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摘要 摘要 f u t u r e f d d 无线蜂窝试验系统是国家“8 6 3 ”重大专项支撑的，以研究新一代移动通信空中接 口关键技术为目标的验证系统。在移动环境下空中接口上下行速率可同时达到1 0 0 m b p s 是本系统最 重要的技术指标，对于物理层能够提供如此高速率的通信系统，需要有相应的业务软件验证，另外， 还需要软件管理无线资源的分配，越区切换等。本文主要论述本系统软件的总体设计、应用层和i p 层的设计与实现、系统的联合调试。 总体设计部分主要论述了软件总体模块的划分以及各个模块功能的确定，另外，还具体描述了 各个模块之间的关系与数据流的交互，确定了各模块之间进行数据交互的数据结构与接口。应用层 部分详细论述了u d p 协议实现全双t1 0 0 1 4 b p s 文件业务的方案设计与具体实现。对于i j i ) p 协议传输 的不可靠性，本文根据本系统特点提出了一种链路级差错控制机制以实现u d p 数据包的可靠传输， 本文还详细论述了与空中接口速率相匹配的流量控制设计。另外，应用层部分还实现了对整个通信 系统运行情况进行监控的功能。i p 层部分详细论述了1 0 0 m b p s 业务的i p 协议栈设计与实现。本文 通过姗x 访问机制，以太网存储池的设计，实现业务数据的零拷贝操作，节约大量c p u 资源。为了 提高空中接口资源利用率，本文提出了裸包设计。 本文的最后论述了项且联合调试的相应步骤，介绍了v x w o r k s 操作系统中的一些编程经验和项 目联合调试经验。另外，本文还对软件的后续工作进行了展望。 关键词：v x w o r k s ，软件设计，裸包，差错控制，零拷贝。流量控制，a q l j x b s t r a c t a b s t r a c t f u t u r e - f d dw i r e l e s sc e l l u l a rt e s ts y s t e mi ss p o n s o r e db yc h i n ah i g h - t e c h8 6 3 一f u t u r ep r o j e c t ， w i t ht h ea i m o fd e v e l o p i n gt h ek e yt e c h n o l o g i e so fs p a t i a li n t e r f a c ei nt h en e x t - g e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g i c a lt a r g e to f t h i ss y s t e mi st oo b t a i nl o o m b p si nt h e u p l i n k d o w n l i n kv e l o c i t yo fs p a t i a li n t e r f a c e su n d e rm o b i l ec o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t i tr e q u i r e st h e v a l i d a t i o no fc o r r e s p o n d i n g l yp r o f e s s i o n a ls o f t w a r e ，t h ea l l o c a t i o no fr a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ，a n dt h e i n t e r - c e l l u l a rt r a n s a c t i o nf o rt h ep h y s i c a ll a yt op r o v i d es u c hah i g hv e l o c i t yi nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h i st h e s i sm a i n l yf o c u s e so nt h es o f t w a r ed e v e l o p m e n to ft h eo v e r a l ls y s t e md e s i g n ，t h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no f a p p l i c a t i o nl a y e ra n di pl a y e r , a n dt h ec o o p e r a t i n gd e b u go f t h es y s t e m i nt h es e c t i o no fs y s t e md e s i g n ，w ed e m o n s t r a t et h ed i v i s i o no fs o f t w a r em o d u l e