專利名稱：無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，尤其涉及上述網(wǎng)絡(luò)中傳輸和處理無(wú)線分組的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)的急速發(fā)展和互相融合，基于分組的高速無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)成為通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的主要部分，未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)既要求高的分組處理性能也要求靈活多樣的無(wú)線通信協(xié)議支持，而當(dāng)前的通用中央處理器(CPU)加軟件或者專用集成電路(ASIC)方式都很難同時(shí)滿足這兩種要求，新近出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)處理器(Network Processor，NP)技術(shù)是針對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可編程體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分組網(wǎng)絡(luò)處理硬件優(yōu)化，滿足了有線網(wǎng)絡(luò)中分組協(xié)議處理的高性能和高靈活性要求。但現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)處理器主要用于有線網(wǎng)絡(luò)的分組傳輸，特別是核心網(wǎng)絡(luò)的傳輸，其結(jié)構(gòu)和方法針對(duì)無(wú)線分組網(wǎng)絡(luò)傳輸沒(méi)有考慮無(wú)線信道容量變化的對(duì)分組處理的影響和無(wú)線鏈路層特性，最近有人提出采用網(wǎng)絡(luò)處理器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)邊緣的智能處理和無(wú)線核心網(wǎng)絡(luò)的分組處理，但都還沒(méi)有考慮無(wú)線網(wǎng)絡(luò)空中接口的分組處理。本發(fā)明已經(jīng)注意到下面三個(gè)已公布的發(fā)明專利1“VLSI network processor and methods”，美國(guó)專利號(hào)US6,766,38I，InternationalBusiness Machines Corporation；2“Network processor processing complex and methods”，美國(guó)專利號(hào)US6,769,033，International Business Machines Corporation；3“High-performance network processor”，美國(guó)專利號(hào)US6,778,534，E.Z.ChipTechnologies Ltd.；在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的脈絡(luò)上，一直主要考慮的是如何提高物理層傳輸速率問(wèn)題，主要采用定制邏輯處理物理層算法，而高層協(xié)議相對(duì)簡(jiǎn)單，一般基于嵌入式CPU或者通用CPU，即通過(guò)在CPU上運(yùn)行相關(guān)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)各種無(wú)線協(xié)議處理，隨著幾乎爆炸性增長(zhǎng)的無(wú)線接入互聯(lián)網(wǎng)需求和對(duì)分組無(wú)線傳輸?shù)母咄掏潞蛷?fù)雜服務(wù)質(zhì)量(QoS)處理要求，如何高效結(jié)合無(wú)線傳輸和IP分組傳輸成了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問(wèn)題，盡管CPU方式通過(guò)更新軟件，可以很方便地完善原有功能或加入新的功能和服務(wù)特性，但其缺點(diǎn)是處理速度慢、吞吐率低和功率效率低。隨著各種無(wú)線傳輸技術(shù)的進(jìn)步，網(wǎng)絡(luò)帶寬和協(xié)議處理復(fù)雜度的增長(zhǎng)速度逐漸超過(guò)了CPU處理能力的增長(zhǎng)速度，而且這種差距有著進(jìn)一步加大的趨勢(shì)(如超寬帶(UWB)已經(jīng)可以傳輸吉比特級(jí)數(shù)據(jù)，無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)也已經(jīng)達(dá)到數(shù)百兆比特每秒)。這使得帶寬不再是網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，而基于軟件的節(jié)點(diǎn)設(shè)備則逐漸變成了網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。
針對(duì)未來(lái)基于分組的寬帶無(wú)線基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，以及正在快速增長(zhǎng)的移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)(MANET)，無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(SensorNetworks)，未來(lái)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是具有多種無(wú)線接口的分組處理和應(yīng)用節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)。
此后描述的本發(fā)明采用基于可編程和硬件加速的、基于無(wú)線通信協(xié)議優(yōu)化處理的網(wǎng)絡(luò)處理單元進(jìn)行多層(如2-4層)無(wú)線協(xié)議軟硬件聯(lián)合處理，具有巨大的技術(shù)靈活性優(yōu)勢(shì)和成本優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可以靈活滿足各種性能和功耗的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服采用通用CPU或者ASIC帶來(lái)的處理性能瓶頸和靈活性問(wèn)題，和采用一般網(wǎng)絡(luò)處理器帶來(lái)的針對(duì)無(wú)線分組通信處理性能代價(jià)比低下的問(wèn)題，提供了一種針對(duì)高速無(wú)線分組通信網(wǎng)絡(luò)的模塊化系統(tǒng)和針對(duì)無(wú)線分組協(xié)議優(yōu)化的處理方法。
