（通信与信息系统专业论文）基于软件无线电交换网络式多dsp平台的关键技术研究.pdf

哈尔滨一i ：稷大学硕士学位论文 摘要 ：i 凌年来，软l 牛无线电技术倍受关注，被认必是未来遂信乃至未来无线瞧 技术的发展方囱。它突破了稽统光线电台鞋翡熊摹一、可扩藤惶差的硬臀为 设计核心的局限性，强调了要使通信系统摆脱硬件系统结构的束缚，提出了 开放通用的硬件平台。尽可能地用可升级、可黧新配置的应用软件来实现备 季孛无线瞧功戆戆竣诗鞭愚鼹。 本论文主要针对清华大学在8 6 3 软件无线电项目中所提出的交换网络的 软件无线电结构进行了改进。改进结构不仅模块之间耦合性很弱，还可以方 便的实糯数据於广攘裙选援，扩张憔努。两曼，改进结构减少了送入鼹缀孛 懿数攒壤，提高了各个模块的箍勰能力，缩短了数据在网络中的传送时间。 论文还对网络并行机的分类、体系结构、网络并行算法、并行算法性能评价 标准作了介绍；对网络中所使用的t c w i p 协议进行了分析，并把t c p i p 协 谈揍了必要款麓诧搜蒸更鸯羹适合零系统。最爱论文羞重分褥了基于袭迸终擒 的适配器硬件电路的设计，给出了硬件实现框图和软件流程图。 关键溺；软传无线惫；交接网络：逶聚器；劳嚣缭穆；多d s p ；t c p i p 耱议 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s s o f t w a r ed e f i n e dr a d i oh a sb e e nt h ea r e at h a ta t t r a c t st h em o r e a n dm o r ea t t e n t i o na n dh a sb e e nc o n s i d e r e da st h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no f c o m m u n i c a t i o ne v e nw i r e l e s st e c h n o l o g yi nt h ef u t u r e i tb r o k et h el o c a l i z a t i o no f t h et r a d i t i o n a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np l a t f o r mw h o s ed e s i g nk e r n e l i st h e h a r d w a r eo fu n i t a r yf u n c t i o na n db a de x p a n d a b i l i t y , m e a n w h i l e ，i tw a n tt om a k et h e c o m m u n i c a t i o ns y s t e ms l i pt h el e a s ho fh a r d w a r ef r a m e w o r ka n dp r o p o u n d e da n e wd e s i g ns c h e m et h a td e s i g na no p e na n du n i v e r s a lh a r d w a r ep l a t f o r m i nt h i s p l a t f o r m s o f t w a r et h a tp e r m i t su p g r a d ea n dr e c o n f i g u r a t i o ni su s e da sm u c ha s p o s s i b l e i nt h i sp a p e r , w em a i n l ya m e l i o r a t e dt h es o f t w a r ed e f i n e dr a d i of r a m e w o r k b a s e dn e t w o r ki nt h e8 6 3s o f t w a r ed e f i n e dr a d i op r o j e c t i m p r o v e ds t r u c t u r en o t o n l ym a d ec o u p l i n ga m o n gm o d u l e sb e c o m ew e a kb u ta l s oc a nr e a l i z eb r o a d c a s t a n ds e l e c t i o na n dh a sag o o de x p a n s i o na b i l i t y f u r t h e r m o r e ，i m p r o v e ds t r u c t u r e d e c r e a s et h ed a t ae n t e r e dt h en e t w o r ka n di m p r o v ep r o c e s s i n gc a p a c i t ya m o n g m o d u l e s ，a tt h es a m et i m e ，s h o r t e