sa n dt h ef u n c t i o no f e a c hm o d u l e w ea l s od e s c r i b et h er e l a t i o n s h i pa m o n gd i f f e r e n tm o d u l e s ，t h ei n t e r a c t i o no f d a t as 仃e a m s , a s w e l la st h ed a t as t r u c t u r ea n di n t e r f a c ew h e nt r a n s i t i o n i n gd a t aa m o n gs y s t e mm o d u l e s i nt h es e c t i o no f i n t r o d u c i n ga p p l i c a t i o nl a y e r , w ee l a b o r a t et h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f r e a l i z i n gf o i ld u p l e xl o o m b p s o p e r a t i o na c c o r d i n gt ou d pp r o t o c 0 1 d u et ot h ei n c r e d i b i l i d o fu d pp r o t o c o l ，w ep r o p o s eal i n k l a y e r e r r o rc o n t r o l l i n gs c h e m et oa c h i e v et h ec r e d i b l et r a n s m i s s i o no f u d pd a t ap a c k e t ，w ea l s od e m o n s t r a t et h e f l o wc o n t r o l l i n gd e s i g nc o r r e s p o n d i n gt ot h es p a t i a li n t e r f a c ev e l o c i t y b e s i d e s ，t h ea p p l i c a t i o nl a y e r i m p l e m e n t st h es u p e r v i s i o no nt h eo v e r a l lo p e r a t i o no f t h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m i nt h es e c t i o no f l pl a y e r , w ed e s c r i b et h es t a c kd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fi pp r o t o c o lt oo p e r a t ei nt h ev e l o c i t yo fl o o m b p s b y m u x a c c e s s i n gs c h e m ea n dd e s i g no f m e m o r yp o o l ，w ei m p l e m e n tt h ez e r o - c o p yd a t ao p e r a t i o nt os a v ea l o to f c p ur e s o u r c e s w ea l s op r o p o s et h en a k e d - p a c k e td e s i g nt oi n c r e a s et h er e s o u r c ee f f i c i e n c yo f s p a t i a l i n t e r f a c e t h el a s ts e c t i o no ft h i st h e s i sd e m o n s t r a t e st h ep r o c e d u r eo fc o o p e r a t i v es y s t e md e b u ga n di n t r o d u c e s s o m ep r o g r a m m i n ge x p e r i e n c ei nv x w o r k so p e r a t i n gs y s t e m f i n a l l y , w es u m m a r i z et h ee x p e c t a t i o no f s u c c e s s i v ew o r ki nt h er e l e v a n tt o p i c k e yw o r d s ：v x w o r k s ，s o f t w a r ed e s i g n ，r a wp a c k e t ，e r r o rc o n t r o l ，z e r