一種面向LTE基站的SOC平臺軟件解決方案

隨著移動通信技術的發(fā)展，從最早的第一代模擬無線網絡、第二代GSM通信網絡、第三代3G通信網絡、直到目前商用的4G LTE通信網絡，甚至正在研究階段的5G通信網絡，從GSM 的TCH9.6Kbps，到GPRS的171Kbps，再到WCDMA、TDSCDMA的384kbps，以及HSDPA的14.4Mbps，再到目前LTE的下行100Mbps，數據的傳輸速率越來越快。數據處理能力的增加對無線基站平臺提出了越來越高的要求，從而無線基站處理單板的設計也越來越復雜，逐步向多核多CPU、多核多DSP的方向演進，隨著芯片集成度越來越高，融合多CPU和多DSP核的單芯片SOC解決方案成為目前LTE基站設計的熱點。

在融合CPU和DSP的單芯片SOC中，一般包含多個CPU和DSP核，以及大量的片內外設，例如目前LTE基站的主流SOC芯片Freescale的B4860，片內包含4個PowerPC CPU核以及6個SC3900 DSP核，集成以太網、SRIO、MAPLE算法加速器等大量外設。隨著芯片硬件的復雜度提高，對于如何管理如此復雜的系統(tǒng)，對基站平臺的軟件設計與規(guī)劃提出了更高的要求。

下文介紹一種面向基站平臺處理單板的基于融合SOC處理器的平臺軟件解決方案。

2.基站平臺軟件方案的特點：

2.1基站平臺軟件的定義

基站的功能由機架上的業(yè)務子板來實現。子板上的軟件一般分為驅動層、操作系統(tǒng)層和應用層(協(xié)議層和運維部分)。一般把驅動層和操作系統(tǒng)層統(tǒng)稱為平臺軟件層。平臺軟件層負責管理硬件資源，為應用層提供服務包括資源分配、任務調度、冗錯處理、文件系統(tǒng)接口、IP協(xié)議棧、驅動封裝等。

可以說一切應用層的設計，都是基于平臺軟件層的架構來實現。一個優(yōu)秀的、功能豐富的平臺軟件層，可以使應用層的設計實現變得尤為簡單，其高可靠性又可使整個系統(tǒng)變得更為強壯。因此選擇一個好的平臺軟件層，對整個基站性能至關重要。

2.2目前面臨的問題

隨著通信技術的演進，對基站數據處理能力的要求也越來越高，單板之上的包含多核DSP和多核CPU的融合SOC芯片系統(tǒng)成為未來的發(fā)展趨勢。復雜的多核SOC系統(tǒng)，對平臺軟件功能提出了更高的要求。

對于一個多核CPU+DSP的SOC系統(tǒng)，如何管理多核CPU上的資源和任務調度，如何為多核DSP提供高效穩(wěn)定的操作系統(tǒng)，如何管理如此龐大的DSP陣列，如何有效地進行跨核乃至跨處理器間的通信，如何對這樣的多核CPU和DSP的復合系統(tǒng)進行調試和日志追蹤? 這一切都對平臺軟件提出了新的挑戰(zhàn)。

面對這樣一個日益龐雜的系統(tǒng)，我們該如何應對?

下文重點介紹Enea面向SOC(CPU+DSP)基站設計的平臺軟件解決方案，相信能為未來基站軟件的設計提供幫助。

3.Enea面向基站的平臺軟件解決方案：

3.1 ENEA簡介

Enea源自于1968年，于1989年在瑞典上市，是全球網絡和終端軟件供應商的領導者，專注于通訊領域實時操作系統(tǒng)和平臺軟件。作為一家走過半個世紀的，服務于全球主要的的網絡和終端軟件供應商，Enea以其先進技術為通信領域的發(fā)展提供源源不絕的動力。

3.2 ENEA SOC平臺軟件解決方案

Enea的平臺軟件解決方案由四大部分組成，包括面向多核CPU的Enea Linux操作系統(tǒng)、針對多核DSP的OSEck操作系統(tǒng)、SOC上的管理中間件和Enea系統(tǒng)級調試工具Optima。目標系統(tǒng)上的各個實體由Enea的分布式透明傳輸模塊LINX連接起來。整體系統(tǒng)框圖如下所示：

圖1 Enea平臺軟件方案框圖

Enea的平臺軟件解決方案為單板之上的包含多核DSP和多核CPU的融合SOC芯片提供了完整的軟件架構、豐富的調試監(jiān)測功能以及簡單實用的高可靠通信的IPC工具。

