基于多核CPU的軟件無線電平臺研發(fā)及應(yīng)用技術(shù)研究

黃靈

【摘 要】 隨著信息技術(shù)的不斷快速發(fā)展，多核CPU無論是在運(yùn)行速度上，還是在數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜程度上，都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于以往的CPU系統(tǒng)。本文對基于多核CPU的軟件無線電平臺進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析，在深入分析多核CPU相關(guān)原理的基礎(chǔ)之上，進(jìn)而分析了整個(gè)軟件無線電平臺的研發(fā)與應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】 多核CPU ?軟件無線電平臺 ?研發(fā)及應(yīng)用技術(shù)

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)較快發(fā)展，信息技術(shù)在很多行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。其中，軟件無線電平臺作為一個(gè)新興技術(shù)，其發(fā)展?jié)摿Σ豢晒懒?。因此，本文在深入分析多核CPU的基礎(chǔ)之上，將多核CPU的相關(guān)原理融入到軟件無線電平臺的研發(fā)與應(yīng)用中，希望能夠進(jìn)一步促進(jìn)我國信息技術(shù)的不斷發(fā)展。

1 多核CPU

提到多核CPU，就不得不對全球最大的CPU生產(chǎn)廠家——intel進(jìn)行分析。對于計(jì)算機(jī)來說，CPU的運(yùn)行速度直接決定了其數(shù)據(jù)的處理能力，想要提升CPU的運(yùn)行速度，可以采取兩種方式：（1）增加單位面積CPU的數(shù)據(jù)處理能力;（2）采取并行處理模式，在此基礎(chǔ)上，多核CPU便應(yīng)運(yùn)而生了。

2 軟件無線電平臺

軟件無線電平臺的設(shè)計(jì)目的，可以簡單概括為：實(shí)現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化。軟件無線電平臺之所以能夠?qū)崿F(xiàn)模擬信號的數(shù)字化，主要在于其開放性與通用性。軟件無線電平臺主要由三大部分構(gòu)成：ADC、DAC變換器以及射頻模擬前端。除此之外，一些更加先進(jìn)的軟件無線電平臺還包括高速數(shù)字信號處理單元這一元件。對于軟件無線電平臺來說，最為關(guān)鍵的元件為DAC變換器和ADC，這兩大元件直接承擔(dān)了軟件無線電平臺的模擬信號數(shù)字化任務(wù)。

3 SORA平臺

本文分析的軟件無線電平臺，是基于多核CPU的SORA平臺。SORA平臺是目前使用較多的軟件無線電平臺，不僅能夠依托商用個(gè)人電腦，而且能夠?qū)崿F(xiàn)可編程化。除此之外，SORA平臺既具備一般軟件無線電平臺靈活性、開放性和通用性的特點(diǎn)，又具備基于硬件軟件無線電平臺的高性能特征。

3.1 SORA平臺架構(gòu)

無論哪種軟件無線電平臺，其平臺架構(gòu)是最重要的研究內(nèi)容，SORA平臺也不例外。SORA平臺由兩大主要部分構(gòu)成：硬件架構(gòu)和軟件架構(gòu)。

（1）硬件架構(gòu)。SORA平臺作為一種基于多核CPU的軟件無線電平臺，其硬件設(shè)計(jì)的方式為模塊化設(shè)計(jì)。簡而言之，就是將射頻控制電路板（Radio Control Board，RCB），通過射頻轉(zhuǎn)接板（Radio Adaptor Board，RAB）連接不同的射頻前端（Radio Frontend，RF）。

從以上分析能夠看出：SORA平臺的硬件關(guān)鍵在于射頻控制板。射頻控制板不僅能夠充當(dāng)主機(jī)和數(shù)字信號之間的傳輸連接，而且能夠形成一個(gè)較為獨(dú)特的緩沖區(qū)域。該緩沖區(qū)域能夠有效減少甚至消除普通基于多核CPU的軟件無線電平臺存在的數(shù)據(jù)傳輸延遲抖動(dòng)的問題。

（2）軟件架構(gòu)。相比硬件架構(gòu)，SORA平臺的軟件架構(gòu)更具特點(diǎn)。顧名思義，基于多核CPU的軟件無線電平臺，其操作應(yīng)該依托商用PC，SORA平臺也不例外。SORA平臺的軟件架構(gòu)依托于windows操作系統(tǒng)，同時(shí)在編程方面，由于很好地滿足了用戶的無線通訊協(xié)議，因此，不僅構(gòu)建了一種靈活、便捷的編程環(huán)境，而且使用戶實(shí)現(xiàn)了MAC層的相關(guān)功能。