oc o p y , f l o wc o n t r o l ，m u x i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名；日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：导师签名： 日期： 第一章绪论 第一章绪论 随着移动通信业务需求的不断增加，现有移动通信已不能满足日益增长的用户需求，研究下一 代移动通信系统已势在妊行本章简要介绍b 3 g 移动通信发展和f u t u r e 研究计划f d d 试验系统 1 1b 3 g 移动通信 1 1 1b 3 g 移动通信与市场需求 自移动通信诞生之日起，其主流业务一直是人与人之问通过移动通信系统用语音进行沟通的语 音业务。随着i n t e r n e t 及多媒体技术的快速发展，用户越来越不满足这种人与人之间的单一通信 方式。人们希望移动通信系统能够提供更丰富的业务，例如因特网接入、图像传送、视频点播、数 据互传、实时电视节目等数据或多媒体业务。为适应人们对移动通信越来越高的要求，2 0 0 0 年1 0 月6 日，国际电信联盟( 1 1 1 j ) 在加拿大蒙特利尔市成立了i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l e t e l e c o m u n i c a t i o n s - 2 0 0 0 ) a n db e y o n d 工作组，负责协调分布在欧洲、美洲、亚洲等世界各地的 无线通信技术研发机构和通信设备制造公司对b 3 g 的研究与标准化工作。我国在2 0 0 2 年3 月正式宣 布启动对b 3 g 通信系统的研究工作，并于2 0 0 4 年4 月正式启动b 3 g 移动通信技术的标准化进程。 依照国内外对未来移动通信技术的普遍看法，b 3 g 系统至少应具备以下6 个基本特征。 ( 1 ) 具有很高的传输速率和传输质量 未来的移动通信系统应该能够承载大量的多媒体信息，因此要具备达到1 0 0 m b i t s l g m t s 的 最大传输速率、较大地域的连续覆盖、q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 保证机制、很低的比特开销等性 能。 ( 2 ) 灵活多样的业务功能 未来的移动通信网络应能使各类媒体、通信主机及网络之间完成“无缝”连接，使得用户能够 自由地在各种网络环境间无缝漫游，并觉察不到业务质量上的变化。因此新的通信系统要支持网间 移动管理及相应的认证、鉴权、代理等功能。 ( 3 ) 开放的平台 未来的移动通信系统应在移动终端、业务节点及移动网络机制上具有“开放性”，使得用户能够 自由地选择协议、应用和网络。让应用业务提供商( a s p ，a p p l i c a t i o ns e r v i c ep r o v i d e r ) 及内容 提供商( a c p ，a p p l i c a t i o nc o n t e n tp r o v i d e r ) 能够提供独立于操作的业务及内容。使定位信息和 计费信息能够在各个网络和各类应用之间共享。改良的安全机制能够作用于广泛的功能范围。 ( 4 ) 高度智能化的网络 未来的移动通信网将是一个高度自治、自适应的网络，具有很好的重构性、可变性、自组织性 等，以便于满足不同用户在不同环境下的通信需求。 ( 5 ) 高度可靠的鉴权及安全机制 未来的移动通信网将是一个基于分组数据的网络，具有高度可靠的鉴权及安全机制，因为如何保 证数据的安全可靠性将直接影响到整个网络的生存力，也会影响到用户对整个网络的信任程度。 1 东南大学硕士学位论文 ( 6 ) 高数据速率和q o s 保证 未来移动通信系统不仅要适应用户数的增加，同时也必须要适应多媒体的传输需求，还包括通 信品质q o s 的要求。必须可以容纳庞大的用户数、改善现有通信品质以及达到高速数据传输的要求。 现阶段，b 3 g 无线通信技术已是世界范围内移动通信的研究热点。b 3 g 标准制定工作也在i t u 的 领导下如火如荼的进行着，各国都积极地参与提案，希望未来的标准中出现符合本国利益的条款。 在我国。b 3 g 的立项早在2 0 0 0 年初就已开始酝酿，2 0 0 1 年1 1 月立项申请被批准，随后国家成 立了由尤肖虎教授负责、“8 6 3 ”计划通信技术主题专家组领导的总体组，并于2 0 0 1 年底和2 0 0 2 年 6 月发布了两次课题指南，成立了一系列课题组，开始了计划的启动，称为f u t u r e ( f u t u r e t e c h n o l o g i e sf o ru n i v e r s a lr a d i oe n v i r o n m e n t ) 计划。1 。国内高校如东南大学、清华丈学都参 与了f u t u r e 研究计划项目。当前东南大学主要承担f u t u r e 研究计划二期工程f d d 无线蜂窝试验系 统的研究开发工作。 