CN103906257A - 基于gpp的lte宽带通信系统计算资源调度器及其调度方法 - Google Patents

Abstract

一种基于GPP的LTE宽带通信系统计算资源调度器及其调度方法，计算资源调度器设有三个部件：LTE组件状态信息存储器、LTE计算资源调度中心和LTE计算资源池，它是为满足LTE宽带通信系统对时延的严格要求，在采用基于GPP的流水线模式处理通信信号过程中，利用“云计算”理念，将基站集中在一起而组成基站集群，基站集群内部使用GPP作为计算资源，通过对GPP计算资源进行调度，将大量的计算任务划分为合理粒度后，再分配到各级流水线进行处理，以使流水线模式处理信号能够满足实时性要求，并为每个任务操作增加时间安全富裕量。针对Turbo译码时间的开销大，本发明还提供一种合理分配Turbo译码码块的调度方法，进一步增强和提升了LTE宽带通信系统的实时性能。

Description

基于GPP的LTE宽带通信系统计算资源调度器及其调度方法

技术领域

本发明涉及一种4G宽带通信系统技术，确切地说，涉及一种基于GPP的LTE宽带通信系统计算资源调度器及其调度方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

4G通信系统是第四代移动通信及其技术的简称。以长期演进LTE（LongTerm Evolution）系统为例，4G LTE系统能够以100Mbps和50Mbps的速度分别实现数据的下载和上传，并且能够满足几乎所有用户对无线服务的需求。而4G LTE Advanced采用载波聚合技术，下行峰值速度可达150Mbps。此外，4G还可以部署在数字用户线DSL（Digital Subscriber Line）和有线电视调制解调器没有覆盖的地方，然后再扩展到整个地区，可以有效改善小区边缘用户的性能，提高小区容量和降低系统延迟。

4G系统成倍增长的吞吐率对基站和移动台的数据处理能力形成了很大的挑战，并且它的高实时性要求，低时延和精确同步等性能参数，更使得设备制造商和运营商必须研发或购买更加昂贵复杂的产品来满足苛刻的技术需求。

在百度专利搜索上，利用“4G”、“多核”、“LTE计算资源”和“调度方法”作为关键词，检索到如下两篇专利申请文件：

《基于TD-LTE的宽带多媒体集群系统集群调度服务器的鉴权方法》（中国发明专利申请公开号：CN101964950B），该申请介绍了一种宽带多媒体集群系统中集群调度服务器的鉴权方法。它解决了判断主叫用户是否有权发起呼叫以及DC是否有权进行强插、强拆、监听的问题，其具体过程是：当UE/DC发起单呼、组呼以及DC发起强插、强拆、监听流程时，TDS向HSS发送鉴权请求信令进行鉴权，HSS收到消息后，查找数据库，并回复所述TDS鉴权响应信令，通过鉴权响应信令通知UE/DC是否有权发起组呼、单呼以及DC是否有权发起强插、强拆、监听流程。本发明满足呼叫业务中的权限判断需求。

《一种多核处理器集群任务资源分配方法》（中国发明专利申请公开号：CN101916209B），该方法介绍了一种根据接收用户所提交到该集群上的作业任务，以CPU资源节点为基本分配单元，进行任务分配，构成任务资源分配器。所述任务资源分配器将集群上的资源映射为一个M×N的矩阵AR。在为该任务寻找空闲资源位置时，该方法均匀地将任务分散地分配所需要的资源到节点上，使每个任务所占用的资源节点位置上有一定的间隔。该方法避免了以往任务分配方法中，任务过分集中于某一区域，时间一长时造成该区域突然产生大量的热能集中，局部芯片温度过高，影响计算机的正常工作效率的问题。本方法采用的任务调度方法是一个在线的实时任务调度方法，在多核处理器集群系统的作业与任务管理中有很好的应用前景。

在3GPP（3rd Generation Partnership Project）标准的演进过程中，三种多址接入技术的差异是显而易见的：2G的全球移动通信系统GSM（Global System forMobile communication）/通用分组无线服务技术GPRS（General Packet RadioService)/增强型数据速率GSM演进技术EDGE（Enhanced Data Rate for GSMEvolution）是基于时分和频分多址的接入技术。3G的通用移动通信系统UMTS（Universal Mobile Telecommunications System）家族标志着码分多址技术进入3GPP演进过程，被称为宽带码分多址接入CDMA（Code Division MultipleAccess）或简称WCDMA（Wideband Code Division Multiple Access）；最后，LTE采用了正交频分复用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）接入技术。目前，OFDM技术已经在移动无线标准的最新技术演进中起到主导作用。

LTE系统延续了3GPP中的GSM和UMTS家族的技术演进，它可被看作完成了业务扩展的趋势：从简单的语音业务向建立多业务空中接口的转变。这虽然已经是UMTS和GPRS/EDGE的关键目标，但是，LTE在设计之初就考虑了无线接入技术演进这个目标，并设想所有业务都是分组交换模式，而不是最早期的电路交换模式。此外，LTE也伴随着整个系统中非无线方面的演进，即业界称之为系统架构演进SAE（system architecture evolution），包含演进型分组核心EPC（Evolved Packet Core）网络。LTE和SAE共同组成了演进的分组交换系统，其核心网和无线接入都完全采用分组交换技术。

关于LTE系统需求的讨论，促使3GPP创建了一个正式的“研究项目”：其目标是通过3GPP的无线接入技术演进来确保其在未来10年的竞争力，在该研究项目的主持下，LTE Release8的需求得到完善和细化，具体需求可归纳如下：

减少时延，包括建立连接和传输；提高用户数据的传输速率；为保证业务一致性，提高小区边界传输比特率；降低每比特传输成本，也就是提高频谱效率；对现有带宽和新增带宽中的频谱使用更灵活；简化网络结构；无缝移动性，包括在不同的无线接入间；实现移动终端的合理功耗。

与现有系统相比较，提高LTE性能是网络运营商的主要需求，以确保LTE的竞争力。出于市场因素考虑，对不同无线接入技术进行衡量与比较的首要参数往往就是每个用户能够达到的峰值数据率。LTE Release8系统在20MHz带宽内的上下行目标峰值数据速率分别为100Mbit/s和50Mbit/s，相对应于频谱效率分别为5bit/s/Hz和2.5bit/s/Hz。移动性支持从120km/h到350km/h，甚至超过500km/h以上。另外，数据处理的时延小于5ms，信令处理时延小于100ms。

LTE高速率低时延的通信需求，对设备制造商和运营商提出了巨大的挑战。通讯多核的数字信号处理器DSP（digital singnal processor）的龙头厂商飞思卡尔和德州仪器TI（Texas Instruments）相继推出高性能的DSP，用于增强基站的处理能力。picoChip公司也宣称其多核picoArray处理器具有专用ASIC的计算密度和传统高端DSP的可编程性，并且能够实现“软件无线电”。尽管DSP的工作时钟频率早已经提升到GHz量级，但是其仍然无法满足高端应用系统对实时性的要求。换句话说，算法复杂度与传统DSP的性能之间一直存在着落差。而且，随着LTE、LTE-A等移动通信技术的出台，通信系统中的多输入多输出MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）、OFDM、低密度奇偶校验码LDPC（Low-density Parity-check）等无线算法和AVS等实时视频编译码方法的复杂度直线上升，使得这种落差呈现进一步扩大态势。

总之，现有技术一般存在以下缺点：大数据量的通信处理时延高，硬件性能难以满足高速率处理要求。而且，严格的实时性要求，使得硬件的升级成本高。系统平滑演进也对设备提出更高要求，动态负载导致基站利用率低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于GPP的LTE宽带通信系统计算资源调度器及其调度方法，本发明创建的计算资源调度器基础是摆脱传统的ASIC及DSP+FPGA基站的串行数据处理的模式，利用“云计算”的理念，将基站集中在一起而组成基站集群，基站集群内部使用通用处理器GPP作为计算资源，通过计算资源调度器将大量的计算任务划分为合理的粒度后，再分配到各级流水线进行处理。本发明计算资源调度器用于对LTE宽带通信系统中的组件和资源进行合理调度，以便能够更容易地满足实时性要求，并且通过合理分配计算资源，使其得到更充分的利用。此外，针对Turbo译码时间的开销大，本发明还提供了一种合理分配Turbo译码码块的调度方法，进一步增强和提升了LTE宽带通信系统的实时性能。

为满足LTE通信系统严格的实时性要求，本发明系统对通信数据采用基于GPP的流水线处理模式。以能更好地满足时延要求，并对每个任务模块增加了时间安全裕量。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于通用处理器GPP的LTE宽带通信系统计算资源调度器，其特征在于：该装置是为满足LTE宽带通信系统对时延的严格要求，在采用基于GPP的流水线模式处理通信信号过程中，对GPP的计算资源进行调度，以使流水线模式处理通信信号时，能满足实时性要求，并为每个任务的操作增加时间安全富裕量；该装置设有顺序连接的下述三个部件：LTE组件状态信息存储器、LTE计算资源调度中心和LTE计算资源池；其中：

