TD-LTE系統中MAC層子幀調度研究與實現

蔣忠均，張德民，庹 勤

（重慶郵電大學 移動通信重點實驗室，重慶 400065）

為了加速TD-LTE(Long Term Evolution)在中國的全面成長和產業鏈的的形成，2011年我國啟動了“新一代寬帶無線移動通信網”重大專項。本文介紹了在國家重大專項“TD-LTE無線綜合測試儀表開發”的基礎上，對TD-LTE網絡端 MAC(Medium Access Control)調度的實現。目前關于MAC層的文獻有不少，但大都局限于簡單的協議研究和設計[1]。在協議棧里所有的數據都需要通過MAC層的調度才能走向空中接口和時間軸上，MAC層是實現實時性和調度機制的樞紐[2]，所以設計MAC層子幀調度方案顯得尤為重要。

1 Nucleus操作機制

Nucleus主控程序的操作機制是采用等待檢測機制[3]，不斷循環檢測當前執行任務或高級中斷的封閉循環，僅當有中斷到達、未處理任務設置或復位時才跳出循環。主控程序首先檢測當前是否有高優先級中斷被激活，如果有，則跳出循環進入高優先級中斷處理服務函數；如果沒有，則繼續檢測當前是否有未處理激活任務。如果有未處理激活任務，則轉入任務處理模塊；如果沒有，則返回繼續檢測。

TD-LTE系統為每層設置狀態機入口函數,函數設計為一個死循環。函數從相應層隊列中接收消息，根據當前不同狀態進入相應消息處理函數[4]；最后將承載消息內存釋放，依次循環，直到隊列為空時掛起當前任務，跳出循環，返回操作系統。圖1為MAC狀態機入口函數的處理機制。在隊列中所有消息接收完成后，系統將在隊列中掛起MAC任務，返回操作系統主控程序[5]。

2 MAC調度

根據TD-LTE整體硬件設計，經過實際調試，對于不同大小消息，DSP和FPGA處理消息的總時間為0.8 ms～0.9 ms，ARM 處理MAC層消息的總時間為 0.4 ms～0.5 ms。從而得出，消息處理的總時間為1.2 ms～1.4 ms。圖2為消息在實際調試中的處理時間：示波器通道1高電平為ARM處理消息所消耗時間(為 465μs)；通道 2高電平為DSP和 FPGA處理消息所消耗時間(為 882μs)?？倳r間為1 347μs。所以MAC層必須提前2子幀配置消息，MAC調度設計方案[6]才能得到實現。

在代碼實現中，MAC調度器維護一個消息發送標志數組 assignment_flag[i][j]，其中，0≤i＜10，0≤j＜1 023。 數組的行代表子幀號，列代表幀號。這樣，assignment_flag[i][j]總共可表示10 240個子幀時刻。由于每一調度時刻只允許發送一個任務，因此在第j幀的第i子幀有消息發送任務被配置后，assignment_flag[i][j]被置1。每當有新消息被調度發送時，任務調度指針p_assignment_flag將查詢assignment_flag[i][j]變量，如果 assignment_flag[i][j]不為 1，則將消息配置在assignment_flag[i][j]-2的時刻發送至物理層。如圖3所示，設在第39幀的子幀9收到RLC層新數據發送任務，p_assignment_flag指針繼續向后查詢，可得第40幀中第3子幀無發送任務。調度器將assignment_flag[3][40]變量置 1，并提前 2個子幀，在 40幀的子幀1將此消息發送至物理層。

3 MAC子幀中斷服務函數

子幀中斷信號由FPGA提供，每1 ms觸發1次中斷，MAC層的任務調度將通過子幀中斷觸發。當每1 ms的子幀中斷到達時，子幀中斷觸發MAC層進入子幀中斷服務函數INT_Schedule。下面是子幀中斷服務函數INT_Schedule的實現方案。

(1)同步。進入INT_Schedule函數讀取當前幀號和子幀號并保存至本地，以達到本地與硬件計數同步。

(2)狀態選擇。在同步之后，根據MAC當前狀態進入狀態分支。

(3)任務執行判斷。在進入MAC當前狀態分支后，調度器將規劃的待發送消息的發送幀號和子幀號與當前幀號和子幀號對比，如果相等則轉入步驟(4)；如果不相等，則跳出狀態分支，轉入步驟(5)。

(4)消息發送。進入原語組裝函數，組裝原語直接發送給物理層。

(5)跳出子幀中斷服務函數。

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此方案的處理方法比較簡潔，在消息數據量非常小時具有可執行性。但隨著數據量逐漸增大，MAC組裝原語的數據搬移時間也隨之變長。MAC層處理消息時間為 465μs，從而子幀中斷擴展至約 0.5 ms，使得 ARM芯片一直處于硬件中斷中，造成其他低優先級中斷無法響應。更加嚴重的是，如果子幀中斷時間大于1 ms，則下一個子幀中斷也將無法響應，使得TD-LTE系統無法正常運行，所以該方案缺乏可執行性。為此，對該方案進行以下改進。