1 1 2f u t u r e 研究计划f d d 蜂窝无线网络试验系统 当前东南大学b 3 g 课题组承担的f d d 蜂窝移动通信无线网络试验系统研究开发项目是8 6 3 重点 项目f u t u r e 研究计划二期工程，研究f d d 模式下3 g 后一代移动通信系统的空中接口技术，建立多 载波与m i m o 等关键技术，支持峰值速率为1 0 0 m 的语音和数据业务，并支持新的未来可能出现的无 线通信业务“。 f d d 蜂窝无线网络试验系统演示f d d 模式下多用户多小区场景下的多业务数据传输。f d d 蜂窝移 动通信基站系统如图卜1 所示，f d d 蜂窝移动通信基站系统由远端天线接入单元r a u 和近端基站构 成“。其中每个近端基站可以接2 3 个r a u ，每个r a u 接4 副天线，共可接8 幅天线，每个r a u 模 块有4 个射频收发通道，实现光电转换、频率变换( 1 9 g 到3 5 g 的转换) 、l n a 和功率放大功能。 近端基站的机柜由基带框、2 个射频小信号框以及e o 转换框构成，基带框完成基带处理和主控功 能，每个射频小信号框完成4 天线模拟基带到1 射频收发小信号的转换，e o 转换框实现电信号 和光信号之间的相互转换。r a u 和近端基站之间通过模拟光纤相连。移动台( m t ) 配有四副收发天线， 通过多天线与基站系统通信。 f d d 实验系统上行链路采用4 天线发送和8 天线接收的m i m o - g m c 无线传输技术”3 1 ，可把物理带 宽约为1 7 2 8m h z 的频段均匀分解成1 2 个3 d b 带宽为1 2 8m h z 的基本子信道，其中子信道之间存 在0 1 6 1 峤i z 的保护带宽，通过1 6 个子带滤波器组( 只用到了其中的1 2 个子带滤波器) 进行多载波 合路和分路，子带滤波器组可通过d f t 快速实现。对每个子信道，采用双循环自适应时隙结构、高 效编码与调制、空时分集与空分复用、迭代式空时联合检测译码等技术，支持高效的分组数据传输， 满足b 3 g 系统对传输速率、系统容量、频谱效率以及功率效率等方面的要求。 f d d 实验系统下行链路采用8 天线发送和4 天线接收的m i m o - o f d m 无线传输技术“1 ，其将物理带 宽为1 7 2 8m h z 的频段均匀分解成1 5 3 6 个子载波，其中相邻的1 2 8 个子载波构成一个子带，共1 2 个子带( 子带带宽为1 4 4 m l z ，每个子带已包括有导频子载波) ，时域上以8 3 7 5 m s 为一帧，由1 0 个时隙组成。一个子带上的一个时隙为一个最小时频单元，支持多种资源分配和复用方式。在每个 用户( 组) 所分配的时频资源中，用户业务数据根据各自的业务需求进行动态的高效编码与调制、 2 第一章绪论 空时分集与空分复用、迭代式空时联合检测译码等技术，支持高效的分组数据传输，满足b 3 g 系统 对传输速率、系统容量、频谱效率以及功率效率等方面的要求。 图卜1f i ) d 蜂窝移动通信基站系统示例图 1 2 相关研究与设计实现 本文主要完成b 3 g - f d d 蜂窝无线网络试验系统软件的研究工作，即完成系统软件的总体设计与 应用层、i p 层的实现工作，研究内容包括： 1 )分析b 3 gf d d 蜂窝无线网络试验系统的无线资源和演示需求，制定晟佳的软件总体设计方 案； 2 ) 根据软件的总体设计方案，另外还根据1 0 0 ) o p s 演示业务的需示，制定了相应的业务传输 方案与控制方案。 3 )i p 层根据软件系统总体对c p u 资源的占用与高速率业务传输的要求，制定了相应的删 侧业务数据的发送与接收方案。 4 ) 根据设计的软件总体设计方案与应用层、i p 层等其它层的设计，在p c 上的w i n d o w s 下、 华为公司提供的跚p u 板上的p o w e r p c 上运行的v x w o r k s 中实现系统软件，并调试通过。 1 3 本文的主要工作与组织结构 本文总体设计f u t u r e - f d d 无线蜂窝试验系统的软件系统，具体设计与实现了应用层与i p 层， 全文分为六章，组织结构如下全文分为六章，组织结构如下： 第一章论述了的本文的相关背景以及本文的研究内容与论文结构。 第二章论述了f u t u r e - f i ) d 无线蜂窝试验系统的软件系统的总体设计。 3 东南大学硕士学位论文 第三章论述了应州层的具体设计与实现。本章节提出了一种链路级差错控制方法并进行了实现， 为u d p 协议的数据传输提供可靠性保证。为了与空中接口速率进行匹配，本章设计了一种流量控制 方法，并对其进行实现。本章设计了满足l o o m b p s 速率要求的文件业务，并实现了对整个通信系统 运行情况进行监控的功能。 第四章论述了i p 层的具体设计与实现。本章节详细论述了用 i u x 方式实现零拷贝操作，为了提 高空中接口资源利用率，本章提出了裸包设计，另外，本睾还配合应用层进行了流量控制与系统性 能的信息的反馈。 第五章论述了系统的调试工作。该章节详细论述了项目联合调试的相应步骤，另外，还介绍了 y x w o r k s 操作系统中的些编程经验和项目联合调试经验。 