CN102868643B - 一种lte数据面装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种LTE数据面装置，该装置运行于多核处理器硬件平台，该装置包括：PDCP软件模块，用于完成数据包的加密/解密、压缩/解压缩和完整性校验操作中的一种或多种操作；RLC软件模块，用于完成包括数据的解包、分段/串接、重排序和重组等操作；MAC软件模块，用于完成包括逻辑信道的数据的复用/解复用、调度各逻辑信道组包和数据的收发操作；该装置的各软件模块分别单独在多核处理器中的任一个处理器内核上运行。本发明通过采用分布式结构，将装置的各软件模块分布于多个处理器内核上运算，且针对软件模块进行了优化，从而提高了LTE数据面流水线的执行效率。
Description
技术领域
本发明涉及第三代移动通信LTE(Long Term Evolution,长期演进)技术，尤其涉及一种LTE数据面装置。
背景技术
LTE是3G的演变，它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM(Orthogonal Frequency Divis ion Mult iplexing，正交频分复用)技术和MIMO(Multiple-Input Mult iple-Out-put,多输入多输出)技术。在20MHZ频谱带宽下能够提供上行50Mbps和下行100Mbps的峰值速率，改善了小区边缘用户的性能，提高了小区容量和降低系统延迟。
图1为现有技术的LTE系统网络架构示意图。所示图1所示，整个LTE系统由核心网(EPC)、基站(eNB)和用户设备(UE)三部份组成。其中eNB负责接入网部分，也称E-UTRAN；EPC负责核心网部份，EPC信令处理部份称MME。EPC与eNB通过S1接口连接，eNB间通过X2接口连接，UE与eNB通过Uu接口连接。和3G相比，X2接口类似于IuR接口，S1接口类似于Iu接口，但有较大简化。
LTE系统的接入层包括L1(Layer 1,层1),L2和L3(Layer 3,层3)三个部份。其中L1包括PHY(Physical Layer,物理层)；L2包括MAC(Medium AccessControl,媒体接入层)、RLC(Radio Link Control,无线链路控制)和PDCP(Packet Data Convergence Protocal，分组数据汇聚协议)；L3包括RRC(Radio Rescource Control,无线资源控制)。
L2是LTE的数据传输面。L2中的MAC主要功能包括：逻辑信道和传输信道的映射、多个逻辑信道复用在一个传输信道、一个传输信道到多个逻辑信道的解复用、调度信息报告、混合自动请求重发(HARQ)和逻辑信道优先级调度等。L2中的RLC主要功能包括：传输高层协议数据单元(PDU)、自动请求重发(ARQ)、分段传接和重组、重分段、重排序、复本检测、重建和RLC服务协议单元(SDU)丢弃等功能。L2中的PDCP主要功能包括：IP数据流的头压缩和解压缩、数据传输、分组数据汇聚协议层序列(PDCP SN)的维护、重建时顺序投递高层PDU、重建时复本消除、加解密用户面和控制面数据、完整校验控制面数据、基于时间的丢弃等功能。
L2的三个功能模块各自完成LTE数据传输中某一步骤中的某一功能。例如，PDCP的主要功能是完成数据包的压缩/解压缩、加密/解密和安全性功能，其中数据包压缩/解压缩可以提高LTE数据的传输效率、安全性功能可以保证LTE数据面传输的安全性和完整性。RLC主要功能是完成数据的分段/串接，使得高层数据的大小适合在空中传输。MAC主要功能是完成逻辑充分信道的数据的复用/解复用以及数据的收发。显然，L2的三个功能模块具有功能相互之间相对独立、相互之间顺序逐个处理的特点，即具有流水线的特点。
L2作为LTE的数据面主要承担LTE数据的传输，LTE数据传输的能力非常高，可达到上行50Mbps和下行100Mbps。这个数据传输能力远远超过现行己部署的3G和2G网络的传输能力，因此现在技术中在3G和2G协议栈中的数据面软件架构设计已经难以完成这么高的数据传输率。
