并行处理技术在通信系统中的应用研究

摘要

随着移动通信技术的突飞猛进，基于专门硬件实现的通信设备因其功能单一，出现了通信标准和系统之间不兼容以及升级困难等问题。软件无线电技术采用软件实现无线通信算法，可以灵活的将不同的通信系统在一个通用的硬件平台上实现，但是传统上的软件无线电平台是利用FPGA或DSP等可编程器件进行高速信号处理，其开发难度大，周期长。近年来，基于通用处理器(GPP)的软件无线电平台由于开发难度低并且易于升级等特点为软件无线电的发展提供新方向。但是，目前GPP并不是专为无线信号处理设计，因此基于GPP的软件无线电开发很难满足实时性需求。为此，本文采用计算机领域中高性能计算技术，基于多核处理器和图形处理器的并行处理技术来加速通信系统中典型基带信号的处理速度。这样可以从根本上突破计算瓶颈，使基于GPP的软件无线电平台开发继续向前迈进了一步。
　　本文依托国家科技重大专项三，基于TD-LTE的高速铁路宽带通信的关键技术研究与应用验证，展开了对LTE系统中典型基带算法进行并行处理研究，并设计实现基于多核平台和GPU平台的并行通信算法。
　　论文的主要工作可以归纳为以下几个方面:
　　第一，针对MATLAB仿真平台仿真速度慢的问题，本文提出基于IT++软件平台进行通信系统的建模、分析和设计。并成功搭建基于IT++软件开发平台的LTE下行链路仿真平台，分析查找LTE系统中耗时基带算法。
　　第二，以4核心CPU为硬件平台、Microsoft Visual Studio2010为软件环境，使用C语言搭建基于OpenMP共享存储模型和基于Win32 API的多核并行处理技术的并行计算开发平台。
　　第三，在搭建的并行计算平台上面分别设计实现多核并行FFT算法，多核并行Vitebi译码算法，并对性能指标加速比进行测试分析，最终加速比接近4。
　　第四，以Gtx660为硬件开发平台，搭建基于CUDA的GPU并行计算平台，并以Fourier矩阵乘法的方法设计特定需求下的多线程IDFT算法，最终加速增益在187倍左右。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 LTE的发展背景及技术特征

1．2 LTE系统面临的问题

1．3 并行处理技术

1．3．1 多核并行技术

1．3．2 GPU并行技术

1．4 论文安排

2 并行数据处理技术

2．1 多核并行计算技术

2．1．1 多核CPU硬件架构介绍

2．1．2 SMT与超线程技术

2．1．3 加速性能参数

2．1．4 基于Win32 API的多线程编程

2．1．5 基于OpenMP的多线程编程

2．2 GPU并行计算技术

2．2．1 系统需求配置

2．2．2 CUDA运算平台

2．2．3 CUDA编程模型

2．3 本章小结

3 搭建基于IT++的LTE下行链路级仿真平台

3．1 LTE下行链路级仿真概述

3．2 基带信号的编码与交织

3．2．1 CRC校验

3．2．2 码块分割

3．2．3 速率匹配

3．3 加扰和调制

3．3．1 信号加扰

3．3．2 信号调制

3．4 时隙结构和物理资源映射

3．4．1 无线帧结构

3．4．2 资源栅格和资源粒子

3．5 OFDM系统处理

3．6 基于IT++的LTE链路仿真平台

3．6．1 IT++平台仿真LTE研究意义

3．6．2 IT++软件平台简介

3．6．3 搭建IT++软件平台

3．6．4 IT++平台下LTE链路仿真参数设计

3．6．5 仿真性能分析

3．7 本章小结

4 常用基带算法并行设计与实现

4．1 多核并行处理FFT算法

4．1．1 DFT算法

4．1．2 DIT的基-2 FFT算法

4．1．3 多核并行FFT处理

4．1．4 性能评估

4．2 多核Viterbi译码算法

4．2．1 咬尾卷积编码

4．2．2 Viterbi译码算法原理

4．2．3 多核并行Viterbi译码算法

4．2．4 性能评估

4．3 GPU和多核分别实现OFDM模块

4．3．1 Fourier矩阵方式实现IFFT

4．3．2 串行执行IFFT算法

4．3．3 多核并行IDFT算法

4．3．4 GPU实现IDFT算法

4．3．5 性能评估

4．4 本章小结

5 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

作者简历

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