無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器(WNP)的結(jié)構(gòu)廣義的WNP包括如下幾個(gè)功能部分1)無(wú)線傳輸單元射頻/中頻收發(fā)信機(jī)，基帶處理；2)無(wú)線分組處理單元主要包括鏈路層，網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層控制平面處理和數(shù)據(jù)平面處理；3)電源管理單元和其他外部存儲(chǔ)/接口單元；4)無(wú)線應(yīng)用協(xié)議處理；而典型的(狹義的)WNP主要包括(如圖1)1)無(wú)線分組處理單元主要包括鏈路層，網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層控制平面處理和數(shù)據(jù)平面處理；2)電源管理單元和其他外部存儲(chǔ)/接口單元；NP主要針對(duì)的網(wǎng)絡(luò)層和高層協(xié)議處理優(yōu)化，WNP主要針對(duì)無(wú)線鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議優(yōu)化，也就是說(shuō)WNP的關(guān)鍵性能指標(biāo)體現(xiàn)在一定的QoS需求下每功率單位向網(wǎng)絡(luò)層提供的無(wú)線分組吞吐量。
WNP的主要部分說(shuō)明如下(1)無(wú)線分組處理單元WNP內(nèi)部一般包含多個(gè)片內(nèi)處理器，構(gòu)成多處理器系統(tǒng)。這些片內(nèi)處理器可按任務(wù)分工大致分為控制面處理單元和數(shù)據(jù)面處理單元。前者用于系統(tǒng)維護(hù)和管理以及處理非實(shí)時(shí)協(xié)議或數(shù)據(jù)處理，后者用于快速數(shù)據(jù)處理，提供鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的關(guān)鍵分組處理，包括分類、隊(duì)列管理、無(wú)線調(diào)度和無(wú)線信道資源分配等功能。另外，數(shù)據(jù)面處理單元可以包含多個(gè)硬件線程引擎，每個(gè)線程都有一套專門的硬件來(lái)存放程序運(yùn)行的上下文，可獲得線程切換的零開(kāi)銷。WNP對(duì)無(wú)線鏈路層分組/幀優(yōu)化處理是區(qū)別于NP的一個(gè)主要標(biāo)志。
(2)電源管理單元WNP與NP區(qū)別的另一個(gè)主要標(biāo)志是電源管理，采用專門的指令和結(jié)構(gòu)，使空閑的處理單元可以獨(dú)立地關(guān)閉和開(kāi)啟。
(3)可編程的物理層I/O接口單元WNP有可編程的物理層無(wú)線傳輸I/O接口單元。
(4)內(nèi)部高速總線內(nèi)部多處理單元和存儲(chǔ)/接口單元通過(guò)內(nèi)部并行高速總線連接在一起，組成優(yōu)化的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)，從而提供很強(qiáng)的硬件并行處理能力。
(5)存儲(chǔ)器單元存儲(chǔ)器一般包含多種不同性能的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同的應(yīng)用目的。
(6)協(xié)處理單元要求高速處理(線速)的通用功能模塊可以由硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，作為專用組件，例如數(shù)據(jù)加密等，以提高系統(tǒng)性能。
數(shù)據(jù)平面處理傳統(tǒng)的嵌入式CPU采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(如VxWorks，RTLinux)等支持實(shí)時(shí)性處理，但并不區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)平面和控制平面。NP采用分離的控制平面(典型的是一個(gè)RISC CPU)和數(shù)據(jù)平面(典型的是多個(gè)RISC處理核)，在控制平面上運(yùn)行嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，而在數(shù)據(jù)平面采用微內(nèi)核(micro-kernel)或者微碼(microcode)方式控制多處理單元的處理，這種處理方式大大增加了分組處理的效率，但是微內(nèi)核或者微碼方式相對(duì)高級(jí)語(yǔ)言編程(如C語(yǔ)言)增加了編程復(fù)雜性。
為了更有效方便地控制分組網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)平面，一種數(shù)據(jù)平面操作系統(tǒng)的概念被提出來(lái)，其主要思想是在路由器，交換機(jī)等分組網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，支持高的分組處理性能，硬實(shí)時(shí)性能，好的硬件多線程控制等，可以把微內(nèi)核看作一種數(shù)據(jù)平面的操作系統(tǒng)。但數(shù)據(jù)平面專用的操作系統(tǒng)不能夠解決所有問(wèn)題，比如分組處理陣列通常只有很小的指令空間，很難讓單獨(dú)的操作系統(tǒng)的進(jìn)行有效操作。
利用這種思路開(kāi)發(fā)出新型的數(shù)據(jù)平面控制技術(shù)。在WNP片內(nèi)分組數(shù)據(jù)處理單元一般具有專用的精簡(jiǎn)指令集，這些指令經(jīng)過(guò)針對(duì)無(wú)線分組數(shù)據(jù)處理的優(yōu)化，例如數(shù)據(jù)讀寫、狀態(tài)判斷、堆棧操作、哈希查找等。為了以最精簡(jiǎn)的程序提供強(qiáng)大的功能，硬件結(jié)構(gòu)必須能將基于RISC的處理單元內(nèi)核的數(shù)據(jù)包處理和數(shù)據(jù)平面處理單元的數(shù)據(jù)包處理分開(kāi)。RISC CPU和數(shù)據(jù)平面處理單元組合可使設(shè)計(jì)人員擺脫了一些常規(guī)而復(fù)雜的任務(wù)，同時(shí)在數(shù)據(jù)包處理的結(jié)構(gòu)和流程上保持了軟件編程的靈活性。
