié)所述的L2服務(wù)器的HARQ反饋模塊是一個(gè)線程運(yùn)行在一個(gè)核上，其運(yùn)行時(shí)間約為50 us。在1載波和2載波時(shí)，系統(tǒng)的時(shí)延還是能滿足的。可當(dāng)系統(tǒng)擴(kuò)展到8載波時(shí)，發(fā)現(xiàn)整個(gè)模塊需要350 us的時(shí)間才能運(yùn)行完，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于100 us的預(yù)算。但同時(shí)，服務(wù)器上還有很多核處于空閑狀態(tài)，并沒(méi)有把Dell R630的性能發(fā)揮到極致，可以通過(guò)把該模塊并行運(yùn)行在多個(gè)核上，以此來(lái)獲取并行處理的增益。但如3.2章節(jié)所述的，該模塊需要輪詢各個(gè)基帶處理器的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算碼本的步驟，由于各個(gè)基帶處理器上報(bào)的消息到達(dá)順序不同、計(jì)算量不同，簡(jiǎn)單的多核多線程并行處理就會(huì)有線程間空閑數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)的風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 下行多載波L2服務(wù)器并行處理設(shè)計(jì)

首先為該模塊啟動(dòng)8個(gè)線程，每2個(gè)線程在一個(gè)核上。指定核#0上線程#0為主線程，其余為輔線程。8個(gè)線程分別和一個(gè)基帶服務(wù)器綁定，接收其上報(bào)的下行解碼數(shù)據(jù)，并預(yù)計(jì)算其上PUCCH的SR信息。主線程計(jì)算完后負(fù)責(zé)檢查其他輔線程是否也計(jì)算完畢PUCCH的SR信息，而其他輔線程計(jì)算完畢SR信息處于等待狀態(tài)。

當(dāng)主線程發(fā)現(xiàn)全部線程都計(jì)算完P(guān)UCCH的SR信息后，開(kāi)始遍歷全部基帶服務(wù)器的下行解碼數(shù)據(jù)，并匯總計(jì)算HARQ反饋碼本，保存在目標(biāo)時(shí)隙的該UE的PCC所在的基帶服務(wù)器的緩存里。當(dāng)所有UE的HARQ反饋碼本計(jì)算完畢后，主線程通知各個(gè)輔線程可以開(kāi)啟后續(xù)計(jì)算。

接下來(lái)8個(gè)線程同時(shí)并行計(jì)算其所對(duì)應(yīng)的基帶服務(wù)器上PUCCH的CSI信息。最后再分別并行，把PUCCH的CSI/SR/HARQ反饋信息一起發(fā)送給其對(duì)應(yīng)的基帶服務(wù)器，基帶服務(wù)器完成PUCCH信道編碼。

這其中多線程之間的同步是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。Linux下提供了多種方式來(lái)處理線程同步，最常用的是互斥鎖、條件變量、信號(hào)量和讀寫鎖。但為了節(jié)省耗時(shí)，采用了原子操作、內(nèi)存屏障和揮發(fā)變量相結(jié)合的方法。

原子操作是一種基于基本數(shù)據(jù)類型的同步形式，底層用匯編鎖來(lái)控制變量的變化，保證數(shù)據(jù)的正確性，好處在于不會(huì)block互相競(jìng)爭(zhēng)的線程，且相比鎖耗時(shí)很少。

內(nèi)存屏障則是為了達(dá)到最佳性能，編譯器通常會(huì)對(duì)匯編級(jí)別的指令進(jìn)行重新排序，從而保持處理器的指令管道盡可能的滿。作為優(yōu)化的一部分，編譯器可能會(huì)對(duì)內(nèi)存訪問(wèn)的指令進(jìn)行重新排序（在認(rèn)為不會(huì)影響數(shù)據(jù)正確性的前提下），然而，這并不一定都是正確的，順序的變化可能導(dǎo)致一些變量的值得到不正確的結(jié)果。內(nèi)存屏障是一種不會(huì)造成線程擁塞的同步工具，它用于確保內(nèi)存操作的正確順序。內(nèi)存屏障像一道屏障，迫使處理器在其前面完成必須的加載或者存儲(chǔ)的操作。內(nèi)存屏障常被用于確保一個(gè)線程中，可被其他線程訪問(wèn)的內(nèi)存操作按照預(yù)期的順序執(zhí)行。

