一种测控网络边缘云计算的FPGA加速方法技术

本发明专利技术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；本发明专利技术首次将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。减轻了信号处理节点负荷。减轻了信号处理节点负荷。

【技术实现步骤摘要】
一种测控网络边缘云计算的FPGA加速方法


[0001]本专利技术属于航天信号测控处理
，具体涉及一种测控网络边缘云计算的FPGA加速方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。

技术实现思路

[0008]为了全部或至少部分解决
技术介绍
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，本专利技术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。
[0009]本专利技术采用了以下技术方案来实现目的：
[0010]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：
[0011]S1、搭建FPGA信号加速硬件架构，所述FPGA信号加速硬件架构包括管理节点服务器和计算节点服务器；将所述FPGA信号加速硬件架构通过网络接入云测控信号处理系统；
[0012]S2、预先确定测控任务的计算资源分配方式；将高计算复杂度的测控任务计算内容分配至FPGA处理单元进行信号加速处理，将低计算复杂度的测控任务计算内容分配至通用服务器进行处理；
[0013]S3、在所述FPGA信号加速硬件架构中，搭建FPGA资源调度平台；所述FPGA资源调度平台以单个FPGA板卡作为单个FPGA处理单元；同一时间中，可调度多个测控任务在不同的FPGA板卡中进行信号处理，实现对FPGA的资源管理；
[0014]S4、完成FPGA信号加速硬件架构和FPGA资源调度平台的搭建、测控任务分配方式的确定后，将测控信号数据包写入云测控信号处理系统，使用FPGA信号加速硬件架构中计算节点服务器的通用服务器资源，完成低计算复杂度的测控任务计算；
[0015]S5、通过FPGA资源调度平台，将高计算复杂度的测控任务下发至FPGA处理单元进行信号加速处理，处理完成后返回结果数据至计算节点服务器中。
[0016]具体的，步骤S1中，通过将管理节点服务器和计算节点服务器以光纤方式连接至万兆交换机，并将FPGA板卡以PCI
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E接口形式安装于计算节点服务器后，完成FPGA信号加速硬件架构的搭建；通过网络的接入，可实现实时信号收发及处理的功能。
[0017]优选的，所述云测控信号处理系统具有多套，每一套云测控信号处理系统均接入有一个完成搭建的FPGA信号加速硬件架构；多套云测控信号处理系统之间通过网络互相连接，实现资源的共享。
[0018]具体的，步骤S2中，所述高计算复杂度的测控任务包括信号处理模块的捕获任务和编译码任务；所述低计算复杂度的测控任务包括数据处理单元任务和网络层模块任务。
[0019]进一步的，步骤S3中，通过搭建调度平台服务端和调度平台客户端的方式，完成对FPGA资源调度平台的搭建；所述调度平台服务端部署在管理节点服务器，对接用户的测控任务需求，并依据测控任务需求，分析和匹配所需FPGA资源；所述调度平台客户端部署在计算节点服务器，接收测控任务内容，并依据所需的FPGA资源，部署相应的FPGA处理单元，完成信号加速处理。
[0020]进一步的，所述搭建调度平台服务端，具体包括如下步骤：
[0021]S31、设置需求处理模块：在接收到测控任务内容后，依据测控任务中的需求，将需求存入需求队列，并按照顺序进行处理；当需求均存入需求队列后，进行硬件资源匹配，判断所有需求的执行时间是否有冲突，若有冲突，则先计算所有冲突需求的所需FPGA资源是否能满足，若不能则反馈至用户；若执行时间无冲突或冲突需求的所需FPGA资源能满足，则形成任务转交给任务管理模块；
[0022]S32、设置任务管理模块：任务管理模块创建任务，并按任务执行时间顺序存入任务队列，当任务开始执行时，将测控任务内容下发，并对测控任务的状态持续跟踪；
[0023]S33、设置资源调度模块：接收到下发的测控任务内容后，根据其中的需求，形成FPGA资源调度指令，将测控任务内容和FPGA资源调度指令下发至调度平台客户端。
[0024]进一步的，所述搭建调度平台客户端，具体包括如下步骤：
[0025]S34、设置任务处理模块：从调度平台服务端接收到测控任务内容后，解析任务内容，生成任务执行流程，将任务执行流程下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种测控网络边缘云计算的FPGA加速方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、搭建FPGA信号加速硬件架构，所述FPGA信号加速硬件架构包括管理节点服务器和计算节点服务器；将所述FPGA信号加速硬件架构通过网络接入云测控信号处理系统；S2、预先确定测控任务的计算资源分配方式；将高计算复杂度的测控任务计算内容分配至FPGA处理单元进行信号加速处理，将低计算复杂度的测控任务计算内容分配至通用服务器进行处理；S3、在所述FPGA信号加速硬件架构中，搭建FPGA资源调度平台；所述FPGA资源调度平台以单个FPGA板卡作为单个FPGA处理单元，FPGA资源调度平台同时调度多个测控任务在多个FPGA处理单元中进行信号加速处理；S4、完成FPGA信号加速硬件架构和FPGA资源调度平台的搭建、测控任务分配方式的确定后，将测控信号数据包写入云测控信号处理系统，使用FPGA信号加速硬件架构中计算节点服务器的通用服务器资源，完成低计算复杂度的测控任务计算；S5、通过FPGA资源调度平台，将高计算复杂度的测控任务下发至FPGA处理单元进行信号加速处理，处理完成后返回结果数据至计算节点服务器中。2.根据权利要求1所述的一种测控网络边缘云计算的FPGA加速方法，其特征在于：步骤S1中，通过将管理节点服务器和计算节点服务器以光纤方式连接至万兆交换机，并将FPGA板卡以PCI
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E接口形式安装于计算节点服务器后，完成FPGA信号加速硬件架构的搭建。3.根据权利要求2所述的一种测控网络边缘云计算的FPGA加速方法，其特征在于：所述云测控信号处理系统具有多套，每一套云测控信号处理系统均接入有一个完成搭建的FPGA信号加速硬件架构；多套云测控信号处理系统之间通过网络互相连接。4.根据权利要求1所述的一种测控网络边缘云计算的FPGA加速方法，其特征在于：步骤S2中，所述高计算复杂度的测控任务包括信号处理模块的捕获任务和编译码任务；所述低计算复杂度的测控任务包括数据处理单元任务和网络层模块任务。5.根据权利要求1所述的一种测控网络边缘云计算的FPGA加速方法，其特征在于：步骤S3中，通过搭建调度平台服务端和调度平台客户端的方式，完成对FPGA资源调度平台的搭建；所述调度平台服务端部署在管理节点服务器，对接用户的测控任务需求，并依据测控任务需求，分析和匹配所需FPGA资源；所述调度平台客户端部署在计算节点服务器，接收测控任务内容，并依据所需的FPGA资源，部署相应的FPGA处理单元，完成信号加速处理。6.根据权利要求5所述的一种测控网络边缘云计算的FPGA加速方法，其特征在于：所述搭建调度平台服务端，具体包...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙菁，刘柳，刘田，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第十研究所，
类型：发明
国别省市：