由于無(wú)線信道分組傳輸?shù)牟⑿行院蛯?duì)分組處理性能的高要求，在不同層次上采用并行處理是WNP的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。主要包括三個(gè)層次的并行性1.處理單元(Processing Element)級(jí)流水線(Pipelined)級(jí)并行PE采用不同處理單元進(jìn)行同一分組的不同層次的處理；對(duì)稱(Symmetric)多PE級(jí)采用多個(gè)PE支持多個(gè)分組并行處理。
當(dāng)前NP技術(shù)大量采用這兩種處理單元級(jí)并行技術(shù)，在WNP中，通過(guò)控制流水線的級(jí)數(shù)和并行PE的個(gè)數(shù)來(lái)滿足各種級(jí)別無(wú)線分組處理性能需求。
2.指令(Instruction)級(jí)而現(xiàn)在嵌入式CPU甚至通用CPU越來(lái)越多地采用指令級(jí)并行處理技術(shù)，包括超長(zhǎng)指令字(Very Long Instruction Word，VLIW)和超標(biāo)量(Superscalar)技術(shù)，采用VLIW可以在compile-time支持SIMD(Single-Instruction Stream Multiple-Data Stream)結(jié)構(gòu)，而采用超標(biāo)量支持run-time并行處理。WNP的數(shù)據(jù)處理平面是一種典型的SIMD結(jié)構(gòu)。
3.字/比特級(jí)針對(duì)分組頭域處理，采用字/比特級(jí)并行處理。
除了采用并行結(jié)構(gòu)外，采用多總線結(jié)構(gòu)和其他協(xié)處理單元增加WNP的處理能力1.多總線結(jié)構(gòu)專用處理器中采用多總線結(jié)構(gòu)是非常常用的方式(如DSP中采用哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu)分離數(shù)據(jù)和指令存取來(lái)提高系統(tǒng)處理能力)。在WNP中存在大量的內(nèi)存操作和處理單元的通信，為了高效利用這些處理單元，采用分離指令，內(nèi)存操作，數(shù)據(jù)和I/O總線的方式來(lái)減少總線沖突。
2.協(xié)處理單元包括安全處理引擎(Security Engine)，包括Hash處理單元等。
無(wú)線協(xié)議優(yōu)化處理WNP通過(guò)高度優(yōu)化的軟硬件結(jié)構(gòu)支持重要的無(wú)線分組協(xié)議處理功能模塊1.復(fù)雜分類查詢分類和查詢需要大量的指令周期和計(jì)算周期，專門優(yōu)化的硬件單元可以有效分擔(dān)CPU的處理負(fù)荷，在低端或低功耗的WNP中，采用指令優(yōu)化處理來(lái)減少硬件復(fù)雜度；2.深度分組處理對(duì)不同協(xié)議層次的頭域處理采用靈活的結(jié)構(gòu)，針對(duì)無(wú)線業(yè)務(wù)和無(wú)線信道進(jìn)行雙重統(tǒng)計(jì)復(fù)用；3.無(wú)線分組轉(zhuǎn)發(fā)主要包括QoS路由和無(wú)線移動(dòng)路由優(yōu)化；4.無(wú)線介質(zhì)訪問(wèn)和無(wú)線資源控制這是WNP最重要的處理功能，針對(duì)不同的物理層傳輸單元，優(yōu)化MAC處理和RRM功能；
5.分組頭域壓縮無(wú)線頻譜資源是寶貴的，通過(guò)VoIP頭域壓縮獲得70％的帶寬增益，通過(guò)Video over IP頭域壓縮獲得25％的帶寬增益；采用了并發(fā)的多流頭域壓縮可編程多硬件處理單元并行處理；6.多維無(wú)線資源控制由于多天線多載波技術(shù)的迅速發(fā)展，物理層傳輸?shù)馁Y源時(shí)間/頻率/碼/天線在不同的用戶間分配，采用動(dòng)態(tài)并發(fā)多路無(wú)線分組流控制。
WNP主要用作無(wú)線分組網(wǎng)絡(luò)(特別是無(wú)線IP分組網(wǎng)絡(luò))的分組處理，包括數(shù)據(jù)平面(Data-plane)的分組處理和轉(zhuǎn)發(fā)，控制平面(Control-plane)的無(wú)線協(xié)議處理和管理。典型地，WNP處理無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，向下配合無(wú)線傳輸單元，可以擴(kuò)展到下三層(物理層/鏈路層/網(wǎng)絡(luò)層)的跨層設(shè)計(jì)(cross-layer design)，向上也可以深入處理第四層甚至應(yīng)用層的分組。
WNP是一種應(yīng)用于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的可編程器件或?qū)Ｓ弥噶钐幚砥?ASIP)，更廣義地說(shuō)，代表了一種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的技術(shù)理念，它被經(jīng)過(guò)專門設(shè)計(jì)和高度優(yōu)化來(lái)完成各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)功能。除了滿足NP的一般性特征外，還具有針對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)特別是基于IP的分組無(wú)線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的特征，包括移動(dòng)路由處理，無(wú)線協(xié)議處理，分組頭域壓縮，無(wú)線介質(zhì)訪問(wèn)控制，無(wú)線鏈路控制和無(wú)線資源控制等功能。同時(shí)滿足低功耗的設(shè)計(jì)要求。WNP本質(zhì)上是對(duì)上述多目標(biāo)系統(tǒng)(典型的是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)性能、復(fù)雜度、靈活性和低處理時(shí)延、功耗等并存的目標(biāo))進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程。WNP在高性能、靈活性和價(jià)格等幾個(gè)目標(biāo)之間進(jìn)行了良好的折衷。優(yōu)異的性價(jià)比和高度的靈活性是WNP在無(wú)線分組網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)方面的主要優(yōu)勢(shì)。