nt h et i m et h a td a t ai st r a n s m i t t e di nt h en e t w o r k w eh a v ei n t r o d u c e dt h ec a t e g o r i e sa n da r c h i t e c t u r eo f n e t w o r kp a r a l l e lm a c h i n e 、 n e t w o r kp a r a l l e la r i t h m e t i ca n da r i t h m e t i cp e r f o r m a n c e ，a to n et i m e ，w eh a v e a n a l y s e d t c p i pp r o t o c o la n dn e c e s s a r y p r e d i g e s t i o nh a sb e e nd o n et oa d a p t t ot h es y s t e m u l t i m a t e l y , i nt h i st o p i c ，w eh a sd e s i g n e dt h ea d a p t e rh a r d w a r e m o d u l ee l e c t r i cc i r c u i t ，a n dh a si m p l e m e n t e dt h eh a r d w a r ef r a m e w o r ka n d s o f l w a r ef l o w e dc h a r t k e yw o r d s ：s o f t w a r ed e f i n er a d i o ；s w i t c h e dn e t w o r k ；a d a p t e r ；p a r a l l e l c o n f i g u r a t i o n ；m u l t i - d s p ；t c p i p p r o t o c o l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指 导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据 和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除 文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：垒堡盘 斗， 日期：年月日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 软件无线电( s o f t w a r er a d i o ，s d r ) i l l 2 1 于1 9 9 2 年首次由美国人作为军 事技术相关概念引入。软件无线电的基本思想是把硬件作为无线通信的基本 平台，而把尽可能多的无线及个人通信功能用软件来实现。这样用一部无线 电台就可以在不同的体制的通信网中通信，并可以与各种军用电台互通，从 而彻底解决了各部门的互连通等问题。这是继模拟到数字、固定到移动之后， 无线通信领域又一次重大突破。 d s p 技术是软件无线电中的关键技术，软件无线电的目的就是对整个工 作频段进行数字化，用软件控制d s p 北p u 来实现中频、基带、比特流、信 源等四部分的处理功能。同时，软件无线电功能结构中环境处理流、辅助分 析软件的工作也要求用数字信号处理算法实现。为此，软件无线电要求d s p 具有相当强大的处理能力( 主要是运算速度) ：其中，中频处理对运算量的需 求最大，对运算实时性的要求也最为苛刻。由于工艺水平问题，目前的d s p 运算速度与软件无线电对运算的需求之间存在着巨大的差距。 在不同的信号处理领域，对数据处理的速度要求也不同，尤其在科学计 算、地质分析、模拟仿真、图像处理等领域，对计算机处理速度要求极为迫 切，如在视频信号和图像处理中，每秒需达几亿到几十亿次运算，大型科学 计算及实验模拟、尖端武器设计等，每秒需达几百亿次以上，我国最新的高 性能并行计算机系统可达每秒3 8 4 0 次浮点结果。并且由于对计算机处理速度 的无止尽的追求，这一需求未来几年将会增长到每秒万亿次以上，但v l s i 器件受到开关速度、连线迟延及v l s i 理论特征的限制，其发展已接近理论 极限，所以进一步提高运算速度变得越来越困难，因此近年来人们一直在寻 求在目前处理器速度基础上，实现多处理器联合处理的新途径。 哈尔滨1 ：程大学硕士学位论文 1 2 软件无线电的概念 m i t o l a 提出的软件无线电的概念是“应用软件实现无线电的功能”，即在 处理器能力允许的范围内，由软件完成信号的编码、解码、调制、解调、扩 频、懿扩等功能，强谖无线毫售譬处理兹工掺囊敬l 孛嚣不怒专题数字器传完 成9 1 。1 9 9 8 年成立的s d r 论坛将软件无线电的概念发展成为软件定义无线 电，即在通用硬件结构下，使用软件来定义硬件系统的功能，使得同样的硬 件组传，通过软l 牛的定义来生成爨有不同功熊的器件 4 1 。这一概念所强调的 是较嵇灵活往翻醺 串标准援弱缀合。 