第六章对全文进行了总结，对于二软件系统设计中出现的一些不完善的地方提出了一些完善性建 议，对软件系统的后续工作进行了展望。 4 第二章b 3 g 无线蜂窝试验系统软件总体设计 第二章b 3 g 无线蜂窝试验系统软件总体设计 本章详细介绍b 3 g 蜂窝无线网络试验系统软件总价设计本章首先介绍试验系统的整体框架 模块划分与各模块功能，然后分析各模块问的数据流和各模块之间的数据接口 为适应未来发展的需要，b e y o n d3 g 移动通信系统必须能够：支持全i p 高速分组数据传输，数 据速率为数十兆b p s 甚至数百兆b p s ；支持高的终端移动性，移动速度高达每小时几百公里；支持 高的传输质量，数据业务的误码率低于1 0 1 ；提供高的频谱利用率，每赫兹数比特以上；提供高的 功率效率，发射功率降低l o d b 以上；有效地支持在用户数据速率、用户容量、服务质量和移动速度 等方面大动态范围的变化“。 b e y o n d3 g 蜂窝移动通信无线接入网络演示系统，是对b e y o n d3 g 移动通信的先期研究，在概 念和技术上寻求创新和突破，从而使无线通信的容量和速率有十倍甚至百倍的提高。暂定实现目标 是，演示f t p 、刑和实时流等业务，业务数据速率最高能达到近l o o m b p s 。 b 3 g 演示系统软件部分，实现无线接入系统的空中接口协议栈，对演示业务进行控制。演示系 统的目标是“百兆”业务的演示，不需要达到商用化电信级性能、质量要求，因此，不考虑大量用 户接入而引入的问题。 2 1b 3 g 演示系统软件系统模块设计 2 i ib 3 g 演示系统整体框架介绍 m t 图2 - ib 3 g 演示方案整体框架 b 3 g 无线蜂窝试验系统演示方案的整体框架如图2 - 1 所示。从图中我们可以看到整体框架由移 动台( m t ) 和基站收发信机( b t s ) 两部分组成，m t 部分包括p c 、主控( m p u ) 板、其它模块，其它 模块主要包括基带处理和射频等，b t s 部分包括用于做宽带服务控制器( b s c ) 的p c ，主控( m p u ) 板、其它模块，其它模块主要包括基带处理与射频等。这个通信系统的最终目的就是为了向人们展 5 东南大学硕士学位论文 示在移动环境中空中接e l 峰值传输速率达到1 0 0 m b p s 的魅力，在最终演示的时候，为r 减小软件设 计的复杂度，更好地展示该系统的魅力，我们对图2 - 1 所示的演示方案肇体框架进行了定的简化， 简化的演示方案整体框架如图2 - 2 所示。从图2 2 可以看出，简化后的演示方案最主要的区别在于， 只有一个m t ，而它的主要业务通信是发生在m t 与b s c 之间，没有m t 与m t 之闻的业务通信。对于 整个通信系统来说，软件系统是在m p u 板与p c 中实现的。 辩一逦f 移动台l p c m t 饲 图2 - 2 简化后的b 3 g 演示系统整体框架 2 1 2b 3 g 演示系统软件系统模块划分 b t s 侧 b 3 g 演示系统软件内部模块划分，及其外围模块如图2 - 3 所示，从图中可以看出，b 3 g 演示系 统软件包括8 个功能模块。软件系统中各个模块的功能介绍如f ：控制监控模块一负责对b 3 g 演示系统运行情况的监控；业务模块一负责各应用业务的协调和各应用程序的调度；i p 层一 一实现部分i p 协议栈功能，通过操作系统的支持强制获得i p 业务数据包，以进行数据业务调试和 演示；信令层3 对应b 3 g 无线通信系统空中接1 3 协议栈信令层3 ，包括：无线资源管理模块， 移动性管理，连接管理等功能；链路控制层对应b 3 g 无线通信系统空中接口协议栈信令层2 的无线链路控制子层( l a c ) ；软硬件接口包括对m a c 与p h y ( b 3 g 无线通信系统空中接1 3 协议 栈) 的控制模块，中断服务程序；数据存储管理自定义的数据缓存管理，辅助模块；软件 定时管理自定义的软件定时管理。辅助模块。 其中控制监控模块，业务模块所组成的应用层是在p c 上实现的，而i p 层，信令层3 、链路控 制、软硬件接口、数据存储管理、软件定时管理都是在m p u 板上实现的。 第二章b 3 g 无线蜂窝试验系统软件总体设计 2 1 2 1 控制监控模块 控制监控模块发起控制命令、激活各种应用业务、监视各种业务参数、向维护管理终端报告各 协议层的参数，以便于监视系统的运行情况。操作者通过键盘控制对软件系统进行演示操作和管理。 控制监控模块与业务和信令层3 的接口实现对系统操作的控制，与各协议层的接口实现对系统运行 状况的监控。该模块的主要功能如下： ， 通过对业务模块的控制，实现对不同演示业务的发起，控制和释放。 通过对信令层3 的控制，实现业务外信令过程的发起，控制和释放。 在系统运行过程中，可以通过对各协议层的控制，获取各协议层的参数，监控系统的运行 情况。 相关设计与具体实现办法见第三章。 