3.2 多核流水線處理技術(shù)

SORA平臺作為一個(gè)有代表性的基于多核CPU的軟件無線電平臺，其必然具備多核CPU與軟件無線電平臺的兩大優(yōu)勢，其中，多核流水線處理技術(shù)就是其眾多技術(shù)優(yōu)勢中具有代表性的一大優(yōu)勢。

之所以要采用多核流水線處理技術(shù)，原因在于，很多基于多核CPU的軟件無線電平臺，必須要有一些高速的無線通信協(xié)議，而在這種高速無線通信協(xié)議的條件下，單個(gè)CPU核心的計(jì)算能力仍然無法滿足物理層的計(jì)算需求。SORA平臺作為一個(gè)具有代表性的基于多核CPU的軟件無線電平臺，其必然要利用當(dāng)代CPU中多核心的特性，利用多個(gè)CPU核心的并行計(jì)算，從而達(dá)到加快處理速度的目的。不僅如此，多個(gè)CPU核心的并行計(jì)算還能夠滿足物理層信號處理的計(jì)算需求。因此，這種多核技術(shù)應(yīng)該是可擴(kuò)展的。與此同時(shí)，由于軟件無線電平臺信號處理算法的復(fù)雜度會隨著無線技術(shù)的發(fā)展而呈現(xiàn)出越來越復(fù)雜的狀態(tài)，這就要求其必須要利用多核心、多處理器以及多計(jì)算機(jī)進(jìn)行并行計(jì)算才能更好地滿足物理層算法的計(jì)算需求。

所謂的多核流水線處理技術(shù)，可以概括為通過多個(gè)模塊的協(xié)同配合，從而實(shí)現(xiàn)對相關(guān)物理層進(jìn)行信號處理。多個(gè)模塊處于一種流水線式的信號處理狀態(tài)，由于不同模塊具有不同的數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)儲存量，因此其信息處理速度也不盡相同。

SORA平臺所采用的多核流水線處理技術(shù)，其調(diào)度方式為靜態(tài)調(diào)度。之所以選擇靜態(tài)的調(diào)度方式，主要原因在于：SORA平臺整體的數(shù)據(jù)流執(zhí)行為一個(gè)靜態(tài)的過程，加上整個(gè)軟件無線電平臺采用的是一個(gè)多模塊的操作模式，因此，多核流水線處理技術(shù)可以簡要概括為：首先，對相關(guān)模塊進(jìn)行分類，按照執(zhí)行模式將其分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài);然后，確定分類后的模塊是否處于可調(diào)度狀態(tài);第三，對SORA平臺的數(shù)據(jù)流進(jìn)行分割;最后，將分割后的各子數(shù)據(jù)流分別分配到多核CPU上，從而完成了整個(gè)模擬數(shù)字的信號化處理。

多核流水線處理技術(shù)采用靜態(tài)調(diào)度模式的優(yōu)勢在于：在進(jìn)行不同子數(shù)據(jù)流的多核分配過程中，由于同步緩沖區(qū)的存在，會降低整個(gè)軟件無線電平臺的運(yùn)行速度，而當(dāng)實(shí)行靜態(tài)調(diào)度時(shí)，相鄰的子數(shù)據(jù)流會自動(dòng)的被分配到不同的CPU核心，這樣就有效減少了同步緩沖區(qū)的存在數(shù)量，從而達(dá)到既降低同步操作帶來的額外開銷，同時(shí)又提升了SORA平臺的整體運(yùn)行效率。

4 實(shí)時(shí)性支持

對于軟件無線電平臺，尤其是基于多核CPU的軟件無線電平臺，其實(shí)時(shí)性支持十分重要。

軟件無線電平臺在實(shí)時(shí)性的保證上，主要依靠嚴(yán)格的資源計(jì)算和分配，基于多核CPU的軟件無線電平臺同樣如此，軟件無線電平臺的實(shí)時(shí)性通過實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)按照任務(wù)的難易程度，將平臺內(nèi)的所有資源調(diào)動(dòng)起來，從而達(dá)到在最短時(shí)間內(nèi)完成最高效的任務(wù)調(diào)度。

