Architectures logicielles temps réel et méthodes d'évaluation des performances pour les systèmes radio 5G

Real-time Software Architectures and Performance Evaluation Methods for 5G Radio Systems

• Auteur / Autrice : Tsu-Han Wang
• Direction : Raymond Knopp
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique, télécommunications et électronique
• Date : Soutenance le 13/12/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut EURECOM (Sophia-Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Jury : Président / Présidente : Suna Melek Önen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Terng-Yin Hsu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Turletti, Ludovic Apvrille

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ordonnancement (informatique)

Systèmes embarqués (informatique)

Temps réel (informatique)

Systèmes de communication sans fil

5G (téléphonie mobile)

Mots clés libres

Logiciel temps réel pour la radio-logicielle

Accélération logicielle

5G

Pipeline logiciel

Multi-thread

Implémentation 5G temps réel

Real-time software-defined radio systems

Software acceleration

5G

Software pipeline

Multi-thread

Real-time 5G implementation

Résumé

La thèse porte sur les architectures temps réel pour la radio-logicielle 5G. Afin de répondre aux exigences de performances de la 5G, une accélération des procédés critiques combinée à des méthodes d’ordonnancement de processus temps réels sont nécessaires. Dans les systèmes embarqués 5G, l'accélération équivaut à une combinaison judicieuse d'unités matérielles supplémentaires pour les fonctions les plus coûteuses en termes de calcul avec des composants logiciels pour des procédures de contrôle complexe ainsi que l’arithmétique simples. Des solutions entièrement logicielles apparaissent également pour certaines applications, notamment dans l'écosystème dit Open Radio-Access Network (openRAN). Les contributions de cette thèse résident dans des méthodes d'accélération purement logicielles et de contrôle en temps réel d'interfaces dit « fronthaul » à faible latence. Étant donné que la 5G a des exigences de latence strictes et prend en charge le trafic de données à très haut débit, les méthodes d’ordonnancement du traitement en bande de base doivent être adaptées aux spécificités de l'interface radio. Plus précisément, nous proposons une décomposition fonctionnelle de l'interface-air 5G qui se prête à des implémentations logicielles multicœurs ciblant des serveurs haut de gamme exploitant l'accélération de données multiples à instruction unique (SIMD). De plus, nous fournissons quelques pistes pour le traitement multithread via le pipelining et l'utilisation de pools de threads. Nous mettons en évidence les méthodes et la caractérisation de leur performances qui ont été exploitées lors du développement de l'implémentation OpenAirInterface 5G.

The thesis deals with 5G real-time Software Defined Radio architectures. In order to match 5G performance requirements, computational acceleration combined with real-time process scheduling methods are required. In 5G embedded systems acceleration amounts to a judicious combination additional hardware units for the most computationally costly functions with software for simpler arithmetic and complex control procedures. Fully software-based solutions are also appearing for certain applications, in particular in the so-called Open Radio-Access Network (openRAN) ecosystem. The contributions of this thesis lie in methods for purely software-based acceleration and real-time control of low-latency fronthaul interfaces. Since 5G has stringent latency requirements and support for very high-speed data traffic, methods for scheduling baseband processing need to be tailored to the specifics of the air-interface. Specifically, we propose a functional decomposition of the 5G air interface which is amenable to multi-core software implementations targeting high-end servers exploiting single-instruction multiple-data (SIMD) acceleration. Moreover, we provide some avenues for multi-threaded processing through pipelining and the use of thread pools. We highlight the methods and their performance evaluation that have been exploited during the development of the OpenAirInterface 5G implementation.