CN107819764B - 面向c-ran的数据分发机制的演进方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种面向C‑RAN的数据分发机制的演进方法，属于无线通信领域。该方法包括以下步骤：S1：由管控软件发出控制信息，发送给协议栈软件中的主控制模块处理；S2：处理后，主控制模块将协议栈内部的控制信息发送给数据分发模块，由数据分发模块通过对信息的解析发送给对应的模块或网元；S3：通过数据分发模块进行处理发送给对应的模块。本发明可以实现并行地进行数据包处理，层与层之间完全消除耦合性，使用统一的层间接口进行通信。通过这种方式，使数据包之间的并行处理粒度由原来的整个协议栈级别缩小为层级别，在用户数据量增长时可以极大地提升整个协议栈的处理能力。

Description

面向C-RAN的数据分发机制的演进方法
技术领域
本发明属于无线通信领域，涉及面向C-RAN的数据分发机制的演进方法。
背景技术
随着移动通信技术的不断更新，人们对网络带宽和数据传输速率的要求在不断提高，针对以上问题，业界为了解决这个问题，中国移动研究院提出了面向C-RAN的新型集中式接入网架构。这种架构可以根据协议资源池的使用情况，控制协议处理实体在不同硬件资源上的动态迁移，实现资源的统计复用，提高资源利用率。在满足蜂窝网络特点的基础上，C-RAN从下到上将基站系统解耦成4个单元，分别为光纤拉远射频单元、多模基带处理池、多模协议处理池和管理控制池。对于C-RAN这种架构来说，能降低基站建设的花费，节约成本，缩短基站部署时间。还能够满足高容量需求。
近几年，由于生产工艺和架构设计的制约，使得处理器主频的提升到达一个瓶颈，进而单核处理器下的的协议处理框架已经不能满足现有的高速网络传输要求。在无法提高单个处理器主频的情况下，多核CPU框架以及并行计算等技术应运而生，可以有效解决单核处理器处理能力不够的问题。但是目前的LTE协议栈是基于串行架构的，不适应多核框架。因此有必要开发一套并行化的协议栈架构，最大程度的发挥多核处理器的性能，提升任务处理的能力。
为了提升服务性能，协议栈软件数据转发需要改变传统的小基站串行架构，实现并行化处理，最大程度的提升运行速率，满足网络带宽和用户流量的增长需求。而现有的协议栈硬件处理器是多核处理器，具有较高的处理能力和并发性，因此开发协议栈的并行化架构，也能最大程度的发挥并行处理器的性能优势。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供面向C-RAN的数据分发机制的演进方法，协议栈软件数据转发改变传统的小基站串行架构，实现并行化处理，最大程度的提升运行速率，满足网络带宽和用户流量的增长需求。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
面向C-RAN的数据分发机制的演进方法，该方法包括以下步骤：
S1：由管控软件发出控制信息，发送给协议栈软件中的主控制模块处理；
S2：处理后，主控制模块将协议栈内部的控制信息发送给数据分发模块，由数据分发模块通过对信息的解析发送给对应的模块或网元；
S3：通过数据分发模块进行处理发送给对应的模块。
进一步，所述数据分发模块是实现C-RAN模块化和并行化的模块单元，使用的是集中式数据分发架构，针对C-RAN协议栈中的所有数据。
进一步，所述数据分发模块的作用包括初始化、数据分发、数据缓存、负载均衡、内存管理和核心数据管理。
进一步，所述初始化的实现是基于C-RAN协议栈软件架构内部的主控制模块在建立小区时进行数据分发模块的初始化；初始化分为正常数据分发的初始化和动态迁移时的初始化，正常数据分发初始化负责通信端口初始化，建立与外部实体、内部实体的连接，请求时模块处于等待数据状态；动态迁移时的初始化建立内部实体的连接，同时数据分发模块处于迁移状态。
进一步，所述数据分发负责内外部数据的接收、内部数据向不同其他处理线程间的分发；监听外部和内部接收端口，将外部端口接收到的数据缓存在缓冲区0中，并从堆内存中产生API消息，发送给内部接收端口；将内部端口接收到的数据通过数据分发模块发送给各个数据处理线程；数据分发的实现是通过初始化时设置基站IP和端口号，接收来自核心网的数据；
数据分发模块采用I/O多路复用中的select监听数据机制，当监听到外部实体用户平面数据时，先将数据暂存在模块的数据缓存区0中，然后发送API消息通知协议栈顶层将数据取走，这条消息相当于密钥，包含了数据存放的具体位置，保证数据准确递交；当监听到外部控制平面数据时，先将控制信息存放在模块的控制消息内存中，然后发送API消息通知协议栈RRC层将消息取走；当监听到外部实体PHY层发送的数据时，模块需要对数据进行相关判断，通过比较目的地址和源地址是否正确，若数据正确，将发送API消息通知MAC层将数据取走使用；若数据不正确直接将数据扔掉；
当数据分发模块初始化或创建线程失败时，是协议栈程序运行错误的一部分，直接返回错误，此时数据分发模块应该清空所有缓存，释放连接。
