TWI462018B - 網路中多胞元支持之裝置 - Google Patents

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TWI462018B
TWI462018B TW100126360A TW100126360A TWI462018B TW I462018 B TWI462018 B TW I462018B TW 100126360 A TW100126360 A TW 100126360A TW 100126360 A TW100126360 A TW 100126360A TW I462018 B TWI462018 B TW I462018B
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Shriram K Easwaran
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    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D10/00—Energy efficient computing, e.g. low power processors, power management or thermal management

Description

網路中多胞元支持之裝置
本發明係關於使用多核心處理器之單一數據機板上的多胞元支持裝置，以及一單一分割之對稱多元處理(SMP)組態。雖然本發明是直接導向行動通信領域，也因此會用特定的引用來描述，必須知道的是此發明也可能在其他領域及應用上面有所用處。
在背景方面，長程演進技術(Long Term Evolution,LTE)是一個快速演化的3GPP專案，目的是改善通用行動通信系統(Universal Mobile Telecommunication System,UMTS)的行動電話標準，來處理未來通信網路的需求。長程演進技術改善了無線網路的效率/頻寬、降低成本以及加強服務經驗。特別來說，長程演進技術利用了新增頻帶的機會，並且提供了與其他開放標準更好的整合。長程演進技術是由長程演進技術的無線接取網路(Radio Access Network,RAN)(也可稱作E-UTRAN)和演進封包系統(Evolved Packet System,EPS，又稱為演進封包核心網路)所組成。
通訊系統通常分為兩個主要功能：資料平面和控制平面。在以前的長程演進技術產品裡面，數據機板要用到至少兩個處理器：一個支援控制平面功能(為非即時功能，例如操作、管理與維護(Operation,Administration,and Management,OA&M)和呼叫程序管理相關的功能)，另外一個則是終結與支援資料平面功能(為即時功能，例如長程演進技術第二層資料處理)。控制平面和資料平面兩者都使用不同的作業系統(Operating System,OS)實例，舉例來說，在控制平面上使用Linux，然後在資料平面核心使用一個精準即時的作業系統如vXWorks(由加州阿拉米達的美商溫瑞爾公司製造及販售)。一般來說，一個數據機板只支援一個區塊或胞元，所以要支援多胞元(例如三胞元或者六胞元)的組態，則必須要提供與胞元數目相當的數據機板。
本發明關注於一個全新而且改良過的裝置，來解決上面所提到的難題及其他。
下個世代的長程演進技術數據機板中使用到了一個擁有八核心的處理器。這會讓系統使用一個數據板就可支援多胞元的組態(例如支援多至六胞元)。同時這也讓系統不需要在數據板上使用兩個分開的處理器來支援控制及資料平面。如此可以達到大量減少數據板上裝置數量的目的。除此之外，最重要的是將需要使用分開的DDR記憶體裝置給兩個處理器使用，這個新的設計方法會減少成本，因為使用較少的數據機板插在基地台上，就可以支援多胞元組態。這個解決方案另外一個優點就是透過使用一個數據機板而非六個，可以減少基地台的建造尺寸和降低基地台整體的功率消耗。
