李小文 肖 壘，2

(重慶市移動通信重點實驗室1，重慶 400065;重慶郵電大學通信與信息工程學院2，重慶 400065)

0 引言

隨著我國通信市場需求的進一步增加，現(xiàn)階段對通信前沿技術的研究呈現(xiàn)迅速增長的態(tài)勢，與此同時，公眾對通信軟件服務質(zhì)量的要求也越來越嚴格。這使得人們對通信軟件的實時性、可靠性要求越來越高，從而催生了通信行業(yè)對新一代無線通信系統(tǒng)的研究與開發(fā)。

在2011年世界移動通信大會上，4 G網(wǎng)絡的發(fā)展成為各界關注的焦點，TD產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟已將重點放在TDLTE端到端的產(chǎn)業(yè)鏈成果上。由此可以預測，日后通信行業(yè)對TD-LTE產(chǎn)品的測試擁有極大的潛在需求。在對TD-LTE終端綜合測試儀的設計過程中，采用了Nucleus操作系統(tǒng)。Nucleus PLUS是由美國ATI公司開發(fā)設計的實時操作系統(tǒng)(real-time operating system，RTOS)嵌入式產(chǎn)品，它是一種實時、搶占、多任務內(nèi)核，被應用于有強實時性要求的應用領域。由于RTOS中大約95%的程序由ANSI C編寫，所以非常便于移植，現(xiàn)已被廣泛應用于通信、航天航空、自動化控制和國防等領域［1］。TD-LTE終端綜合測試儀目前已經(jīng)進入試驗階段，正式產(chǎn)品已在2011年4月底完成。

1 Nucleus PLUS簡介

Nucleus PLUS操作系統(tǒng)是目前應用較為廣泛的操作系統(tǒng)之一，其核心區(qū)代碼不超過20 kB。它采用軟件組件的方法，每個組件可以完成特定的功能。組件通常由使用C或匯編語言編寫的模塊組成，為外部應用程序提供清晰的接口。Nucleus PLUS不但提供源程序代碼，且具有性價比高、易學易用、功能模塊豐富等特點［2］。

Nucleus PLUS系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示。

從圖1可知，Nucleus PLUS開發(fā)平臺提供多種模塊，用戶僅需編寫任務模塊和中斷服務程序(interrupt service routines，ISR)，然后利用各模塊接口獲取相應服務，由Nucleus PLUS操作系統(tǒng)調(diào)度多個用戶任務并行運行，從而共享系統(tǒng)資源。Nucleus PLUS根據(jù)優(yōu)先級和時間片調(diào)度各任務分時、分優(yōu)先級地占用系統(tǒng)資源，各任務間通過郵箱、隊列或管道進行通信，使用信號量、事件組和信號進行同步與互斥。同時，Nucleus PLUS提供分區(qū)內(nèi)存和動態(tài)內(nèi)存兩種存儲器管理機制，并提供定時器，用于處理周期性事件、任務超時［3］。

2 TD-LTE無線綜測儀簡介

TD-LTE終端綜合測試儀可以實現(xiàn)TD-LTE系統(tǒng)下行物理通道發(fā)生、呼叫建立、釋放和尋呼、上下行功率控制等多種功能。其主要用來精確測量TD-LTE終端的各種射頻指標，可模擬TD-LTE基站、無線網(wǎng)絡控制器(radio network controller，RNC)和核心網(wǎng)的信令功能，測試TD-LTE終端在多種狀態(tài)下的性能指標。TD-LTE終端綜合測試儀廣泛應用于TD-LTE終端的設計、研發(fā)、生產(chǎn)、認證以及維修等領域。

TD-LTE終端綜合測試儀能對被測終端發(fā)起如頻率誤差(error of frequency，F(xiàn)OE)、誤差向量幅度(error vector magnitude，EVM)、比特誤碼率(bit error rate，BER)和塊誤碼率(block error ratio，BLER)等各種基本測量，進行射頻(radio frequency，RF)工作模式、串行數(shù)據(jù)處理等模式的設置，以及實現(xiàn)小區(qū)激活、去激活和重配置等。它為出廠終端設備的檢測提供了最直觀的測試方式，同時也為TD-LTE終端設備的開發(fā)提供了極大的便利。TD-LTE終端綜合測試儀對出廠終端進行測量的基本方式如圖2所示。

