MACHINE VIRTUELLE POUR LA RADIO LOGICIELLE

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1 N d ordre 2010-ISAL-0086 Année 2010 THÈSE DE DOCTORAT Présentée devant L INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUÉES DE LYON Pour l obtention DU GRADE DE DOCTEUR Par Riadh BEN ABDALLAH MACHINE VIRTUELLE POUR LA RADIO LOGICIELLE Encadré par Tanguy RISSET et Antoine FRABOULET Projet SWING-INRIA, Laboratoire CITI, INSA de Lyon École Doctorale Informatique et Mathématiques En partenariat avec Jérôme MARTIN et Yves DURAND Laboratoire LETI/LISAN, CEA de Grenoble Soutenue le 20 octobre 2010 devant la commission d examen Jury Gilles MULLER Directeur de recherche, INRIA Rapporteur Olivier SENTIEYS Professeur des universités, ENSSAT Lanion Rapporteur Dominique HOUZET Professeur des universités, INPG Examinateur Frédéric PÉTROT Professeur des universités, INPG Examinateur Yves DURAND Ingénieur de recherche à Kalray Examinateur Jérôme MARTIN Ingénieur de recherche au CEA de Grenoble Encadrant de thèse Tanguy RISSET Professeur des universités, INSA de Lyon Directeur de thèse Antoine FRABOULET Maitre de conférence, INSA de Lyon Co-directeur de thèse

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3 A ma grand-mère, A mes parents, A mes frères, A toute ma famille et tous mes amis

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5 Remerciements Je remercie tout d abord Olivier SENTIEYS et Gilles MULLER pour l intérêt qu ils ont porté à mon travail et d avoir accepté d en être les rapporteurs. Merci également aux autres membres du jury qui ont accepté de juger ce travail : Frédéric PETROT et Dominique HOUZET professeurs des universités à l INPG et Yves DURAND Ingénieur de recherche à Kalray. Je tiens tout particulièrement à exprimer mes remerciements à Tanguy RISSET et Antoine FRABOULET qui ont dirigé cette thèse dans la continuité de mon stage de Master. Tout au long de ces trois années, ils m ont patiemment encadré et étaient toujours disponibles même pendant ma deuxième année de thèse, lorsque j étais accueilli dans les laboratoires du CEA-Leti à Grenoble. Leurs conseils et leurs encouragements ont été déterminants pour la réussite de cette thèse. Je les remercie vivement. Je remercie aussi mon encadrant au laboratoire LISAN du CEA-Leti : Jérôme MARTIN pour son aide précieuse qui m a permis d appréhender rapidement les concepts fondamentaux du démonstrateur MA- GALI sur lequel s appuie mes travaux de recherche. Je le remercie aussi pour sa disponibilité, ses conseils pertinents et ses directives déterminantes pour la mise en œuvre des concepts proposés dans cette thèse. J ai eu également le plaisir de collaborer avec Yves DURAND qui m a encadré en début de thèse avant son départ à Kalray. Je le remercie vivement d avoir orienter au bon moment mes axes de recherches et pour ses conseils qui étaient déterminants pour la suite de la thèse. Je le remercie aussi de son suivi du déroulement de la thèse même après son départ du CEA. Je remercie tous les membres du laboratoire LISAN où j ai passé un an et demi pour avoir accès aux technologies de pointe concernant les architectures numériques de radio logicielle. Un grand merci à François BERTRAND qui m a accueilli au sein de son équipe et surtout à Frédéric HEITZMANN et Romain LEMAIRE pour leurs aides indispensables. Enfin, Je voudrais aussi remercier chaleureusement toutes les personnes que j ai côtoyé ces dernières années : toute l équipe du laboratoire CITI, mes amis et ma famille, et particulièrement mes parents qui m ont toujours soutenu et encouragé.