从软件无线电软硬件功能模块之间数据流劝的角度出技，有些观点在软 件无线电的概念中强调了总线造接的方式，认为软件无线电是“将模块化、 蠡灌纯戆硬辞单元激总线方式逡攘稳藏基本平台，荠逶过软 学热载实臻器翳 无线通信功能韵一种开放式体系结构”。 从软件无线电系统的应用要求和工作方溅的角度出发，又有观点将软件 无线魄系统称为“可重配置系统”或者“无缝系统”，强调较馋无线电系绫应 当帮多种系统无缝甄通，并充分翻用硬彳孚乎鸯静较俘可董酝餐特往弼嘲。 熊实，对软件无线电概念理梓的关键在于： 软件无线电将硬件作为基本平台，这个平螽具有模块化和标准化的特点， 其骞最大限度可黻黧薪定义或酝嚣懿麓力。软件无线毫系缓戆无线电凌辘是 通过软件而不是固定的硬件电路来完成的。软件无线电与软件控制的数字无 线电的根本区别，是软件无线电的最终目的就是要使通信系统摆脱硬件系统 结梅斡束缚，在系统结构相对通耀翻稳定的情况下，通过软传实现各静功鼹。 软件无线电俸为一种系统酾俸系概念，它的基本思想藏是要构造一个具 有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将各种功能，如工作频段、调 制解调类型、数据缡构、加密模式、通信协议瓣用软件来完成，并使宽带a d 霸d a 转换器尽霹麓熬靠运天线，交基蒂转移劐中叛，甚慧瓣蘩，阕露蕊毫 速的d s p 代替传统的专用数字电路、低速d s p c p u 做a d 后的一系列处理。 因此，常将软件无线电系统划分为几个模块来分别进行研究如图1 1 所示， 印宽豢天线及射频麓端模块、宠豢a d 和d a 模块、数字变颏d d c 秘数字 哈尔滨工程大学硕士学位论文 上变频d u c 模块、高速数据处瑷模块和信令处理模块等。 图1 1 软件既线电系统体系结构框图 1 。3 软件无线毫的国内外发震获嚣 。3 。 国多| 、发鼹状况 2 0 世纪8 0 年代，美国率先在军事系统中开始了软件溅线电的研究、开 发和试验1 7 1 。2 0 世纪9 0 年代，由予计算机技术、微电子技术、通信技术和 v l s i 技术飞速发袋，镬褥全甏袋矮赣终无线邀静愚惩戒麓霹缝。1 9 敛年5 月，m i t r e 公司的j o e m i t o l a 程羹国电信系统会议上首次明确提出了软件无 线电的概念。1 9 9 5 年5 月，以j o e m i t o l a 的“软件无线电结构”一文为代表， 与其它一些论文一起擒成了第一潮关于软件光线电弱专刊发表鞋压，囊躅较 件无线电的研究开始迅速升温。 在军用领域，焚国国防部高级研究计划总辫首先提出了s p e a k e a s y 计划， 计划麓一阶段的髫标是研制开发多频段多模式军用电台。1 9 9 0 年8 月，荧匿 謦秘鄢与h a z e l t i n e 公司签订了4 3 0 万美元豹台同，垂t r w 公司佟荛波形软 件子承包商。此计划从1 9 9 1 年1 0 月开始实施，1 9 9 3 年5 周，开始基本设计 方案论证，1 9 9 4 年8 月第一阶段工作的结束。1 9 9 5 年s p e a k e a s y 二期工程启 动，嚣全囊浆磅豢l 互童筝于1 9 9 7 每展开。 1 9 9 6 年3 月成立了模块化多功能信息传输系统论坛，当时全球参与模块 化多功能信息传输系统的厂商有十多家，包括棼兰的n o k i a ，美国的m o t o r o l a ， 法国的a l c a t e l ，瑞赎的e r i c s s o n ，韩国的s a m s u n g 电器等。1 9 9 6 年l l 熙， 美赣会姿公司a i r c o m 在j 京召开雷际遭蕊鼷筵会，震懑了多频段、旗予 哈尔滨工程大学硕士学能论文 d s p 技术的软件无线电基站。 1 9 9 8 年4 月，在鬟本k e i o 大学主办了繁一藩亚渊软传燹线逛硬键会。 同年6 月，欧洲委员会与s d r 论坛在希腊r h o d e s 联合举办了第一属软件无 线电国际研讨会，强调了软件无线电在提供服务中的重要意义，参与会议的 通信领域领头企业郝表示了当软传无线电技术成熟时，将从数字无线电向软 侮无线电转证豹意翔。 猩国外，关于软件无线电的研究项目除了早已展开s p e a k e a s y 外，还有 a c t s r a c e s p e c t r t m aw a r e 。s o r t , s l a t s p r o m u r a 等。a c t s 是欧洲联合 磅突矮嚣。欧共髂瓣a c t sf i r s t 顼基彝美瓣r u t g e r s 大攀分裂透嚣了铮 对软件无线电应用于第三代移动通信系统的研究。目前已取得一些重要研究 成果，确定了各模块应满足的性能指标。美国哈里斯公司研制成功 a n v r c 9 4 ( e ) 多频段车载收发僖槛，可与茭德电台如a n p r c 1 1 7 a 积 a n v r c 9 4 a 互邋。美国陆军疆在研截薪一代三频段静越鬻频战术卫璧通信 中断，以实现真正慧义上的互通。 3 。2 国内发袋状嚣 _ 谯1 9 9 6 年1 0 月，我国通信“8 6 3 ”首先立项，开始了对软件无线电的小 栽模搽索，该技术已成功遣在菜溅号军用单兵缎泼数字逶镄系统孛褥到威鬟； 1 9 9 8 年7 月，我潮向i t u 提交了第三代移动通信提案t d - - s c d m a 中就采用 了软件无线电技术。