圖2中，TD-LTE終端綜合測試儀模擬網(wǎng)絡端對終端進行測試。為防止測試中測試信號外泄對正常無線信號造成干擾，測試中需使用專用的測試線將被測終端連接至測試儀表。綜測儀前端面板可簡單劃分為顯示和控制兩個區(qū)域。顯示區(qū)域用來顯示測試結(jié)果，如測試波形、圖形等;控制區(qū)域用來配置并發(fā)送測試命令，如開機請求、小區(qū)激活請求和測量請求等指令。在測試中，還需將測試用計算機與綜測儀相連，從而更詳細地顯示或者處理得到的各種測試數(shù)據(jù)［4－5］。

3 系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)任務劃分

系統(tǒng)任務的劃分是實時通信系統(tǒng)設計中最關鍵的一步，只有合理地劃分各任務，系統(tǒng)的設計才能得到簡化，同時也使后續(xù)的調(diào)試更為方便。如任務劃分不恰當，則系統(tǒng)硬件的設計和軟件的調(diào)試會存在較大困難，系統(tǒng)甚至會出現(xiàn)致命的錯誤。在對TD-LTE終端測試儀表軟件部分進行設計中，根據(jù)不同的功能實現(xiàn)特點，系統(tǒng)被劃分為八個任務［6］，它們分別是PDN網(wǎng)關(PDN-gateway，PGW)、業(yè)務網(wǎng)關(service-gateway，SGW)、增強型會話管理(EPS session management，ESM)、增強型移動性管理(EPS mobility management，EMM)、無線資源控制(radio resource control，RRC)、分組數(shù)據(jù)匯聚(packet data convergence protocol，PDCP)、無線鏈路控制(radio link control，RLC)以及媒體接入控制(medium access control，MAC)。任務共有執(zhí)行、就緒、掛起、停止和完成這五個不同狀態(tài)屬性，但任何任務只能處于其中一種狀態(tài)。在多任務系統(tǒng)中，只有在競爭到系統(tǒng)資源的情況下任務才能得到執(zhí)行。任務擁有的資源情況是不斷被改變的，因此，任務的狀態(tài)也不斷隨之變化。

任務的優(yōu)先級代表該任務對工作內(nèi)容的優(yōu)先程度。Nucleus PLUS實時操作系統(tǒng)可提供基于任務優(yōu)先級的搶占式調(diào)度，它提供0～255共256個不同的優(yōu)先級，0代表最高優(yōu)先級，255代表最低優(yōu)先級。對于重要的任務，可賦予較高的優(yōu)先級;反之亦然。在該系統(tǒng)的實現(xiàn)過程中，通過整體分析，考慮到越底層的處理需要越高的優(yōu)先級。因此，對各任務優(yōu)先級分配如下:MAC的優(yōu)先級分配為40，RLC的優(yōu)先級分配為50，PDCP的優(yōu)先級分配為60，RRC的優(yōu)先級分配為70，EMM的優(yōu)先級分配為80，ESM的優(yōu)先級分配為90，SGW的優(yōu)先級分配為100，PGW的優(yōu)先級分配為110。

3.2 任務間通信

Nucleus PLUS實時操作系統(tǒng)提供任務間同步、互斥以及通信機制。在對該系統(tǒng)進行設計時，各任務不是相互獨立的，它們之間存在各種聯(lián)系。因此，必須處理好任務間通信，才能使系統(tǒng)達到最佳的使用效率，避免發(fā)生死鎖甚至崩潰等災難性后果。

在系統(tǒng)設計過程中，使用消息隊列實現(xiàn)消息間通信。消息隊列由消息隊列控制塊統(tǒng)一進行管理，系統(tǒng)可以動態(tài)地分配或回收消息隊列控制塊。當一個消息被創(chuàng)建以后，Nucleus PLUS內(nèi)核將會為其分配一個唯一的隊列控制塊(queue control block，QCB)和標志，同時分配消息存儲緩沖區(qū)、一個或多個任務等待列表等。消息隊列的創(chuàng)建者可通過接口程序設置隊列長度與最大消息長度。一個任務包括兩個列表:發(fā)送任務等待列表和接收任務等待列表。僅當消息隊列為空時，才開始填充接收任務等待列表;同樣地，僅當消息隊列為滿時，才開始填充發(fā)送任務等待列表［7］。