进一步，所述数据缓存负责正常通信以及迁移过程中的缓存管理；数据缓存包括数据分发模块的堆内存和共享内存区；模块产生的内部API消息均使用堆内存，模块的管理消息，正常数据的缓存，动态迁移数据的缓存。
进一步，所述负载均衡是利用并行化技术的数据分发，在接收到不同类型的外部实体数据时，发到不同数据处理线程进行处理，无需排队等待数据处理。
进一步，所述内存管理是实现正常状态、扩容和缩容的内存管理；内存管理的实现是模仿内核网络结构体skb设计，完全用户态函数，在简化内核skb的同时，保留skb功能；对于缩容和扩容的内存管理是数组将内存分为多块，不易造成内存越界；无论缩容或扩容，都至少要含有一块内存作为数据缓存，且先扩容再进行缩容处理。
进一步，所述核心数据管理是对数据结构体的操作管理，在数据分发模块中使用模块状态、共享缓存区管理消息、堆管理消息和实体管理消息结构体，同时统一交由数据分发模块进行发送和接收，便于数据集中管理。
本发明的有益效果在于：本发明可以实现并行地进行数据包处理，层与层之间完全消除耦合性，使用统一的层间接口进行通信。通过这种方式，使数据包之间的并行处理粒度由原来的整个协议栈级别缩小为层级别，在用户数据量增长时可以极大地提升整个协议栈的处理能力。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为数据分发流程图；
图2为数据分发的实现功能框图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
数据分发模块是C-RAN为了实现模块化和并行化专门设计的特有模块单元，它使用的是集中式数据分发架构，针对C-RAN协议栈中的所有数据(包括外部数据和内部数据)。主要表现两条路径：控制信息传输路径和数据信息传输路径。控制信息主要是由管控软件发出，直接发送给协议栈软件中的主控制模块，信息由主控制模块来处理，之后主控制模块将协议栈内部的控制信息发送给数据分发模块，由数据分发模块通过对信息的解析来发送给其他模块或者其他网元。数据传输信息路径全部通过数据分发模块进行处理发送给对应的模块。比如当S1接口要发送寻呼消息给RRC模块，首先S1按照协议栈规定的接口构造信息发送给数据分发模块，然后由数据分发模块根据消息类型进入select函数处理，然后交由RRC模块进行处理。
如图1所示，数据分发流程为：当主控制模块触发数据分发模块初始化时，建立与外部实体的接口，包括建立S1-U连接、建立S1-C连接和建立PHY连接。再建立与内部实体的接口，包括初始化IDT内部接收fd建立与数据处理线程等的连接。若要监听内外部接收端口，则外部接收端口将接收到的数据缓存在缓存区0，从堆内存中产生的API消息发送给内部接收端口；内部接收端口分发API消息给各个数据处理线程。否则，保持初始化状态。
如图2所示，数据分发具体功能包括初始化、数据分发、数据缓存、负载均衡、内存管理、核心数据管理等功能。
1、初始化：负责通信端口初始化，建立与外部实体、内部实体的连接；负责内存初始化等。初始化的实现是基于C-RAN协议栈软件架构内部的主控制模块在建立小区时进行数据分发模块的初始化。初始化分为正常数据分发的初始化和动态迁移时的初始化，正常数据分发初始化主要负责通信端口初始化，建立与外部实体、内部实体的连接，此请求时模块处于等待数据状态。动态迁移时的初始只有内部实体的连接，同时数据分发模块处于迁移状态。
2、数据分发：负责内外部数据的接收、内部数据向不同其他处理线程间的分发等。监听外部和内部接收端口，将外部端口接收到的数据缓存在缓冲区0中，并从堆内存中产生API消息，发送给内部接收端口；将内部端口接收到的数据通过数据分发模块发送给各个数据处理线程。数据分发的实现是通过初始化时设置基站IP和端口号，接收来自核心网的数据。模块采用I/O多路复用中的select监听数据机制，当监听到外部实体用户平面数据时，先将数据暂存在模块的数据缓存区0中，然后发送API消息通知协议栈顶层将数据取走，这条消息相当于密钥，包含了数据存放的具体位置。保证数据准确递交。当监听到外部控制平面数据时，先将控制信息存放在模块的控制消息内存中，然后发送API消息通知协议栈RRC层将消息取走。当监听到外部实体PHY层发送的数据时，模块需要对数据进行相关判断，通过比较目的地址和源地址是否正确，若数据正确，将发送API消息通知MAC层将数据取走使用；若数据不正确直接将数据扔掉。
当数据分发模块初始化或创建线程失败时，是协议栈程序运行错误的一部分，直接返回错误，此时数据分发模块应该清空所有缓存，释放连接。
3、数据缓存：负责正常通信以及迁移过程中的缓存管理等。数据缓存的主要有两部分内容，数据分发模块的堆内存和共享内存区。模块产生的内部API消息均使用堆内存，模块的管理消息，正常数据的缓存，动态迁移数据的缓存。