LTE组件状态信息存储器，用于存储计算资源所需要的各种LTE组件的类型标识和等待时间的状态信息，其中，类型标识决定LTE计算资源调度中心选择LTE计算资源池中的不同调度模块进行调度，等待时间用于计算LTE组件的优先级：所述LTE组件是计算资源池中包括LTE物理层算法库、LTE上层协议算法库和Turbo译码算法库中的每一个子算法的总称；

LTE计算资源调度中心，作为该装置的控制枢纽，设有两个组成模块：LTE物理层和上层协议处理调度模块和Turbo译码码块分割调度模块，负责从LTE组件状态信息存储器获得各个LTE组件的状态信息和从LTE计算资源池获得多核GPP的内核负载信息，根据不同的LTE组件类型及其相应的调度准则，给每个LTE组件合理、均衡地分配LTE计算资源，即集中管理各个LTE组件的运行时序、数据存储和计算的分配：若某个LTE组件在通信过程中即将运行，LTE计算资源调度中心就把该LTE组件的状态信息按照时序先后存入于LTE组件状态信息存储器，并接收来自LTE计算资源池反馈的LTE计算资源池的实时状态信息；再按照设定的调度方法对LTE组件的运行顺序进行重新排列后，告知LTE计算资源池如何分配LTE计算资源：指示其中的多核GPP的内核分别加载哪个LTE组件执行信号处理；

LTE计算资源池，是处理LTE信号的基站集群，用作该计算资源调度器LTE计算资源的汇总；设有大量的多核GPP构成的多核GPP组和容量足够大的内存存储单元，其中的多核GPP的每个内核负责在LTE计算资源调度中心调度下，加载LTE组件进行信号处理，完成复杂的计算任务；每个多核GPP上内嵌下述三个部件：LTE物理层算法库模块、LTE上层协议算法库模块和Turbo译码算法库模块；内存存储单元负责存储LTE组件运行时尚未处理的、处理过程中和/或完成处理后所产生的各种数据；且内存存储单元与每个GPP都有一条专用于数据交换的数据总线。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种基于GPP的LTE宽带通信系统计算资源调度器的调度方法，其特征在于：LTE计算资源调度中心分别从LTE组件状态信息存储器获取LTE组件的状态信息，以及从LTE计算资源池获得多核GPP的内核负载信息后，根据不同的LTE组件类型和不同的调度准则，给每个LTE组件合理分配LTE计算资源；所述方法包括下列操作步骤：

（1）对于通信过程中即将开始运行的LTE组件，LTE计算资源调度中心按照时间顺序把该LTE组件状态信息存入LTE组件状态信息存储器中，形成LTE组件队列；

（2）LTE计算资源调度中心统计LTE计算资源池中包括每个多核GPP内核的传输时延、负载状况和LTE组件在内核上的运行时间的各种状态信息；

（3）LTE计算资源调度中心统计LTE组件状态信息存储器中存储的、包括每个LTE组件的类型标识及其等待时间的LTE组件状态信息；

（4）LTE计算资源调度中心根据两种不同类型的组件，分别选择相应的调度模块工作：

若LTE组件类型为LTE物理层算法库或LTE上层协议算法库，则选择LTE物理层和上层协议处理调度模块进行调度；其调度操作步骤如下：

（4A）根据LTE组件类型属于LTE物理层算法库或LTE上层协议算法库，相应启动LTE物理层和上层协议处理调度模块；

（4B）根据LTE物理层和上层协议处理调度模块设定的调度准则，相应选择下述的调度单元之一或组合：

若为负载均衡准则，则使用基于负载均衡的LTE计算资源调度单元；

若为优先级准则，则使用基于优先级的LTE计算资源调度单元；

若为实时性准则，则使用基于实时性的LTE计算资源调度单元；

（4C）被选中的LTE计算资源调度单元按照各自的LTE计算资源调度方法给LTE组件分配计算资源；

若LTE组件类型为Turbo译码算法库，则选择Turbo译码码块分割调度模块进行调度；Turbo译码码块分割调度模块按照下述操作步骤执行调度：

（41）先把即将进行Turbo译码的码块状态信息按照时间先后顺序存入LTE组件状态信息存储器中，构成译码码块等待队列；

（42）从LTE组件状态信息存储器获得每个Turbo译码码块长度及其状态信息后，将处于译码码块等待队列中的所有Turbo译码码块按照其码块长度降序排列；

（43）将LTE计算资源池中专用于Turbo译码的3个GPP内核分配到的码块长度都初始化为0；

（44）从Turbo译码码块等待队列中按照从大到小顺序选取位于该等待队列最前面的Turbo译码码块；再把该Turbo译码码块分配给3个GPP内核中码块总长度最小的内核进行译码；

（45）3个GPP内核分别更新各自分配到的码块总长度，并反馈给Turbo译码码块分割调度模块；

（46）返回执行步骤（44），直到把所有的Turbo译码码块都分配完毕和完成其译码操作；

（5）LTE计算资源调度中心根据所选择的物理层和上层协议处理调度模块或Turbo译码码块调度模块，按照两者各自相应的调度方法，给不同类型的LTE组件合理分配计算资源。

众所周知，LTE宽带通信无线系统是实时系统，要求该LTE通信系统中的每个信号处理模块都要在精确的响应时间——微秒级完成信号处理任务。但是，目前的信号处理的操作系统能够达到的实时性能仅仅在毫秒级，所以，对于技术开发人员是个极大的挑战。本发明在GPP芯片下利用云计算、流水线设计和LTE计算资源调度器等多项创新技术完成了LTE系统的搭建，甚至达到了比传统基站更好的性能。本发明LTE计算资源调度器的关键技术和创新之处是：

本发明LTE计算资源调度器将基带数据收集起来，进行集中化处理，根据多核GPP中的每个内核实时反馈的负载信息，实时动态调度计算资源，利用分布式基站进行实时云计算，增强了通信系统的灵活性和适应性。

本发明LTE计算资源调度器根据LTE宽带通信系统的特点，提出了LTE计算资源调度的三个准则，并创新提出LTE绝对负载值、LTE相对负载值以及LTE组件优先级的多个创新技术概念及其相应的各种计算资源的调度方法。

本发明基于LTE绝对负载值、LTE相对负载值以及LTE组件优先级三个技术概念提出LTE计算资源调度器对LTE计算资源进行调度的方法，该方法能够根据通信系统的实际情况实时调整调度策略，满足4G通信系统的实时性要求。

本发明还针对Turbo译码的各个码块彼此相互独立的特点，设计了并行Turbo译码的码块调度方法，使得每个并行的译码器负载均衡，大大减小了译码模块的时间开销。

本发明与现有技术相比较的主要优点和创新成果是：

脱离了FPGA+DSP的基站硬件模式，在通用处理器GPP的芯片上进行开发，使得技术开发和升级的投资费用显著降低，还缩短了研发周期。

对于实时性和定时同步要求十分严格的LTE通信系统，采用本发明LTE计算资源调度器执行集中式处理，使得该通信系统与其他系统相比较，更容易满足各项性能需求。

基于LTE绝对负载值、LTE相对负载值和LTE组件优先级三个技术概念提出的LTE计算资源调度方法，对每个LTE组件合理分配LTE计算资源，既保证通信实时性，还均衡了计算资源的负载。

本发明LTE计算资源调度器执行的云计算式的集中处理工作模式，使得计算资源可以更灵活地调度，得到更高效的利用，并且，对于短时间内潮汐式的数据流，具有更强的抗压能力。

综上所述，本发明具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1是本发明基于多核GPP的LTE计算资源调度器的结构组成示意图。

图2是本发明基于多核GPP的LTE计算资源调度器的调度方法操作步骤流程图。

图3（A）、（B）分别是本发明LTE计算资源调度器基于负载均衡的LTE计算资源调度方法示意图及其流程图。

图4（A）、（B）分别是本发明LTE计算资源调度器基于优先级的LTE计算资源调度方法示意图及其流程图。

图5（A）、（B）分别是本发明LTE计算资源调度器基于实时性的LTE计算资源调度方法示意图及其流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明基于GPP的LTE宽带通信系统计算资源调度器是为了满足LTE宽带通信系统对时延的严格要求，在采用基于GPP的流水线模式处理通信信号过程中，对GPP的计算资源进行调度，以使流水线模式处理通信信号时，能满足实时性要求，并为每个任务的操作增加时间安全富裕量。

参见图1，介绍本发明基于GPP的LTE宽带通信系统计算资源调度器的组成结构是设有顺序连接的下述三个大部件：LTE组件状态信息存储器、LTE计算资源调度中心和LTE计算资源池。其中：

LTE组件状态信息存储器，用于存储计算资源所需要的各种LTE组件的类型标识和等待时间的状态信息，其中，LTE组件的类型标识决定LTE计算资源调度中心选择LTE计算资源池中的不同调度模块进行调度，等待时间用于计算LTE组件的优先级。为表述方便，本发明将计算资源池中包括LTE物理层算法库、LTE上层协议算法库和Turbo译码算法库中的每一个子算法都统称为LTE组件。