在SOC的DSP側，Enea的OSEck操作系統(tǒng)為DSP的軟件架構和編程提供了可靠的選擇。OSEck是Enea專門針對DSP進行優(yōu)化的精簡高效的實時操作系統(tǒng)，也是業(yè)內最優(yōu)秀商用的面向DSP的操作系統(tǒng)。OSEck支持Freescale、Ti、LSI、ADI、CEVA等幾乎所有的最新DSP處理器，與LINX模塊相同的應用層API接口，為每款DSP專門優(yōu)化的內核，小至10kB footprint，豐富的BSP及應用模塊例如Timeout server，另外DSP錯誤檢測、CoreDump模塊等為程序的設計以及系統(tǒng)的出錯追蹤提供了更多的可能。

在SOC的CPU側，提供基于Yocto開發(fā)環(huán)境的Enea Linux操作系統(tǒng)或OSE硬實時操作系統(tǒng)。Yocto是一個圖形化的集成開發(fā)調試環(huán)境，提供Linux的配置、組件的自動下載、編譯、調試、性能監(jiān)控等功能，受到各大主流芯片以及嵌入式軟件提供商的支持。Enea Linux基于Yocto的開發(fā)環(huán)境，提供針對于SOC做特別優(yōu)化的Linux版本，除此以外，針對基站開發(fā)的實時性要求，提供在Linux環(huán)境下的硬實時調度環(huán)(LWRT)。Enea LWRT是一種Linux用戶空間的多核執(zhí)行環(huán)境，任務調度時間、中斷響應時間都是高性能、可確定性的，對滿足基站高層協(xié)議棧的性能要求尤為重要。

在CPU側也可使用OSE操作系統(tǒng)，這是Enea針對多核CPU作專門優(yōu)化的操作系統(tǒng)，支持幾乎所有類型的CPU，廣泛地應用于各大通信廠商的移動臺和局端通信設備之中。如下圖：

圖2 OSE 5.x系統(tǒng)框圖

OSE 5.x獨有的XMP模式即有SMP模式的簡單易用性，又具有到AMP模式的性能，為平臺軟件CPU側的軟件架構設計提供了方便。OSE的直接消息傳遞機制和集中式錯誤處理大大簡化了編程的工作，OSE豐富的模塊，文件系統(tǒng)、IP協(xié)議棧、動態(tài)加載模塊、LINX工具、ramlog工具、Optima系統(tǒng)級調試工具，這一切功能都節(jié)約了開發(fā)工作時間，加快了產品化速度。

對于基于SOC(CPU+DSP)的基站平臺來說，DSP數量較多，并用于物理層協(xié)議棧、甚至MAC層的業(yè)務處理，并由SOC的CPU側來進行管理。如何管理、監(jiān)控和調試這樣一個數量龐大的DSP核陣列是一個需要考慮的問題。Enea針對這一需求推出的DSP管理模塊從根本上解決了這一問題。SOC之上的DSP管理模塊如下圖所示：

圖3 DSP管理功能框圖

DSP管理模塊主要實現下面五大功能：

(1)CPU側對DSP執(zhí)行文件的加載啟動和復位。

(2)CPU側對DSP應用(包括進程和設備狀態(tài))的監(jiān)控。

(3)CPU側對DSP coredump事后分析的管理(包括收集coredump，上傳服務器和在線分析)。

(4)為DSP提供Shell命令行的接入服務。

(5)Enea系統(tǒng)級調試工具Optima從CPU側通過LINX通路接入DSP，用于DSP上系統(tǒng)的實時監(jiān)控。

這些功能專門針對SOC芯片中DSP核陣列的管理而設計，為基于SOC設計的基站等有CPU和大量DSP的復合系統(tǒng)的實現，提供可靠的解決方案。

Enea的分布式透明傳輸模塊LINX負責SOC中CPU與DSP、以及DSP與DSP節(jié)點間無縫通信，針對于單芯片內的方案基于共享內存池的通信方式，高效沒有數據拷貝。另外，LINX支持幾乎所有的物理通信介質包括共享內存、以太網、sRIO、PCI等。統(tǒng)一了核間、同構/異構處理器間乃至板間的通信接口，并提供保證鏈路可靠性的機制，使分布式系統(tǒng)間的通信猶如在同一個核內通信那么簡單。因此，LINX的出現大大簡化了分布式系統(tǒng)的程序設計。