在本發明的一個實施例中，提供一個在通信網路中提供多胞元支持的裝置。該裝置包含了數據機板和多核心處理器，該多核心處理器具有複數個處理器核心裝附於數據機板。至少有一個處理器核心被用來執行所有控制平面的功能，而其餘的處理器核心被用來執行所有資料平面的功能。根據情況，該多核心處理器會被組態成包含一個核心抽象層，該核心抽象層對於處理器核心上執行的應用軟體隱藏任何核心特有詳細資訊。而且，該多核心處理器可以被組態成包含一個管理軟體實體以處理故障隔離。除此之外，該多核心處理器可以被組態為可服務電信網路中的至少三個胞元，其中每個胞元都有對應的上行鍊結排程和對應的下行鍊結排程。該多核心處理器可以有八個核心，而第一個處理器核心可以執行第一作業系統，其餘的處理器核心則可以各自執行第二作業系統的實例。
在本發明的另外一個實施例中，會提供一個在通信網路中提供多胞元支持的裝置。該裝置包含了數據機板和多核心處理器，該多核心處理器具有複數個處理器核心裝附於數據機板。定義單一分割為包含所有處理器核心。該單一分割被用來執行所有控制平面的功能和所有資料平面的功能。根據情況，該多核心處理器會被組態成包含一核心抽象層，該核心抽象層對於單一分割中的處理器核心上所執行的應用軟體隱藏所有核心特有的詳細資訊。更進一步，該多核心處理器可以被組態來服務電信網路中的至少三個胞元，其中每個胞元都有對應的上行鍊結排程和對應的下行鍊結排程。該多核心處理器可以有八個處理器核心和一個在所有核心上執行的作業系統實例。該單一作業系統實例可以由SMP Linux加上PREEEMPT_RT所構成。
在本發明的另外一個實施例，提供一個利用核心關聯以及核心保留來提供電信網路中的多胞元支持的裝置。該裝置包含了數據機板和多核心處理器，該多核心處理器具有多個處理器核心裝附於數據機板，並且被組態以致於所有非即時的執行緒(thread)及處理程序，會被專門處理所有控制平面活動的處理器核心所限制。專門用來處理所有資料平面活動的處理器核心，將不會擁有或執行非資料路徑實施或第二層處理所需的任何執行緒。根據情況，該多核心處理器可以被組態以包含控制平面核心的預設關聯遮罩，或者包含一核心抽象層，該核心抽象層對於處理器核心上所執行的應用軟體隱藏所有核心特有的詳細資訊。一個作業系統實例可以在所有核心上執行。
本發明進一步的應用範圍會在下面所提供的發明詳細描述中更清楚。然而同時也必須要瞭解，在詳細描述和特定範例中雖然都指出了發明的較佳實施例，但都只有圖示說明而已，因為對於熟習此技藝之人士來說，可在不偏離與發明相當的範圍下有各式各樣的改變跟修改。
參考圖示，其中該顯示之目的僅為圖解說明該示範實施例，並非限制專利申請範圍。圖1提供示範系統的視圖，該系統包括目前說明的實施例。
可擴展性對該多核心軟體架構是一個主要的設計考量。因此會需要一個不用主要軟體重新組態就可以輕鬆擴大或縮減的組態。利用多核心處理器，會有至少兩個系統組態的選擇：監督非對稱多元處理(Supervised Asynchronous Multiprocessing，AMP，圖1)組態和對稱多元處理組態(圖2)。這些系統組態會在下面描述得更詳細。
監督非對稱多元處理(AMP)組態 。在第一實施例中，定義一包含至少一個核心來支持控制平面功能的分割，以及定義與將被支援的胞元數相同的包含一個或更多核心來支持資料平面的分割。在該組態中，通常必須提供與分割數目相同的作業系統實例。在該組態中，為使系統運作正確，也需要使用稱作管理程序的另一軟體實體。該管理程序確保一個作業系統實例將不會被壞其他的分割。然而，使用管理程序會增加大量成本，因為典型上作業系統商會針對每一個使用的實例要求授權。使用至少兩個不同類型的作業系統(一個針對控制平面，另一個針對資料平面)會讓維護還有成本成為考量因素。當使用這個組態時，可擴展性是另外一個考量因素，重新組態該機板來支援超過三個胞元可能並不可行，即使可行，可能需要一個複雜的重新組態程序，而這在實用上會在現場花上太多時間來執行。