LTE计算资源调度中心，作为该装置的控制枢纽，集中管理LTE计算资源的分配；负责从LTE组件状态信息存储器获得各个LTE组件的状态信息和从LTE计算资源池获得多核GPP的内核负载信息，根据不同的LTE组件类型及其相应的调度准则，给每个LTE组件合理、均衡地分配LTE计算资源；即集中管理各个LTE组件的运行时序、数据存储和计算的分配：若某个LTE组件在通信过程中即将运行，LTE计算资源调度中心就把该LTE组件的状态信息按照时序先后存入于LTE组件状态信息存储器，并接收来自LTE计算资源池反馈的LTE计算资源池的实时状态信息；然后按照设定的调度方法对LTE组件的运行顺序进行重新排列后，告知LTE计算资源池如何分配LTE计算资源：指示其中的多核GPP的内核分别加载哪个LTE组件执行信号处理（本发明将LTE计算资源调度中心指示LTE计算资源池中的多核GPP内核分别加载哪个LTE组件执行信号处理的操作，简称为LTE计算资源的分配）。设有两个组成部件：LTE物理层和上层协议处理调度模块和Turbo译码码块分割调度模块，两个组成部件的结构与功能介绍如下：

LTE物理层和上层协议处理调度模块，负责从LTE组件状态信息存储器获得类型为LTE物理层算法库或LTE上层协议算法库中的各个LTE组件状态信息，再根据LTE计算资源池中多核GPP的内核部署及其负载状况，根据4G网络通信系统要求、不同的LTE组件类型和不同的调度准则，统筹兼顾地为每个LTE组件合理分配计算资源。为此，该LTE物理层和上层协议处理调度模块设有：分别基于负载均衡、优先级和实时性三个调度准则的LTE计算资源调度单元，同时，该模块给每个LTE组件分配不同计算资源时，需遵循下述三个准则：

（1）负载均衡准则：合理利用已有的计算资源：在部署单处理器时，平均分配每个GPP内核的任务量；在部署多处理器时，均衡每个GPP的负载，以充分利用每个GPP内核的计算能力，避免出现空闲和超负荷状况。

（2）优先级准则：根据小区的不同业务类型之间、物理层的不同信道类型之间、物理层的比特级符号级之间和物理层与上层协议之间的优先级的差异，提供优先处理机制，对优先级高的LTE组件及时分配计算资源。

（3）实时性准则：因4G通信系统中所有LTE组件的实时性要求很高：必须在规定时间内分配到计算资源并完成信号处理；故该方法的调度基础是必须满足实时性要求，保证低优先级的LTE组件能够在设定时间内分配到计算资源。

LTE物理层和上层协议处理调度模块设置的、分别基于负载均衡、优先级和实时性三个调度准则的LTE计算资源调度单元，每个调度单元设有优劣特点各不相同的调度方法，便于根据具体情况在实际应用中选择适宜的调度方法或组合应用之；其中：

基于负载均衡的LTE计算资源调度单元，根据引入的计算资源负载信息的两个数值：LTE绝对负载值和LTE相对负载值，区分LTE计算资源池里多核GPP中不同内核的任务处理量；再根据每个GPP内核反馈的负载值，均衡分配任务，平均、合理地使用计算资源，避免出现空闲和超负荷的情况。

基于优先级的LTE计算资源调度单元，除了考虑LTE计算资源池里多核GPP内核的负载状况以外，还引入根据组件的类型和组件的运行时间两个固有属性计算得到的LTE组件的优先级，再按照优先级的高低对各个LTE组件重新排序，把高优先级的LTE组件分配给低负载的LTE计算资源，以便能够很好地兼顾组件的优先级和GPP内核的负载状况。

基于实时性的LTE计算资源调度单元，因LTE通信的实时性要求严格，在设定时间内LTE组件必须完成处理操作，即LTE组件的等待时间有限；该调度单元根据LTE组件的等待时间对LTE组件的优先级执行实时调整，等待时间越长，优先级越高，直到在允许的处理时延内将各个LTE组件都分配到计算资源。

Turbo译码码块分割调度模块，负责采用贪婪算法将译码前的码块等分成三部分后，分配到用作LTE计算资源的三个不同的GPP内核同时进行译码处理，且保证进行译码的三个GPP内核负载平衡；以便藉由分割Turbo译码码块提高数据处理的并行度，降低LTE译码操作时延，满足LTE通信的实时性要求。

LTE计算资源池，是处理LTE信号的基站集群，用作该计算资源调度器LTE计算资源的汇总；设有大量的多核GPP构成的多核GPP组和容量足够大的内存存储单元，其中的多核GPP的每个内核负责在LTE计算资源调度中心调度下，加载LTE组件进行信号处理，完成复杂的计算任务。每个多核GPP上内嵌下述三个部件：LTE物理层算法库模块、LTE上层协议算法库模块和Turbo译码算法库模块；内存存储单元负责存储LTE组件运行时尚未处理的、处理过程中和/或完成处理后所产生的各种数据；且内存存储单元与每个GPP都有一条专用于数据交换的数据总线。多核GPP内核上内嵌的LTE物理层算法库模块、LTE上层协议算法库模块和Turbo译码算法库模块三者的结构与功能说明如下：

LTE物理层算法库模块存储有多种算法，以增加该计算资源调度器调度LTE计算资源的灵活性和适应性，存储的算法都按照不同的信道被划分成：PUSCH信道、PUCCH信道、PRACH信道、PDSCH信道、PDCCH信道和PBCH信道等等的多种物理层信号处理所使用的各种算法，每种算法又可以进一步细分出子算法库。例如，包括快速傅里叶变换FFT（Fast Fourier Transformation）、MIMO信号检测、软解调和速率匹配等的多个子算法，其中，每个子算法被称为一个LTE组件。

LTE上层协议算法库模块负责选择其如下所述的各个内置单元执行LTE上层协议信号处理操作：

非接入层NAS（Non Access Stratum）处理单元：支持移动性管理功能和用户平面激活、修改和释放功能，执行演进分组系统EPS（Evolved Packet System）的承载管理、鉴权、空间状态下的移动性处理、寻呼与安全控制功能；

无线资源控制层RRC（Radio Resource Control）处理单元：用于执行广播、寻呼、RRC连接管理、无线承载资源块RB（Resource Block）管理、移动性管理、密钥管理、用户设备UE（User Equipment）测量报告与控制、多媒体广播多播服务MBMS（Multimedia Broadcast Multicast Service）控制、NAS消息直传和服务质量QoS（Quality of Service）管理等多项功能；

分组数据汇聚层PDCP（Packet Data Convergence Protocol）处理单元：用于执行头压缩、数据传输、加密和完整性保护的功能；

无线链路控制层RLC（Radio Link Control）处理单元：负责执行分段与连接、重传处理和对高层数据的顺序传送的功能。

媒体访问控制层MAC（Media Access Control）处理单元：负责处理混合自动重传请求HARQ（Hybrid Automatic Repeat Request）与上下行调度的功能。

Turbo译码算法库模块用于存储Turbo码的编译码的各种算法；需要说明的是：严格来说，Turbo码的编译码方法也归属于LTE物理层算法库中的一种子算法或组件，但因Turbo译码算法库的调度方法不同于物理层算法库中的其他子算法，故被作为LTE组件的第三种类型而执行单独处理。

针对LTE宽带通信系统的流水线架构，以及LTE信号处理实时性要求高的特点，本发明还研制了一种基于GPP的LTE宽带通信系统计算资源调度器的调度方法，用于协调LTE通信系统架构中各个组件的计算资源分配。

本发明计算资源调度器的调度方法是LTE计算资源调度中心分别从LTE组件状态信息存储器获取LTE组件的状态信息，以及从LTE计算资源池获得多核GPP的内核负载信息后，根据不同的LTE组件类型和不同的调度准则，给每个LTE组件合理分配LTE计算资源。

下面参见图2，详细介绍本发明方法的具体操作步骤：

步骤1，对于通信过程中即将开始运行的LTE组件，LTE计算资源调度中心按照时间顺序把该LTE组件状态信息存入LTE组件状态信息存储器中，形成LTE组件队列。

步骤2，LTE计算资源调度中心统计LTE计算资源池中包括每个多核GPP内核的传输时延、负载状况和LTE组件在内核上的运行时间的各种状态信息。

步骤3，LTE计算资源调度中心统计LTE组件状态信息存储器中存储的、包括每个LTE组件的类型标识及其等待时间的LTE组件状态信息。

步骤4，LTE计算资源调度中心根据两种不同类型的组件，分别选择相应的调度模块工作：

若LTE组件类型为LTE物理层算法库或LTE上层协议算法库，则选择LTE物理层和上层协议处理调度模块进行调度；

若LTE组件类型为Turbo译码算法库，则选择Turbo译码码块分割调度模块进行调度。

步骤5，LTE计算资源调度中心根据所选择的物理层和上层协议处理调度模块或Turbo译码码块调度模块，按照两者各自相应的调度方法，给不同类型的LTE组件合理分配计算资源。