揮發(fā)變量是另外一種針對(duì)變量的同步工具。眾所周知，CPU訪問(wèn)寄存器的速度比訪問(wèn)內(nèi)存速度快很多，因此，CPU有時(shí)候會(huì)將一些變量放置到寄存器中，而不是每次都從內(nèi)存中讀取（例如for循環(huán)中的i值）從而優(yōu)化代碼，但是可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤。對(duì)一個(gè)變量加上volatile關(guān)鍵字，可以迫使編譯器每次都重新從內(nèi)存中加載該變量，而不會(huì)從寄存器中加載。

因此，在判斷SR數(shù)據(jù)是否收集齊處加上原子或的操作，來(lái)檢查各個(gè)輔線程是否完成了PUCCH的SR計(jì)算。而每個(gè)輔線程在判斷是否遍歷完畢處會(huì)有一個(gè)原子異或的操作來(lái)表示其已經(jīng)完成，由主線程完成HARQ碼本計(jì)算后，通過(guò)原子與的操作來(lái)釋放輔線程進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算，并通過(guò)空循環(huán)來(lái)等待主線程完成該處的同步釋放工作。通過(guò)定義揮發(fā)變量的操作，以此來(lái)保證各個(gè)輔線程從內(nèi)存中讀取同步變量。遍歷完畢后，調(diào)用了內(nèi)存屏障，從而確保各個(gè)輔線程再次計(jì)算時(shí)內(nèi)存訪問(wèn)次序的正確性。

5 仿真與結(jié)果分析

在和基站聯(lián)調(diào)運(yùn)行1個(gè)UE，F(xiàn)R2 120 kHz子載波間隔的下行8載波聚合的用例時(shí)可知，在代碼重構(gòu)前，由于HARQ反饋來(lái)不及反饋給基站，出現(xiàn)了一定概率的HARQ重傳，最大速率只能達(dá)到1.2 Gbps。而在代碼重構(gòu)后，則可以穩(wěn)定達(dá)到理論上的最大峰值速率4.2 Gbps。重構(gòu)前后指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表1。

但隨著模擬UE個(gè)數(shù)的增加，發(fā)現(xiàn)每個(gè)時(shí)隙需要上報(bào)的PUCCH個(gè)數(shù)也會(huì)增加，從而導(dǎo)致L2服務(wù)器的該模塊負(fù)載也在增加，并最終會(huì)導(dǎo)致來(lái)不及上報(bào)PUCCH的信息（RTT margin為負(fù)數(shù)）。從圖2中可見(jiàn)，RTT margin的趨勢(shì)不僅和小區(qū)數(shù)目有關(guān)還和UE數(shù)目有關(guān)。而當(dāng)線程增加后，對(duì)RTT margin是有所提高的。

另外，L2服務(wù)器上其他模塊如PDCP、RLC在下行8載波聚會(huì)時(shí)，也存在負(fù)載過(guò)高的現(xiàn)象，會(huì)出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，并對(duì)發(fā)包率、加密算法以及包的大小敏感。

6 結(jié)論

該文提出的利用Dell R630服務(wù)器E5-2687W v4 @ 3.00GHz多核多線程并行計(jì)算的方法，可以有效解決TM500基站測(cè)試儀表在FR2 120KHz子載波間隔，下行8載波，64-QAM時(shí)的最大吞吐率和HARQ反饋時(shí)延的問(wèn)題。也意識(shí)到多核多線程增加了代碼的復(fù)雜度和調(diào)試難度，不同線程間的同步方法各有利弊，如果根據(jù)架構(gòu)實(shí)際情況合理設(shè)計(jì)和利用，可以獲得最大化收益。但也看到了在UE個(gè)數(shù)增加時(shí)依舊面臨的問(wèn)題。在未來(lái)載波聚合的小區(qū)有可能達(dá)到32個(gè)或者更多，除了升級(jí)更高級(jí)的硬件服務(wù)器之外，更加充分地利用多核多線程并行計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，或許是在不增加產(chǎn)品成本下的一個(gè)不錯(cuò)的解決方案。

參考文獻(xiàn)

[1]王順.載波聚合下行吞吐率測(cè)試的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].軟件，2015，36（10）：68-71.