4、负载均衡：数据分发策略。负载均衡的实现主要是利用并行化技术的数据分发，在接收到不同类型的外部实体数据时，可以发到不同数据处理线程进行处理，相比较于单线程，这种机制不需要排队等待数据处理，这很大程度提高速率，提升网络性能。
5、内存管理：正常状态、扩容、缩容等的内存管理。内存管理的实现是模仿内核网络结构体skb设计，完全用户态函数，在简化内核skb的同时，保留skb功能。内存主要用于正常数据分发，以及扩容，缩容的内存等内存管理。对于缩容，扩容的内存管理主要采用数组将内存分为多块，这样的好处是缩容和扩容对内存的操作简单，不容易造成内存越界。无论缩容扩容至少要含有一块内存作为数据缓存，理应先扩容再进行缩容处理。
6、核心数据管理：数据转发模块数据结构的操作管理。核心数据管理主要涉及对数据结构体的操作管理，在数据分发模块中使用了模块状态，共享缓存区管理消息，堆管理消息，实体管理消息等结构体。
这样设计的优点是可以清晰明了的将协议栈的模块进行划分，更方便对复杂的信息类型进行管理和收发。同时统一交由数据分发模块来进行发送和接收，对于接口设计更加便捷，同时也能集中进行数据的管理。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.面向C-RAN的数据分发机制的演进方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：由管控软件发出控制信息，发送给协议栈软件中的主控制模块处理；
S2：处理后，主控制模块将协议栈内部的控制信息发送给数据分发模块，由数据分发模块通过对信息的解析发送给对应的模块或网元；
S3：通过数据分发模块对数据信息进行处理发送给对应的模块；
所述数据分发模块的作用包括初始化、数据分发、数据缓存、负载均衡、内存管理和核心数据管理；
所述数据分发负责内外部数据的接收、内部数据向不同其他处理线程间的分发；监听外部和内部接收端口，将外部端口接收到的数据缓存在缓冲区0中，并从堆内存中产生API消息，发送给内部接收端口；将内部端口接收到的数据通过数据分发模块发送给各个数据处理线程；数据分发的实现是通过初始化时设置基站IP和端口号，接收来自核心网的数据；
数据分发模块采用I/O多路复用中的select监听数据机制，当监听到外部实体用户平面数据时，先将数据暂存在模块的数据缓存区0中，然后发送API消息通知协议栈顶层将数据取走，这条消息相当于密钥，包含了数据存放的具体位置，保证数据准确递交；当监听到外部控制平面数据时，先将控制信息存放在模块的控制消息内存中，然后发送API消息通知协议栈RRC层将消息取走；当监听到外部实体PHY层发送的数据时，模块需要对数据进行相关判断，通过比较目的地址和源地址是否正确，若数据正确，将发送API消息通知MAC层将数据取走使用；若数据不正确直接将数据扔掉；
当数据分发模块初始化或创建线程失败时，是协议栈程序运行错误的一部分，直接返回错误，此时数据分发模块应该清空所有缓存，释放连接。
2.根据权利要求1所述的面向C-RAN的数据分发机制的演进方法，其特征在于：所述数据分发模块是实现C-RAN模块化和并行化的模块单元，使用的是集中式数据分发架构，针对C-RAN协议栈中的所有数据。
3.根据权利要求1所述的面向C-RAN的数据分发机制的演进方法，其特征在于：所述初始化的实现是基于C-RAN协议栈软件架构内部的主控制模块在建立小区时进行数据分发模块的初始化；初始化分为正常数据分发的初始化和动态迁移时的初始化，正常数据分发初始化负责通信端口初始化，建立与外部实体、内部实体的连接，请求时模块处于等待数据状态；动态迁移时的初始化建立内部实体的连接，同时数据分发模块处于迁移状态。
4.根据权利要求1所述的面向C-RAN的数据分发机制的演进方法，其特征在于：所述数据缓存负责正常通信以及迁移过程中的缓存管理；数据缓存包括数据分发模块的堆内存和共享内存区；模块产生的内部API消息均使用堆内存，模块的管理消息、正常数据的缓存和动态迁移数据的缓存使用共享内存区。
5.根据权利要求1所述的面向C-RAN的数据分发机制的演进方法，其特征在于：所述负载均衡是利用并行化技术的数据分发，在接收到不同类型的外部实体数据时，发到不同数据处理线程进行处理，无需排队等待数据处理。
6.根据权利要求1所述的面向C-RAN的数据分发机制的演进方法，其特征在于：所述内存管理是实现正常状态、扩容和缩容的内存管理；内存管理的实现是模仿内核网络结构体skb设计，完全用户态函数，在简化内核skb的同时，保留skb功能；对于缩容和扩容的内存管理是数组将内存分为多块，不易造成内存越界；无论缩容或扩容，都至少要含有一块内存作为数据缓存，且先扩容再进行缩容处理。
7.根据权利要求1所述的面向C-RAN的数据分发机制的演进方法，其特征在于：所述核心数据管理是对数据结构体的操作管理，在数据分发模块中使用模块状态、共享缓存区管理消息、堆管理消息和实体管理消息结构体，同时统一交由数据分发模块进行发送和接收，便于数据集中管理。
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