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7 Résumé Résumé Les architectures matérielles dédiées à la radio logicielle sont complexes à manipuler. L automatisation du passage de la modélisation à l implémentation a beaucoup d avantages et représente des enjeux économiques importants. Dans la littérature, les approches proposées de modélisation de la radio logicielle sont spécifiques à des plateformes particulières. Le passage à l implémentation se fait généralement par des techniques de compilation et de génération de code. Dans tous les cas, le programme exécutable généré est spécifique à une plateforme cible. Dans cette thèse, on propose un modèle de programmation orienté machine virtuelle qui permet d exprimer différents protocoles de niveau physique indépendamment de la plateforme cible. A ce modèle on associe un langage compilable vers un byte-code exécuté par la machine virtuelle radio (elle même est exécutée par un processeur natif ou réalisée par un matériel dédié) pour la configuration et le contrôle des plateformes radios. La machine virtuelle radio a été d abord expérimentée fonctionnellement sur une plateforme logicielle (PC) puis sur une plateforme réaliste avec considération des contraintes temps réel sur le système sur puce MAGALI (circuit du CEA-Leti). Pour valider le concept, des services de standards existants de couches physiques ont été implémentés. Les surcoûts de la machine virtuelle et du modèle de programmation ont été étudiés. Une évaluation quantitative expérimentale de ce surcoût a été réalisée et des techniques d optimisations ont été proposées. Abstract The hardware architectures dedicated to software radio are complex to handle. Automatic transition from modeling to implementation has many benefits and represents important economic perspectives. However the proposed approaches for software radios modeling, found in the state of the art, are specific to particular execution platforms. Indeed, moving to implementation is generally done through compilation and code generation techniques. In all cases, the generated executable program is definitively targeted for a specific platform. In this thesis, we propose a virtual machine based programming model which can express different physical layer protocols independently of the target platform. To this model we defined an associated language compilable into a high level byte-code to be executed by the radio virtual machine (which itself is executed by either a classic native processor or dedicated hardware) for configuration and control of radio platforms. The radio virtual machine was first tested functionally on a software platform (PC) Then it has been experimented on a realistic platform with real-time constraints consideration : the CEA-Leti MAGALI chip. To validate the concept, several transmit and receive services of existing physical layer standards have been implemented. The additional costs of the virtual machine and the programming model were studied. A quantitative experimental evaluation of these additional costs have been realized and optimization techniques have been proposed.

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9 Table des matières 1 Introduction Introduction Générale Contexte radio logicielle Problématiques de la thèse Motivations et contributions de la thèse Organisation du manuscrit État de l art Introduction Plateformes matérielles pour la radio logicielle Aperçu des plateformes de radio logicielle existantes Cycle de développement des radios logicielles Spécification des formes d ondes Modélisation des formes d ondes Langages de description des formes d ondes Architectures logicielles et environnements d exécutions Architecture SCA (Software Communication Architecture) Environnement d exécution radio logicielle de l UPC Les radios virtuelles Proposition de Gudaitis et Mitola Implémentations propriétaires Conclusion Modèle de programmation rkpn Introduction Modèle de calcul rkpn (reconfigurable KPN) Définitions et modèles antérieurs Proposition du modèle rkpn Proposition d un modèle d exécution associé PLDL (Physical Layer Description Language) Description du langage PLDL Implémentation du IEEE802.11a en PLDL Proposition du dispositif «programmable pipe» Problème visé Description du dispositif PP ix