2 1 2 2 业务模块 在移动的环境中上下行峰值速率可以同时达到1 0 0 m b p s 是b 3 g - f d d 无线蜂窝系统一个非常重要 的特征，而业务模块的主要功能就是从业务上直观地展示出1 0 0 m b p s 的魅力，同时验证该通信系统 是否有上下行峰值速率同时达到1 0 0 m b p s 的能力，所以业务模块的主要功能是能够同时实时发送和 接收1 0 0 灿p s 速率的业务。 另外，业务模块负责各应用业务的协调和各应用程序的调度，可以支持f r p 、w w 和实时流三种 业务。w w w 业务的速率最高只有几兆b p s 。而实时流业务目前的最高速率只有2 5 w o p s ，这些业务都 达不到1 0 0 m b p s 的速率，虽然几路实时流业务可以达到1 0 0 m b p s 的要求，但是对于p c 机的配置要求 非常高，普通p c 机的性能无法满足要求，即使用性能较好的服务器也是勉强满足要求。f t p 业务完 全可以达到1 0 0 k e o p s 的要求，但是这个f r p 不周于我们使用的f t p 软件，f t p 软件使用的是t c p 协 议，而由于t c p 协议的传输速率在很大程度上取决于a c k 的回传速度”。在该系统中。a c k 是需要通 过空中接口回传的。所以需要比较长的时间，t c p 的速率自然就会下降，经过测试，在该通信系统 中，f r p 的速率只能达到5 m b p s ，这样也会与带来实时流同样的问题。f t p 本身的含义是文件传输协 议，为了达到1 0 0 m b p s 的速率，我们选择了用u d p 方式实现f t p ，其主要原因是因为u d p 的速率只 取决于通信系统的空中接口速率与发送端的速率，与协议本身没有关系。在三种业务中，我们重要 讨论用u d p 协议实现f r p 协议。相关设计与具体实现办法见第三章。 2 1 2 3i p 层 i p 层的业务模块是在信令软件中没有i p 协议栈的情况下，通过操作系统的支持强制获得i p 业 务数据包，以进行数据业务调试和演示的模块。 i p 层的业务模块的目的是通过操作系统的支持强制获得i p 业务数据包，以进行数据业务调试 和演示的模块。 由于b 3 g 系统要达到1 0 0 m b p s 的业务速率，所以在i p 层中就不能按照常规的h o o k 函数或s o c k e t 的方式来实现业务数据从p c 传输到到m p u 板，最终由c p u 写给f p g a 的过程了，因为常规的方式都 需要c p u 先进行至少的一次读与写操作将m p u 板侧接收缓冲区中的数据拷贝到m p u 的内存空间中， 7 东南丈学硕士学位论文 再在后来的操作中c p u 再将内存中的业务数据写到f p g a 中，由于业务速率很高，所以这样操作会占 用c p u 的很多时间。 为了尽可能少的占用c p u 。我们调用了m u x 的接口函数，从而在m u x 层上面建立了一个l p 子层替换原来的网络服务子层。这种处理方式可以很少的占用c p u 时间的原理是由于，通过m u x 的调用，i p 层的协议栈可以使用接收缓冲区，也就意味着协议栈可以与接收缓冲区共用，这样就避 免了数据的复制，这样c p u 只用进行一次写操作，就可以将接收缓冲区中的数据写到f p g a 就可以 了，这样起码少了一次c p u 对大量数据的读与写操作。 i p 层的交互模块是为了实现与p c 机的控制模块进行交互，从而实现对i p 层与底层的控制。 具体实现办法见第四章。 2 1 2 4 信令层3 信令层3 实现b 3 g 演示系统协议栈信令层3 的功能，包括无线资源管理，移动性管理，连接管 理功能。其中：无线资源管理负责系统软件进程的调度、系统资源单元r r u 的分配、系统参数表 的维护；移动性管理负责支持用户终端的移动性，对系统中用户移动性引起的信令过程进行处理， 如通知网络m t 当前所在位置，提供用户i d 的机密性；连接管理，负责业务连接的发起、建立、 维护、释放。 移动终端侧信令层3 完成对下层无线资源的管理与控制，主要是：对物理层的物理信道的配置、 修改、和释放；对层2 逻辑信道的配置、修改、和释放。同时组织发送、接收处理信令层3 信令消 息。 网络侧信令层3 除了与移动终端侧相同的功能外，还需要实现对多用户的管理，演示系统暂定 支持3 个用户，以数据结构数组形式管理用户数据。 具体实现办法见信令层3 详细设计文档。 2 1 2 5 链路控制层 实现协议栈信令层2 的链路控制子层( l a c ) 的功能。链路控制层对数据的处理部分( r l p ) 以 硬件实现。软件实现链路控制层对信令的处理。 l a c 子层的功能包括：信令数据的分段和重组，级联，填充，信令的传送，纠错，按序传送3 层p d u ，协议错误检测和恢复，加密，s d u 丢弃等。 l a c 子层负责数据链路的建立、控制与维护、拆除，保证数据的可靠传输。姒c 子层完成逻辑信 道和物理信道的映射，当控制逻辑信道中获得数据后，发起中断通知l a c 子层从逻辑信道指定缓存 空间读取信令消息数据，l a c 子层负责将信令消息组帧完整后传送给信令层3 ：当信令层3 需要发送 信令消息时，l a c 子层负责将信令消息适配成相应逻辑信道的格式，发起中断写入对应逻辑信道指 定缓存空间。 