现有技技术的3G和2G协议栈数据面软件架构多是基于单核硬件的单线程和多线程的设计架构，与控制面共享处理器资源。该架构只能满足低数据量传输的要求，对于吞吐率提高了一个数量级的LTE数据面则难以满足要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效的LTE数据面装置，用以解决现有技术中LTE数据面实现高吞吐率时遇到的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种LTE数据面装置，该装置运行于多核处理器硬件平台，该装置包括：PDCP软件模块，用于完成上行数据加密、压缩和完整性校验操作中的一种或多种操作后发送至RLC软件模块，或将RLC软件模块处理后的下行数据进行解密、解压缩和完整性校验操作中的一种或多种操作；RLC软件模块，用于将PDCP软件模块处理后的上行数据进行串接、复用、调度各逻辑信道组包后直接发送至物理层L1；或将MAC软件模块处理后的下行数据进行分段、重组、重排序、复本检测后发送至PDCP软件模块进行处理；MAC软件模块，用于完成下行数据的解复用、解包、复本检测后发送至RLC软件模块；该装置的各软件模块分别单独在多核处理器中的任一个处理器内核上运行。
本发明提出的一种分布式流水线LTE数据面装置设计方案适用于当前流行的多核处理器硬件平台。本发明通过采用分布式结构，将装置的各软件模块分布于多个处理器内核上运算，且针对软件模块进行了优化，降低了采用分步式结构可能引起的时延大等弊端，从而提高了LTE数据面流水线的执行效率。
附图说明
图1为现有技术LTE系统网络架构示意图；
图2为本发明一实施例LTE数据面装置的结构示意图；
图3为本发明另一实施例LTE数据面装置上行数据流处理流程示意图；
图4为本发明再一实施例LTE数据面装置下行数据流处理流程示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图2本发明一实施例LTE数据面装置的结构示意图。如图所示，LTE数据面装置包括PDCP软件模块10、RLC软件模块20和MAC软件模块30。
PDCP软件模块10用于完成数据包的加密/解密、压缩/解压缩和完整性校验等功能。RLC软件模块20用于完成数据的解包、分段/串接、重排序和重组等功能。MAC软件模块30用于完成逻辑信道的数据的复用/解复用、调度各逻辑信道组包和数据的收发等功能。
LTE数据面装置按照流水线的特点进行独立设计，各软件模块分别单独在多核处理器中的任一个处理器内核上运行。例如PDCP软件模块10在多核处理器的第一内核上运行、RLC软件模块20在多核处理器的第二内核上运行、以及MAC软件模块在多核处理器的第三内核上运行，其中第一内核上所有的资源都分配给PDCP软件模块10使用、第二内核上的所有资源都分配给RLC软件模块20使用、以及第三内核上的所有资源都分配给MAC软件模块30使用。因此，LTE数据面的处理功能就分布于3个独立的处理器内核上，各软件模块不需要竞争处理能力。
在处理LTE数据面数据时，则采用一个软件模块处理本软件模块的功能，然后传递给下一个软件模块进行下一步功能处理的流水线方式。例如，LTE数据面在接收到下行数据时，在第三内核上运行的MAC软件模块30对下行数据进行处理，在这个阶段MAC软件模块30完成下行数据包的解复用等处理；然后将处理结果发送给在第二内核上运行的RLC软件模块20进行处理，在这个阶段RLC软件模块20完成数据包的重排序和重组等操作，最后将数据处理结果发送给在第一内核上运行的PDCP软件模块10进行处理，在这个阶段PDCP软件模块10完成数据包的解密、结构压缩或者完整性校验等处理操作。
本发明实施例为了提高流水线效率，针对LTE数据面的各个软件模块的功能进行了优化。
在一个例子中，LTE数据面的上行数据处理过程中，当LTE数据面接收到物理层(L1)的上行授权指示(Uplink Grant,UL Grant)时,MAC软件模块首先完成MAC控制单元(MAC Control Element)的组包，然后调度各个逻辑信道组包，最后完成MAC包的组包，并向物理层(L1)发送组包后的数据。在调度各个逻辑信道组包的过程中，MAC软件模块会将选定的逻辑信道发送给RLC软件模块，RLC软件模块完成对应逻辑信道的数据包组包，然后将结果发送给MAC软件模块。MAC软件模块与RLC软件模块的信息交互将会拉长上行数据组包的流水线，并且由于采用分布式结构，RLC软件模块与MAC软件模块之前的通信效率也会降低。