10 Table des matières Exemple d utilisation du PP : bloc d estimation de canal d un récepteur IEEE802.11a 54 Conclusion Implémentation logicielle de la MVR sur MAGALI Introduction Aperçu du SoC MAGALI Architecture et concepts fondamentaux de MAGALI Environnements de simulation et de développement Choix du circuit MAGALI comme plateforme de preuve de concept Réalisation des primitives du PLDL sur MAGALI Architecture logicielle existante Implémentation de la RVM API sur le SoC MAGALI Extension de la machine virtuelle «Lua» en MVR Machines virtuelles candidates Portage de la machine virtuelle «Lua» sur le processeur ARM1176JZF-S Intégration globale Réalisation du dispositif «Programmable Pipe» (PP) L association ARM-SME Réalisation du PP et de ses primitives Conclusion Expérimentations Introduction re expérimentation : Un seul opérateur fonctionnel (FFT) Protocole d expérimentation Résultats expérimentaux Analyse des résultats e expérimentation : Estimation du CFO IEEE802.11a Protocole d expérimentation Résultats expérimentaux Analyse des résultats Proposition de techniques d optimisation Compilation à la volée Traduction de code Accélération matérielle Conclusion Démonstrateur 3GPP/LTE Introduction Le standard 3GPP LTE Aperçu du standard 3GPP/LTE La couche physique 3GPP/LTE Implémentation d un récepteur 3GPP/LTE sur MAGALI Partitionnement de l application sur MAGALI Schémas de configuration et de contrôle x

11 Table des matières 6.3 Implémentation par la machine virtuelle radio Conception de l application récepteur LTE (mode (5)) Résultats et Analyse Conclusion Conclusion Synthèse Perspectives Utilisation des processeurs mutlicœurs pour la radio logicielle Ingénierie de bytecode pour optimiser l adéquation algorithme-architecture Support de l exécution simultanée de multiple applications radios Liste des publications Bibliographie Annexes A Programmes de l émetteur / récepeteur IEEE802.11a A.1 Programme de l émetteur IEEE802.11a A.2 Programme du récepteur IEEE802.11a B Liste non exhaustive des machines virtuelles existantes B.1 Liste des machines virtuelles libres B.2 Liste des machines virtuelles Java xi

12 Table des figures 1.1 Convergence des standards vers la radio logicielle Architecture classique d un émetteur-récepteur Les objectifs majeurs de la radio logicielle Proposition du concept de machine virtuelle pour la réalisation de la radio logicielle Plateformes radios logicielles Flot classique de conception de systèmes Étapes de la conception dirigée par les modèles Exemple de raffinement par décomposition d une entité Exemple d un assemblage RDL Flot de données de l assemblage de la figure FIG Architecture logicielle pour l exécution du RDL (extrait de [33]) Architecture de configuration et de contrôle des équipements radio E 2 R Extrait d un programme écrit en E 2 R FDL d un émetteur IEEE802.11a Exemple de code Kernel SPEX (extrait de [36]) Exemple de code Stream SPEX (extrait de [36]) Exemple de code Synchronous SPEX (extrait de [36]) Architecture SCA d un système radio Exemple de graphe KPN Exemple d un processus de kahn (extrait de [50]) Exemple de graphe SDF Exemple de graphe CSDF Un KPN (à gauche) et le rkpn associé Un rkpn pendant et après reconfiguration Exemple de composant radio, FFT Modèle d architecture d exécution adapté à rkpn Architecture de la couche Format d un PPDU IEEE802.11a extrait de [58] Architecture globale du démonstrateur IEEE802.11a Diagramme de séquences de l estimation de l erreur CFO Synoptique du programmable pipe Synoptique du programmable pipe (version avec deux buffers) Séquence d apprentissage d un PPDU IEEE802.11a Chaîne de traitement pour l estimation de canal et son égalisation Le système sur puce MAGALI Contrôleur CCC intégré dans une ressource de MAGALI Exemple du protocole de configuration et de communication sur MAGALI xii