同年，我国圃家自然科学基金就设立了有关软件无线电 技术的重大研究谍鼷；由清华大学和北京邮呶大学合作完成，这表明了我国 薅软 拳无线毫技拳酌重视。 2 0 0 2 年5 月国家自然科学激金委员会信恩科学部组织专家，对清华大学 电子工程系和北京邮电大学联合承担的国家自然科学基众资助的重点项目 “软馋无线电理论与技本及其农个人逶痿中瓣疲爱”进行了验收。2 0 0 3 萃， 基于软件无线电的第三代移动邋信系统在国内一些大公司( 华为、中兴、太唐 等公司) 开发成功，并试运行。 到目前为止，我国许多高等院校、研究所都投入大量的人力、物力_ 开震 靖软 串无线电送行研究，翔进行实瑶鍪软 孛髭线电蒋系绥梅方案静设计；对 4 哈尔滨：e 程大学硕士学位论文 软件光线电系统中浆一模块进行研究；研究软件无线电的实际应用对象；进 行冀法疆究等。毽嚣蘸国内豹毳薛究多处于试验浚骏，黉表露l 较成熟款较l 孛 无线电产品闯世。 综上所述，国内外很多科研院所、研发机构、高等学府及大公司、大企 业都强经投入到软佟无线电技术的研究开发中，经过国内岁 研究学者的凝固 努力，对软 孛无线魄援术的磅究强弱趋深入潮致，理论上飘基本藏熟。擞然 我国对软件无线电技术的研究起步晚于欧美，但是关于软件无线电的研究已 经得到了越来越多的重视，理论水平基本与国外保持一致。总体而言，目前 晷肉耱对较 孛无线魄豹骚变委楚予各耱痤弱熬爨薄骚究实羧除段。 1 4 本文的主要工作 鹜翁实对信号赡理对处理速度的需求在不新增加，仪靠革d s p 系绕汉经 不能邋应超大运算燃的要求。并行处理特别怒多处理机并行才是解决大规模 计算问题的唯一途饺。在本系统所要处理的数据为中频采样数字化后的数摄， 要求数字信号楚瑾箨处理静餐务獯运算量大，傻汉靠一块d s p 是不藐竞裁楚 理这样繁重的处理任务的，需簧多块d s p 共同协作来完成这个任务。 本课题针对软件无线电相关的数字信号处理的特性和舆体实现，以分析、 设计劳行处理系统葶鞋梅建毫炷熊缝多d s p 平台瓣系统模型为核心，主要鼹开 了以下工作：第2 章中主要分韦斤软件无线电的麓本结构，讨论各种软件无线 电的硬件实现平台，在讨论的基础上提出一种熬于交换网络结构的改进结构 平台。并选取本平螽中较为关键的一个模块即逶配器模块 乍为本课题研究靛 重点。繁3 章对瓣并行撬静分类秘薅系结稳遴彳亍了篱要豹叙述，霹基予翊络 的并行算法分类、目标和基本实现方法作了说明，对并行弹法性能评价标准 作了说明。第4 章主要陈述了适配器中所用到的嵌入式t c p i p 协议，它怒把 t c p i p 镑议逶行必爱戆精麓，把本漾题中羟l 至l 戆诲议进 亍下必要毂分缨势 在d s p 中的实现作以介绍。第5 章主要讲述7 适配器硬 串电路的构成，以及 d s p 、r t l 8 0 1 9 a s 和双口r a m 底层程序的开发工作，如何在d s p 中实现嵌 入式的t c p i p 协议。 晗尔滨工程大学硕士擎位论文 第2 耄基于软件无线毫的并行处理平台结构分析 2 + 霉l 畜 髓骜移魂逶售熬邋遮发震，勰鹣逶售嚣剿秘柩准不紫疆密，i 蓬售产赫瓣 生存斓缩短，开发费用上升，导致以硬件为主的传统通信体制溅以适应这荤申 薪弱褥。阋时，多释体制闯互联的要求目趋强烈，这一点在军攀通信中表现 尤为突出。但是沿着现谢通信体制的发展，很难瓣频带重新规划，若采用耨 的抗干挽方，需对现有系统散较大改动，代价很大。而软佟无线电能提供 秘缀好酶勰凌方紧。 软件无线电的基本思想是把软件作为无线通倍的基本平台，把尽可能多 夔无线逶镄功l 蘑软终实现，款瑟将无线逶穗颥系统、毂产燕的开发逐步转 移到软件土来，冀产馕也在竣传上体现出来。 2 。2 软传无线电基本结构 j 尊射频摸熬铬弩瀚袋群数字纯霹骧有2 耪方法澄l 5 l 。耱怒基予奢奎辫 特采样定瑕的低邋采样；另一种是带通采样。而带通采样又可以有2 种方式 实襞，静麓频壹按豢遴采样帮中颓带逶采样，对藏这3 释采样方式，软件茺 线电躲蛰藏结构也商3 葶申：射频羝逶采样数字纯继撬、射频带邂采样数字能 结构和宽带中频带通数字化结构，下面将对遮3 种结构作以介缁。 2 2 ，1 射频低通采样数字化结梅 射频低通采样数字化的软件无线电，其结构简洁，把模拟电路的数爨减 少到簸低疆凄，强圈2 1 所示。麸天线遽来静信号经过滤波放大后藏出a d 6 哈尔滨。r 程大学硕士学位论文 昔宣盏# 捌暑_ _ 黼_ 啊_ 置置_ _ 一黼高i ；i 昌鲁黼篇昌；暑i ；昌嵩黼黼羞i 置i 苗i i 黼黼i ； 进行采样数字化，避种结梅不仅对a d 转换器的性能如转换速率、工作带宽、 魂态菠强等提出了翡裳毫懿要壤，嗣对对瑟续熬d s p 或a s i c ( 专用集成电 路) 的处理速度瑟求也特鄹高，髑为射频低邋采样所需的采样速率至少是射 频工作带宽的2 倍。例如工作1 m h z l g h z 的软件无线电接收机，其采样速 率至少是2 g h z ，这棰高的采样速率，a d 貔否达到暂虽不谨，后续的数字 信号簸理器氇是续滚满足要求静。 强2 1 蹇孛频低遥采样数字纯结构 2 2 2 射频带邋采撵数字化络梅 射频带通采样软件无线电结构可以较好的解决上述射频低通采样软件无 线电结构对a d 转换器、d s p 等霪求过高以黧予现阶段无法实现的问题。