WNP結(jié)構(gòu)通常由若干個(gè)硬件多線程單元和若干硬件協(xié)處理單元組成，用于并行處理數(shù)據(jù)平面的分組(如QoS路由、無(wú)線調(diào)度算法等)，而對(duì)于一些非實(shí)時(shí)的控制/管理的操作由內(nèi)嵌控制處理單元處理，從而實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)靈活性和高性能的有機(jī)結(jié)合。
WNP具有如下的技術(shù)優(yōu)勢(shì)1.并行處理高性能高端WNP具有線速處理能力，以避免無(wú)線基礎(chǔ)架構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)備成為瓶頸；在低端采用優(yōu)化的無(wú)線應(yīng)用多層聯(lián)合處理；2.可以靈活擴(kuò)展的硬件特性WNP的本質(zhì)在于其可編程性，包括無(wú)線/有線傳輸單元接口的可編程性，并行處理單元的可裁減性，分組處理模塊的可編程性，靈活用于從高端和低端的無(wú)線分組處理；NP體系結(jié)構(gòu)也包含不同的層次模塊化，通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)，力圖在保持高性能的基礎(chǔ)上獲得很好的可擴(kuò)展性和靈活性，并能使設(shè)備廠商容易研發(fā)不同性能和不同特性的設(shè)備。
3.多無(wú)線通信協(xié)議支持通過(guò)可裁減硬件加速單元和軟件控制，靈活處理各種無(wú)線通信協(xié)議；4.新型無(wú)線傳輸技術(shù)支持，多維分組流控制技術(shù)，業(yè)務(wù)/信道雙重統(tǒng)計(jì)復(fù)用技術(shù)；
5.針對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的分組頭壓縮、流分類、隊(duì)列管理和無(wú)線調(diào)度功能；支持移動(dòng)QoS路由，切換分組處理等等；6.深層數(shù)據(jù)處理。根據(jù)不同的服務(wù)要求，可對(duì)分組(幀)進(jìn)行不同深度的處理。例如鏈路轉(zhuǎn)發(fā)需要第二層(MAC頭)，路由查找只需處理第三層(IP頭部)，分類需要處理到第四層(TCP/UDP協(xié)議)，而安全則需要處理到應(yīng)用層(分組攜帶的有效載荷)。
7.針對(duì)無(wú)線通信協(xié)議的低功耗設(shè)計(jì)，包括協(xié)議級(jí)休眠和并行處理單元開(kāi)關(guān)；8.方便有效的管理接口，具有高的可靠性；和嵌入式CPU相比，WNP具有好的功率效率和高的處理性能。和傳統(tǒng)NP相比，WNP有高的無(wú)線協(xié)議支持能力和好的功率效率。和ASIC相比，具有靈活性的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)周期相對(duì)較短，也延長(zhǎng)了產(chǎn)品停留于市場(chǎng)的時(shí)間。WNP可用于開(kāi)發(fā)從第2層到第7層的各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和應(yīng)用，例如無(wú)線基站，無(wú)線交換機(jī)，無(wú)線路由器、移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、無(wú)線Mesh網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，無(wú)線VoIP設(shè)備。WNP主要用于各種無(wú)線用戶端、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)邊緣/接入設(shè)備，也可以用于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備，從規(guī)模上來(lái)說(shuō)，WNP可以作為處理核心來(lái)研制小型設(shè)備(單板結(jié)構(gòu))，如Ad hoc節(jié)點(diǎn)，也可以作為線卡處理單元研制大型設(shè)備(多板結(jié)構(gòu)，通過(guò)交換機(jī)構(gòu)相連接)，如企業(yè)無(wú)線路由器。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的指導(dǎo)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器的體系結(jié)構(gòu)。
圖2示出了無(wú)線鏈路層分組通用處理引擎簇(PE-L)的功能模塊圖。
圖3示出了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)層分組通用處理引擎簇(PE-N)的功能模塊圖。
圖4示出了分組協(xié)處理處理引擎簇(PE-C)的功能模塊圖。
圖5示出了分組處理引擎簇(PE)的結(jié)構(gòu)模塊圖。
圖6示出了通過(guò)圖1的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器形成的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。
圖7示出了通過(guò)圖1的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器形成的應(yīng)用節(jié)點(diǎn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。
圖8示出了基于圖6和圖7的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器設(shè)備在無(wú)線分組網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。