針對整個平臺軟件的調試，Enea的Optima系統(tǒng)級調試工具為系統(tǒng)的調試提供了方便。Optima調試工具可以以插件的形式整合到Freescale CodeWarrior或TI CCS環(huán)境中，與JTAG代碼級調試結合使用。Optima工具主要通過以太網與目標系統(tǒng)相連，只要目標系統(tǒng)中的實體有LINX鏈路，那么通過PC側的Optima工具就可以看到整個分布式系統(tǒng)的拓撲圖。Optima可以查看CPU或者DSP上操作系統(tǒng)的進程狀態(tài)、內存和堆的詳細分配情況、CPU使用率、查看系統(tǒng)coredump、進行基于GDB的在線調試、實時查看系統(tǒng)和用戶的日志等，為查看系統(tǒng)瓶頸、代碼優(yōu)化等提供方便。

圖4 系統(tǒng)級調試工具Optima圖示

綜上，Enea針對基站開發(fā)的基于SOC的平臺軟件解決方案包括，面向CPU的Enea Linux操作系統(tǒng)和LWRT實時運行環(huán)境、針對DSP核的OSEck操作系統(tǒng)、SOC芯片中DSP核的管理模塊以及Enea系統(tǒng)級調試工具Optima。這些功能滿足了新一代基于SOC(CPU+DSP)的基站平臺軟件的需求，為基站的軟件架構設計提供了參考。下面介紹一個應用實例：

3.3 應用實例

Enea面向基站的平臺軟件方案廣泛地應用于愛立信、華為、諾西、阿朗、普天、大唐等大型通信設備公司的設備中，為世界通信設備的發(fā)展貢獻自己的智慧。

當今基站的發(fā)展日趨多樣性，除了常規(guī)的Marco型基站外，Pico或小型基站成為目前主流通信設備廠商3G、4G局端設備發(fā)展的新方向。下面簡單介紹一個Enea的基站平臺解決方案在LTE Pico基站的應用實例。如下圖所示：

圖5 基站平臺解決方案應用實例

B4860是freescale針對LTE中型基站的包含PowerPC CPU核和SC3900 DSP核的SOC芯片，片內集成的MAPLE2 LTE物理層協(xié)處理器，可完整的自動處理PDSCH和PUSCH信道流程，最多可支持三個20M的LTE小區(qū)。在Enea針對這個SOC芯片的平臺軟件方案中，CPU側運行Enea Linux、Enea LWRT環(huán)境以及DSP的管理模塊、DSP側運行OSEck硬實時操作系統(tǒng)，CPU和DSP之間使用Enea的LINX基于共享內存池的方式進行通信。通過PC側的Optima工具進行整個系統(tǒng)的監(jiān)控與調試。

按照一般基站BBU的軟件設計，物理層協(xié)議棧運行于DSP上，MAC及以上協(xié)議棧運行于CPU之上，因此對于B4860這樣的芯片整體軟件架構如下圖所示。每兩個DSP核為一組，負責一個小區(qū)，每個核分別處理上行和下行數據，共六個DSP核因此對應三個LTE小區(qū)，OSEck可提供實時的調度性能以滿足物理層對實時性的需要，同時基于共享內存池的LINX交互模塊提供DSP與DSP，CPU與DSP間的高效無縫通信。CPU核上的MAC層及高層協(xié)議棧中對性能敏感的部分，運行于Enea的LWRT實時環(huán)境之上，可對Linux之上的應用提供實時的性能的保證，使之符合LTE的1ms限制的調度要求。對于實時性要求不高的部分，可直接運行于Enea Linux之上，例如運維等部分。本套軟件方案已應用于此客戶的量產型基站產品中。

圖6 基站平臺解決方案應用實例任務劃分

4. 結論：

本文介紹了Enea面向SOC處理器基站的平臺軟件解決方案。詳細介紹了方案的組成，包括面向CPU核的Enea Linux操作系統(tǒng)和LWRT實時運行環(huán)境或OSE硬實時操作系統(tǒng)、針對DSP核的OSEck操作系統(tǒng)、DSP核的管理模塊、Enea系統(tǒng)級調試工具Optima以及Enea的分布式透明傳輸模塊LINX。文章突出了此方案的優(yōu)點以及應用的實例，為新一代基站的軟件架構設計提供了參考。