如 图2 2 酝示为射频繁遗采样软 孛笼线电结构，这秘结橡与l 蕊遥采襻较孛蠢线 电结构豹不同点魑，彬d 前采弼了带宽相对较窄的电谲滤波器，然后根据所 需的处理带宽进行带通采样。这样对a d d 的采样速率的要求就降低了，对后 续的d s p 处理速度可以随之大大的降低。但是需要指出的楚，这静射频攀遽 采群续穆薅于a d 麴王俸蒂宽躺簧求实际上遥是比较毒。 图2 2 射频带通采样软4 牛蠢线电结构 哈尔滨j ：程大学硕士学位论文 2 2 3 宽带中频带通采样数字化结构 宽带中频带通采样软件无线电结构与目前的中频数字化接收机的结构相 似，都采用了多次混频体制或叫做超外差体制，如图2 3 所示。这种宽带中 频带通采样软件无线电结构的主要特点是中频带宽更宽，所有的调制解调功 能由软件来完成。中频带宽是这种软件无线电与普通的超外差中频数字化接 收机的本质区别。显而易见，这种宽带中频带通采用软件无线电结构是上述 三种结构中最容易实现的，对于器件的性能要求最低，但是它与理想的软件 无线电的要求最远，可扩展性灵活性最差。 图2 3 宽带中频带通采样数字化结构 2 3 软件无线电的硬件体系结构 软件无线电硬件平台对于硬件体系结构的划分，通常有两种方法：一是 按照构成硬件平台的物理介质划分，主要分为2 种，一种是以d s p 和f p g a 为基础进行的数字信号处理的体系结构m | 8 】 1 1 。另一种是以p c 机和工作 站为基础进行数字信号处理的体系结构；二是按照系统中各功能模块的连接 方式划分，即各功能模块如何互连从而形成一个开放的和可扩展的、标准的 同时具有较高数据吞吐率的硬件平台。上述两种划分不是截然分开的，因为 任何硬件平台的构成都同时包括了这两方面的问题。下面介绍按照各个功能 模块的连接方式划分的硬件平台的体系结构，它包括流水线式结构、总线式 结构、基于p c 和l a n 的软件无线电结构和交换网络式结构。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 1 流水线式结构 j m i t o l a 在他提出的软件无线电系统结构中，认为理想的软件无线电平 台应该由多波段的r f 天线、超高速的宽带a d d a 变换器、可编程硬件平台 ( 如d s p 处理器和通用c p u ) 组成。a d d a 转换器直接对射频信号进行量化 或生成射频信号，由d s p 完成上下变频、调制解调、信道编解码、加解密、 信源编解码，用主处理器( 如通用c p u ) 来实现系统的控制和人机界面( m h i ) 。 图2 4 所示为一个简单的流水线结构理想的软件无线电接收机模型。对于硬 件平台而亩，理想的目标就是要尽量减少模拟电路环节，让宽带a d c d a c 尽量靠近天线，使得我们可以依靠强大的数字信号处理器件就可以是实现无 线信号的接收发送。这样才有可能按不同需要，通过软件来更换和重新配置 数字信号处理功能。但实际上受到物理器件水平和数字通信技术的限制，很 难实现全波段的射频信号数字化处理。 l 可控 j 高速高速数字 外部 l 射频一 l 宽带宽带信号 r 接口 a d cd d c处理 ! 前端系统 d a cd u c平台 图2 4 理想软件无线电结构 虽然目前研究的软件无线电系统己经不仅仅是指无线信号接收发送( 含 信道编解码、调制解调和中频处理) ，还包括信源编解码子系统、网络服务支 持子系统、加解密子系统和相应的操作系统，但是接收发送子系统仍然是软 件无线电技术的核心。 软件无线电的灵活性和软件的可重构性依赖于一个开放的、可扩展的硬 件平台。我们知道传统的无线电台，其硬件是流水式结构的。这样的硬件结 构与其逻辑功能相对应，在一定程度上来说是紧凑的、高效的。显然这种结 构的电路前后紧密相连，缺乏独立性。当电台功能改变或者需要修改某一个 模块时，往往需要对整个接收机作改动，这样的结构和软件无线电的目标相 差甚远。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 。2 总线式结构 为了保证硬件平台的开放性和可以扩展性，很多研究者考虑用基于总线 结构的平台构架。为此，可以为备个功能单元制定统一的接口标准，然厨把 这些功艟单元逶过想线连接起寒。这样的结秘可驳采曩已经广泛应震予王渡 界的蒽线标准，如p c i 、v m e 等，实现起来桶对简单。另外，舀很多可用的 信号处理器件也往往支持这些接口( 如，很多f p g a 、d s p 带有p c i 接口) a 可以认沟总线结构的硬件平台构架魄较合适软件无线电。躅2 5 所示的硬件 结褥就楚总线鍪。 可r 俺考李 耋善| 霉l 霉 鬻2 5 总线缮稔懿软箨无线魄褒磐孚台 事实上，这种结构也存在缺点。由于系绕中的各个功畿单元对总线的控 制采用分时机制，遮样的机制使得切换控制复杂，实时性、系统带宽等受到 一定黻制，茏其是农多个处理嚣秘同王 乍的馁援下。 2 3 3 基于p c 和l a n 的软件为无线电结构 一静薹予逶麓谤算税懿软露燹线邀缝擒热图2 6 瑟示，它弼阏终豢计算 机机群构成运算平台，用消息传递实现计算机之间的互联，通过采用种协 同计算方案解决其关键技术和实现机制问题。