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A path toward 5G NR PHY acceleration: the LDPC offloading on BlueField-3 DPU

dc.contributor.advisor1Verdi, Fábio Luciano
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/9143186843657940
dc.contributor.advisor1orcidhttps://orcid.org/0000-0002-5455-8910
dc.contributor.authorBrusse, Vlademir
dc.contributor.authorlatteshttp://lattes.cnpq.br/1620745795070108
dc.contributor.refereeMadeira, Edmundo Roberto Mauro
dc.contributor.refereeMartinello, Magnos
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/1870389730408675
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/7471111924336519
dc.contributor.refereeorcidhttps://orcid.org/0000-0002-1180-2637
dc.date.accessioned2026-09-28T13:32:27Z
dc.date.issued2026-08-03
dc.description.abstractThe transition toward AI-native Radio Access Network (RAN) architectures further intensifies the demand for cloud infrastructure resources, as distributed intelligence, machine learning inference, and real-time data analytics become integral components of future RAN deployments. Containerized and virtualized network functions in Cloud RAN environments increasingly rely on hardware acceleration and workload offloading to meet the stringent latency, throughput and energy efficiency requirements of Fifth Generation (5G) Advanced and emerging Sixth Generation (6G) mobile networks. Within the 5G New Radio (NR) Physical Layer (PHY), Low-Density Parity-Check (LDPC) decoding represents a computationally intensive workload that depletes host CPU resources. While offloading to Data Processing Unit (DPU) offers general purpose core relief, it introduces systemic latency overheads. This research project evaluates an acceleration framework that offloads the 5G NR LDPC encoding and decoding pipeline from an OpenAirInterface (OAI) x86 host to an ARM-based NVIDIA BlueField-3 DPU utilizing the Arm RAN Acceleration Library (ArmRAL) over a Communication Channel. Hardware acceleration provides several benefits for 5G NR. Specialized accelerators such as Graphics Processor Unit (GPU), Field-Programmable Gate Array (FPGA), and DPU execute computationally intensive PHY functions in parallel, significantly increasing throughput while reducing processing latency to meet the stringent timing requirements of 5G. They also improve energy efficiency by delivering higher performance per watt than general-purpose CPUs. In addition, offloading functions such as LDPC decoding, Fast Fourier Transform (FFT), and beamforming relieves the host CPU, allowing it to focus on higher-layer protocol processing, scheduling, and network management. These advantages improve system scalability and make hardware acceleration a key enabler of cloud-native Open RAN deployments. In this work the ArmRAL LDPC kernels on the BlueField-3 ARM Cortex-A78AE cores are functionally correct, producing output bit-identical to the OAI software baseline as verified through Block Error Rate (BLER)–Signal-to-Noise Ratio (SNR) characterization under Additive White Gaussian Noise (AWGN) and Tapped Delay Line A (TDL-A30) fading channels, and execute competitively with the x86 software baseline. However, the host-visible per-CB Communication Channel (Comch) latency exceeds the slot budget by two orders of magnitude, producing a substantial Flow Completion Time (FCT) slowdown and energy efficiency degradation relative to the OAI software baseline across end-to-end experiments. Our results show that the bottleneck is the per-CB Comch framework overhead between the host and the DPU, rather than ARM compute capability or Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) payload transfer, identifying host-visible Comch latency as the dominant architectural barrier to transparent lookaside PHY acceleration and quantifying its impact on FCT, throughput, and gross energy consumption relative to the OAI software baseline. Future work directions include persistent Comch contexts, Data Center Infrastructure-on-a-Chip Architecture (DOCA) Direct Memory Access (DMA)-based data paths, and slot-level OAI interfaces approaching an inline acceleration model.eng