上述步骤4中，LTE物理层和上层协议处理调度模块的调度操作包括下列具体内容：

（4A）根据LTE组件类型属于LTE物理层算法库或LTE上层协议算法库，相应启动LTE物理层和上层协议处理调度模块。

（4B）根据LTE物理层和上层协议处理调度模块设定的调度准则，相应选择下述的调度单元之一或组合：

若为负载均衡准则，则使用基于负载均衡的LTE计算资源调度单元；

若为优先级准则，则使用基于优先级的LTE计算资源调度单元；

若为实时性准则，则使用基于实时性的LTE计算资源调度单元。

（4C）被选中的LTE计算资源调度单元按照各自的LTE计算资源调度方法给LTE组件分配计算资源。

下面分别介绍步骤（4B）中的三种不同调度单元调度方法的操作内容：

基于负载均衡的LTE计算资源调度方法综合考虑所有的GPP的负载情况，平衡各个处理器内核的LTE计算任务量，避免出现空闲和超负荷的情况。

为了度量GPP内核的LTE计算的任务量，引入负载定义为：设在某统计时间段T中，第i个处理器处于LTE计算的时间为T_i，则在该统计时间段内，该GPP的LTE绝对负载值为：

及其LTE相对负载值：

基于负载均衡的LTE计算资源调度原则是综合考虑所有GPP内核的负载情况和每个GPP内核处理LTE组件的计算任务量后执行均衡配置，避免出现内核空闲和超负荷。

参见图3，介绍基于负载均衡的LTE计算资源调度单元的操作内容：分配完成上一次任务而GPP内核LTE绝对负载值还未反馈回来的时间T_Q=1ms内，把即将运行的LTE组件的状态信息按照时间先后顺序放入LTE组件状态信息存储器中，构成LTE组件等待队列；然后按照下述方法合理、均衡地分配LTE组件等待队列中的LTE组件。具体操作步骤如下

（4B1）系统启动时，调度单元向各个GPP内核发送启动信号，要求反馈各自的LTE绝对负载值式中，自然数i为各个GPP内核序号，其最大值为N；T为统计时间段，其数值应选取LTE通信协议规定的最大处理时延T_max=5ms，即T=T_max=5ms；T_i为第i个GPP内核处于LTE计算的时间。

（4B2）调度单元接收到所有GPP内核反馈回来的LTE绝对负载值后，分别统计各自的传输时延τ_i，并依据计算公式

更新LTE负载加权系数α_i表，其中，负载加权系数α_i的赋值方法如下：在调度单元需要更新LTE负载加权系数表时，调度单元测量每个GPP内核与调度单元间的传输时延τ_i，从中选出最小的时延τ_min后，再计算：

因统计时间段T越大，得到的负载越精确，但统计时间越长，需要记录的时间越多。并且，距离当前时刻越远的以往时刻的负载状况对当前时刻的影响也越小，因此统计时间应取适宜值。然后，根据下述公式计算得到每个GPP内核的LTE相对负载值其中，负载加权系数α_i用于区分不同的GPP内核的LTE相对负载值，所有GPP内核的负载加权系数都存储在基于负载均衡的调度单元的LTE负载加权系数表中，且该数值随着调度单元的运行而实时更新。LTE通信系统实时性要求很高，其协议规定最大处理时延为T_max=5ms，即接收到的请求必须在T_max时间内完成处理，因此本发明采用T=T_max=5ms作为处理器内核计算LTE绝对负载值的时间段。

假设GPP内核反馈LTE绝对负载值的时间间隔为T_Q，本发明LTE通信系统流水线架构中，每个LTE组件的处理时间大约在1ms左右，因此GPP内核每隔T_Q=1ms向调度单元反馈一次最新的LTE绝对负载值Q_i。调度单元根据上述公式计算出每个GPP内核的LTE相对负载值P_i。在实际应用中，可以根据具体情况调整反馈时间间隔T_Q，时间间隔越短，调度单元掌握的负载情况越准确，但是，反馈和任务分配也越频繁，因此需要合理地选择反馈时间间隔。

基于参数T=T_max=5ms和T_Q=1ms，GPP内核的LTE绝对负载值统计方法如下：

（1）系统启动时刻，所有GPP内核LTE绝对负载值都初始化为0。

（2）在1ms、2ms、3ms和4ms时刻，分别统计时间长度T选取1ms、2ms、3ms和4ms，依据下述公式计算各个处理器内核的LTE绝对负载值

（3）在5ms及5ms以后，每隔T_Q=1ms，统计一次最近T=T_max=5ms时间的LTE绝对负载值，并反馈给调度单元。

（4B3）调度单元把所有的GPP内核按照其LTE相对负载值P_i数值大小进行升序排列，组成GPP内核队列P′_j，该GPP内核队列P′_j的下标排队序号j与原来GPP内核序号i是相对应的：j=f(i)，即P′_j=P_i，其最大值也为N；故当LTE组件等待队列中存在M个LTE组件时，按照如下两种不同情况分别进行调度：

（a）若M≤N，则调度单元把LTE组件等待队列中的第m个LTE组件按照m=j的对应关系分配给第j个GPP内核，即原GPP内核队列排序的第i个GPP内核，这样，LTE组件与GPP内核序号的对应关系为m=j=f(i)；

（b）若M>N，则调度单元把LTE组件等待队列的前N个LTE组件按照上述步骤（a）的方法分配后，剩余的LTE组件继续位于LTE组件等待队列中；

（4B4）GPP内核每隔设定周期T_Q=1ms向调度单元反馈一次各自的LTE绝对负载值；调度单元接收到所有GPP内核反馈回来的LTE绝对负载值后，返回执行步骤（4B2），如此循环执行各项操作步骤。

基于负载均衡的LTE计算资源调度方法的特点是：根据GPP内核反馈回来的负载值，均衡分配任务，旨在平均、合理使用计算资源，避免出现空闲和超负荷。引入了任务的度量——负载的定义，根据实际部署，每个GPP内核通过负载加权系数有所区分，并且在每个GPP内核添加了LTE绝对负载值统计模块，以便及时向调度单元反馈负载情况。

虽然基于负载均衡的LTE计算资源调度方法通过负载值区分不同的计算资源，但是，在LTE组件状态信息存储器中的LTE组件分配都是无差别对待的，按照先后顺序依次分配，这样有可能导致需要长时间占据计算资源的LTE组件被分配到高负载的处理器内核，而短时间的LTE组件则被分配到低负载的处理器内核，会在一定程度上破坏负载的平衡。

为了解决这个缺陷，本发明又研制了基于优先级的LTE计算资源调度原则：综合LTE组件优先级与GPP内核负载的信息，在均衡GPP内核负载的前提下，引入用于度量LTE组件对计算资源不同需求的LTE组件优先级概念，给高优先级的LTE组件优先分配计算资源；做到既均衡各GPP内核负载，又保证需要及时处理的LTE组件优先性，合理配置计算资源。

参见图4，介绍基于优先级的LTE计算资源调度单元的具体操作内容是：当即将运行的LTE组件的状态信息都按照时间先后顺序放入LTE组件状态信息存储器中，构成LTE组件等待队列后；先从LTE组件状态信息存储器获得各个LTE组件包括其类型标识的状态信息，然后查询优先级层次表及其运行时间表，计算各个LTE组件的优先级并按照优先级重新排序；再使用基于负载均衡的LTE计算资源调度方法，统计各GPP内核的负载情况后，按照下述方法分配LTE计算资源。

（4Ba）系统启动时，调度单元向各个GPP内核发送启动信号，要求反馈各自的LTE绝对负载值

此外，调度单元还加载初始化的LTE组件运行时间表；式中，自然数i为各个GPP内核序号，其最大值为N；T为统计时间段，其数值为LTE通信协议规定的最大处理时延T_max=5ms，即T=T_max=5ms；T_i为第i个GPP内核处于LTE计算的时间。

（4Bb）调度单元接收到所有GPP内核反馈回来的LTE绝对负载值后，分别统计各自的传输时延τ_i，并依据计算公式

更新LTE负载加权系数表α_i，再根据公式计算各个GPP内核的LTE相对负载值P_i，同时根据计算资源反馈的LTE组件运行时间对LTE组件运行时间表进行更新；其中，负载加权系数α_i用于区分不同GPP内核的LTE相对负载值，且所有GPP内核的α_i都存储于基于负载均衡的调度单元的LTE负载加权系数表，其数值随着调度单元的运行而实时更新。

（4Bc）调度单元根据从LTE组件状态信息存储器获得的每个LTE组件的状态信息，查询LTE优先级层次表及其运行时间表，按照下述优先级计算方法对处于LTE组件等待队列中的LTE组件计算其优先级：

对于LTE组件等待队列中的第m个LTE组件，根据其状态信息查询其相应的优先级层编号l以及其位于该层的位置编号k，再按照公式：

计算LTE组件等待队列中的第m个LTE组件的优先级C_m；其中，自然数下标m和l分别是LTE组件等待队列中的排队序号和优先级层编号，其最大值分别为M和L；t_l,k为第l层优先级中第k个LTE组件的运行时间，t_l,max为第l优先级层中所有LTE组件的最大运行时间。

（4Bd）调度单元按照优先级的数值进行降序排列，即把LTE组件等待队列C_m重新排列为新的等待队列C′_r，两个等待队列C′_r和C_m的排序编号对应关系为r=g(m)；其中，自然数r是新的LTE组件等待队列中的排队序号，其最大值为M，即满足：C′_r=C_m。

（4Be）调度单元使用基于负载均衡的LTE计算资源调度方法，把重新排列后的新的LTE组件等待队列C′_r分配给各个GPP内核。

（4Bf）与基于负载均衡的LTE计算资源调度方法相同，所有GPP内核每隔设定时间段T_Q=1ms分别向调度单元反馈一次其LTE绝对负载值和反馈不同LTE组件在所有GPP内核上的运行时间；然后，调度单元返回执行步骤（4Bb）。