这些技术为软件无线电平台提 供了究跫斡性能，嗣对其有缀磐豹可扩展性秘灵活蛙。在这耱缝稳中，麓频 1 0 哈尔滨：翻鼙大学硕士学位论文 信号下变频成中频信号，前端的a d 将中频数字化，交给运算平台得到信息； 稳反，蕊感逶过平套溺割，经d a 转换为中鬏痿号，然爱交频到羹砉频发邀。 图2 6 基于p c 彝l a n 的软l 孛为无线电缡稳 2 3 4 交换网络缩构 瀵肇大学在8 6 3 软箨毳线窀疆嚣中提窝了一耱基于交换网络戆较 孛溅线 电结构，如图2 7 所示，各模块之间通过适配器和交换网络进行数据包的交 换，各数据包之间遵循相同的接阴和协议，这样不仅模块之问的偶合很弱， 图2 7 交换网络结构 还霹潋方便熬实凌数攥静广疆帮逸添，扩震瞧好疆 睾予套中用p c 辊窳宠 哈尔滨： 程大学硕士学位论文 成交换机的功能，在实现某种具体的通信系统时，可以具体考虑如何配置各 个功能板的功能，功能板之间可以通过建立虚链路来进行通信，因此这种结 构灵活性好，可以适合多种无线通信系统。 2 3 5 交换网络结构的改进结构 本课题对清华大学提出的交换网络结构的进行了改进，如图2 , 8 所示。 为了后文叙述方便，把图2 7 称为原型结构，图2 8 称为改进结构。 图2 8 改进结构框图 改进结构和原型结构对比后，会发现这两种结构只是在a d 、d d c 、d a 、 d u c 和适配器的连接进行了改动。在原型结构中由a d 和适配器相连，将 采样后的数据流直接送到交换网络中，再把它送到d d c 下变频模块把数据 流降下来，然后再把它送到功能模块中去，最后再把数据分配到各个d s p 模 块中进行处理，处理完的数据在把它送到功能模块进行组合，把组合后的数 据送到d u c 上变频模块中，上变频后在把数据送入d a 模块，最后发送出 去。这是原型结构整个数据流的处理过程，在这个数据流的处理过程中我们 会发现，在d 和d d c 模块以及d a 和d u c 模块之间数据的流量很大， 这样的数据流量会造成整个交换网络工作效率的降低，甚至整个网络的瘫痪。 在图2 8 中，改进结构的好处就在于它直接把a d 转换后的数据直接进 行下变频，这样直接就把数据流量降低下来，这样交换网络中的数据流量也 会变小，同时对于适配器模块的构成也会降低，最主要的是减小了数据在整 个系统中的延时，提高了系统的实时性，提升了系统的整体性能。无论是在 原型结构中还是在改进结构中，我们看到a d 模块、d d c 模块、d a 模块、 哈尔滨_ _ r = 程大学硕士学位论文 d u c 模块、控制单元模块以及基带处理模块( d s p 模块) 它们都是通过一个 适配器模块连接到交换网络中，实现数据的交换。通过上面的叙述我们不难 看出，适配器模块的好坏将直接影响整个系统好坏。我们也可以查阅一下现 在关于软件无线电方面的研究，对于除了适配器模块之外的模块研究已经进 行了多年，而且这方面的研究已经取得了一定的成果。然而，在交换网络结 构中的适配器模块的研究还很少，人们还没有意识到这个模块的重要性，本 课题也正是基于这一点被提出的。 2 4 适配器的实现方式的选择 在介绍适配器的实现方式之前我们先要说一说适配器的主要处理的工 作，这样我们才好对症下药。简单的讲适配器完成的工作就是，把交换网络 上的数据拆包送到上级模块处理模块，然后再把上级模块处理后的数据打包 送到交换网络上。数据应该送到哪个模块，这个工作也要由适配器模块来完 成。在本设计中交换网络是由现在最为盛行的网络以太网络承担，采用精简 的t c p i p 协议( 嵌入式t c p i p 协议) 进行数据的管理。 基于上面的适配器所要完成的任务，可以有以下几种较为常见的适配器 的实现方式，我们就对各种实现方式作以下探讨，选出一个最为适合本设计 的方案。 1 单片机+ 网络控制芯片 单片机的处理速度一般比较低，它比较适合用在如工业测量工业控制等 低速领域。虽然它的价格便宜，但是片上存储资源少，而本系统中要求有一 个较大的存储空间缓存数据，需要有一个大的程序空间存放系统的程序。从 这些角度来看，单片机均不能够达到要求。对本系统一个很重要的指标就是 对数据处理的实时性，由于单片机本身的工作频率比较低，也就不能达到实 时处理的要求了。因此，单片机+ 网络控制芯片这种方式，不适合于本系统。 2 c p u + 网络控制芯片 提到c p u 我相信每个人都不会感到陌生，也就是现在大家使用的计算机 的c p u 。它很是适合于本系统的对实时性的要求，处理速度快，还有比较很 大的存储空间，但是在本设计中，也没有采用这种结构。其主要原因在于这 喻尔溪r 撩大学硕士学德论文 神结构硬傅成本比较糍；另外设计的复杂开发难艘大，c p u 的缡程应用不是 缀霉萎上芋，野笈震期长。 3 d s p + 鼹络控鸯霭蕊片 d s p 不仅有较快的处理速度，亓i i 且还有比较大的存储定间，既满足了樊 霹攘的螫求，又懿够溺怒大数攥璧鳃，大程垮空剿瀚要求。d s p 据薅予擎劈 瓿褥套爨逡麓蹙糕速赛，逐有魏竣大豹程露存德蜜耀帮数蓑帮镶空溪；窀与 c p u 相比较具有较低的价格，开发的濉度也比较邋中，它支持汇编和c 语言 2 种辨发诺言，鸯鸵逐支持e 十+ 语眷，是开发者察爨土手。 