[发明专利]一种测控网络边缘云计算的FPGA加速方法

说明书

本发明提供一种测控网络边缘云计算的FPGA加速方法，属于航天信号测控处理领域，解决了通用服务器计算能力不足的问题；包括：搭建FPGA信号加速硬件架构，分为管理节点服务器和计算节点服务器，搭建同时连接有多个FPGA处理单元的FPGA资源调度平台；预设任务计算资源分配方式，将高复杂度计算分配至FPGA处理单元，将低复杂度计算分配至通用服务器；在信号写入云测控信号处理系统时，使用计算节点服务器的通用服务器资源，完成低复杂度的测控任务计算，将高复杂度的测控任务下发至FPGA处理单元进行处理；本发明首次将FPGA信号加速方法应用到云测控系统中，提高了系统的加速信号处理能力，减轻了信号处理节点负荷。

技术领域

本发明属于航天信号测控处理技术领域，具体涉及一种测控网络边缘云计算的FPGA加速方法。

背景技术

随着航天技术的快速发展，测控任务量日益增长，带来了数据的快速积累；综合测控信号处理平台为了适应多频段、新体制和新型号任务的变化需求，对基带资源弹性扩展、动态调度和灵活部署等方面均提出了更高要求，而这些要求是传统独立硬件基带单元所难以满足的。

通用化和数字化的新型开放式架构可适应面向实际需求、以软件开发为核心的发展理念，灵活实现系统扩展和更迭；在航天测控地面站中，测控信号经射频前端设备转化为具有高速、多通道、实时和无限等特点的数字信号，即一种特殊的流式数据，可通过IP网络传输，保持信号波形特征，并利用云平台进行数据解析和信号处理等操作。

云测控信号处理系统由天线、数字化射频前端、通用服务器、信号处理软件、网络等组成，以通用服务器、网络设备作为基础硬件支撑平台，通过轻量级容器云、虚拟化等相关技术实现硬件资源虚拟化，利用测控功能软件提供数据解析及信号软解调服务，完成测距、测速、测角精度及数传等测控功能，构建测控功能虚拟化的基带资源池。

现有技术中，针对测控信号的实敏性特征，系统中的通用服务器以串行的方式执行指令，限制了系统的计算能力，实际并行程度不高；虽然已拥有许多指令级并行技术，但这种并行技术在实际应用中受多种因素的限制。此外，通用服务器较为繁琐的内存寻址操作导致了存储器的带宽有限，容易成为制约系统性能的瓶颈。通用服务器构建的云测控信号处理平台由于计算能力有限，传送数据的速率不高，已难以满足实时信号处理过程中对运算的高性能需求。

目前还通过引入物理层硬件加速器的方法，使计算复杂度较高的信号处理模块在加速器上运行，其优势在于强大的计算能力以及高速的运行效率。常见可编程的硬件加速器有GPU、DSP和FPGA。GPU和DSP采用专用硬件设计方法实现高性能的计算能力，分别在图像处理和数字信号处理领域获得广泛应用；然而，GPU和DSP的局限性在于：1、以固定的架构实现算法；2、在服务器内部仍然使用串行指令执行的方式运行程序；3、仅针对专用领域算法的加速效果明显。FPGA相对GPU和DSP，可在芯片内部实现高性能并行计算，具备强大的并行计算能力、更快运行速度，针对通信密集型任务，表现出低延时、低功耗且灵活部署的优势。

虽然FPGA具有很多优点，但使用FPGA作为云测控信号处理系统的加速卡仍存在以下问题：1、硬件编程困难，软件开发时间成本较高；2、传统的并行编程方法不能应用于具有异构架构的编程中，充分利用处理可编程的灵活性与FPGA的高性能来设计高效的并行计算成为系统研究的重难点；3、异构的CPU和FPGA平台之间的高效通信和数据交换会成为系统性能的瓶颈。

发明内容

为了全部或至少部分解决背景技术中提到的问题，使FPGA硬件架构应用于云测控信号处理系统中并发挥效果，本发明提供了一种测控网络边缘云计算的FPGA加速方法，可针对实时测控信号数据流的特点，通过合理分配计算资源、异构平台交互方式和资源调度过程，从而解决了现有的云测控信号处理系统中通用服务器算力不足的问题。

本发明采用了以下技术方案来实现目的：

一种实现测控网络边缘云计算的FPGA加速方法，包括如下步骤：