在LTE上行或下行的组件队列内部，处于不同优先级层的组件采用不同的优先级区间来标识：上行或下行共有L层优先级，每层的优先级随着层数序号l的增加而逐层增大，即第1层优先级最低，第L层优先级最高；并以长度为1的区间表示每层优先级，数值从小到大表示优先级逐层增大；而位于同一优先层级的LTE组件，则按照其运行时间细分优先级：运行时间越长的LTE组件优先级越高，即优先级与运行时间成正比；运行时间表是系统在实际运行过程中，对每个LTE组件的每次运行时间进行实时统计而获得的，并更新原来的预测时间；

故优先级定义为：处于第l层的第k个LTE组件的优先级

其中，自然数l和k分别为优先级层次序号和每个优先级层中组件按运行时间的长短降序排列后的序号，l和k的最大值分别为L和K；t_l,k为第l层优先级中排序为k的LTE组件运行时间，t_l,max为第l层优先级中所有LTE组件最大的运行时间，C_l,k的数值范围是(l-1,l]。

LTE组件类型包括LTE物理层算法库和LTE上层协议算法库中细分的每个子算法库，其中LTE物理层算法库按信道细分为：PUSCH信道、PUCCH信道、PRACH信道、PDSCH信道、PDCCH信道和PBCH信道，LTE上层协议算法库细分为：NAS、RRC、PDCP、RLC、MAC各层；这些LTE组件中的各组件优先级层有下述多种情况：

因PUSCH信道与PDSCH信道之间、PUCCH信道与PDCCH信道相互之间都是平等的，且因其分别属于LTE上行组件和LTE下行组件，相互间无关、能够并行执行，故它们之间没有优先级的差别。

因LTE组件之间存在因果关系，故存在优先级差异，如：LTE上行物理层的各个组件需要在上层协议各层组件之前运行，LTE下行物理层各个LTE组件是在上层协议各层LTE组件之后运行，故LTE上行物理层的各组件与上层协议各层LTE组件之间和LTE下行物理层的各组件与上层协议各层LTE组件之间都存在优先级差异。

还有因PUSCH信道划分的两级流水线模块在逻辑上有前后串行关系，故第一流水线优先级高于第二流水线。

当LTE组件都有通信功能需求时，也存在优先级差异：PRACH信道的优先级要高于PUSCH信道和PUCCH信道。针对不同LTE组件的优先级差别，本发明设计如下表格给出LTE各个组件的优先级。

LTE组件优先级层次表

LTE上行链路组件优先级	LTE下行链路组件优先级
		上行协议中的各层组件	PDSCH、PDCCH、PBCH
PUSCH、PUCCH	下行协议中的各层组件
		PRACH

上述LTE组件的优先级层次表中，因基站对上行或下行信号的处理相互独立，没有优先级的划分，故在分配优先级时，先把即将运行的LTE组件按上、下行分成相互之间优先级为对等或相同的两个队列，即分别存储为：LTE上行组件队列和LTE下行组件队列，两个队列间的优先级是对等的。而在层次表的位置中，上行或下行链路的优先级是从上往下逐层增加。分配两个队列间的组件时，采用根据简单的时间先后顺序把两个队列合并后，再重新排列的LTE计算资源调度方法：两个队列先各自按照自己的优先级层划分进行优先级降序排列后，在保证各自队列排序不被打乱的前提下，根据简单的时间先后顺序把两个队列进行合并处理。

基于优先级的调度单元的调度方法特点是：把处于等待队列中的LTE组件按照优先级重新排序，再按照基于负载均衡的LTE计算资源调度方法分配任务；既均衡了各个处理器内核的负载，又保证了需要及时处理的LTE组件的优先性。该方法引入优先级的定义：每个LTE组件的优先级决定于该组件的类型和运行时间。每次分配任务前根据优先级层次表和运行时间表计算优先级，并在下次分配任务前更新运行时间表，根据实际情况调整LTE组件的优先级。基于优先级的调度方法，把高优先级的LTE组件分配到低负载的LTE计算资源上处理，很好地兼顾了组件的优先级和处理器内核的负载情况。

基于实时性的LTE计算资源调度原则是：保证每个LTE组件都能在设定时间内获得计算资源，以满足通信实时性要求。为此，基于实时性的LTE计算资源调度方法把优先级与等待时间相关联，随着等待时间的增加，逐渐提高其优先级，解决了低优先级LTE组件可能一直得不到计算资源分配的问题。此外，引入等待时间后，还反映了LTE组件间的时序逻辑，即不同的LTE组件之间存在时间的先后顺序：在时间上先发出的请求，通常应先得到处理；因为后到的组件可能对前面的组件有依存的逻辑关系。如PUSCH信道划分出来的两级流水线，后一级流水线需要等前一级流水线结束才能运行，基于实时性的LTE计算资源调度方法很好地解决了这个问题。

基于实时性的LTE计算资源的具体调度方法是对处于LTE组件等待队列中的LTE组件，先实时调整其优先级，使得处于第l优先级层的第k个LTE组件的优先级C_l,k，除取决于原来的LTE组件类型l和运行时间t_l,k两个因素以外，还要考虑该LTE组件在队列中等待时间w_l,k：随着该LTE组件在队列中等待时间的增长，其优先级也要逐渐提高；从而解决基于优先级的LTE计算资源调度过程中，只根据LTE组件类型和运行时间两个固有属性划分优先级，容易导致低优先级的组件长期分配不到计算资源，出现“低优先级被饿死”的困境；该基于实时性的LTE计算资源调度单元的具体操作内容包括下列内容；

（4BA）系统启动时，向各个GPP内核发送启动信号，要求反馈LTE组件绝对负载值信息，此外，还加载初始化的LTE组件运行时间表。

（4BB）使用基于优先级的LTE计算资源调度方法，计算每个GPP内核的LTE负载加权系数及其相对负载值；再从LTE组件状态存储器获取包括每个LTE组件所处的优先级层次及其等待时间的状态信息。

（4BC）根据每个LTE组件状态信息，查询所有GPP内核反馈回来的LTE组件运行时间统计信息，计算每个LTE组件的优先级，得到其等待序列C_m；然后，按照优先级从高到低降序重新排列，即把LTE组件等待队列C_m重新排列为新的等待队列C′_r，两个等待队列C′_r和C_m的排序编号对应关系为r=g(m)，且满足：C′_r=C_m。

该步骤中，因LTE通信系统中信号处理的最大容忍时延T_max=5ms，故LTE组件的等待时间数值范围为(0,T_max-t_l,k-δ)；其中，δ是该LTE组件的运行时间t_l,k随着实际情况发生变化的时间余量，其数值是根据不同的LTE流水线组件结构和不同硬件而调整的，随着LTE组件等待时间的增加，该LTE组件的优先级将逐渐提高，等待时间足够长时，其优先级甚至提升到高层次的优先级层：当等待时间达到允许的最大数值T_max-t_l,k-δ时，该LTE组件的优先级应位于最高的优先级层(L-1,L]中。

依据上述等待时间与优先级层次的变化关系，采用均分等待时间范围的方式，把不同的等待时段映射到不同的优先级层次；即对处于第l层的LTE组件的等待时间范围划分成（L-l）等份，每等份的时段长度为等分的等待时间区间从小到大依次映射到第l+1至第L层优先级。因此，基于实时性的LTE计算资源调度方法的优先级被重新定义为： $C_{l,k}^{,}=C_{l,k}+\frac{w_{l,k}}{T_{\max }-t_{l,k}-\mathrm{\δ}}\×(L-l)-1+\frac{t_{l,k}}{t_{l,\max }}+\frac{w_{l,k}}{T_{\max }-t_{l,k}-\mathrm{\δ}}\×(L-l),$ 其中， $\frac{w_{l,k}}{T_{\max }-t_{l,k}-\mathrm{\δ}}\×(L-l)$ 为等待时间对优先级的影响项，即随着等待时间w_l,k的增加，C’_l,k也逐渐增大：当w_l,k=T_max-t_l,k-δ时，该LTE组件达到最大等待时间时，其优先级

处于第L层优先级范围(L-1,L]；当w_l,k=0时，则第l层中的第k个LTE组件的初始优先级C’_l,k=C_l,k。

因重新定义优先级后，优先级不再是常数，而是随着等待时间增加而增大的变量；然后，再按照基于优先级的LTE计算资源调度方法分配LTE组件等待队列中的LTE组件，这样既区分不同LTE组件的优先级，还能保证通信系统的实时性；此时调度单元需要额外添加一个等待时间统计表。

（4BD）使用基于负载均衡的LTE计算资源调度方法，把重新排列的LTE组件等待队列C′_r分配给各个GPP内核。

（4BE）调度单元接收到GPP内核每隔设定周期T_Q=1ms反馈一次LTE绝对负载值和不同LTE组件在该GPP内核上的运行时间信息后，返回执行步骤（4BB）。

再介绍Turbo码块的构造方式：每个用户对应一个传输数据块，每个传输数据块的大小范围：16（1RB）——63776（100RB）/75376（110RB）。基站在Turbo译码前接收到的1ms数据分布如图6所示，总用户数为n，每个用户对应一个传输数据块，每个传输数据块包含C（C=C_-+C₊）个码块，所有用户总的数据量为100个RB满配的数据量。用户数越多，每个用户分配到的传输数据块大小相应地就会减小。