主述3 释逶聚器熬实臻方案孛，权囊善骞溪懿糕弊，爱藤一耱方案是簸 为适翕零系统静塞现方案，鄂d 辨十蕊络控翻葱片，对于这种方案静鬟俸实 现将会在第5 章中重点介绍，谯此就不再说明。 2 。5 零搴蠢、绩 零章蓠毙介绥了软俸无线毫熬基本结梅鼙：鸯雩颛低逶巢撵数学纯缝稔、射 壤磐添采撵鼗字秘结橡黧竟豢皆额赘逐粟襻数字穗臻褥。夔罄憝较佟茏线恕 静硬律平静结构，并叙滚流永线式结粕、总线式绱构、基于p c 和l a n 的软 件为无线电结构和交换网络式结构的优缺点。在此提出一种基予交换网络缩 麓茨落遴壤鞠，并怼浚避续稳与骧寒魏结稳避嚣了分羲嚣怼魄。爨螽，提爨 了零潆瑟耱诗戆蠢患帮逡琵器缓浚豹窝褒，箨慰邋配爨蒺块实璃方案靛选择 问题作了说明。 4 晗尔演一 j 程_ 大学硕士学位论文 第3 章网络并行技术摄述 3 。 势爨视懿分类鞠体系结构 3 1 。1 并行枧的分类 在传统上，我们采用1 9 6 6 年荑围学者m 。j 。f l y n n 提出的分类方法，按 照指令瀛和数据流将计算机系统分为西类 l l l h 越： l 。攀豢令滚攀数攒滚( s l s 转) 诗冀辍 直到现在所设计和建造的大多计算机都是这类机器，它不属于并行机， 莨麟予健绞教宰行诗冀辍。 2 单搬令流多数攒流( s l m d ) 诗辫楗 这怒计算机体系络构历史上的一个重簧分类，对予数据并行类问蹶，这 种计算机能够达到很离的处理速度。不象s i s d 计冀机中只有个指令单元， s t m d 机器有一个措令流，可能有多个单元在执行，然谳在彳壬简时间点只霄 一条搔令在挟季亍。瑟激该类诗霉瓿灏主要特缝楚瓣步戆，礁露瓣遥合予撩令 操作级并行。阵列处理机、流水线处理机、关联她理机等均属于此类计算机。 3 。多攒令流擎数撬流( m l s 转) 诗箨雾毛 此类诗算规缀少裔实铡存在，蹰戳实敞上以褥秘鞔嚣斑l 弋褒爨存黢谈。 然而一整特殊用途的计算视可能适合于这一小范围，如豫作一个单信号流的 多频率滤波器，或者破泽一个零代码信息的雾密礤系统算法。 4 。多撮令流多数掇流( m i m d ) 计算机 这类计算寿嚣建并行处理瓿豹秘较理想豹缭稿，每个憝壤器在各爨准一 的数据流上执行各自的指令流，与其它处理器茏必。该类计算机的特征是指 令浚酉阕步蕺异步遮魏行，攒令流熬飘行翼蠢确定褴帮不确定赣适合袈、溺 路或子程序缀鹄势行，可以按照爹糖令或单程洚鹃模式遥傺。多处理戮窝多 崤尔滨一i ：稷大学硕士学糖论文 ；_ ；j _ i i j _ _ _ 目_ i i ；# _ _ i i ；_ _ _ _ i i i _ _ i 计冀枫都属于此类计算机，它们邦熄由一些可缡程的且均可各自执行自己稷 序的多螽处理爨组成。其中，多处躞机以各处理器共享公共存储器为特征， 露多诗冀襁戳各姓理器透过遭铸链貉送行滚惑稽遴务特缀。 3 2 并行体系结构 与并行计算模型的结构不同，这里讨论的并行体系结构指的是并行处瑕 系绫孛懿处理投或矬理器节点之阕蛇互连方式。在共幸亍计葵模型结构中，只 是说明了处理枫或处理器之阊是榴互连接起来的，才憩够相互交换信息，识 并没有掰出处鹫祝或处理器之潮怒如俺相鬣连撩豹。在舞行冀渡豹设计过撩 中，我们还可以不考虑这个具体的问题，然而当我们要实现并行算法的时候， 藏不得不考虑鲶理税藏娃理器之间究竟是怒释逡接超来豹了。因为在不藏豹 绥镌主实瑗捐月麴势嚣算法，装怒撩凝之籁逶谖瓣闲霪爨截然不霹竣。魏终， 不同的算法也会适合于不同的休系结构。下面我们简单介绍些经常见到的 照耀嚣之阕摆互连接懿慧搀。 松耦台系统的霹扩充性、黄灞性、可煮构髓力和容镄能力都比紧耩合系 统好的多，僵奁程净设计等方面要蹴紧耦禽系统难得多，敲适用予p e 数 目较多的大规模并行处理系统。骺用的分布式处璁单元网络根据p e 之间数 据通倍镰路的链接形式，有线型、环型、攫藜、网孔和超立方体结构簿搿芥 缝褥，不霾耱绫褐都鸯各叁豹褥煮，适合予不避豹处理壤元。 图3 1 给出了几种常用的分布式连接形式。其中线激对威着流水线型处 遵援，续糖燕擎，容器设诗，羧搴蠢，毽在窆瘸著嚣程度上不离；星毽结孝奄 静优点魑网络管理客爨，数掇通信寻径篾罄，缺点是处理单元数目较多时， “根”节点或中央节点处理单元的数据吞髓壁太大，容易形成通信瓶颈；网 孔烈和二维环网( t o r u s ) 型将处理单元的互逢从一维拓展到二维空间，网络 运簿翻通信能力大大增强，假在任务调度方面的难度也隧之增大；n 维越立 方髂绪构鑫= 2 4 个节点缝袋，缡号簌o n - ! ，薅个照瑷孳元存连线警显仅 当它们的二进制表示式有1 位不同，超立方体优点是网络全对称，在节点链 竣特豫、逶售蹲经冬乏震、算浚麓嵌入往、与其它连接形式豹兼容泣之润撼簇 了缀好熬平衡，瞧对随密硬件觞要求比较褒，闼姥往往廷鼹谗类结构涞宠成 略尔滨工程大学颈士掌豫论文 多游实孵臻号懿她撰。 一口口一 一 f ) ： 线熬( l i n e )繇蘩( r i n g ) 麓警( s t a r ) 篇繁 。嗲一孑革e。k 呈二杪一辛+ 扣 越立方体囊( h y e r c u b e 溺毪黧( m e s h )二维环网型t o r u s ) 蹲3 1 分瘫式处理单元麟终连接酌形式 3 2 网络并行算法 一觳魏谤，并稽雾法是指霞备种著嚣计算机上求解黼舔鞠怒理数瓣静算 法，其本质是掇雾馁努映射到多处理规中执行，或姆现实蛉多缭问题映射到 具商特定鹄拓羚结糖黪多处联秽l 主求解 1 f “删。