任務在等待一個空隊列時會被掛起，同樣地，當任務試圖發(fā)送一個消息到滿隊列中時也會被掛起。圖3通過RRC隊列簡單展示了隊列通信的基本原理。根據(jù)系統(tǒng)前期設計，對應八個任務創(chuàng)建了八個消息隊列，隊列長度為30(可存儲30條不同消息)，消息最大長度為1(只需存儲消息首地址)。用戶創(chuàng)建RRC隊列后，該隊列處于空狀態(tài)，此時EMM、PDCP、RLC和MAC等任務都可以將消息發(fā)送至RRC隊列而無需等待。當RRC隊列中存滿30條消息后，隊列即被存滿，無空間接收其他消息，所以圖3中任務EMM與任務MAC將會進入發(fā)送等待隊列而被掛起。同時，對于該隊列進行接收的任務RRC，可以從隊列中取出相應消息，當隊列中的消息個數(shù)為0時，接收任務RRC即被掛起，直到隊列中又存儲了消息。

圖3 消息隊列示意圖Fig.3 Sketch map of message queue

3.3 內(nèi)存管理

內(nèi)存分配組件負責管理Nucleus PLUS所有的內(nèi)存設備。在對系統(tǒng)設計時，根據(jù)實際需要為它分配五個內(nèi)存池，每個內(nèi)存池中包括一定數(shù)目的、固定大小的內(nèi)存單元，分別為52 B、140 B、352 B、2000 B 和60000 B，適用于不同的內(nèi)存需求。當任務申請內(nèi)存時，系統(tǒng)首先檢查其合法性，對于合法的內(nèi)存申請，系統(tǒng)選擇對應內(nèi)存池并按照先后順序分配固定大小內(nèi)存單元，同時在該內(nèi)存池中進行相應記錄［8］。

任務MAC需要申請40 B的內(nèi)存空間，系統(tǒng)根據(jù)MAC該次申請的內(nèi)存大小(0＜40＜52)選擇對應的內(nèi)存池PM_POOL_1。緊接著，根據(jù)可用首地址(Pm_available_list)中存儲的地址值(指針(N+1))，系統(tǒng)將編號為(N+1)的內(nèi)存單元分配給MAC任務，并將該內(nèi)存單元中的地址(N+1)設置為空，此時可用首地址中存儲的就是下一個未分配的內(nèi)存單元N的首地址(指針N)，并標記了該內(nèi)存空間的使用情況。當RRC任務需要釋放內(nèi)存單元時，只需將該內(nèi)存單元的首地址(指針M)告知系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)存池標示 PM_POOL_1知道該單元屬于內(nèi)存池1;然后將該內(nèi)存單元的地址域(空)設置為可用首地址中的值(指針N)，同時將可用首地址的值設置為該內(nèi)存單元的首地址(指針M)，即說明該內(nèi)存單元可以被再次使用。

內(nèi)存申請與釋放的基本步驟如圖4所示。

圖4 內(nèi)存申請與釋放Fig.4 Allocation and release of memory

3.4 任務調(diào)度

根據(jù)在運行過程中能否響應中斷的情況，可將任務分為搶占式調(diào)度和非搶占式調(diào)度。Nucleus PLUS操作系統(tǒng)提供基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度，同時也提供基于時間片的輪轉(zhuǎn)調(diào)度。時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度是指當同優(yōu)先級的多個就緒任務，需要根據(jù)就緒的先后順序，分配一定的時間片給先就緒的任務，運行完后再執(zhí)行后就緒的任務。在測試儀表軟件的實現(xiàn)中并未定義同優(yōu)先級的任務，所以只需利用操作系統(tǒng)提供的基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度［9－10］。