3.1 子幀中斷處理改進方案1

(1)同步。進入INT_Schedule后，MAC首先讀取當前幀號和子幀號并保存至本地使用。

(2)狀態選擇。在同步之后，MAC根據當前狀態進入狀態分支。

(3)任務執行判斷。在進入MAC當前狀態分支后，MAC將之前規劃的待發送消息的發送幀號和子幀號與當前幀號和子幀號對比，如果相等則轉入步驟(4)；否則轉入步驟(5)。

(4)發送消息。向MAC隊列發送一條消息，消息體為空，消息頭附帶所要發送的原語ID，激活一個MAC任務。

(5)跳出子幀中斷服務函數。

由于發送隊列所占用的時間特別短，子幀中斷服務函數很快結束跳出中斷。該方案巧妙地將發送原語交至操作系統執行，操作系統在循環檢測中檢測到存在MAC任務時即進入MAC狀態機處理MAC任務，使耗時較多的數據搬移放到了MAC狀態機中去執行，很好地解決了原始方案中子幀中斷耗時長的問題。但在操作系統任務繁多時，子幀中斷中激活的MAC任務并不會立即得到執行，而是在操作系統中排隊等待。由于子幀中斷規劃的MAC任務要求很強的實時性，長時間的排隊等待將使得MAC任務被延遲執行，最終導致消息不能實時發送，所以該方案也缺乏實時性。

3.2 子幀中斷處理改進方案2

(1)利用子幀中斷處理函數INT_Schedule完成以下操作：

①激活高級中斷HISR。

②跳出子幀中斷服務函數。

(2)利用高優先級中斷服務函數HISR_Schedule完成以下操作：

①同步。進入INT_Schedule后，MAC首先讀取當前幀號和子幀號并保存至本地使用。

②狀態選擇。在同步之后，MAC根據當前狀態進入狀態分支。

③任務執行判斷。在進入MAC當前狀態分支后，MAC將之前規劃的待發送消息的發送幀號和子幀號與當前幀號和子幀號對比，如果相等轉入步驟(4)；如果不相等，轉入步驟(5)。

④發送消息。如果此時滿足了發送消息的條件，MAC立即組裝原語直接發送給物理層。

⑤跳出HISR服務函數。

由于該方案的子幀中斷只占用一個激活高優先級中斷的時間，使得子幀中斷的時間變得非常短，滿足了子幀中斷快速跳出的特性。高優先級中斷的優先級別比一般任務高，在激活HISR后，在操作系統循環檢測中將優先處理HISR進入HISR_Schedule函數，把消息發送至物理層，使該方案避免了任務隊列的等待時間，有效滿足了MAC任務的實時性。圖4為改進的HISR中斷服務函數示意圖。

圖5是子幀中斷優化方案2的示波器截圖，圖中通道3波形為子幀中斷，通道1高電平為MAC層處理消息時需要耗費時間長度(為465μs)。從圖5中可以看出，子幀中斷的時間非常的短，幾乎可以忽略不計。而在子幀中斷結束時，MAC任務被很快地得到了執行，說明HISR的改進方案使得MAC層任務優先得到了執行。

本文給出了TD-LTE系統中MAC層子幀調度和子幀中斷函數的實現機制。通過示波器測出MAC層與物理層之間消息處理的時間偏移，提出子幀調度方案，并驗證了其正確性；通過幾個子幀中斷函數的比較，找到了運用HISR設計子幀中斷函數的最佳方案，并得到了最佳的效果。最后通過板級調試驗證了本設計方案具有較強的獨立性和實時性，優化了系統資源利用率，實現了任務中斷與任務調度的高強度反復的穩定性。

[1]陳燕燕.LTE基站MAC-PHY API接口的設計和實現[D].北京：北京郵電大學，2011.

[2]李小文，李貴勇，陳賢亮，等.TD-SCDMA第三代移動通信系統、信令及實現[M]．北京：人民郵電出版社，2003：402-405.

[3]李小文，肖壘.應用 RTOS的TD-LTE無線綜測儀的實現[J].自動化儀表，2012，33(2)：25-28.

[4]道理.Nucleus體系結構分析及應用研究[D].長沙：中南大學，2007.

[5]管武.基于ARM的嵌入式測控平臺的設計及實現[D].上海：上海大學，2008.

[6]魏振華，洪炳熔，喬永強，等.嵌入式實時操作系統 Nucleus中線程控制部件的實現方法[J].計算機應用研究，2003，20(4)：97-99.