圖1圖示說明一範例平台軟體架構的第一實施例。該架構通常被用在數據機板上，但也必須瞭解它也可以被用在其它應用。在這個情況下，提供有八個核心(如圖式中12、14、16、18、20、22、24、26所示)的多核心處理器10，然而需要被瞭解的是，該多核心處理器10可以有任一數目的核心。在這個範例中，第一分割28是給控制平面30執行第一作業系統(作業系統一)32。該第一分割28也包括操作、管理與維護(OA&M)34和燃燒控制系統/不間斷電源供電(BCS/UPS)36。該BCS/UPS 36是一中間軟體層，為硬體與應用軟體提供抽象層，如OA&M實體。
七個非對稱多元處理分割(如圖式中38、40、42、44、46、48、50所示)，每一個對應到剩下的七個核心，是給資料平面52執行第二作業系統(作業系統二)54。
所有的第二層(L2)處理都在處理器的八個核心完成。資料鍊結層(Data Link Layer)是計算機網路中開放系統互連(OSI)模型七層的第二層。資料鍊結層是通訊協定層，會在廣域網路中的相鄰網路節點間，或在相同區域網路分區的節點間轉換資料。資料鍊結層提供在網路實體間轉換資料的功能性和程序性的方法，且可提供方法來偵測並且有可能修正實體層所發生的錯誤。資料鍊結層的通訊協定範例有區域網路的乙太網路(多節點)、點對點通訊協定(PPP)、高階資料鍊結控制(HDLC)和給點對點(雙節點)連結的高等資料通訊控制程序(ADCCP)。在我們的情況，第二層指長程演進技術空中介面所需的第二層排程處理，其有非常嚴格的即時需求。
所有第一層(L1)處理在數位訊號處理器(DSP)和現場可編程邏輯閘陣列(FPGA)中完成。核心抽象層(CAL)56對第二層應用軟體隱藏核心特有詳細資料。
該範例架構也包括了一個監督軟體實體，如管理程序58，來確保所有分割可以獨立執行，且不會彼此敗壞(例如確保故障隔離)。管理程序是虛擬化中所使用的軟體程式。它允許數個作業系統在同一個硬體上面並列執行。和傳統的虛擬電腦程式不同，管理程序直接在目標硬體上面執行。這樣會讓客戶作業系統和管理程序兩者都執行得更有效率。在執行時，該管理程序會呈遞給其上所執行的所有作業系統-亦即「客戶」-所有系統硬體的一個虛擬化版本。以此方式，客戶就不能直接存取硬體，所以任何由一個作業系統程式(或甚至由作業系統本身)所造成的問題，會被獨立於任何其他作業系統。可能的管理程序名單包括但不限於以下類型：Xen(Citrix)、KVM(核心虛擬機器)、VMWare ESX/vmkernel、Microsoft Hyper-V、PowerVM(IBM)、Logical Domains/Oracle VM，與Wind River Hypervisor。
在這個範例中，處理器10服務三個胞元(如圖式中60、62、64所示)。每個胞元需要一上行鍊結(UL)排程(如圖式中66、70、74所示)和一下行鍊結(DL)排程(如圖式中68、72、76所示)。同時也包含了無線鍊結控制與媒體存取控制(RLC/MAC)區塊78，此為使用於行動網路與網路之間的空中介面的基本傳輸單位，被用來承載資料和發出無線鍊結控制與媒體存取控制信號。
如上文所述，使用監督非對稱多元處理的組態，提供控制平面與資料平面間更清楚的區分的優點。然而，它可能有被限制的擴充性，以及它可能因為管理程序授權費而相對較貴。雖然用此方法來支援三胞元組態係可能的，但用此組態支援六胞元組態或八胞元組態可能會有困難。
對稱多元處理(SMP)組態 。參考圖2，顯示多核心處理器100。這個架構通常被用在數據機板，但也必須瞭解它也可以被用在其它應用。在這個實施例中，一個分割被定義成有八個核心在其中。然而需要被瞭解的是，該多核心處理器10可以有任意數目的核心。使用此實施例，使用執行在所有核心(例如八個核心)上的單一對稱多元處理作業系統實例102係因此可能的。由於現在控制和資料平面是在同一個作業系統實例中，仍舊需要確保資料平面的問題不會敗壞控制平面。