LTE系统中的Turbo译码方法复杂度高、处理时延大，占据了基站大部分时间开销，因此有必要对Turbo译码进行优化，提高译码速率。Turbo编译码是对设定长度的码块进行处理，因每个码块相互独立，这构成了数据流上的并行关系，因此基站可以针对Turbo译码数据流并行的特点，设计相应的Turbo译码码块分割调度模块的调度方法：使用多个并行的译码器，分别处理不用的码块，即按照码块数据流并行译码。

本发明给Turbo译码器分配了3个内核，用于实现把总的译码时延从>700us降到200-300us的目标。依据多线程设计思想，每个内核启用一个线程，每个线程运行一个译码器，将接收到的Turbo译码码块按照码块分割成三部分，由三个GPP内核的译码器各自独立处理其中之一，实现并行译码。

码块分割方法的要求是：分割后的三部分码块集合要尽可能均等，使得三核并行译码的总时长尽量短。分割方法不能太复杂，分割方法的耗时要远小于码块并行带来的时间节省量。因译码码块是分割的最小单元，即某个译码码块只能分配给一个内核，不能把译码码块继续分割而分配给不同的内核。

本发明方法的步骤4中，若LTE组件类型为Turbo译码算法库时，则由Turbo译码码块分割调度模块按照下述操作步骤执行调度：

（41）先把即将进行Turbo译码的码块状态信息按照时间先后顺序存入LTE组件状态信息存储器中，构成译码码块等待队列。

（42）从LTE组件状态信息存储器获得每个Turbo译码码块长度及其状态信息后，将处于译码码块等待队列中的所有Turbo译码码块按照其码块长度降序排列。

（43）将LTE计算资源池中专用于Turbo译码的3个GPP内核分配到的码块长度都初始化为0；

（44）从Turbo译码码块等待队列中按照从大到小顺序选取位于该等待队列最前面的Turbo译码码块；再把该Turbo译码码块分配给3个GPP内核中码块总长度最小的内核进行译码；

（45）3个GPP内核分别更新各自分配到的码块总长度，并反馈给Turbo译码码块分割调度模块；

（46）返回执行步骤（44），直到把所有的Turbo译码码块都分配完毕和完成其译码操作。

本发明已经进行了大量的仿真实施试验，获得了大量的实测数据，每个模块的传输时延数据都是超过1000次以上仿真的平均时延。整个4G宽带通信系统流水线架构依赖于实测数据和开发经验进行设计和优化。实验条件如下：

CPU型号：IntelR Xeon(R)CPU E5-269002.9GHz×18；

2个物理CPU，每个CPU有8个核，共享L2缓存，各自独享L1缓存。

内存大小：32GB。本发明实施例的实验结果是成功的，实现了发明目的。

下面简要介绍Turbo译码码块的试验结果如下：满配数据量的Turbo译码码块总长为192324比特，译码时间大约为750us。使用Turbo译码码块方法分割成三部分后，每部分的码块总长度大致是192324的三分之一。把该三部分码块分配到三个GPP内核并行译码，总的Turbo译码处理时间降到了大约250us，达到了Turbo译码码块分割，并行处理降低时延的目的。

总之，实施例的试验是成功的，实现了发明目的。

Claims (10)

1.一种基于通用处理器GPP（General Purpose Processor）的LTE宽带通信系统计算资源调度器，其特征在于：该装置是为满足LTE宽带通信系统对时延的严格要求，在采用基于GPP的流水线模式处理通信信号过程中，对GPP的计算资源进行调度，以使流水线模式处理通信信号时，能满足实时性要求，并为每个任务的操作增加时间安全富裕量；该装置设有顺序连接的下述三个部件：LTE组件状态信息存储器、LTE计算资源调度中心和LTE计算资源池；其中：

LTE组件状态信息存储器，用于存储计算资源所需要的各种LTE组件的类型标识和等待时间的状态信息，其中，类型标识决定LTE计算资源调度中心选择LTE计算资源池中的不同调度模块进行调度，等待时间用于计算LTE组件的优先级：所述LTE组件是计算资源池中包括LTE物理层算法库、LTE上层协议算法库和Turbo译码算法库中的每一个子算法的总称；

LTE计算资源调度中心，作为该装置的控制枢纽，设有两个组成模块：LTE物理层和上层协议处理调度模块和Turbo译码码块分割调度模块，负责从LTE组件状态信息存储器获得各个LTE组件的状态信息和从LTE计算资源池获得多核GPP的内核负载信息，根据不同的LTE组件类型及其相应的调度准则，给每个LTE组件合理、均衡地分配LTE计算资源，即集中管理各个LTE组件的运行时序、数据存储和计算的分配：若某个LTE组件在通信过程中即将运行，LTE计算资源调度中心就把该LTE组件的状态信息按照时序先后存入于LTE组件状态信息存储器，并接收来自LTE计算资源池反馈的LTE计算资源池的实时状态信息；再按照设定的调度方法对LTE组件的运行顺序进行重新排列后，告知LTE计算资源池如何分配LTE计算资源：指示其中的多核GPP的内核分别加载哪个LTE组件执行信号处理；

LTE计算资源池，是处理LTE信号的基站集群，用作该计算资源调度器LTE计算资源的汇总；设有大量的多核GPP构成的多核GPP组和容量足够大的内存存储单元，其中的多核GPP的每个内核负责在LTE计算资源调度中心调度下，加载LTE组件进行信号处理，完成复杂的计算任务；每个多核GPP上内嵌下述三个部件：LTE物理层算法库模块、LTE上层协议算法库模块和Turbo译码算法库模块；内存存储单元负责存储LTE组件运行时尚未处理的、处理过程中和/或完成处理后所产生的各种数据；且内存存储单元与每个GPP都有一条专用于数据交换的数据总线。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述LTE计算资源调度中心的两个组成模块的结构与功能介绍如下：

LTE物理层和上层协议处理调度模块，负责从LTE组件状态信息存储器获得类型为LTE物理层算法库或LTE上层协议算法库中的各个LTE组件状态信息，再根据LTE计算资源池中多核GPP的内核负载状况，根据不同的LTE组件类型和不同的调度准则，统筹兼顾地为每个LTE组件合理分配计算资源；该处理调度模块设有：分别基于负载均衡、优先级和实时性三个调度准则的LTE计算资源调度单元；

Turbo译码码块分割调度模块，负责采用贪婪算法将译码前的码块等分成三部分后，分配到用作LTE计算资源的三个不同的GPP内核同时进行译码处理，且保证进行译码的三个GPP内核负载平衡；以便藉由分割Turbo译码码块提高数据处理的并行度，降低LTE译码操作时延，满足LTE通信的实时性要求。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述LTE物理层和上层协议处理调度模块给每个LTE组件分配计算资源时，需要遵循下述三个准则：

（1）负载均衡准则：合理利用已有的计算资源：在部署单处理器时，平均分配每个GPP内核的任务量；在部署多处理器时，均衡每个GPP的负载，以充分利用每个GPP内核的计算能力，避免出现空闲和超负荷状况；

（2）优先级准则：根据小区的不同业务类型之间、物理层的不同信道类型之间、物理层的比特级符号级之间和物理层与上层协议之间的优先级的差异，提供优先处理机制，对优先级高的LTE组件及时分配计算资源；

（3）实时性准则：因4G通信系统中所有LTE组件的实时性要求很高：必须在规定时间内分配到计算资源并完成信号处理；故该方法的调度基础是必须满足实时性要求，保证低优先级的LTE组件能够在设定时间内分配到计算资源；

LTE物理层和上层协议处理调度模块设置的分别基于负载均衡、优先级和实时性三个调度准则的LTE计算资源调度单元，每个调度单元设有优劣特点各异的调度方法，以供根据具体情况选择适宜的调度方法或组合应用之；其中：

基于负载均衡的LTE计算资源调度单元，根据引入的计算资源负载信息的两个数值：LTE绝对负载值和LTE相对负载值，区分LTE计算资源池里多核GPP中不同内核的任务处理量；再根据每个GPP内核反馈的负载值，均衡分配任务，平均、合理地使用计算资源，避免出现空闲和超负荷的情况；

基于优先级的LTE计算资源调度单元，除了考虑LTE计算资源池里多核GPP内核的负载状况以外，还引入根据组件的类型和组件的运行时间两个固有属性计算得到的LTE组件的优先级，再按照优先级的高低对各个LTE组件重新排序，把高优先级的LTE组件分配给低负载的LTE计算资源，以便能够很好地兼顾组件的优先级和GPP内核的负载状况；

基于实时性的LTE计算资源调度单元，因LTE通信的实时性要求严格，在设定时间内LTE组件必须完成处理操作，即LTE组件的等待时间有限；该调度单元根据LTE组件的等待时间对LTE组件的优先级执行实时调整，等待时间越长，优先级越高，直到在允许的处理时延内将各个LTE组件都分配到计算资源。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述计算资源池的多核GPP内核上内嵌LTE物理层算法库模块、LTE上层协议算法库模块和Turbo译码算法库模块三个部件的结构与功能说明如下：