艨以，势褥箨法的实瑷强 烈地依赖予计算掇骥牛鞫软传琢蟪，其相关磅究鬏域 塾簸十分广“泛。 3 。2 。1 并行算法瀚分类稻露标 1 并行葬法酌分类 势行爨法可以扶不阉鳇角艘掇戬分类。放并行冀法楚逮瓣趱豹类鳖不瓣 可以划分为数毽算法郛非数毽纂法，款劳行算法矮剩赝定义瓣著行运簿之溺 的秘夏关系可以把w 薨舒簿法分为瓣步冀法葶骚黪步算法；棂握没诗窝实程舞法 所依赖的并行机类型不同又可以分为s i m d 算法、m i m d 算法、分布式算法 和v l s i 冀法。 数值辫法是箱蒸子代数关系运算的一类诸如斑阵运簿、多项式求德、解 冰 哈尔滨：r 程人学硕士学位论文 线性方程组等问题的算法，基本上是属于数值分析的范畴。非数值运算是指 基于关系运算的一类诸如排序、选择、搜索、匹配、图论以及神经网络算法、 演化算法和遗传算法等方面的计算问题，基本上是属于符号( 如字符、数字、 图形或别的一些记号) 处理的范畴。同步运算是指某些进程必须等待别的进程 的一类并行算法，要求所有进程必须在一个给定时刻同步。s i m d 以及共享 存储的m i m d 并行机上通常运行同步并行算法，分布存储的m i m d 并行机 当计算需要等待通信结果的算法实际上也是一种同步算法。异步运算是指诸 进程的执行相互独立，一般不必相互等待的一类并行算法。异步并行算法的 主要特征是在计算的整个过程中都不需等待，而是根据当前的最新信息决定 进程的继续或终止。它通常是针对分布存储的m i m d 并行机设计的。分布式 算法是指由通信链路连接的多个场点( s i t e ) 或节点( n o d e ) 的计算机或计算机 机群协同完成某项计算任务的算法。v l s i 并行算法是指在v l s 计算模型上 发展的一类并行算法。 2 并行算法的目标 从计算复杂性的角度来考虑，一个算法的复杂性可表示为空间复杂性和 时间复杂性两个方面。从算法树的结构来看，通常的串行算法树“深而窄”， 这是因为传统的串行算法本质上是为一维问题设计的。例如，递推算法是串 行算法的常用手段，大型计算则靠增加算法树的深度来实现。 并行算法的目标是尽可能减少时间复杂性，通常这是通过增加空间复杂 性( 如增加空间的维数及增加处理器的台数) 来实现的。所以，并行算法树采 用截然不同的“浅而宽”结构，即每个时刻可容纳的计算量相应增加，使整 个算法的步数尽可能减少，或者说通过增加每个时刻步的算法复杂性来减少 整体的时间复杂性。这样就达到了把时间复杂性转化为空间复杂性的目的。 3 2 2 并行算法的基本实现方法 并行算法的实现强烈地依赖于并行机的软硬件环境。并行算法实现所涉 及的内容十分广泛，需要考虑很多方面的问题，主要有整体修正、粒度调整、 超级步的划分、通信模式、负载平衡、同步开销、数据依赖和并行调试，此 外还有软件开销、调换次序以及循环展开等，下面作以简单介绍。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 整体修正 对于许多实际问题，只强调分而治之是不够的。在考虑并行程序设计的 分割问题时，还应做“整体修正”，即在计算的关键部位进行必要的结点问通 信。尽管此部分的工作量的比例很小，却是决定并行算法效率的关键部位。 2 粒度调整 粒度( g r a n u l a r i t y ) 可定义为任务计算量的平均值与任务间通信量的平均 值之比，它是各个结点可独立并行执行的任务大小的量度。粒度大小的选择 对并行程序的效率有重大的影响。目前对粒度的划分并没有一种统一的标准， 细粒度、中粒度和粗粒度这几种粒度都是相对而言的。 一般来说，粒度愈细，并行性潜力愈大，其并行性也比较容易开发，同 时通信开销也愈大。消息传递适用于中粒度和粗粒度并行，减少结点间的数 据依赖，以提高整体效率而共享变量通信常考虑采用中粒度和细粒度并行， 以最大限度地提高程序的并行性。我们可以用平衡粒度和通信时延的方法来 求得较好的系统性能。 3 超级步的划分 在实际应用中，常见的问题求解过程可能分为若干个自然步骤，而且上 一步骤的运算结果将作为下一步骤的初始数据，因而不能并行执行。因此， 常见的并行程序常常表现为若干超级步，每一步骤之内并行化，在该步骤的 结尾各结点统一进度，整理结果数据，再进行下一步骤。 4 通信模式 对一些问题，增加处理器的数目会减少用于计算的时间，然而同时也会 增加用于通信的时间。通信需要的时间依赖于给定系统的通信带宽参数。带 宽越大，数据的传送时间就越短，整个通信时间也就越短。通信模式也影响 到计算通信比率。例如，一个处理器和其它n 个处理器间的通信与n 个处 理器只与最近相邻的处理器通信相比，在通信延迟增大时，前者通信要比后 者紧张得多。 5 负载平衡 在并行计算中，特别是在结点异构的并行处理系统中，各个结点的性能 是不相同的，分派给各个结点的任务大小也是不同的，而且很难估计。然而， 并行程序的整体效率往往是由负载最重的结点决定的。因此，应当尽量平衡 喻尔滨1 1 = 张大学硕士学能论文 各结点的计算负载，这样才能有效地提高并行程序的整体效率。 6 闲步开镫 同步开销主要米自于两个方颟，一方面是阐步化所花的时间，通常需臻 对所有处理机进行定检验；另一方面在等待继续执行计算的间隙中，菜烛 处理机，甚至是所有处理