13 Table des figures 4.4 Micro architecture d une unité de traitement du circuit MAGALI (figure extraite de [69]) Différents modes de simulation du processeur ARM sur MAGALI Compilateur de communication COMC Découpage de l API FAUST Architecture logicielle de la machine virtuelle radio Modules fonctionnels qui composent l environnement Lua (figure extraite de [81]) Association ARM SME Micro-architecture du SME Exécution d un processus de «programmable pipe» (L_pp) par le processeur ARM Exécution de la FFT sur un nombre variable de données : les 3 implémentations de la 1 re expérimentation Temps total d exécution simulés des trois configurations d implémentation Chronogrammes pour le processeur et l IP FFT pour les trois configurations : native (a), RVM API (b), RVM complète (c) Décomposition du temps d exécution de la 1 re expérimentation pour les trois configurations d implémentation CFO Implémentation de l estimation CFO selon la configuration native Structure d une trame IEEE802.11a Les phases d exécution de l application CFO selon les 3 configurations d implémentation Traduction de code appliquée à un programme radio Architecture de l interface radio LTE Structure de la trame de niveau physique LTE type Structure d un slot de trame type-1 LTE Décomposition d un slot de trame LTE en blocs de ressources Structure d un symbole OFDM de référence LTE Découpage en modules fonctionnels du récepteur LTE réalisé par le laboratoire LISAN du CEA-LETI Les flots de traitement de données nécessaires aux quatre phases d exécution d un récepteur LTE (figure extraite de [66]) Chronogramme des phases d exécution de l application LTE (figure extraite de [66]) Flot de traitement de données correspondant à la phase (a) (avec MVR) Diagramme de séquence de la phase d exécution (a) (avec MVR) Scénario de calcul des paramètres de configuration par le PP Flot de traitement de données correspondant à la phase (c) (avec MVR) Flot de traitement de données correspondant à la phase (c) (avec MVR) Chronogramme des phases d exécution de l application LTE implémenté avec le concept de MVR Cas d utilisation de la MVR avec une ingénierie de bytecode préalable adaptée à l architecture cible au niveau de l opérateur xiii

14 Liste des tableaux 2.1 Temps de développement (homme heures) - Approche traditionnelle (extrait de [19]) Temps de développement (homme heures) - Approche rapide (extrait de [19]) Principaux types de données pour la configuration des modems radios Statistiques du FDL IEEE802.11a (extrait de [35]) Paramètres associés à chaque débit du IEEE802.11a Résumé des résultats de l implémentation du démonstrateur IEEE802.11a Jeu d instruction du CCC qui manipule les configurations stockées dans les slots de la mémoire interne aux unités de traitement Machines virtuelles candidates Les paramètres de régression linéaire du temps d exécution total pour les trois configurations Taille des programmes de la 1 re expérimentation pour les trois configurations Les temps d exécutions globaux de l application d estimation de l erreur CFO selon les différentes configurations du processeur Taille des programmes de la 2 e expérimentation pour les trois configurations Les paramètres principaux du prototype de système LTE Les débits des transmissions descendantes du prototype de système LTE Composition du code exécutable de l application récepteur LTE et tailles mémoire associées 119 xiv

15 Glossaire 3GPP AGC API ASIC BPSK BSP CEA CFO CITI CORBA DMA DSL DSP DSR FAUST FDD FFT FPGA FPU FSM GIPS GMAC GOPS GPP HAL HARQ IP 3rd Generation Partnership Project Automatic Gain Control Application Programming Interface Application Specific Integrated Circuit Binary Phase-Shift Keying Board Support Package Commissariat à l Energie Atomique Carrier Frequency Offset Centre d Innovation en Télécommunications et Intégration de services Common Object Request Broker Architecture Direct Memory Access Domain Specific Language Digital Signal Processor Deferred Service Routine Flexible Architecture of Unified System for Telecom Frequency Division Duplex Fast Fourier Transform Field Programmable Gate Array Floating Point Unit Finite State Machine Giga Instructions Per Second Giga Multiply ACcumulate Giga Operations Per Second General Purpose Processor Hardware Abstraction Layer Hybrid Automatic Repeat Request Intellectual Property xv