本發(fā)明包括以下系統(tǒng)和方法1)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器系統(tǒng)2)在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器中的無(wú)線鏈路層分組通用處理引擎簇(PE-L)
3)在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器中的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)層分組通用處理引擎簇(PE-N)4)在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器中的分組協(xié)處理處理引擎簇(PE-C)5)基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器形成的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備6)基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器形成的應(yīng)用節(jié)點(diǎn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備7)針對(duì)高速無(wú)線分組的優(yōu)化處理方法圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的指導(dǎo)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器的體系結(jié)構(gòu)圖。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器100包括管理和控制處理器102，分組引擎簇110，功率管理單元132，存儲(chǔ)器單元134，外圍其他接口單元136，可編程物理層接口單元；分組引擎簇110又包括分組協(xié)處理引擎簇(PE-C)112，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)層分組通用處理引擎簇(PE-N)114，無(wú)線鏈路層分組通用處理引擎簇(PE-L)116。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器100可以在應(yīng)用處理器120或者交換結(jié)構(gòu)122的配合下，結(jié)合物理層傳輸單元144形成典型的高速無(wú)線分組處理應(yīng)用系統(tǒng)。
仍然參照?qǐng)D1，可編程物理層接口142和物理層傳輸單元144之間采用一種標(biāo)準(zhǔn)化的接口協(xié)議，類似于在網(wǎng)絡(luò)處理器論壇(NPF)標(biāo)準(zhǔn)化的流接口應(yīng)用協(xié)議(NPSI)。在分組協(xié)處理引擎簇(PE-C)112和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)層分組通用處理引擎簇(PE-N)114，無(wú)線鏈路層分組通用處理引擎簇(PE-L)116之間采用一種標(biāo)準(zhǔn)化的接口協(xié)議，類似于在網(wǎng)絡(luò)處理器論壇(NPF)標(biāo)準(zhǔn)化的LA-1協(xié)議。
仍然參照?qǐng)D1，無(wú)線分組從物理層傳輸單元144傳到可編程物理層接口142，如果是控制平面數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)到管理和控制平面處理器102處理，如果是數(shù)據(jù)平面數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分組引擎簇110處理然后轉(zhuǎn)發(fā)到應(yīng)用處理器120或者交換結(jié)構(gòu)122，或者轉(zhuǎn)發(fā)到可編程物理層接口142，再通過(guò)物理層傳輸單元144發(fā)送到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中去。
圖2示出了無(wú)線鏈路層分組通用處理引擎簇(PE-L)的內(nèi)部功能模塊圖。無(wú)線鏈路層分組通用處理引擎簇(PE-L)116包括媒體介入控制單元202，隊(duì)列管理單元232，鏈路層PDU頭處理單元204，鏈路層無(wú)線分組QoS處理單元206，分組組裝和分拆單元208，分類器210；鏈路層PDU頭處理單元又包括數(shù)據(jù)解析單元212和PDU前傳單元214；鏈路層無(wú)線分組QoS處理單元206又包括鏈路適應(yīng)控制(AMC/ARQ)228，業(yè)務(wù)成形(shaping)226，調(diào)度(Scheduling)224，測(cè)量(Metering)222。
為了利用無(wú)線信道和分組突發(fā)業(yè)務(wù)的雙重統(tǒng)計(jì)復(fù)用增益，鏈路層PDU頭處理單元204處理每個(gè)鏈路層分組頭，包括鏈路層地址和識(shí)別碼，采用數(shù)據(jù)解析121單元解析鏈路層頭的域(如是否加密指示)，采用PDU前傳214來(lái)選擇PDU前傳路徑。鏈路層無(wú)線分組QoS處理單元206在分類器210處理的基礎(chǔ)上一般按照測(cè)量222，業(yè)務(wù)成形226，調(diào)度224，鏈路適應(yīng)控制228的順序來(lái)執(zhí)行。
仍然參照?qǐng)D2，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)處理器在網(wǎng)絡(luò)層處理的QoS的功能，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器100下移到無(wú)線鏈路層處理，主要的原因是網(wǎng)絡(luò)層通常屏蔽了對(duì)無(wú)線信道的變化，而無(wú)線分組通信的QoS的需求和無(wú)線信道的關(guān)系緊密。從無(wú)線物理層接口單元142數(shù)據(jù)(首先經(jīng)過(guò)媒體介入控制單元處理202)或者無(wú)線網(wǎng)絡(luò)層分組通用處理引擎簇(PE-N)114來(lái)的數(shù)據(jù)，將分組放到隊(duì)列管理單元232，再經(jīng)過(guò)鏈路層PDU頭處理單元204處理和分類器210處理，如果需要進(jìn)行QoS處理，則進(jìn)一步經(jīng)過(guò)鏈路層無(wú)線分組QoS處理單元206的處理，如果需要協(xié)處理單元處理，而轉(zhuǎn)發(fā)到分組協(xié)處理處理引擎簇(PE-C)112，如果需要分組組裝和分拆處理，則轉(zhuǎn)發(fā)到分組組裝和分拆單元208。通過(guò)無(wú)線鏈路層分組通用處理引擎簇(PE-L)處理后的分組通常轉(zhuǎn)發(fā)到可編程物理層接口142或者無(wú)線網(wǎng)絡(luò)層分組通用處理引擎簇(PE-N)114。