在這個範例中，處理器100服務三胞元(如圖式中104、106、108所示)。每個胞元需要一個上行鍊結(UL)排程(如圖式中110、112、114所示)，和一個下行鍊結(DL)排程(如圖式中116、118、120所示)。同時也包括了無線鍊結控制與媒體存取控制(RLC/MAC)區塊122，此為使用於行動網路與網路之間的空中介面的基本傳輸單位。被用來承載資料和發出無線鍊結控制與媒體存取控制信號。處理器100也提供操作、管理與維護OA&M 124和燃燒控制系統/不間斷電源供電BCS/UPS 126。核心抽象層(CAL)128對第二層應用軟體隱藏核心特有詳細資料。
在這個組態中不需要使用管理程序，因為只有一個作業系統實例在執行(是一潛在成本節省)。由於同一作業系統同時被用來給控制和資料平面，可維護性也較沒問題。不需要在不同作業系統下開發軟體給兩個平面(例如控制平面和資料平面)。這個組態另一個優點就是可擴展性。亦即使用這個組態，可以支援從單一胞元到高至六胞元支持的任一組態而不需要任何重新組態。
為達到基地台的即時效能需求，可使用作業系統如SMP Linux加上PREEMPT_RT補丁，當然，也必須明白可使用其他的作業系統。但要注意專有的即時作業系統會比較貴。由於Linux是開放原始碼，使用第一線作業系統供應商如Wind River或Montavista所提供的SMP Linux加上PREEMPT_RT之費用，比起使用任何他們專有的即時作業系統要便宜得多。這些公司在開放原始碼的Linux上提供了廣泛的測試，且他們提供補丁管理。因此，與這樣公司合作可以降低關於開放原始碼Linux加上PREEMPT_RT補丁的任何保障問題疑慮。
胞元修復在這個組態中會比在監督非對稱多元處理組態中更複雜。在該監督非對稱多元處理組態中，胞元復原或初始，利用重新啟動胞元特有資料平面分割就可以輕易達成。然而這樣子的程序卻不能在對稱多元處理組態中使用，因為所有控制和資料平面現在都在同一個分割中。作為胞元修復的一部分，必須實施一修復機制以確保與特定胞元相關的處理程序和執行緒會被產生或重新啟動來達成胞元修復。共享資源如緩衝區等會被標記，以至於作為胞元修復的一部分，特定胞元分配到的共享資源會被正確的釋放。
對稱多元處理組態可能會失去監督非對稱多元處理組態的確定性特性。為了在對稱多元處理組態中達到確定性的特性，系統最好被組態成使用核心保留與核心關聯性結構來達到類似非對稱多元處理系統的特性。也最好得到例如SMP Linux加上PREEMPT_RT作業系統的最佳效能(PREEMPT_RT作業系統依然不是如VxWorks的精準即時處理系統)。使用無鎖零拷貝服務，如緩衝區管理服務，也可幫助處理任何使用SMP Linux加上PREEMPT_RT所產生的延遲問題。
圖3圖解了使用核心保留和核心關聯性結構的架構。在此範例，使用八核心處理器，核心0到7被標示為圖中數字編號202、204、206、208、210、212、214和216。所有非即時執行緒或處理程序將會被專門處理控制平面活動的核心所限制，換句話說，專門處理資料平面活動的核心(在圖中標示為218、220、222)，將不會主持或執行任何快速路徑(資料路徑)實做或第二層處理所直接需要的執行緒。為達到核心關聯性和核心保留，則定義一控制平面核心的預設關聯遮罩224。如此，任何未被分派特定關聯的執行緒或處理程序將預設為控制平面核心。核心抽象層(CAL)226對第二層應用軟體隱藏該核心特有詳細資料。在此組態中並不需要使用管理程序，因為只有一個作業系統實例228在執行。
對應於特定胞元的即時程序/執行緒，會被核心保留與核心關聯性限制在特定的核心。例如，核心1和核心4的上行鍊結排程執行緒被限制在核心2，而下行鍊結排程執行緒被限制在核心3。