为增加该计算资源调度器调度LTE计算资源的灵活性和适应性，所述LTE物理层算法库模块存储的多种算法，按照不同的信道被划分成：包括PUSCH信道、PUCCH信道、PRACH信道、PDSCH信道、PDCCH信道和PBCH信道的多种物理层信号处理所使用的各种算法，每种算法又细分为：包括快速傅里叶变换FFT（Fast Fourier Transformation）、MIMO信号检测、软解调和速率匹配的多个子算法，其中，每个子算法被称为一个LTE组件；

所述LTE上层协议算法库模块负责选择其如下所述的各个内置单元执行LTE上层协议信号处理操作：

非接入层NAS（Non Access Stratum）处理单元：支持移动性管理功能和用户平面激活、修改和释放功能，执行演进分组系统EPS（Evolved Packet System）的承载管理、鉴权、空间状态下的移动性处理、寻呼与安全控制功能；

无线资源控制层RRC（Radio Resource Control）处理单元：用于执行广播、寻呼、RRC连接管理、无线承载资源块RB（Resource Block）管理、移动性管理、密钥管理、用户设备UE（User Equipment）测量报告与控制、多媒体广播多播服务MBMS（Multimedia Broadcast Multicast Service）控制、NAS消息直传和服务质量QoS（Quality of Service）管理的多项功能；

分组数据汇聚层PDCP（Packet Data Convergence Protocol）处理单元：用于执行头压缩、数据传输、加密和完整性保护的功能；

无线链路控制层RLC（Radio Link Control）处理单元：负责执行分段与连接、重传处理和对高层数据的顺序传送的功能；

媒体访问控制层MAC（Media Access Control）处理单元：负责处理混合自动重传请求HARQ（Hybrid Automatic Repeat Request）与上下行调度的功能；

所述Turbo译码算法库模块用于存储Turbo码的编译码的各种算法；需要说明的是：尽管Turbo码的编译码也归属于LTE物理层算法库中的一种子算法或组件，但因Turbo译码算法库的调度方法不同于物理层算法库中的其他子算法，故被作为LTE组件的第三种类型而执行单独处理。

5.一种采用权利要求1所述的基于GPP的LTE宽带通信系统计算资源调度器的调度方法，其特征在于：LTE计算资源调度中心分别从LTE组件状态信息存储器获取LTE组件的状态信息，以及从LTE计算资源池获得多核GPP的内核负载信息后，根据不同的LTE组件类型和不同的调度准则，给每个LTE组件合理分配LTE计算资源；所述方法包括下列操作步骤：

（1）对于通信过程中即将开始运行的LTE组件，LTE计算资源调度中心按照时间顺序把该LTE组件状态信息存入LTE组件状态信息存储器中，形成LTE组件队列；

（2）LTE计算资源调度中心统计LTE计算资源池中包括每个多核GPP内核的传输时延、负载状况和LTE组件在内核上的运行时间的各种状态信息；

（3）LTE计算资源调度中心统计LTE组件状态信息存储器中存储的、包括每个LTE组件的类型标识及其等待时间的LTE组件状态信息；

（4）LTE计算资源调度中心根据两种不同类型的组件，分别选择相应的调度模块工作：

若LTE组件类型为LTE物理层算法库或LTE上层协议算法库，则选择LTE物理层和上层协议处理调度模块进行调度；其调度操作步骤如下：

（4A）根据LTE组件类型属于LTE物理层算法库或LTE上层协议算法库，相应启动LTE物理层和上层协议处理调度模块；

（4B）根据LTE物理层和上层协议处理调度模块设定的调度准则，相应选择下述的调度单元之一或组合：

若为负载均衡准则，则使用基于负载均衡的LTE计算资源调度单元；

若为优先级准则，则使用基于优先级的LTE计算资源调度单元；

若为实时性准则，则使用基于实时性的LTE计算资源调度单元；

（4C）被选中的LTE计算资源调度单元按照各自的LTE计算资源调度方法给LTE组件分配计算资源；

若LTE组件类型为Turbo译码算法库，则选择Turbo译码码块分割调度模块进行调度；Turbo译码码块分割调度模块按照下述操作步骤执行调度：

（41）先把即将进行Turbo译码的码块状态信息按照时间先后顺序存入LTE组件状态信息存储器中，构成译码码块等待队列；

（42）从LTE组件状态信息存储器获得每个Turbo译码码块长度及其状态信息后，将处于译码码块等待队列中的所有Turbo译码码块按照其码块长度降序排列；

（43）将LTE计算资源池中专用于Turbo译码的3个GPP内核分配到的码块长度都初始化为0；

（44）从Turbo译码码块等待队列中按照从大到小顺序选取位于该等待队列最前面的Turbo译码码块；再把该Turbo译码码块分配给3个GPP内核中码块总长度最小的内核进行译码；

（45）3个GPP内核分别更新各自分配到的码块总长度，并反馈给Turbo译码码块分割调度模块；

（46）返回执行步骤（44），直到把所有的Turbo译码码块都分配完毕和完成其译码操作；

（5）LTE计算资源调度中心根据所选择的物理层和上层协议处理调度模块或Turbo译码码块调度模块，按照两者各自相应的调度方法，给不同类型的LTE组件合理分配计算资源。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤（4B）中，基于负载均衡的LTE计算资源调度原则是综合考虑所有GPP内核的负载情况和每个GPP内核处理LTE组件的计算任务量后执行均衡配置，避免出现内核空闲和超负荷；基于负载均衡的LTE计算资源调度单元的具体操作内容如下：分配完成上一次任务而GPP内核LTE绝对负载值还未反馈回来的时间T_Q=1ms内，把即将运行的LTE组件的状态信息按照时间先后顺序放入LTE组件状态信息存储器中，构成LTE组件等待队列；然后按照下述方法合理、均衡地分配LTE组件等待队列中的LTE组件；

（4B1）系统启动时，调度单元向各个GPP内核发送启动信号，要求反馈各自的LTE绝对负载值

式中，自然数i为各个GPP内核序号，其最大值为LTE通信系统中多核GPP的内核数量N；T为统计时间段，其数值应选取LTE通信协议规定的最大处理时延T_max=5ms，即T=T_max=5ms；T_i为第i个GPP内核处于LTE计算的时间；

（4B2）调度单元接收到所有GPP内核反馈回来的LTE绝对负载值后，分别统计各自的传输时延τ_i，并依据计算公式

更新LTE负载加权系数表α_i，其中，τ_min是所有GPP内核传输时延τ_i中的最小值；再根据下述公式计算得到每个GPP内核的LTE相对负载值

其中，负载加权系数α_i用于区分不同的GPP内核的LTE相对负载值，所有GPP内核的负载加权系数都存储在基于负载均衡的调度单元的LTE负载加权系数表中，且该数值随着调度单元的运行而实时更新；

（4B3）调度单元把所有的GPP内核按照其LTE相对负载值P_i数值大小进行升序排列，组成GPP内核队列P′_j，该GPP内核队列P′_j的下标排队序号j与原来GPP内核序号i是相对应的：j=f(i)，即P′_j=P_i，其最大值也为N；故当LTE组件等待队列中存在M个LTE组件时，按照如下两种不同情况分别进行调度：

（a）若M≤N，则调度单元把LTE组件等待队列中的第m个LTE组件按照m=j的对应关系分配给第j个GPP内核，即原GPP内核队列排序的第i个GPP内核，这样，LTE组件与GPP内核序号的对应关系为m=j=f(i)；

（b）若M>N，则调度单元把LTE组件等待队列的前N个LTE组件按照上述步骤（a）的方法分配后，剩余的LTE组件继续位于LTE组件等待队列中；

（4B4）GPP内核每隔设定周期T_Q=1ms向调度单元反馈一次各自的LTE绝对负载值；调度单元接收到所有GPP内核反馈回来的LTE绝对负载值后，返回执行步骤（4B2），如此循环执行各项操作步骤。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤（4B）中，基于优先级的LTE计算资源调度原则是：综合LTE组件优先级与GPP内核负载的信息，在均衡GPP内核负载的前提下，引入用于度量LTE组件对计算资源不同需求的LTE组件优先级概念，给高优先级的LTE组件优先分配计算资源；做到既均衡各GPP内核负载，又保证需要及时处理的LTE组件优先性，合理配置计算资源；

基于优先级的LTE计算资源调度单元的具体操作内容是：当即将运行的LTE组件的状态信息都按照时间先后顺序放入LTE组件状态信息存储器中，构成LTE组件等待队列后；先从LTE组件状态信息存储器获得各个LTE组件包括其类型标识的状态信息，然后查询优先级层次表及其运行时间表，计算各个LTE组件的优先级并按照优先级重新排序；再使用基于负载均衡的LTE计算资源调度方法，统计各GPP内核的负载情况后，按照下述方法分配LTE计算资源：

（4Ba）系统启动时，调度单元向各个GPP内核发送启动信号，要求反馈各自的LTE绝对负载值

此外，调度单元还加载初始化的LTE组件运行时间表；式中，自然数i为各个GPP内核序号，其最大值为N；T为统计时间段，其数值为LTE通信协议规定的最大处理时延T_max=5ms，即T=T_max=5ms；T_i为第i个GPP内核处于LTE计算的时间；