因此，在LTE数据面处理上行数据时，将MAC软件模块的上行组包功能和数据发送功能划分到RLC软件模块上实现。同时为了平衡各个软件模块间的运算量，在LTE数据面处理下行数据时，将RLC软件模块的解包功能划分到MAC软件模块上实现。由于MAC软件模块的上行组包功能和数据发送功能与MAC软件模块的其它功能相对独立，RLC软件模块的解包功能相对于其它功能也相对独立，所以MAC软件模块与RLC软件模块之间的功能可进行互换。
本发明通过采用分布式结构，将装置的各软件模块分布于多个处理器内核上运算，且针对软件模块进行了优化，从而提高了LTE数据面流水线的执行效率。
图3为本发明另一实施例LTE数据面装置上行数据流处理流程示意图。
在LTE数据面的上行数据处理过程中，在第一内核上运行的PDCP软件模块10从高层(L3)接收上行数据，PDCP软件模块10在接收到上行数据后，完成IP数据流的头压缩、数据传输、PDCP SN的维护、加解密用户面和控制面数据、完整校验控制面数据、基于时间的丢弃等功能后，将上行数据传送给在第二内核上运行的RLC软件模块20，由RLC软件模块20完成传输高层PDU(Protocol Data Uni t，协议数据单元)、ARQ(Automatic Repeat-reQuest自动重发请求)、分段/串接、重分段、重建和RLC SDU(Server Data Unit,服务数据单元)丢弃等功能，然后完成逻辑信道和传输信道的映射、多个逻辑信道复用在一个传输信道调度信息报告、混合自动重发请求(HybridAutomatic Repeat Request,HARQ)和逻辑信道优先级调度等功能，并由RLC软件模块20中的组包单元21调度各逻辑信道组包，并将处理后的上行数据通过发送单元22直接发送给物理层(L1)，完成上行数据处理过程。
本发明针对软件模块进行了优化，降低了采用分步式结构可能引起的时延大等弊端，从而提高了LTE数据面流水线的执行效率。
图4为本发明再一实施例LTE数据面装置下行数据流处理流程示意图。
在LTE数据面的下行数据处理过程中，在第三内核上运行的MAC软件模块30从物理层(L1)接收到下行数据后，完成一个传输信道到多个逻辑信道的解复用，以及通过MAC软件模块中的解包单元31对接收的数据包进行解包、复本检测等功能；然后将数据传送给在第二内核上运行的RLC软件模块20，RLC软件模块20完成传输高层PDU、ARQ、重组、重排序、复本检测等功能后，将数据传输给在第一内核上运行的PDCP软件模块10；PDCP软件模块10将完成IP数据流的头解压缩、数据传输、PDCP SN的维护、重建时顺序投递高层PDU、重建时复本消除、完整校验控制面数据和复本丢弃等功能后，将数据传送到高层(L3)，完成下行数据的传输。
本发明通过采用分布式结构，将装置的各软件模块分布于多个处理器内核上运算，且针对软件模块进行了优化，降低了采用分步式结构可能引起的时延大等弊端，从而提高了LTE数据面流水线的执行效率。
专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种LTE数据面装置，其特征在于，所述装置运行于多核处理器硬件平台，所述装置包括：
PDCP软件模块，用于完成上行数据加密、压缩和完整性校验操作中的一种或多种操作后发送至RLC软件模块，或将RLC软件模块处理后的下行数据进行解密、解压缩和完整性校验操作中的一种或多种操作；
RLC软件模块，用于将PDCP软件模块处理后的上行数据进行串接、复用、调度各逻辑信道组包后直接发送至物理层L1；或将MAC软件模块处理后的下行数据进行分段、重组、重排序、复本检测后发送至PDCP软件模块进行处理；
MAC软件模块，用于完成下行数据的解复用、解包、复本检测后发送至RLC软件模块；
所述装置的各软件模块分别单独在所述多核处理器中的任一个处理器内核上运行。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在LTE数据面处理上行数据时，所述RLC软件模块调度各逻辑信道组包功能是由RLC软件模块内的组包单元来实现的；所述经RLC软件模块处理后的数据直接发送至物理层L1是由RLC软件模块内的发送单元来实现的。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在LTE数据面处理下行数据时，所述MAC软件模块对下行数据的解包功能是由MAC软件模块内的解包单元来实现的。
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