因此，圖3圖解了在對稱多元處理組態中一近似非對稱多元處理的組態。舉例來說，在這個組態中，所有控制平面的程序/執行緒會在核心0(202)和核心1(204)上執行。該胞元每個即時處理程序/執行緒將會被執行在沒有執行非即時處理程序/執行緒的特定核心。這樣的話，(1)非即時執行緒將不會極需處理時間，且(2)非即時執行緒將不會佔用即時執行緒的寶貴處理時間，及在需要嚴格即時處理需求的資料平面增加處理延遲尖峰。
總結來說，本發明的實作使用了一個分割中的所有處理器核心，這樣只需要用到一個作業系統實例，且不需要使用管理程序。因為簡單的Linux要達到精準即時處理需求會有困難，因此使用如SMP Linux加上PREEMPT_RT的作業系統較佳。使用開放原始碼作業系統同時也節省成本。該系統進一步包括了SMP Linux的核心關聯性和中央處理器保留的功能，來在對稱多元處理組態中定義一近似非對稱多元處理的系統的特性，其可允許六胞元或甚至九胞元組態。
需要明白的是，在此所述特定的範例實施例，某些結構和/或功能特點被描述成合併於定義的元件和/或組件。然而，也可考慮將這些特點，為了同樣或類似的利益，與其他的元件和/或組件合併。同時也需要明白的是，該範例實施例的不同態樣，在適當的狀況下可以被選擇性的使用，藉以為所需應用提出不同的實施例，而其他替代的實施例，也因此可以實現其中包括的個別優點。
同時也需要明白，在此其中所描述的特定元件或組件可以透過硬體、軟體、韌體或以上組合來達到功能的合適實作。此外，需要瞭解的是，其中被描述為合併的某些元件，在適當的環境下可以是單獨元件或分開。同樣的，由一特定元件所達成的複數個特定功能，可以由複數個不同的元件單獨執行同一功能所取代，或者特定的單獨功能可以被分開並且由複數的不同元件達成。或者，其中所描述且/或顯示為彼此不同的一些元件和組件，在適當的情況則可能在實體上或功能上被結合。
簡而言之，目前規範已經提出較佳實施例的參考，明顯地他人在閱讀和瞭解目前規範時會有修改和改變。本發明的目的在包括所有此類的修改和改變，因為這些都是來自申請專利範圍或等價之範圍。也就是說，必須明白可以將上述所提或其他的各式功能及其替代，刻意的結合入許多其他不同的系統或應用，而且其中熟習本技術者可能隨後所提出的各式目前所未知或未提供的替代、修改、變異或改善，將會同樣的被意圖包含在以下的專利申請範圍中。
10．．．多核心處理器
38、40、42、44、46、48、50．．．非對稱多元處理分割
60．．．胞元
62．．．胞元
64．．．胞元
34．．．操作、管理與維護
78．．．無線鍊結控制與媒體存取控制
66、70、74．．．上行鍊結排程
68、72、76．．．下行鍊結排程
36、126．．．燃燒控制系統/不間斷電源供電
56．．．核心抽象層
32．．．作業系統一
54．．．作業系統二
12．．．核心
14．．．核心
16．．．核心
18．．．核心
20．．．核心
22．．．核心
24．．．核心
26．．．核心
30．．．控制平面
52．．．資料平面
100．．．多核心處理器
126．．．原型程序呼叫
124．．．操作、管理與維護
122．．．無線鍊結控制與媒體存取控制
116．．．下行鍊結排程
110．．．上行鍊結排程
118．．．下行鍊縮排程
112．．．上行鍊結排程
120．．．下行鍊結排程
114．．．上行鍊結排程
128．．．核心抽象層(CAL)
102．．．作業系統、控制平面核心、資料平面核心
224．．．預設關聯遮罩
218．．．核心
220．．．核心
222．．．核心
226．．．核心抽象層
228．．．作業系統
292．．．核心0
204．．．核心1
206．．．核心2
208．．．核心3
210．．．核心4
212．．．核心5
214．．．核心6
216．．．核心7
本發明存在於裝置之各部份的建構、安排、和組合，以及該方法的各個步驟，據此發明考慮到的物件在下面會完整的提出，明確的在申請專利範圍中指出，並且在伴隨的圖式中以圖例說明，其中：
圖1描述依據本發明之態樣的平台軟體架構之實施例；
圖2描述依據本發明之態樣的平台軟體架構之另一實施例；及
圖3描述依據本發明之態樣的具有核心保留與核心關聯性的範例架構。
224．．．預設關聯遮罩
