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5G、6G前传数据压缩和函数运算加速处理器的研究与实现

5G、6G前传数据压缩和函数运算加速处理器的研究与实现

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作者：唐云翔海南大学

学位级别：硕士

随着5G和6G技术的不断发展和商业化,其带宽和性能不断提高,在ITU IMT-2020规范要求中,5G的速度需要高达20 Gbit/s,可以实现宽信道带宽和大容量MIMO(Multiple Input Multiple Output)。这样必然会导致计算开销越来越大,就对于5G、6G通信... 详细信息

随着5G和6G技术的不断发展和商业化,其带宽和性能不断提高,在ITU IMT-2020规范要求中,5G的速度需要高达20 Gbit/s,可以实现宽信道带宽和大容量MIMO(Multiple Input Multiple Output)。这样必然会导致计算开销越来越大,就对于5G、6G通信链路上的处理设备提出了更大的挑战,因此,需要设计出运算速度更快、运算吞吐量更大的加速计算处理器来进行运算。由于5G、6G技术不断提高的带宽需要,这要求其公共无线电接口(Common Public Radio Interface/enhanced CPRI,CPRI/eCPRI)中前传IQ数据的带宽需求迅速增加,因此需要对CPRI/eCPRI链路中的数据进行压缩。为了解决这个问题,本课题研究了四种压缩/解压缩算法:基于μ律的单信号压缩/解压缩算法、基于A律的单信号压缩/解压缩算法、μ律IQ压缩/解压缩算法和块浮点压缩/解压缩算法。并通过对失真最小化的研究,显著的提高了压缩精度。在传输带宽增加的同时,系统的计算开销越来越大。在5G、6G通信中,系统需要更多的实时运算,传统的迭代运算需要较长的迭代时间,且迭代次数不确定,会导致系统的实时性等方面受到影响。为了解决这个问题,本课题研究了附带内插的查找表函数计算算法,此算法支持 1/x、1/(?)、(?)、arctan(x)、sin(x)、sinc(x)、cos(x)、tan(x)、loga(x),a ∈R、ax,a ∈R,十种高精度的基本函数查找表(Look-Up-Table,LUT)计算。本课题按照专用指令集处理器(Application Specific Instruction-Set Processor,ASIP)理论,主要实现了上述的两部分算法:适用于CPRI/eCPRI前传的低损耗数据压缩算法和附带内插的查找表函数计算算法。然后面向5G、6G进行前传数据压缩和函数计算加速的专用指令集处理器设计,开发了压缩/解压缩加速计算内核和附带内插的查找表函数计算加速内核,并开发了相应的模拟器、汇编器以及硬件RTL代码等,并使用Synopsys公司的VCS、Verdi和Cadence公司的Xcelium软件进行验证,Design Compiler对硬件RTL代码进行综合,使用Cadence公司的Innovus软件进行版图设计。通过性能和面积的平衡,在TSMC 12nm的工艺和1Ghz的频率下,压缩/解压缩内核的数据传输速率可达512Gbps,硬件开销和EVM值均满足要求。附带内插的查找表函数计算加速内核模块中的 1/x、1/(?)、(?)、sin(x)、sinc(x)、cos(x)、tan(x)计算仅仅需要4级流水线即可完成计算,ax,a∈R算需要5级流水线即可完成计算,loga(x),a ∈R需要6级流水线即可完成计算,arctan需要8级流水线即可完成计算。并且,查找表中参数的位宽为24bit时,除了一些特殊情况外,输出精度均可达到20bit以上相对精度。由于此专用指令集只能实现上述特定功能,不具备编程灵活性,它必须依附于一个通用指令集来使整个处理器变得更灵活,因此,本文选择了 RISC-V内核的RV32IMC指令集作为通用计算的基本指令集,专用指令集作为其自定义的扩展指令集。使用超长指令字(Very Long Instruction Word,VLIW)的设计方法,设计成依托于RISC-V内核的,附带一个压缩/解压缩内核和一个内插查找表的函数计算内核的超长指令字处理器。

关键词： ASIP 前传压缩查找表初等函数运算函数加速器超长指令字 RISC-V

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基于边缘缓存的云无线接入网络传输理论与技术

基于边缘缓存的云无线接入网络传输理论与技术

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作者：段永浩南京邮电大学

学位级别：硕士

随着5G无线通信网络中无线设备和数据流量的急剧增长,云无线接入网络(Cloud Radio Access Network,简称C-RAN)被认为是满足不断增长的数据速率需求的候选者之一。据观察,移动数据流量是由大量重复下载流行内容所产生的,其中移动视频流... 详细信息

随着5G无线通信网络中无线设备和数据流量的急剧增长,云无线接入网络(Cloud Radio Access Network,简称C-RAN)被认为是满足不断增长的数据速率需求的候选者之一。据观察,移动数据流量是由大量重复下载流行内容所产生的,其中移动视频流量占据了大部分。在蜂窝网络边缘缓存流行内容可以卸载核心网的数据流量,减少访问延迟和回程成本,提高网络吞吐量。本文主要针对基于边缘缓存的C-RAN的能量效率和物理层安全问题进行研究。针对基于边缘缓存和前传压缩的C-RAN下行链路的能量效率(Energy Efficiency,简称EE)较低的问题,考虑前传链路容量受限的情况,分别引入了前传压缩传输策略和数据共享传输策略以解决前传容量有限的问题,并比较了两种传输策略的性能。考虑到系统遍历和速率与快速变化的小尺度衰落因子有关,为了降低计算复杂度,采用大维随机矩阵理论推导出EE的近似表达式。在此基础上推导出最大化EE的最优缓存容量的闭合表达式。仿真实验表明了所推导出的EE的近似表达式的正确性,EE和传输功率存在的折中以及EE和缓存容量之间的依赖关系。针对蜂窝通信网络中无线传输的广播特性造成的安全性不够高的问题,利用边缘缓存实现物理层安全传输,从而提升网络的安全性能。为保证所有消息的保密性,这种物理层安全机制考虑了一种最坏的场景,即当基站与目标用户之间进行通信传输时,网络中的其他所有的非目标用户可以协作窃听基站发送给目标用户的消息。其次,为了分析缓存对于系统安全性能的影响,采用了两种不同的缓存策略,并比较了两种缓存策略的性能。仿真实验表明了缓存容量对网络安全性能的影响,有助于设计合适的缓存策略来有效提升系统的安全性能,从而实现物理层安全传输。

关键词： C-RAN 能量效率边缘缓存大维随机矩阵理论前传压缩物理层安全

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