圖3示出了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)層分組通用處理引擎簇(PE-N)的內(nèi)部功能模塊圖。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)層分組通用處理引擎簇(PE-N)114包括隊(duì)列管理單元302，網(wǎng)絡(luò)層分組頭處理單元304，路又查找單元306。由于分組QoS的處理主要放到無(wú)線鏈路層分組通用處理引擎簇(PE-L)116中，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)層分組通用處理引擎簇(PE-N)114比較簡(jiǎn)單，主要功能是無(wú)線移動(dòng)路由查找。
圖4示出了分組協(xié)處理處理引擎簇(PE-C)的內(nèi)部功能模塊圖。分組協(xié)處理處理引擎簇(PE-C)112一般包括加解密引擎402，Hash單元404，分組校驗(yàn)引擎406等計(jì)算量較集中的處理，也可能包括其他乘加單元等。分組協(xié)處理處理引擎簇(PE-C)112主要是協(xié)助無(wú)線鏈路層分組通用處理引擎簇(PE-L)116和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)層分組通用處理引擎簇(PE-N)114完成必要的大量計(jì)算。
圖5示出了分組處理引擎簇(PE)的結(jié)構(gòu)模塊圖。分組處理引擎簇(PE)110的結(jié)構(gòu)適用于分組協(xié)處理處理引擎簇(PE-C)112，無(wú)線鏈路層分組通用處理引擎簇(PE-L)116和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)層分組通用處理引擎簇(PE-N)114的結(jié)構(gòu)。其中包括分組處理引擎選擇器520，分組處理引擎簇500。通過(guò)PF選擇器520控制，可以讓分組處理引擎501-508形成硬件流水線處理，全并行處理或者并行流水線處理。分組處理引擎501-508具有相似的硬件結(jié)構(gòu)，通過(guò)編程和PF選擇器520控制執(zhí)行不同的分組處理任務(wù)。
圖6示出了通過(guò)圖1的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器形成的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備600通常是有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的系統(tǒng)設(shè)備，如無(wú)線基站。基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備600包括多個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器100和與之相連的無(wú)線物理層傳輸單元144。這些互連結(jié)構(gòu)形成一個(gè)板卡(blade)，這些板卡通過(guò)一個(gè)公共的交換結(jié)構(gòu)122再互連起來(lái)，可以滿足高速無(wú)線分組通信中的處理能力的需求。通常這些板卡的互連需要一個(gè)控制模塊，圖6沒(méi)有專門示出。通?？梢造`活配置成一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器連接一個(gè)或多個(gè)無(wú)線無(wú)線物理層傳輸單元。
圖7示出了通過(guò)圖1的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器形成的應(yīng)用節(jié)點(diǎn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。應(yīng)用節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備700通常是包括ISO定義的7層協(xié)議處理的網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)，如移動(dòng)臺(tái)，或者中繼節(jié)點(diǎn)，如Ad hoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。應(yīng)用節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備700包括一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器100和與之相連的多個(gè)無(wú)線物理層傳輸單元144，還有一個(gè)應(yīng)用處理器120用于處理無(wú)線應(yīng)用。
在一個(gè)實(shí)施例中，如圖8所示，基于圖6和圖7的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器設(shè)備在無(wú)線分組網(wǎng)絡(luò)中的典型應(yīng)用場(chǎng)景。小區(qū)802是包括基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備600和應(yīng)用節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備700的蜂窩網(wǎng)絡(luò)的一部分，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備600通過(guò)有線連接到互聯(lián)網(wǎng)806。小區(qū)804是只包括應(yīng)用節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備700的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)或者M(jìn)esh網(wǎng)絡(luò)的一部分。