16 Glossaire ISR JIT JTRS LISAN LTE LTS MIMO MMU MVR NoC OFDM PLDL POSIX PP PRB QAM QPSK rkpn RL RTL SCA SDF SIMD SME SoC STS TDD TLM TTI VHDL VLIW VM Interrupt Service Routine Just In Time Joint Tactical Radio Systems Laboratoire d Intégration Silicium des Architectures Numériques Long Term Evolution Long Training Sequence Multiple-Input Multiple-Output Memory Management Unit Machine Virtuelle Radio Network on Chip Orthogonal Frequency Division Multiplexing Physical Layer Description Language Portable Operating System Interface for UniX Programmable Pipe Physical Resource Block Quadrature Amplitude Modulation Quadrature Phase-Shift Keying Reconfigurable Kahn Process Network Radio Logicielle Register Transfer Level Software Communication Architecture Synchronous Data Flow Single Instruction Multiple Data Smart Memory Engine System on Chip Short Training Sequence Time Division Duplex Transaction-Level Modeling Transmission Time Interval Very high speed integrated circuit Hardware Description Language Very Large Instruction Word Virtual Machine xvi

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19 1 CHAPITRE Introduction Sommaire 1.1 Introduction Générale Contexte radio logicielle Problématiques de la thèse Motivations et contributions de la thèse Organisation du manuscrit

20 1.1 Introduction Générale 1.1 Introduction Générale Ce mémoire de thèse est intitulé «machine virtuelle pour la radio logicielle». Il résume mes travaux réalisés durant les trois années de thèse à travers deux laboratoires de recherche : le Centre d Innovation en Télécommunications et Intégration de services (CITI) de l INSA de Lyon et ses équipes SWING et AMA- ZONES affiliées à l INRIA, et le laboratoire d Intégration Silicium des Architectures Numériques (LISAN) du CEA de Grenoble. Cette collaboration entre les deux laboratoires a permis de réunir des compétences logicielles (machine virtuelle, compilation, programmation des systèmes embarqués) et des compétences matérielles et de traitement du signal (définition d architecture numériques pour les systèmes de télécommunication) qui sont les domaines traités dans cette thèse. Le sujet de cette thèse se situe dans un contexte de radio logicielle (RL)[1]. On peut définir brièvement cette technologie comme étant la réalisation en logiciel des fonctionnalités de traitement du signal nécessaires à la radio. Celles-ci étaient réalisées auparavant par des circuits dédiés à un seul standard. Le logiciel permet plus de flexibilité par rapport à un matériel figé. Nous présentons dans la section 1.2 une synthèse des éléments clefs de cette technologie et les intérêts à la fois économiques et stratégiques qu elle représente pour les acteurs du marché des télécommunications : opérateurs de télécommunication et industriels d équipements radios. La première étape dans cette thèse a été d explorer les différentes problématiques de la RL à travers une étude critique de l état de l art. Appliquer les meilleurs concepts du domaine logiciel tels que la réutilisation, la modularité, la portabilité, la spécification par modélisation et le passage automatique à l implémentation sur des plateformes d exécution matérielles sont les principaux axes de recherches de la RL étudiés. Ainsi j ai constaté que la réalisation d une application radio, appelée aussi forme d onde, nécessite le passage par un cycle de développement complexe qui exige des compétences multi disciplinaires (logiciel embarqué, architectures numériques et traitement du signal). Réduire la complexité de réalisation des applications radios et augmenter leur portabilité sont les objectifs principaux auxquels cette thèse contribue à amener des solutions. Dans la section 1.3, je présente les problématiques majeures de la radio logicielle à savoir la reconfigurabilité et la portabilité des applications radios et comment le concept proposé de «machine virtuelle radio» (MVR) permet d apporter des solutions à celles-ci. Dans la section 1.4 de ce chapitre nous présentons un aperçu des contributions de cette thèse. Cellesci consistent principalement à la définition des principes fondamentaux sous-jacents au concept de MVR qui seront détaillés tout le long de ce manuscrit : d abord, nous expliquons le mode de fonctionnement de la MVR. Puis, nous décrivons notre proposition de modèle de programmation et de modèle d exécution adaptés au contexte radio. Nous présentons par la suite notre implémentation de la MVR sur un circuit existant de radio logicielle et enfin, nous détaillons l ensemble des expérimentations réalisées nous permettant d évaluer le concept et ses perspectives d utilisation. Enfin, dans la section 1.5, nous présentons les différents chapitres qui constituent ce mémoire. 1.2 Contexte radio logicielle La diversité des besoins en services de télécommunication fait aujourd hui que les équipements mobiles doivent supporter un ensemble croissant de standards de communication. Cette diversité peut se traduire par les nouvelles applications que doivent supporter ces équipements. Celles-ci doivent être capable de transmettre et recevoir en plus de la voix, des données, des images, des flux vidéos numériques, etc. Ces applications ont ainsi différents besoins en terme de débit de transmission et de latence. L idée de la radio logicielle (RL) est de concevoir un système de communication universel permettant 3

