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(dòng)了“新一代寬帶無線移動(dòng)通信網(wǎng)”重大專項(xiàng)。本文介紹了在國家重大專項(xiàng)“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(shí)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(jì)[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(shí)間軸上，MAC層是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性和調(diào)度機(jī)制的樞紐[2]，所以設(shè)計(jì)MAC層子幀調(diào)度方案顯得尤為重要。

1 Nucleus操作機(jī)制
    Nucleus主控程序的操作機(jī)制是采用等待檢測機(jī)制[3]，不斷循環(huán)檢測當(dāng)前執(zhí)行任務(wù)或高級(jí)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(shí)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(jí)中斷被激活，如果有，則跳出循環(huán)進(jìn)入高優(yōu)先級(jí)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(jī)入口函數(shù),函數(shù)設(shè)計(jì)為一個(gè)死循環(huán)。函數(shù)從相應(yīng)層隊(duì)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(duì)列為空時(shí)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(jī)入口函數(shù)的處理機(jī)制。在隊(duì)列中所有消息接收完成后，系統(tǒng)將在隊(duì)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(jì)，經(jīng)過實(shí)際調(diào)試，對于不同大小消息，DSP和FPGA處理消息的總時(shí)間為0.8 ms～0.9 ms，ARM處理MAC層消息的總時(shí)間為0.4 ms～0.5 ms。從而得出，消息處理的總時(shí)間為1.2 ms～1.4 ms。圖2為消息在實(shí)際調(diào)試中的處理時(shí)間：示波器通道1高電平為ARM處理消息所消耗時(shí)間(為465 μs)；通道2高電平為DSP和FPGA處理消息所消耗時(shí)間(為882 μs)。總時(shí)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(jì)方案[6]才能得到實(shí)現(xiàn)。
    在代碼實(shí)現(xiàn)中，MAC調(diào)度器維護(hù)一個(gè)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(hào)，列代表幀號(hào)。這樣，assignment_flag[i][j]總共可表示10 240個(gè)子幀時(shí)刻。由于每一調(diào)度時(shí)刻只允許發(fā)送一個(gè)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(shí)，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(shí)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(gè)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(hào)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(shí)，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(shí)現(xiàn)方案。
    (1)同步。進(jìn)入INT_Schedule函數(shù)讀取當(dāng)前幀號(hào)和子幀號(hào)并保存至本地，以達(dá)到本地與硬件計(jì)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(hào)和子幀號(hào)與當(dāng)前幀號(hào)和子幀號(hào)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(shí)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(shí)間也隨之變長。MAC層處理消息時(shí)間為465 &mu;s，從而子幀中斷擴(kuò)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(jí)中斷無法響應(yīng)。更加嚴(yán)重的是，如果子幀中斷時(shí)間大于1 ms，則下一個(gè)子幀中斷也將無法響應(yīng)，使得TD-LTE系統(tǒng)無法正常運(yùn)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(hào)和子幀號(hào)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(hào)和子幀號(hào)與當(dāng)前幀號(hào)和子幀號(hào)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(duì)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(gè)MAC任務(wù)。
    (5)跳出子幀中斷服務(wù)函數(shù)。
    由于發(fā)送隊(duì)列所占用的時(shí)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(shí)即進(jìn)入MAC狀態(tài)機(jī)處理MAC任務(wù)，使耗時(shí)較多的數(shù)據(jù)搬移放到了MAC狀態(tài)機(jī)中去執(zhí)行，很好地解決了原始方案中子幀中斷耗時(shí)長的問題。但在操作系統(tǒng)任務(wù)繁多時(shí)，子幀中斷中激活的MAC任務(wù)并不會(huì)立即得到執(zhí)行，而是在操作系統(tǒng)中排隊(duì)等待。由于子幀中斷規(guī)劃的MAC任務(wù)要求很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，長時(shí)間的排隊(duì)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(shí)時(shí)發(fā)送，所以該方案也缺乏實(shí)時(shí)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(jí)中斷HISR。
    ②跳出子幀中斷服務(wù)函數(shù)。
    (2)利用高優(yōu)先級(jí)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(hào)和子幀號(hào)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(hào)和子幀號(hào)與當(dāng)前幀號(hào)和子幀號(hào)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(shí)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(gè)激活高優(yōu)先級(jí)中斷的時(shí)間，使得子幀中斷的時(shí)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(jí)中斷的優(yōu)先級(jí)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(duì)列的等待時(shí)間，有效滿足了MAC任務(wù)的實(shí)時(shí)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(shí)需要耗費(fèi)時(shí)間長度(為465 &mu;s)。從圖5中可以看出，子幀中斷的時(shí)間非常的短，幾乎可以忽略不計(jì)。而在子幀中斷結(jié)束時(shí)，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(shí)現(xiàn)機(jī)制。通過示波器測出MAC層與物理層之間消息處理的時(shí)間偏移，提出子幀調(diào)度方案，并驗(yàn)證了其正確性；通過幾個(gè)子幀中斷函數(shù)的比較，找到了運(yùn)用HISR設(shè)計(jì)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(jí)調(diào)試驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)方案具有較強(qiáng)的獨(dú)立性和實(shí)時(shí)性，優(yōu)化了系統(tǒng)資源利用率，實(shí)現(xiàn)了任務(wù)中斷與任務(wù)調(diào)度的高強(qiáng)度反復(fù)的穩(wěn)定性。
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