基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度過程如圖5所示。在系統(tǒng)運行后，任務RRC需占用系統(tǒng)資源，此時CPU未被任何其他任務占用，申請被允許。任務RRC執(zhí)行完成后，向任務PDCP發(fā)送相關處理指令，任務PDCP接收到該指令后需申請相應資源，系統(tǒng)根據(jù)資源占用情況分配一定資源給 PDCP，觸發(fā)其進行處理。在任務PDCP的執(zhí)行過程中，優(yōu)先級高的任務MAC需要占用系統(tǒng)資源，系統(tǒng)將PDCP掛起，并運行就緒的MAC任務，直到MAC運行完成后才開始執(zhí)行掛起的任務PDCP。在PDCP執(zhí)行的過程中，任務EMM需占用系統(tǒng)資源進行處理，但由于其優(yōu)先級低于正在執(zhí)行的任務，所以必須等待;當PDCP執(zhí)行完成后，系統(tǒng)才開始EMM任務的處理。

圖5 任務調(diào)度Fig.5 Task scheduling

圖5中，當EMM任務執(zhí)行完成后，它會向ESM任務發(fā)送一個處理信號，要求ESM任務進行處理。此時若系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)并無優(yōu)先級高的任務調(diào)用資源，則任務ESM開始執(zhí)行。經(jīng)過一段時間，優(yōu)先級較高的PDCP任務需要占用資源，系統(tǒng)將使用權交給任務PDCP，而在其執(zhí)行過程中，優(yōu)先級更高的RLC任務需要調(diào)用系統(tǒng)資源，此時系統(tǒng)將使用權交給任務RLC，然后交還給掛起的任務PDCP與任務ESM。任務調(diào)用過程完成后，系統(tǒng)掛起所有任務。

3.5 整體體設計

在底層硬件支持、射頻發(fā)射模塊以及應用層實現(xiàn)的基礎上，結(jié)合系統(tǒng)軟件部分，就可以完全實現(xiàn)TDLTE終端綜合測試儀。綜測儀的整體設計如圖6所示。

圖6 整體設計圖Fig.6 Overall design

圖6中，當綜測儀開機后，首先對底層硬件、射頻發(fā)射模塊以及應用層相關組件進行初始化，然后對操作系統(tǒng)進行初始化，包括隊列、應用以及匯編初始化。應用層初始化部分是重點，它由用戶自行設計，大體上包括地址分配、串口和終端初始化、任務創(chuàng)建、定時器創(chuàng)建及其初始化。

如前所述，根據(jù)綜測儀的設計，在創(chuàng)建任務時創(chuàng)建了八個不同的任務，其都由Nucleus PLUS操作系統(tǒng)進行調(diào)度并共享系統(tǒng)資源。當綜測儀開機完成后，測試人員可通過人機操作界面發(fā)送請求。該請求通過中斷的方式告知給Nucleus PLUS操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)資源使用情況分配相應的資源給任務PGW，從而及時處理人機接口下發(fā)的請求。任務PGW將處理產(chǎn)生的消息發(fā)送至相應隊列(SGW隊列)，觸發(fā)SGW任務執(zhí)行相應操作，此時操作系統(tǒng)又將分配相應資源給SGW任務使用CPU。如此循環(huán)往復，直到將消息(需要對被測終端進行操作)通過射頻模塊發(fā)送出去或觸發(fā)(配置綜測儀)綜測儀本身進行相應動作。

4 結(jié)束語

本文所設計的系統(tǒng)采用了實時多任務操作系統(tǒng)Nucleus PLUS。首先利用其任務分配機制將系統(tǒng)劃分成不同功能的多個任務，且不同的任務擁有不同的優(yōu)先級，高優(yōu)先級任務優(yōu)先占用系統(tǒng)資源;然后利用內(nèi)存分配機制為占用資源的任務分配合理空間，同時通過隊列實現(xiàn)各任務間的通信。對比于其他單任務操作系統(tǒng)，采用該實時操作系統(tǒng)既可以滿足通信軟件對實時性和可靠性的高要求，又方便了系統(tǒng)調(diào)試。這種實現(xiàn)方案對其他類似的應用場合同樣具有一定的啟示作用。

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