21 1.2 Contexte radio logicielle d être reconfiguré, paramétré ou reprogrammé pour supporter différents standards de télécommunication. Par conséquent, un seul circuit universel serait suffisant pour remplacer la multitude de circuits correspondants aux différents standards radios à supporter par l équipement de télécommunication. L origine de la RL remonte aux années 70 avec les radios militaires définies par le département américain de la défense (DoD). A cette époque on a décrit une radio VLF (Very Low Frequency) qui utilise un convertisseur analogique numérique et un processeur 8085 [2]. Cependant le terme «radio logicielle» n est apparu pour la première fois qu au début des années 90 par Joseph Mitola [1] qui présenta une architecture RL idéale et expliqua les défis technologiques à surmonter pour l atteindre. Le JTRS (Joint Tactical Radio Systems) est un programme militaire du DoD qui a pour objectif la définition de radios flexibles et interopérables. Ce projet a permis de définir un standard pour la réalisation de radios en logiciel appelé SCA (Software Communication Architecture) [3]. Ce standard est basé sur l utilisation de l intergiciel CORBA [4] et du système d exploitation POSIX pour faire coordonner différents modules logiciels de traitements radios. Il est ouvert pour permettre d attirer les industriels et échanger les expertises dans le domaine de la RL. Borne WiFi à accès public réseau personnel sans fil (WPAN) Bluetooth WLAN Protocoles cellulaires GSM / UMTS Environnement pervasif de communications Radio logicielle Sans fil à accès fixe Les standards du futur FIG. 1.1: Convergence des standards vers la radio logicielle Malgré les origines militaires de la RL, aujourd hui les industriels d équipements radios sont en train d investiguer cette piste et de repenser leurs architectures matérielles. En effet, les standards radios actuels ont tous des fonctionnalités de traitement du signal en communs et pourraient être implémentés par des accélérateurs matériels paramétrables. Toutefois, les spécificités de chaque standard seront réalisées en logiciel. La figure FIG. 1.1 illustre la convergence des standards actuels et ceux du futurs vers une réalisation en RL. En effet, la RL offre beaucoup d avantages : elle optimise la réalisation des radios multi-modes ceci en reconfigurant à chaque fois un même ensemble de composants fonctionnels au lieu de dupliquer la chaîne de traitement radio autant de fois que de modes opératoires. Elle permet aussi de réduire les coûts de production : en effet le cycle de développement logiciel est souvent beaucoup plus court que celui de réalisation d un nouveau circuit et surtout nécessite des phases de vérification et de validation moins complexes. De plus, la RL permet le prototypage rapide de nouveaux standards et de réduire le temps de mise sur le marché des nouveaux produits. D autre part elle facilite la mise à jour et la maintenance des radios et permet ainsi d augmenter la durée de vie des équipements de télécommunication. En résumé, la RL a des perspectives économiques intéressantes qui permettraient de créer de nouvelles opportunités de marché et la création de nouveaux services comme par exemple, l accès à des réseaux privés par téléchargement de code. 4