具体实现办法见链路控制层详细设计文档。 2 1 2 6 软硬件接口 通信协议栈信令层2 的媒体接入控制子层( m a c ) 和物理层( p h y ) 以硬件实现，无线资源管理 8 第二章b 3 g 无线蜂窝试验系统软件总体设计 对这两层的控制通过控制模块实现“。中断服务程序实现硬件模块与软件模块之间数据传输、物理 信道的初始化、收发缓冲等。控制模块从信令层3 接收到对m a c 和p i l y 的配置原语后。将配置信息 写入接口。由于业务数据的速率很高，业务数据量很大，如果硬件模块与软件模块之间传输业务数 据时用正常的m e m c p y ，也就是通过c p u 来进行数据的传输，就会耗费太多的c p u 资源，而且相对来 说传输速度也比较慢。为了节约c p u 资源，提高数据传输速度，d m a 是一个很好的选择，通过d m a 方式在软件模块与硬件模块之间传输数据就会节约很多c p u 资源，也会提高数据的传输速度。 具体实现办法见软硬件接口模块详细设计文档。 2 1 2 7 数据存储管理 动态数据存储管理是高级语言和操作系统的主要功能之一，也是所有系统软件所要解决的重要 问题。不同的语言环境，操作系统都会定义一套数据存储管理机制，例如：c ( a n s i ) 的m a l l o c o 和 f r e e ( ) 等；v c + + 的n e w 和d e l e t e 等：v x w o r k s 的m e m p a r t a l l o c 0 和m e m p a r t f r e e 0 等；v r t x 的 s c h a l l o c 0 和s c h f r e e 0 等。 通常为了保证存储资源的充足，以及资源的充分利用，会使用多个动态链表( 如定义不同长度： 2 字节的链表，使用队列或者堆栈数据结构) 来进行动态数据存储管理。 我们在软件开发时，可以直接使用当前系统定义的动态存储管理机制。但为了提高开发代码的 可移植性，以及提高数据存储管理操作的时效性，我们定义一组静态数组，自定义对静态数组中数 据存储的管理，以一定的空间浪费换取时间效率的提高。最终的形式是把数据存储管理操作以可 调用函数实现，也就是把申请和释放内存空间封装成两个函数，只提供相应的接口参数供调用者使 用。 具体实现办法见数据存储管理详细设计文档。 2 1 2 8 软件定时管理 对于存在信息交互的系统，定时器的引入是必需的，可以避免系统资源的无效占用。在无线系 统协议中，定时器也是各子层( 模块) 规范的一个重要部分 v x w o r k s 操作系统提供了软件时钟( 数据结构s t r u c tt i m e s p e c ，定义在t i m e h ) ，以秒和纳 秒两种单位记录时问。我们在软件开发对，可以直接使用操作系统定义的p o s i x 计时器。但为了提 高开发代码的可移植性，我们自定义一套软件定时管理机制。 软件定时器是通过软件来模拟硬件的定时中断机制。其基本原理是通过一个高优先级的实时进 程( t a s ks o f t t i m e r ) ，管理定时器队列，队列中的每一个t c b ( t i m e rc o n t r o lb l o c k ) 存有时限 值和申请模块的标志，激活的t c b 按时间值依次排列，当头节点时限值为0 时，向申请该t c b 的模 块发送定时器到时信息”。 由于采用了软件模拟方式，软件定时器的定时不可能像硬件定时中断那么准确。但是对于上层 协议来说，这种定时的误差是可以接受的。 软件定时管理最终设计成函数的形式，外部模块使用时调用接口函数增加、删除一个定时器即 可。 具体实现办法见软件定时管理详细设计文档。 9 东南大学硕士学位论文 2 1 2 9 接口设计 b 3 g 演示系统软件模块在v x w o r k sv 5 4 ( t o r n a d ov 2 2 ) 操作系统上实现，相关接1 ：3 设计如f ： 接口包括系统操作者与软件系统之间的接口，由键盘输入控制，通过c 语言杯准i o 实现。即 操作者与控制、监控模块的接口。 各模块之间数据传递使用操作系统的队列机制，传递数据采用统一格式。其结构如f ： i n t 3 2n a n l e ： 序消息名字 i n t 3 2 * s o u r c e ：辟消息源，可能是消息队列，管道等 i n t 3 2 * a r g l ：件传给目的地的第一个参数$ i n t 3 2a r 9 2 ： 序传给目的地的第个参数$ i n t 3 2a r 9 3 ： 件传给目的地的第三个参数$ ) t m s gt d ： 其中：n a m e 域，指明传递消息的名称，可以是原语名，定时器名等；s o u r c e 域，指明消息的发 送“源”，可以是队列号等；a r g l 域，传递消息的参数1 ，如原语的存储地址，定时器值等：a r 9 2 域，传递消息的参数2 ；a r 9 3 域，传递消息的参数3 。另外， a r g l 3 传递的具体参数由模块间两两 协商，通常当传送原语结构体时，a r g l 为原语缓存地址，传送的原语仅有一或两个参数时，不使用 结构体传送，a r g l 和2 分别为两个参数的取值。 