dc.description.resumoA transição para arquiteturas de RAN nativas em nuvem intensifica ainda mais a demanda por recursos de infraestrutura em nuvem, à medida que a inteligência distribuída, a inferência de aprendizado de máquina e a análise de dados em tempo real se tornam componentes integrantes das futuras implantações de RAN. Funções de rede virtualizadas e em contêineres, em ambientes Cloud RAN, dependem cada vez mais da aceleração de hardware e do descarregamento de carga de trabalho (offloading) para atender aos rigorosos requisitos de latência, vazão e eficiência energética das redes móveis 5G Advanced e das emergentes redes 6G. Na camada física (PHY) do 5G NR, a decodificação LDPC representa uma carga de trabalho computacionalmente intensiva que consome recursos da CPU do host. Embora o descarregamento para uma DPU alivie os núcleos de propósito geral, ele introduz sobrecargas de latência sistêmica. Este projeto de pesquisa avalia uma estrutura de aceleração que transfere o pipeline de codificação e decodificação LDPC do 5G NR de um host x86 executando OAI para uma DPU NVIDIA BlueField-3 baseada em ARM, utilizando a ArmRAL sobre um canal de comunicação (Comch). A aceleração de hardware oferece diversos benefícios para o 5G NR. Aceleradores especializados, como GPU, FPGA e DPU, executam funções PHY computacionalmente intensivas em paralelo, aumentando significativamente a vazão e reduzindo a latência de processamento para atender aos rigorosos requisitos de temporização do 5G. Eles também melhoram a eficiência energética ao oferecer maior desempenho por watt do que CPUs de propósito geral. Além disso, o descarregamento de funções como decodificação LDPC, FFT e beamforming alivia a CPU do host, permitindo que ela se concentre no processamento de protocolos de camadas superiores, no escalonamento e no gerenciamento da rede. Essas vantagens melhoram a escalabilidade do sistema e tornam a aceleração de hardware um fator-chave para implantações Open RAN nativas em nuvem. Neste trabalho os kernels LDPC do ArmRAL, executados nos núcleos ARM Cortex-A78AE do BlueField-3, são funcionalmente corretos, produzindo saídas bit-a-bit idênticas às da referência de software OAI, conforme verificado por meio da caracterização BLER-SNR em canais AWGN e de desvanecimento TDL-A30, e apresentam desempenho competitivo em relação à referência de software x86. No entanto, a latência do canal de comunicação (Comch) por bloco de código (CB), visível ao host, excede o limite de tempo do slot em duas ordens de magnitude, resultando em uma redução substancial do FCT e em degradação da eficiência energética em comparação com a referência de software OAI nos experimentos de ponta a ponta. Nossos resultados mostram que o gargalo reside na sobrecarga da estrutura Comch por bloco de código (CB) entre o host e a DPU, e não na capacidade computacional ARM ou na transferência de carga útil via PCIe, identificando a latência Comch visível ao host como a principal barreira arquitetônica para a aceleração PHY transparente do tipo lookaside, além de quantificar seu impacto no FCT, na vazão e no consumo bruto de energia em relação à implementação de referência em software do OAI. As direções para trabalhos futuros incluem contextos de Comch persistentes, caminhos de dados baseados em DMA via DOCA e interfaces OAI no nível do slot que se aproximem de um modelo de aceleração inline.por
dc.description.sponsorshipNão recebi financiamento
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/20.500.14289/24759
dc.language.isoengeng
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlos
dc.publisher.addressCampus Sorocaba
dc.publisher.centerCentro de Ciências Exatas e de Tecnologia - CCET
dc.publisher.initialsUFSCar
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Ciência da Computação - PPGCC
dc.relation.urihttps://ieeexplore-ieee-org.ez31.periodicos.capes.gov.br/document/9569523
dc.relation.urihttps://ieeexplore-ieee-org.ez31.periodicos.capes.gov.br/document/11039666
dc.relation.urihttps://ieeexplore-ieee-org.ez31.periodicos.capes.gov.br/document/10858560
dc.relation.urihttps://ieeexplore-ieee-org.ez31.periodicos.capes.gov.br/document/10257113
dc.relation.urihttps://ieeexplore-ieee-org.ez31.periodicos.capes.gov.br/document/10310082
dc.relation.urihttps://ieeexplore-ieee-org.ez31.periodicos.capes.gov.br/document/9610039
dc.relation.urihttps://portal.3gpp.org/desktopmodules/Specifications/SpecificationDetails.aspx?specificationId=3214
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subject5G NReng
dc.subjectRANeng
dc.subjectPHYeng
dc.subjectLDPCeng
dc.subjectDPUeng
dc.subjectOffloadingeng
dc.subjectHW accelerationeng
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO::SISTEMAS DE COMPUTACAO
dc.subject.ods9. Indústria, Inovação e Infraestrutura
dc.subject.ods12. Consumo e Produção Responsáveis
dc.titleA path toward 5G NR PHY acceleration: the LDPC offloading on BlueField-3 DPUeng
dc.title.alternativeUm caminho para aceleração da camada física (PHY) do 5G NR: o offloading da LDPC na DPU BlueField-3por
dc.typeDissertação

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