為了加速TD-LTE(Long Term Evolution)在中國的全面成長和產(chǎn)業(yè)鏈的的形成，2011年我國啟動了“新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)”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(fā)”的基礎(chǔ)上,，對TD-LTE網(wǎng)絡(luò)端 MAC(Medium Access Control)調(diào)度的實現(xiàn)。目前關(guān)于MAC層的文獻(xiàn)有不少,，但大都局限于簡單的協(xié)議研究和設(shè)計[1],。在協(xié)議棧里所有的數(shù)據(jù)都需要通過MAC層的調(diào)度才能走向空中接口和時間軸上，MAC層是實現(xiàn)實時性和調(diào)度機制的樞紐[2],，所以設(shè)計MAC層子幀調(diào)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(huán)檢測當(dāng)前執(zhí)行任務(wù)或高級中斷的封閉循環(huán)，僅當(dāng)有中斷到達(dá),、未處理任務(wù)設(shè)置或復(fù)位時才跳出循環(huán),。主控程序首先檢測當(dāng)前是否有高優(yōu)先級中斷被激活，如果有,，則跳出循環(huán)進(jìn)入高優(yōu)先級中斷處理服務(wù)函數(shù),；如果沒有，則繼續(xù)檢測當(dāng)前是否有未處理激活任務(wù),。如果有未處理激活任務(wù),，則轉(zhuǎn)入任務(wù)處理模塊；如果沒有,，則返回繼續(xù)檢測,。
    TD-LTE系統(tǒng)為每層設(shè)置狀態(tài)機入口函數(shù),函數(shù)設(shè)計為一個死循環(huán)。函數(shù)從相應(yīng)層隊列中接收消息,，根據(jù)當(dāng)前不同狀態(tài)進(jìn)入相應(yīng)消息處理函數(shù)[4],；最后將承載消息內(nèi)存釋放，依次循環(huán),，直到隊列為空時掛起當(dāng)前任務(wù),，跳出循環(huán)，返回操作系統(tǒng),。圖1為MAC狀態(tài)機入口函數(shù)的處理機制,。在隊列中所有消息接收完成后，系統(tǒng)將在隊列中掛起MAC任務(wù),，返回操作系統(tǒng)主控程序[5],。

2 MAC調(diào)度
    根據(jù)TD-LTE整體硬件設(shè)計，經(jīng)過實際調(diào)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(diào)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465 μs),；通道2高電平為DSP和FPGA處理消息所消耗時間(為882 μs),。總時間為1 347 μs,。所以MAC層必須提前2子幀配置消息,， MAC調(diào)度設(shè)計方案[6]才能得到實現(xiàn)。
    在代碼實現(xiàn)中,，MAC調(diào)度器維護(hù)一個消息發(fā)送標(biāo)志數(shù)組assignment_flag[i][j],，其中,，0&le;i<10，0&le;j<1 023,。數(shù)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(diào)度時刻只允許發(fā)送一個任務(wù)，因此在第j幀的第i子幀有消息發(fā)送任務(wù)被配置后,，assignment_flag[i][j]被置1,。每當(dāng)有新消息被調(diào)度發(fā)送時，任務(wù)調(diào)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(fā)送至物理層。如圖3所示,，設(shè)在第39幀的子幀9收到RLC層新數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù),，p_assignment_flag指針繼續(xù)向后查詢，可得第40幀中第3子幀無發(fā)送任務(wù),。調(diào)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(fā)送至物理層,。