218．．．核心
220．．．核心
222．．．核心
226．．．核心抽象層
228．．．作業系統
202．．．核心0
204．．．核心1
206．．．核心2
208．．．核心3
210．．．核心4
212．．．核心5
214．．．核心6
216．．．核心7

Claims (17)

  1. 一種在電信網路中提供多胞元支持的裝置，該裝置包含：數據機板；以及多核心處理器，具有複數個處理器核心裝附於該數據機板，其中至少一個處理器核心被用來執行控制平面功能，且其他的處理器核心被用來執行資料平面功能，其中該多核心處理器被組態成包含核心抽象層，該核心抽象層對於該等處理器核心上執行的應用軟體隱藏核心特有詳細資訊。
  2. 一種在電信網路中提供多胞元支持的裝置，該裝置包含：數據機板；以及多核心處理器，具有複數個處理器核心裝附於該數據機板，其中至少一個處理器核心被用來執行控制平面功能，且其他的處理器核心被用來執行資料平面功能，其中該多核心處理器被組態成包含一個管理軟體實體以處理故障隔離。
  3. 如申請專利範圍第2項之裝置，其中該多核心處理器被組態成服務電信網路中的三個胞元，每一胞元具有對應的上行鍊結排程和對應的下行鍊結排程。
  4. 如申請專利範圍第2項之裝置，其中該多核心處理器有八個處理器核心。
  5. 一種在電信網路中提供多胞元支持的裝置，該裝 置包含：數據機板；以及多核心處理器，具有複數個處理器核心裝附於該數據機板，其中至少一個處理器核心被用來執行控制平面功能，且其他的處理器核心被用來執行資料平面功能，其中該第一個處理器核心執行第一作業系統而其餘的處理器核心共同執行第二作業系統。
  6. 一種在電信網路中提供多胞元支持的裝置，該裝置包含：數據機板；以及多核心處理器，具有複數個處理器核心裝附於該數據機板，其中單一分割被定義為包含於其內之該等處理器核心，且其中該單一分割被用來執行控制平面功能與資料平面功能，其中該多核心處理器被組態成包含一個核心抽象層，該核心抽象層對於該單一分割中該等處理器核心上執行的應用軟體隱藏核心特有詳細資訊。
  7. 如申請專利範圍第6項之裝置，其中該多核心處理器被組態成服務電信網路中的至少三個胞元，每個胞元具有對應的上行鍊結排程和對應的下行鍊結排程。
  8. 如申請專利範圍第6項之裝置，其中該多核心處理器有八個處理器核心。
  9. 如申請專利範圍第6項之裝置，其中單一作業系統實例在所有該等核心上執行。
  10. 如申請專利範圍第9項之裝置，其中該單一作業 系統實例可以由SMP Linux加上PREEEMPT_RT所構成。
  11. 一種在電信網路中提供利用核心關聯以及核心保留的多胞元支持的裝置，該裝置包含：數據機板；以及多核心處理器，具有複數個處理器核心裝附於該數據機板，並且被組態以致於非即時的執行緒及處理程序被專門處理控制平面活動的處理器核心所限制，且專門處理資料平面活動的處理器核心將不會主持(host)或執行非資料路徑實施或第二層處理直接所需的執行緒。
  12. 如申請專利範圍第11項之裝置，其中該多核心處理器被組態以包含控制平面核心的預設關聯遮罩。
  13. 如申請專利範圍第11項之裝置，其中該多核心處理器被組態以包含一核心抽象層，該核心抽象層對於該等處理器核心上所執行的應用軟體隱藏核心特有的詳細資訊。
  14. 如申請專利範圍第11項之裝置，其中該多核心處理器被組態成服務電信網路中的至少六個胞元。
  15. 如申請專利範圍第11項之裝置，其中該多核心處理器有八個處理器核心。
  16. 如申請專利範圍第15項之裝置，其中單一作業系統實例在所有該等核心上執行。
  17. 如申請專利範圍第11項之裝置，其中新建立的執行緒及處理程序被專門處理控制平面活動的該等核心所限制，而不會妨礙在專門處理資料平面活動的核心上執行 的即時資料平面執行緒及處理程序。
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