论文总字数：32088字

摘 要

从上世纪末第一代移动通信技术（1G）发展开始，如今第四代移动通信技术（4G）已经得到了广泛的应用，但随着物联网等一系列新概念的提出，要求未来的无线通信系统能够承受足够多的移动终端数量和拥有更大的系统容量，目前的4G技术无法满足未来这些新的需求，这促使第五代移动通信技术（5G）的研究，而大规模MIMO作为5G关键技术之一，能够进一步提高空间资源利用率和系统的吞吐量。但是大规模MIMO在带来显著优点的同时也带来了新的挑战，其中之一是巨大数据的实时处理能力。本文以大规模分布式MIMO系统为模型，主要以基站端为考虑角度，分析了多核CPU技术在该模型中的实现数据处理实时性的关键作用。

本文第一章主要从研究背景角度开始介绍，简要地概括MIMO技术，最后给出大规模分布式MIMO技术研究现状以及本文的主要研究内容和安排。

本文第二章主要从基于GPP的5G通信试验系统模型介绍切入，分析了软件无线电的优势，然后阐述了系统模型的构造，并给出了系统的相关参数和数据帧结构。

本文第三章主要研究了基于GPP的大规模MIMO试验系统中多核CPU计算技术的嵌入与实现过程，本章从CPU的架构，并行运算过程所涉及的内存管理与操作以及cache等方面分析了他们对多核系统性能的影响，并基于前面内容，对利用了DPDK库开发的系统的整个流程与架构进行了详细的阐述

关键词：5G，分布式大规模MIMO，通用处理器，并行计算，DPDK

Abstract

Since the development of the first generation of mobile communication technology (1G) at the end of the last century, the fourth-generation mobile communication technology (4G) has now been widely used. With the introduction of a series of new concepts such as the Internet of Things, new requirements are came up with. The future communication system need to hold enough number of mobile terminals and have greater capacity. However, 4G technologies cannot meet these requirements in the future. This leads to the research of 5G mobile communication technologies (5G). As a key 5G technology, large-scale MIMO can further improve the utilization of space resources and system throughput. However, large-scale MIMO brings new challenges while bringing significant advantages. One of them is the real-time processing capability of huge data. This thesis takes a large-scale distributed MIMO system as a model, and analyzes the key role of multi-core CPU technology in real-time data processing in the perspective of the base station.

The first chapter of this dissertation is mainly introduced from the perspective of research background, and briefly summarizes MIMO technology. Finally, the research status of large-scale distributed MIMO technology and the main research contents and arrangements of this paper are given.

The second chapter of this thesis mainly introduces the model of GPP-based 5G communication test system, analyzes the advantages of software radio, then elaborates the construction of the system model, and gives the relevant parameters and data frame structure of the system.

The third chapter mainly studies the embedding and implementation process of multi-core CPU computing technology in the GPP-based massive MIMO test system. This chapter analyzes them from the CPU architecture, the memory management and operation involved in the parallel computing process, and the cache. Based on the previous contents, the whole process and architecture of the system will be elaborated.

KEY WORDS: 5G, Distributed Massive MIMO, GPP, Parallel Computation, DPDK

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 论文研究背景 1

1.2 OFDM技术 1

1.3 MIMO技术 2

1.3.1 传统MIMO技术 2

1.3.2 大规模MIMO技术 4

1.3.3 大规模分布式MIMO 系统 5

1.4 课题研究内容及其现状 5

1.5 论文主要研究内容安排 6

第二章 基于GPP的5G通信试验平台概述 7

2.1 软件无线电概述 7

2.2 试验平台系统架构 8

2.3 试验平台系统参数与MAC层数据帧结构 11

2.4 本章小结 13

第三章 5G通信试验平台的实现和系统优化 14

3.1 5G通信试验平台基站端实现概述 14

3.2 多核多线程系统优化 14

3.2.1 多核多线程技术概述 15

3.2.2 多线程的创建 16

3.2.3 多线程引进的问题 17

3.3 DPDK技术与原理 19

3.3.1 大页技术 19

3.3.2 线程独占 20

3.3.3 EAL 20

3.3.4 Ring 21

3.3.5 Mempool和Mbuf 21

3.4 基站端程序架构分析 22

3.4.1 EAL初始化 24

3.4.2 网卡队列配置 26

3.4.3 核间通信管道 27

3.4.4 数据处理内存分配与数据处理过程 28

3.5 本章小结 30

第四章 总结与展望 32

4.1 论文工作总结 32

4.2 论文工作展望 32

致 谢 33

参考文献 34

附录 35

绪论

论文研究背景

自上个世纪末第一代移动通信系统提出来之后，移动通信技术得到不断的提升和改进，由最初的模拟语音信号服务通信到如今的高速数字通信业务，经历了不到半个世纪的时间。而在现阶段的第四代移动通信系统（4G, 4th Generation Mobile Communication System）中，其数据传输速率高达100Mbps，其最大传输带宽也达到20MHz。而随着近几年来智能终端的飞速发展，其数量呈现指数上升趋势，这也就意味着数据业务量的急剧上升，而物联网，智能交通系统，虚拟现实技术等新概念的提出，对现有的移动通信系统的数据吞吐量提出了更高的要求，据估计，至2020年，移动数据业务量将达到目前的1000倍。新的需求与新的挑战使得学者们开始研究第五代移动通信系统（5G, 5th Generation Communication System），并提出采用大规模MIMO技术（Massive MIMO）实现Gbps量级的数据传输速率以实现用户数据业务的极致体验。我国IMT2020-5G推进组在2015年发布的《5G概念白皮书》中明确指出5G的主要应用场景为移动互联网和移动物联网，前者以广覆盖和高容量为主要目标，而后者的特点是低延迟，低功耗和高可靠性^[1]。不同于前四代移动通信技术，5G的创新点如下：

1. 其研究核心为大规模多天线，多小区和多用户之间的通信，旨在综合目前各种技术的深度分析，进一步的提高频谱资源，空间资源和时间资源的利用率， 从而使得系统性能得到大幅度的提升；
2. 以用户体验为发展动力。随着用户各种新兴需求的出现，5G系统要求能够实现虚拟现实交互体验，更低的传输时延以及更高的数据吞吐量；
3. 以软件无线电作为主要的研究平台，使得移动数据业务运营商能够自己调整所调用的硬件资源，有效降低硬件消耗成本和运营成本。
4. 不局限于传统无线通信环境，即大范围的通信覆盖。5G将进一步提高移动数据的覆盖率，将覆盖面积由以室外为主过渡为室外室内全方位连接。这也与毫米波无线通信相辅相成，因为可见光通信也属于毫米波通信范畴之中，故室内可见光通信也是5G的研究方向之一。

OFDM技术

传统的频分复用技术（FDM, Frequency Division Multiplexing）通过频域上对不同子载波的分离达到不同载波之间的正交性的，同时为了防止不同载波之间的干扰加上保护间隔，最终得到如图1-1所示的频谱特性图：

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