在小區(qū)802中，應(yīng)用節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備700一方面通過(guò)一個(gè)無(wú)線信道和小區(qū)覆蓋范圍外面的另一個(gè)應(yīng)用節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備700連接，另一方面通過(guò)一個(gè)無(wú)線信道和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備600連接，并接入互聯(lián)網(wǎng)806。小區(qū)804包括幾個(gè)應(yīng)用節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，他們通過(guò)不同的無(wú)線信道互相連接。在小區(qū)804中，每個(gè)應(yīng)用節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器100；在小區(qū)802中，應(yīng)用節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備700包括一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器100，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備600包括一個(gè)或幾個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器100。
在圖8的小區(qū)802中，應(yīng)用節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備700的應(yīng)用層產(chǎn)生應(yīng)用分組，分組通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器100處理后，發(fā)送到物理層傳輸單元，通過(guò)無(wú)線信道傳送到基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備600，在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備600中的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器100處理后發(fā)送到600的有線網(wǎng)絡(luò)接口，通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)接口傳送分組到互聯(lián)網(wǎng)806。小區(qū)覆蓋范圍外的應(yīng)用節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備700，由應(yīng)用層產(chǎn)生應(yīng)用分組，分組通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器100處理后，發(fā)送到物理層傳輸單元，通過(guò)無(wú)線信道傳送到小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)的應(yīng)用節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備700，然后小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)的應(yīng)用節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備700的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器100處理分組，發(fā)送到發(fā)送到物理層傳輸單元，通過(guò)無(wú)線信道傳送到基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備600，在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備600中的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器100處理后發(fā)送到600的有線網(wǎng)絡(luò)接口，通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)接口傳送分組到互聯(lián)網(wǎng)806。
在圖8的小區(qū)804中，應(yīng)用節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備700的應(yīng)用層產(chǎn)生應(yīng)用分組，分組通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器100處理后，發(fā)送到物理層傳輸單元，通過(guò)無(wú)線信道傳送到其他應(yīng)用節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備700，在其他應(yīng)用節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備700中的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器100處理后發(fā)送到應(yīng)用層或者發(fā)送到物理層傳輸單元，通過(guò)無(wú)線信道傳送到其他應(yīng)用節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備700。
權(quán)利要求
