LTE基站设计中SOC平台软件解决方案

随着移动通信技术的发展，从最早的第一代模拟无线网络、第二代GSM通信网络、第三代3G通信网络、直到目前商用的4G LTE通信网络，甚至正在研究阶段的5G通信网络，从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，数据的传输速率越来越快。数据处理能力的增加对无线基站平台提出了越来越高的要求，从而无线基站处理单板的设计也越来越复杂，逐步向多核多CPU、多核多DSP的方向演进，随着芯片集成度越来越高，融合多CPU和多DSP核的单芯片SOC解决方案成为目前LTE基站设计的热点。

在融合CPU和DSP的单芯片SoC中，一般包含多个CPU和DSP核，以及大量的片内外设，例如目前LTE基站的主流SoC芯片Freescale的B4860，片内包含4个PowerPC CPU核以及6个SC3900 DSP核，集成以太网、SRIO、MAPLE算法加速器等大量外设。随着芯片硬件的复杂度提高，对于如何管理如此复杂的系统，对基站平台的软件设计与规划提出了更高的要求。

下文介绍一种面向基站平台处理单板的基于融合SoC处理器的平台软件解决方案。

1、Enea SoC平台软件解决方案

Enea的平台软件解决方案由四大部分组成，包括面向多核CPU的OSE操作系统、SoC上的DSP管理中间件和Enea系统级调试工具Optima。目标系统上的各个实体由Enea的分布式透明传输模块LINX连接起来。整体系统框图如下所示：

图1：Enea平台软件方案框图

Enea的平台软件解决方案为单板之上的包含多核DSP和多核CPU的融合SoC芯片提供了完整的软件架构、丰富的调试监测功能以及简单实用的高可靠通信的IPC工具。

在CPU侧使用OSE操作系统，这是Enea针对多核CPU作专门优化的操作系统，支持几乎所有类型的CPU，广泛地应用于各大通信厂商的移动台和局端通信设备之中。

图2：OSE 5.x 混合AMP/SMP 框图

OSE 5.x独有的XMP模式即有SMP模式的简单易用性，又具有到AMP模式的性能，为平台软件CPU侧的软件架构设计提供了方便。OSE的直接消息传递机制和集中式错误处理大大简化了编程的工作，OSE丰富的模块，文件系统、IP协议栈、动态加载模块、LINX工具、ramlog工具、Optima系统级调试工具，这一切功能都节约了开发工作时间，加快了产品化速度。

对于基于SOC（CPU+DSP）的基站平台来说，DSP数量较多，并用于物理层协议栈、甚至MAC层的业务处理，并由SoC的CPU侧来进行管理。如何管理、监控和调试这样一个数量庞大的DSP核阵列是一个需要考虑的问题。Enea针对这一需求推出的DSP管理模块从根本上解决了这一问题。

DSP管理模块主要实现下面五大功能：

（1）CPU侧对DSP执行文件的加载启动和复位。

（2）CPU侧对DSP 应用（包括进程和设备状态）的监控。

（3）CPU侧对DSP coredump事后分析的管理（包括收集coredump，上传服务器和在线分析）。

（4）为DSP提供Shell命令行的接入服务。

（5）Enea系统级调试工具Optima从CPU侧通过LINX通路接入DSP，用于DSP上系统的实时监控。

这些功能专门针对SoC芯片中DSP核阵列的管理而设计，为基于SOC设计的基站等有CPU和大量DSP的复合系统的实现，提供可靠的解决方案。

Enea的分布式透明传输模块LINX负责SoC中CPU与DSP、以及DSP与DSP节点间无缝通信，针对于单芯片内的方案基于共享内存池的通信方式，高效没有数据拷贝。另外，LINX支持几乎所有的物理通信介质包括共享内存、以太网、sRIO、PCI等。统一了核间、同构/异构处理器间乃至板间的通信接口，并提供保证链路可靠性的机制，使分布式系统间的通信犹如在同一个核内通信那么简单。因此，LINX的出现大大简化了分布式系统的程序设计。

针对整个平台软件的调试，Enea的Optima系统级调试工具为系统的调试提供了方便。Optima调试工具可以以插件的形式整合到CodeWarrior或TI CCS环境中，与JTAG代码级调试结合使用。Optima工具主要通过以太网与目标系统相连，只要目标系统中的实体有LINX链路，那么通过PC侧的Optima工具就可以看到整个分布式系统的拓扑图。Optima可以查看CPU或者DSP上操作系统的进程状态、内存和堆的详细分配情况、CPU使用率、查看系统coredump、进行基于GDB的在线调试、实时查看系统和用户的日志等，为查看系统瓶颈、代码优化等提供方便。

图3：系统级调试工具Optima 图示

综上，Enea针对基站开发的基于SoC的平台软件解决方案包括，面向CPU的OSE硬实时操作系统和SoC芯片中DSP核的管理模块以及Enea系统级调试工具Optima。这些功能满足了新一代基于SoC(CPU+DSP)的基站平台软件的需求，为基站的软件架构设计提供了参考。下面介绍一个应用实例：

2、应用实例

当今基站的发展日趋多样性。目前越来越多主流通信设备厂商3G、4G局端设备中采用SoC的设计方案，因此本方案对于当前基站设计有越来越大的参考意义。下面简单介绍一个Enea的基站平台解决方案在LTE 宏基站的应用实例。如下图所示：

图4：宏基站平台解决方案应用实例

B4860是Freescale针对LTE中型基站的包含PowerPC CPU核和SC3900 DSP核的SoC芯片，片内集成的MAPLE2 LTE物理层协处理器，可完整的自动处理PDSCH和PUSCH信道流程，最多可支持三个20M的LTE小区。在Enea针对这个SoC芯片的平台软件方案中，CPU侧运行OSE硬实时操作系统以及DSP的管理模块，CPU和DSP之间使用Enea的LINX基于共享内存池的方式进行通信。通过PC侧的Optima工具进行整个系统的监控与调试。

按照一般基站BBU的软件设计，物理层协议栈运行于DSP上，MAC及以上协议栈运行于CPU之上，因此对于B4860这样的芯片整体软件架构如下图所示。每两个DSP核为一组，负责一个小区，每个核分别处理上行和下行数据，共六个DSP核因此对应三个LTE小区，可提供实时的调度性能以满足物理层对实时性的需要，同时基于共享内存池的LINX交互模块提供DSP与DSP，CPU与DSP间的高效无缝通信。CPU核上的MAC层及高层协议栈中对性能敏感的部分，运行于Enea OSE的应用提供实时的性能的保证，使之符合LTE的1ms限制的调度要求。对于实时性要求不高的部分，可直接运行于MCP上的Enea Linux之上，例如运维等部分。本套软件方案已应用于此客户的量产型基站产品中。

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