各模块之间部分共享数据采用全局变量，这些全局变量包括：传递数据的队列号等。 软硬件接口模块对m a c 、p h y 的控制通过对缓存区读写操作完成。 m a c 与软件模块间数据传递通过中断服务程序控制，通过对缓存区读写操作完成。 2 2 数据流 在该演示系统中，与软件设计密切相关的就是数据流，这里据说的数据流，也就是系统内部数 据的传输与交换方面，这包括对等层数据流与本地数据流。 2 2 1 对等层数据流 2 2 1 1b t s 侧上行数据流 上行时b t s 侧子载波s c l 上t s l 时隙的数据流如图2 4 所示。此时只有同步信道( s y n c h ) ，只 在物理层之间对等传输同步信息。软件系统不处理该时隙上的信息。 l 3 l a c 图2 - 4b t s 侧上行时子载波1 上时隙1 数据流图 1 0 回 呲 唧 第二章b 3 g 无线蜂窝试验系统软件总体设计 上行时b t s 侧子载波s c l 上t s 2 时隙的数据流如图2 5 所示。从图中可以看到，随机接入信道 ( r a p o t ) ，包含接入信令消息( 公共控制信令) ，接入信令的最终目的地为信令层3 ，对应逻辑信道 r a c h 。物理层从信息中提取逻辑信道信息后，分别传送给m a c 层对应逻辑信道。( 或者，还包含在公 共信道上传送的业务数据，公共业务数据的目的地为应用层，对应逻辑信道为c t c h ) 。 m a c 子层在逻辑信道r a c t t 上收到数据后，触发i s rr a c h r x 中断服务程序，l a c 子层读取数据 后，送至信令层3 。信令层3 根据接入信令消息中包含的用户信息进行处理。 图2 - 6 上行时b t s 侧子载波1 上时隙3 - 5 数据流图 a p p l y i p m a c p h y 图2 - 7 上行时b t s 侧子载波1 上时隙6 - 1 0 ，子载波2 一1 2 各时隙数据流图 m a c 子层在逻辑信道d p c c h 或d p d c h 上接收到数据后，触发i s r _ d p c c hr x 或i s rd p d c hr x 中 东南大学硕士学位论支 断服务程序l a c 子层读取d p c c h 数据后，送至信令层3 对应用户实体中；l a c 子层读取d p d c h 数据 后，发送至应用层处理。 上行时b t s 侧子载波s c l 上时隙6 一1 0 ，子载波s c 2 一s c l 2 各时隙数据流如图2 7 所示。从图中 可以看到，在s c l 上时隙6 1 0 ，子载波s c 2 - s c l 2 各时隙时，专用物理业务信道，数据目的地为应 用层，物理层传送给m a c 对应逻辑信道。 2 2 1 2b t s 侧下行数据流 下行时b t s 侧子载波s c i 上t s l 时隙的数据流如图2 8 所示。该物理资源用于下行同步信道 ( s y n c s ) ，在物理层之间对等传输同步信息。软件系统不处理该时隙上的信息。 l 3 l a c 图2 - 8 下行时b t s 侧子载波1 上时隙l 数据流图 下行时b t s 侧s c l 上的t s 2 的数据流如图2 - 9 所示。该物理资源用于公共控制信道，包括：广 播控制信道( b c h ) ，寻呼信道( p c h ) 。数据的目的地为物理层，数据来自于l 3 。 图2 - 9 子载波1 上时隙2 数据流图 下行时b t s 侧s c l 上的t s 3 一t s 5 的数据流如图2 一l o 所示。该物理资源用于专用控制信道d p c c h ( 以及低速率业务d p d c l t ) 。从图中可以看出，数据的目的地应为物理层，数据来自于l 3 ，而低速率 业务来自于应用层。 1 2 第二章b 3 g 无线蜂窝试验系统软件总体设计 图2 一l l 下行时f i r s 侧子载波i 上时隙6 - 1 0 ，子载波2 - 1 2 各时隙数据流图 2 2 i 3 m r 侧上行数据流 上行时m t 侧子载波s c l 上t s i 时隙的数据流如图2 1 2 所示。该物理资源用于同步信道信道 ( s y n c h ) ，在物理层之问对等传输同步信息。软件系统不处理该时隙上的信息。 l 3 l a c m a c p h y 回 图2 - 1 2 上行时l f r 侧子载波1 上时隙1 数据流图 上行时m t 侧子载波s c i 上t s 2 时隙的数据流如图2 一1 3 所示。从图中可以看出，随机接入信道 ( r a p c i ) ，包含接入信令消息( 公共控制信令) ，接入信令的初始发送端为信令层3 ，对应逻辑信道 r a c h 。信令层3 将数据传送给l a c 。( 或者，还包含在公共信道上传送的业务数据，公共业务数据的 初始发送端为应用层，对应逻辑信道为c t c h ) 。 r l c 组帧后触发i s r r a c h t x 中断服务程序，将数据发送给m c 子层，m a c 子层进行逻辑信遭到 物理信道的映射，送至相应物理信道。 东南丈学硕士学位论文 图2 一1 4 上行时耵侧子载波1