（4Bb）调度单元接收到所有GPP内核反馈回来的LTE绝对负载值后，分别统计各自的传输时延τ_i，并依据计算公式

更新LTE负载加权系数表α_i，再根据公式

计算各个GPP内核的LTE相对负载值P_i，同时根据计算资源反馈的LTE组件运行时间对LTE组件运行时间表进行更新；其中，负载加权系数α_i用于区分不同GPP内核的LTE相对负载值，且所有GPP内核的α_i都存储于基于负载均衡的调度单元的LTE负载加权系数表，其数值随着调度单元的运行而实时更新；

（4Bc）调度单元根据从LTE组件状态信息存储器获得的每个LTE组件的状态信息，查询LTE优先级层次表及其运行时间表，按照下述优先级计算方法对处于LTE组件等待队列中的LTE组件计算其优先级：

对于LTE组件等待队列中的第m个LTE组件，根据其状态信息查询其相应的优先级层编号l以及其位于该层的位置编号k，再按照公式：

计算LTE组件等待队列中的第m个LTE组件的优先级C_m；其中，自然数下标m和l分别是LTE组件等待队列中的排队序号和优先级层编号，其最大值分别为M和L；t_l,k为第l层优先级中第k个LTE组件的运行时间，t_l,max为第l优先级层中所有LTE组件的最大运行时间；

（4Bd）调度单元按照优先级的数值进行降序排列，即把LTE组件等待队列C_m重新排列为新的等待队列C′_r，两个等待队列C′_r和C_m的排序编号对应关系为r=g(m)；其中，自然数r是新的LTE组件等待队列中的排队序号，其最大值为M，即满足：C′_r=C_m；

（4Be）调度单元使用基于负载均衡的LTE计算资源调度方法，把重新排列后的新的LTE组件等待队列C′_r分配给各个GPP内核；

（4Bf）与基于负载均衡的LTE计算资源调度方法相同，所有GPP内核每隔设定时间段T_Q=1ms分别向调度单元反馈一次其LTE绝对负载值和反馈不同LTE组件在所有GPP内核上的运行时间；然后，调度单元返回执行步骤（4Bb）。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述LTE组件类型包括LTE物理层算法库和LTE上层协议算法库中细分的每个子算法库，其中LTE物理层算法库按信道细分为：PUSCH信道、PUCCH信道、PRACH信道、PDSCH信道、PDCCH信道和PBCH信道，LTE上层协议算法库细分为：NAS、RRC、PDCP、RLC、MAC各层；这些LTE组件中的各组件优先级层有下述多种情况：

因PUSCH信道与PDSCH信道之间、PUCCH信道与PDCCH信道之间两者都是平等的，且因其分别属于LTE上行组件和LTE下行组件，相互间无关、能够并行执行，故它们之间没有优先级的差别；

因LTE组件之间存在因果关系：LTE上行物理层的各个组件需要在上层协议各层组件之前运行，LTE下行物理层各个LTE组件是在上层协议各层LTE组件之后运行，故LTE上行物理层的各组件与上层协议各层LTE组件之间和LTE下行物理层的各组件与上层协议各层LTE组件之间都存在优先级差异；

因PUSCH信道划分的两级流水线模块在逻辑上有前后串行关系，故第一流水线优先级高于第二流水线；

当LTE组件都有通信功能需求时，也存在优先级差异：PRACH信道的优先级要高于PUSCH信道和PUCCH信道；

在LTE组件的优先级层次表中，因基站对上行或下行信号的处理相互独立，没有优先级的划分，故在分配优先级时，先把即将运行的LTE组件按上、下行分成相互之间优先级为对等或相同的两个队列，即分别存储为：LTE上行组件队列和LTE下行组件队列；且在层次表的位置中，上行或下行链路的优先级是从上往下逐层增加；在分配上、下行两个队列间的组件时，采用时间先后顺序再排列的方法：两个队列先各自按照自己的优先级层划分进行优先级降序排列后，在保证各自队列排序不被打乱的前提下，根据简单的时间先后顺序把两个队列进行合并处理；

在LTE上行或下行的组件队列内部，处于不同优先级层的组件采用不同的优先级区间来标识：上行或下行共有L层优先级，每层的优先级随着层数序号l的增加而逐层增大，即第1层优先级最低，第L层优先级最高；并以长度为1的区间表示每层优先级，数值从小到大表示优先级逐层增大；而位于同一优先层级的LTE组件，则按照其运行时间细分优先级：运行时间越长的LTE组件优先级越高，即优先级与运行时间成正比；运行时间表是系统在实际运行过程中，对每个LTE组件的每次运行时间进行实时统计而获得的，并更新原来的预测时间；

故优先级定义为：处于第l层的第k个LTE组件的优先级

其中，自然数l和k分别为优先级层次序号和每个优先级层中组件按运行时间的长短降序排列后的序号，l和k的最大值分别为L和K；t_l,k为第l层优先级中排序为k的LTE组件运行时间，t_l,max为第l层优先级中所有LTE组件最大的运行时间，C_l,k的数值范围是(l-1,l]。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤（4B）中，基于实时性的LTE计算资源调度原则是保证每个LTE组件都能在设定时间内获得计算资源，以满足通信实时性要求；具体调度方法是对处于LTE组件等待队列中的LTE组件，先实时调整其优先级，使得处于第l优先级层的第k个LTE组件的优先级C_l,k，除取决于原来的LTE组件类型l和运行时间t_l,k两个因素以外，还要考虑该LTE组件在队列中等待时间w_l,k：随着该LTE组件在队列中等待时间的增长，其优先级也要逐渐提高；从而解决基于优先级的LTE计算资源调度过程中，只根据LTE组件类型和运行时间两个固有属性划分优先级，容易导致低优先级的组件长期分配不到计算资源，出现“低优先级被饿死”的困境；该基于实时性的LTE计算资源调度单元的具体操作内容包括下列内容；

（4BA）系统启动时，向各个GPP内核发送启动信号，要求反馈LTE组件绝对负载值信息，此外，还加载初始化的LTE组件运行时间表；

（4BB）使用基于优先级的LTE计算资源调度方法，计算每个GPP内核的LTE负载加权系数及其相对负载值；再从LTE组件状态存储器获取包括每个LTE组件所处的优先级层次及其等待时间的状态信息；

（4BC）根据每个LTE组件状态信息，查询所有GPP内核反馈回来的LTE组件运行时间统计信息，计算每个LTE组件的优先级，得到其等待序列C_m；然后，按照优先级从高到低降序重新排列，即把LTE组件等待队列C_m重新排列为新的等待队列C′_r，两个等待队列C′_r和C_m的排序编号对应关系为r=g(m)，且满足：C′_r=C_m；

（4BD）使用基于负载均衡的LTE计算资源调度方法，把重新排列的LTE组件等待队列C′_r分配给各个GPP内核；

（4BE）调度单元接收到GPP内核每隔设定周期T_Q=1ms反馈一次LTE绝对负载值和不同LTE组件在该GPP内核上的运行时间信息后，返回执行步骤（4BB）。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述步骤（4BC）中，因LTE通信系统中信号处理的最大容忍时延T_max=5ms，故LTE组件的等待时间数值范围为(0,T_max-t_l,k-δ)；其中，δ是该LTE组件的运行时间t_l,k随着实际情况发生变化的时间余量，其数值是根据不同的LTE流水线组件结构和不同硬件而调整的，随着LTE组件等待时间的增加，该LTE组件的优先级将逐渐提高，等待时间足够长时，其优先级甚至提升到高层次的优先级层：当等待时间达到允许的最大数值T_max-t_l,k-δ时，该LTE组件的优先级应位于最高的优先级层(L-1,L]中；

依据上述等待时间与优先级层次的变化关系，采用均分等待时间范围的方式，把不同的等待时段映射到不同的优先级层次；即对处于第l层的LTE组件的等待时间范围划分成（L-l）等份，每等份的时段长度为

等分的等待时间区间从小到大依次映射到第l+1至第L层优先级；

故基于实时性的LTE计算资源调度方法的优先级被重新定义为： $C_{l,k}^{,}=C_{l,k}+\frac{w_{l,k}}{T_{\max }-t_{l,k}-\mathrm{\δ}}\×(L-l)-1+\frac{t_{l,k}}{t_{l,\max }}+\frac{w_{l,k}}{T_{\max }-t_{l,k}-\mathrm{\δ}}\×(L-l),$ 其中， $\frac{w_{l,k}}{T_{\max }-t_{l,k}-\mathrm{\δ}}\×(L-l)$ 为等待时间对优先级的影响项，即随着等待时间w_l,k的增加，C’_l,k也逐渐增大：当w_l,k=T_max-t_l,k-δ时，该LTE组件达到最大等待时间时，其优先级

处于第L层优先级范围(L-1,L]；当w_l,k=0时，则第l层中的第k个LTE组件的初始优先级C’_l,k=C_l,k；

因重新定义优先级后，优先级不再是常数，而是随着等待时间增加而增大的变量；然后，再按照基于优先级的LTE计算资源调度方法分配LTE组件等待队列中的LTE组件，这样既区分不同LTE组件的优先级，还能保证通信系统的实时性；此时调度单元需要额外添加一个等待时间统计表。

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