3 MAC子幀中斷服務(wù)函數(shù)
    子幀中斷信號由FPGA提供,，每1 ms觸發(fā)1次中斷，MAC層的任務(wù)調(diào)度將通過子幀中斷觸發(fā),。當(dāng)每1 ms的子幀中斷到達(dá)時,，子幀中斷觸發(fā)MAC層進(jìn)入子幀中斷服務(wù)函數(shù)INT_Schedule。下面是子幀中斷服務(wù)函數(shù)INT_Schedule的實現(xiàn)方案,。
    (1)同步,。進(jìn)入INT_Schedule函數(shù)讀取當(dāng)前幀號和子幀號并保存至本地,，以達(dá)到本地與硬件計數(shù)同步,。
    (2)狀態(tài)選擇。在同步之后,，根據(jù)MAC當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)入狀態(tài)分支,。
    (3)任務(wù)執(zhí)行判斷。在進(jìn)入MAC當(dāng)前狀態(tài)分支后,，調(diào)度器將規(guī)劃的待發(fā)送消息的發(fā)送幀號和子幀號與當(dāng)前幀號和子幀號對比,，如果相等則轉(zhuǎn)入步驟(4)；如果不相等,，則跳出狀態(tài)分支,，轉(zhuǎn)入步驟(5),。
    (4)消息發(fā)送。進(jìn)入原語組裝函數(shù),，組裝原語直接發(fā)送給物理層,。
    (5)跳出子幀中斷服務(wù)函數(shù)。
    此方案的處理方法比較簡潔,，在消息數(shù)據(jù)量非常小時具有可執(zhí)行性,。但隨著數(shù)據(jù)量逐漸增大，MAC組裝原語的數(shù)據(jù)搬移時間也隨之變長,。MAC層處理消息時間為465 &mu;s,，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(yōu)先級中斷無法響應(yīng),。更加嚴(yán)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(yīng),，使得TD-LTE系統(tǒng)無法正常運行，所以該方案缺乏可執(zhí)行性,。為此,，對該方案進(jìn)行以下改進(jìn)。
3.1 子幀中斷處理改進(jìn)方案1
    (1)同步,。進(jìn)入INT_Schedule后,，MAC首先讀取當(dāng)前幀號和子幀號并保存至本地使用。
    (2)狀態(tài)選擇,。在同步之后,，MAC根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)入狀態(tài)分支。
    (3)任務(wù)執(zhí)行判斷,。在進(jìn)入MAC當(dāng)前狀態(tài)分支后,，MAC將之前規(guī)劃的待發(fā)送消息的發(fā)送幀號和子幀號與當(dāng)前幀號和子幀號對比，如果相等則轉(zhuǎn)入步驟(4),；否則轉(zhuǎn)入步驟(5),。
    (4)發(fā)送消息。向MAC隊列發(fā)送一條消息,，消息體為空,，消息頭附帶所要發(fā)送的原語ID，激活一個MAC任務(wù),。
    (5)跳出子幀中斷服務(wù)函數(shù),。
    由于發(fā)送隊列所占用的時間特別短，子幀中斷服務(wù)函數(shù)很快結(jié)束跳出中斷,。該方案巧妙地將發(fā)送原語交至操作系統(tǒng)執(zhí)行,，操作系統(tǒng)在循環(huán)檢測中檢測到存在MAC任務(wù)時即進(jìn)入MAC狀態(tài)機處理MAC任務(wù),，使耗時較多的數(shù)據(jù)搬移放到了MAC狀態(tài)機中去執(zhí)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(tǒng)任務(wù)繁多時,，子幀中斷中激活的MAC任務(wù)并不會立即得到執(zhí)行，而是在操作系統(tǒng)中排隊等待,。由于子幀中斷規(guī)劃的MAC任務(wù)要求很強的實時性,，長時間的排隊等待將使得MAC任務(wù)被延遲執(zhí)行，最終導(dǎo)致消息不能實時發(fā)送,，所以該方案也缺乏實時性,。
3.2 子幀中斷處理改進(jìn)方案2
    (1)利用子幀中斷處理函數(shù)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(wù)函數(shù),。
    (2)利用高優(yōu)先級中斷服務(wù)函數(shù)HISR_Schedule完成以下操作：
    ①同步,。進(jìn)入INT_Schedule后，MAC首先讀取當(dāng)前幀號和子幀號并保存至本地使用,。
    ②狀態(tài)選擇,。在同步之后，MAC根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)入狀態(tài)分支,。
    ③任務(wù)執(zhí)行判斷,。在進(jìn)入MAC當(dāng)前狀態(tài)分支后，MAC將之前規(guī)劃的待發(fā)送消息的發(fā)送幀號和子幀號與當(dāng)前幀號和子幀號對比,，如果相等轉(zhuǎn)入步驟(4),；如果不相等，轉(zhuǎn)入步驟(5),。
    ④發(fā)送消息,。如果此時滿足了發(fā)送消息的條件，MAC立即組裝原語直接發(fā)送給物理層,。
    ⑤跳出HISR服務(wù)函數(shù),。
    由于該方案的子幀中斷只占用一個激活高優(yōu)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(yōu)先級中斷的優(yōu)先級別比一般任務(wù)高，在激活HISR后,，在操作系統(tǒng)循環(huán)檢測中將優(yōu)先處理HISR進(jìn)入HISR_Schedule函數(shù),，把消息發(fā)送至物理層,，使該方案避免了任務(wù)隊列的等待時間,，有效滿足了MAC任務(wù)的實時性。圖4為改進(jìn)的HISR中斷服務(wù)函數(shù)示意圖,。

    圖5是子幀中斷優(yōu)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465 &mu;s)。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(jié)束時,，MAC任務(wù)被很快地得到了執(zhí)行,，說明HISR的改進(jìn)方案使得MAC層任務(wù)優(yōu)先得到了執(zhí)行。

    本文給出了TD-LTE系統(tǒng)中MAC層子幀調(diào)度和子幀中斷函數(shù)的實現(xiàn)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(diào)度方案，并驗證了其正確性,；通過幾個子幀中斷函數(shù)的比較,，找到了運用HISR設(shè)計子幀中斷函數(shù)的最佳方案，并得到了最佳的效果,。最后通過板級調(diào)試驗證了本設(shè)計方案具有較強的獨立性和實時性,，優(yōu)化了系統(tǒng)資源利用率，實現(xiàn)了任務(wù)中斷與任務(wù)調(diào)度的高強度反復(fù)的穩(wěn)定性,。
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