相反，對于非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來說，由于整個(gè)平臺內(nèi)部存在著上百個(gè)任務(wù)同時(shí)運(yùn)行，而且非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的資源配置方式較為簡單，即簡單按照任務(wù)的時(shí)間長度進(jìn)行區(qū)間劃分，非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)將各個(gè)時(shí)間區(qū)間分配到不同的數(shù)據(jù)處理任務(wù)當(dāng)中。由于劃分方式較為簡單，因此容易出現(xiàn)任務(wù)暫停的情況，即如果某一時(shí)間區(qū)間已經(jīng)結(jié)束，但是相應(yīng)的任務(wù)還沒有完成，那么該作業(yè)就會被暫停，從而放棄CPU，而系統(tǒng)與此同時(shí)就會將CPU分配給下一個(gè)任務(wù)。

對于基于多核CPU的軟件無線電平臺來說，無論是實(shí)時(shí)性操作系統(tǒng)，還是非實(shí)時(shí)性操作系統(tǒng)，想要保證運(yùn)行速度，就要優(yōu)化整個(gè)平臺的任務(wù)分配。通常的方法是按照任務(wù)的優(yōu)先等級進(jìn)行劃分，即緊迫型的任務(wù)能夠優(yōu)先進(jìn)入系統(tǒng)，進(jìn)而優(yōu)先得到處理。基于以上情況，基于多核CPU的軟件無線電平臺引入了最高優(yōu)先權(quán)調(diào)度算法。

所謂的最高優(yōu)先權(quán)調(diào)度算法，指的是：首先，系統(tǒng)將CPU分配到最高優(yōu)先權(quán)的任務(wù)中;然后，在一段時(shí)間內(nèi)，這一任務(wù)就是系統(tǒng)所有任務(wù)中優(yōu)先權(quán)最高的;這時(shí)，如果出現(xiàn)一個(gè)比現(xiàn)有任務(wù)優(yōu)先權(quán)更高的任務(wù)，那么相應(yīng)的調(diào)度程序就會暫停目前正在運(yùn)行的任務(wù)，與此同時(shí)，將CPU分配給新的更具優(yōu)先權(quán)的任務(wù)。通過以上分析，能夠看出：優(yōu)先權(quán)調(diào)度算法的優(yōu)勢在于，在所有的任務(wù)當(dāng)中，CPU的分配能夠優(yōu)先照顧到更加緊迫的任務(wù)。因此，優(yōu)先權(quán)調(diào)度算法通常運(yùn)用在較為嚴(yán)格的軟件無線電平臺當(dāng)中。除此之外，優(yōu)先權(quán)調(diào)度算法還運(yùn)用在一些對性能要求較高的批處理以及分時(shí)系統(tǒng)當(dāng)中。

當(dāng)前，很多基于多核CPU的軟件無線電平臺采用的都是優(yōu)先權(quán)調(diào)度算法，其中，Windows操作系統(tǒng)采用的也是這種方法。新的多核CPU以及超線程CPU，內(nèi)部就有超過1個(gè)的CPU執(zhí)行體，可以在同一時(shí)刻同時(shí)運(yùn)行多個(gè)任務(wù)。在具有多核處理器的非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，可以將某一些CPU核心分配給無線信號處理任務(wù)，使其獨(dú)占CPU核心運(yùn)行，以此保證無線信號處理任務(wù)不被其它任務(wù)打斷，保證實(shí)時(shí)性。

5 結(jié)語

綜上所述，對于基于多核CPU的軟件無線電平臺來說，無論是其硬件、軟件構(gòu)造、處理技術(shù)還是調(diào)度模式，都要服務(wù)于整個(gè)平臺的流暢的信息數(shù)字化過程。因此，在實(shí)際的研究當(dāng)中，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)該大力加強(qiáng)平臺的研發(fā)與應(yīng)用研究，特別是要對其處理技術(shù)和調(diào)度模式進(jìn)行深入分析。隨著我國工業(yè)化、信息化進(jìn)程的不斷加快，未來基于多核CPU軟件無線電平臺的應(yīng)用領(lǐng)域必將更加廣泛，這就要求廣大科研人員勇攀高峰，研發(fā)出一些更多更好的基于多核CPU的軟件無線電平臺。

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