1.一種用于無(wú)線分組無(wú)線通信系統(tǒng)的空中接口分組處理的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含無(wú)線分組處理引擎簇結(jié)構(gòu)包含針對(duì)無(wú)線分組傳輸和處理優(yōu)化的無(wú)線分組處理引擎簇結(jié)構(gòu)；無(wú)線鏈路層分組通用處理引擎簇(PE-L)用于處理無(wú)線鏈路層分組；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)層分組通用處理引擎簇(PE-N)用于處理無(wú)線網(wǎng)絡(luò)層分組；分組協(xié)處理處理引擎簇(PE-C)用于協(xié)助處理無(wú)線分組大計(jì)算量部分和需要特殊處理的部分；管理和控制平面處理器用于處理無(wú)線協(xié)議的控制平面和管理平面信息；可編程物理層接口用于連接至少一個(gè)外部物理層傳輸單元；存儲(chǔ)器單元和外圍其他接口單元。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包含針對(duì)無(wú)線分組傳輸和處理優(yōu)化的指令集。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包含針對(duì)無(wú)線分組傳輸和處理優(yōu)化的低功耗的功率結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包含多個(gè)外部接口，所述接口包含和可編程物理層接口連接的至少一個(gè)外部接口，用于連接不同的無(wú)線物理層傳輸單元；和內(nèi)部處理單元總線連接的至少一個(gè)外部接口，用于連接應(yīng)用處理單元或者交換結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，無(wú)線鏈路層分組通用處理引擎簇包含媒體接入控制單元用于處理媒體接入數(shù)據(jù)，并向分組處理引擎提供一個(gè)物理層無(wú)關(guān)的接口；隊(duì)列管理單元用于處理發(fā)送和接收的無(wú)線鏈層分組隊(duì)列；分類器用于處理分組頭域，并分離出不同應(yīng)用的數(shù)據(jù)流；分組組裝和分拆單元用于分拆和組裝發(fā)送和接收的分組；鏈路層PDU處理單元用于控制鏈路層數(shù)據(jù)前傳；鏈路層無(wú)線分組QoS處理單元用于在鏈路層處理無(wú)線分組的QoS。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)層分組通用處理引擎簇包含隊(duì)列管理單元用于處理發(fā)送和接收的網(wǎng)絡(luò)層分組隊(duì)列；網(wǎng)絡(luò)層分組頭處理單元用于處理網(wǎng)絡(luò)層分組頭域；路由查找單元用于查找網(wǎng)絡(luò)層的前傳路由。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包含在無(wú)線鏈路層處理分組QoS的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過(guò)無(wú)線鏈路層分組通用處理引擎簇具體實(shí)施。
8.一種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，該設(shè)備包含交換結(jié)構(gòu)和多個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器，并連至所述交換結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器均包含和一個(gè)或多個(gè)無(wú)線物理層連接的接口；和交換結(jié)構(gòu)連接的接口。
9.一種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，該設(shè)備包含應(yīng)用處理器和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器，其中每個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器均包含和一個(gè)或多個(gè)無(wú)線物理層連接的接口。
10.一種方法，包括下列步驟從外部應(yīng)用處理器或者交換結(jié)構(gòu)接收分組，將需要發(fā)送到無(wú)線接口上的分組轉(zhuǎn)發(fā)到分組處理引擎簇；或者從外部無(wú)線物理層傳輸單元接收分組，通過(guò)可編程物理層接口發(fā)送到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器；經(jīng)過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)層分組通用處理引擎簇和無(wú)線鏈路層分組通用處理引擎簇處理，該處理包括根據(jù)無(wú)線分組特征進(jìn)行協(xié)議級(jí)休眠的功耗管理方法，包括針對(duì)無(wú)線分組處理采用的指令級(jí)和處理引擎級(jí)并行處理方法，包括在無(wú)線鏈路層處理無(wú)線分組主要QoS特性的方法；如果需要?jiǎng)t將分組轉(zhuǎn)發(fā)到分組協(xié)處理引擎簇處理；處理后的分組發(fā)送到可編程物理層接口或者外部應(yīng)用處理器或者交換結(jié)構(gòu)；如果發(fā)送到通過(guò)可編程物理層接口，則通過(guò)可編程物理層接口發(fā)送分組到外部的無(wú)線物理層傳輸單元。
全文摘要
一種用于無(wú)線分組無(wú)線通信系統(tǒng)的空中接口分組處理系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器(WNP)系統(tǒng)包括多個(gè)無(wú)線分組接口處理單元和一套外設(shè)元件協(xié)同工作，該系統(tǒng)和方法被配置用于增強(qiáng)無(wú)線點(diǎn)到點(diǎn)或者點(diǎn)到多點(diǎn)無(wú)線分組傳輸和處理的性能和靈活性。本發(fā)明的特征在于一種新的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分組處理器系統(tǒng)和方法；包括針對(duì)無(wú)線分組傳輸和處理優(yōu)化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括為無(wú)線分組傳輸和處理優(yōu)化的指令集方法，在鏈路層處理空中接口分組的服務(wù)質(zhì)量要求的方法，在網(wǎng)絡(luò)層處理分組的無(wú)線移動(dòng)路由選擇的方法；該系統(tǒng)和方法包括低功耗設(shè)計(jì)方法。
文檔編號(hào)H04L29/08GK1835471SQ20051005392
公開(kāi)日2006年9月20日 申請(qǐng)日期2005年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月14日
發(fā)明者段世平 申請(qǐng)人:段世平