摘要：信號處理技術(shù)的通用化趨勢和高帶寬、高實時性特點要求信號處理系統(tǒng)采用多處理器并行處理的設(shè)計方案。針對多處理器通用信號處理系統(tǒng)面臨的任務(wù)劃分調(diào)度的挑戰(zhàn)，結(jié)合云計算技術(shù)架構(gòu)以及信號處理技術(shù)的特點，給出了云計算技術(shù)應(yīng)用于通用信號處理的可行性分析。
關(guān)鍵詞：云計算；虛擬化；數(shù)字信號處理；通用信號處理
0 引言
近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)的廣泛普及和軟件技術(shù)的進步，SOA(Service Oriented Architecture)體系引導(dǎo)的Web2．0“引爆”互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，同時SaaS(Software as a Service)思想深入人心并取得長足發(fā)展，云計算應(yīng)運而生。同時，為滿足雷達信號處理的高實時性而采用的并行系統(tǒng)設(shè)計帶來了任務(wù)劃分和分配、調(diào)度上的挑戰(zhàn)。本文著眼于解決雷達信號處理領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)，結(jié)合云計算和通用信號處理的特點，對云計算應(yīng)用于通用信號處理的可行性做了分析。
1 云計算技術(shù)
1．1 云計算簡介
云計算是并行計算、分布式計算和網(wǎng)格計算的發(fā)展及商業(yè)實現(xiàn)，是一種通過網(wǎng)絡(luò)以便利的、按需付費的方式獲取計算資源并提高其可用性的模式。云計算模式的核心原則是：硬件和軟件都是資源并被封裝為服務(wù)，用戶通過高速網(wǎng)絡(luò)按需地訪問和使用。
云計算分為三個服務(wù)模式：分別是軟件即服務(wù)(SssS)，平臺即服務(wù)(PaaS)和基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(IaaS)，按照首字母縮寫是SPI，即所謂的云計算SPI架構(gòu)。
SaaS：以互聯(lián)網(wǎng)為載體，瀏覽器為交互，將服務(wù)器端軟件傳給遠程用戶的服務(wù)模式。
PaaS：把程序開發(fā)、測試、部署和運行環(huán)境等通過互聯(lián)網(wǎng)提供給用戶的服務(wù)模式。
IaaS：通過虛擬化技術(shù)提供處理、存儲、網(wǎng)絡(luò)以及基礎(chǔ)計算資源的服務(wù)模式。
1．2 虛擬化技術(shù)
虛擬化是表示計算機資源的抽象方法，通過虛擬化可以用與訪問抽象前資源一致的方法訪問抽象后的資源。虛擬化為資源提供了一個邏輯視圖，而不是物理視圖。通過虛擬化將原本幾臺設(shè)備的負荷加載在單一設(shè)備上從而大幅提高其利用率，這就是虛擬化的價值。
2 通用信號處理技術(shù)
2．1 雷達信號處理簡介
雷達信號處理系統(tǒng)將天線接收到的回波信號通過各種算法進行處理，在各種噪聲、雜波和干擾背景中檢測目標，提取目標的距離、方位、仰角、速度和類別等特征信息。
一個基本的雷達信號處理系統(tǒng)由多通道接收機，數(shù)字信號處理器，輸入／輸出(I／O)接口電路和定時控制器組成，如圖1所示。
天線接收的回波信號通過接收機，得到放大的有用目標信號，在信號處理機中完成信號處理，并通過I／O接口電路將點跡等目標信息送往雷達數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和顯示器。
2．2 信號處理技術(shù)的通用化
傳統(tǒng)信號處理機大多選擇專用芯片完成數(shù)據(jù)處理，導(dǎo)致通用性和可擴展性差，且處理算法與硬件結(jié)構(gòu)之間相關(guān)性大，算法的改變往往導(dǎo)致較大的硬件變動，導(dǎo)致研發(fā)成本高周期長。
為了滿足不同用戶的需求以及適應(yīng)在各種復(fù)雜環(huán)境下多種工作方式的需要，雷達信號處理機必須是可編程、可重構(gòu)的，且易于使用和維護，因而信號處理技術(shù)逐步向通用化方向發(fā)展。軟件的可編程性帶來了很大的靈活性，也促進了硬件系統(tǒng)的規(guī)范化、模塊化和通用化。雷達信號處理的實時性已經(jīng)達到每秒百億次至萬億次浮點運算，采樣位數(shù)和數(shù)據(jù)字長的增加，使得運算復(fù)雜度增加，以上因素導(dǎo)致數(shù)據(jù)吞吐量，存儲量的增加，從而采用多處理器并行設(shè)計。以FPGA+DSP構(gòu)建通用模塊的多處理器系統(tǒng)通用性強、研制周期短、成本低、維護易。
3 云計算與通用信號處理的結(jié)合
3．1 并行處理系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)
并行處理機需將一個任務(wù)分解成若干個子任務(wù)，交由各處理單元完成。由于子任務(wù)間的內(nèi)在聯(lián)系，各處理單元間或多或少存在數(shù)據(jù)交換和同步，因而并行處理機的性能直接與任務(wù)劃分有關(guān)。任務(wù)粒度過細，雖然并行度高，但是導(dǎo)致通信頻繁，控制復(fù)雜；反之則系統(tǒng)負載平衡度差且并行度低。任務(wù)分配將子任務(wù)分配到不同的處理器上，分配原則與任務(wù)劃分相同。
任務(wù)的劃分和分配／調(diào)度還需與具體的處理器性能、多處理器結(jié)構(gòu)結(jié)合，是并行系統(tǒng)設(shè)計中最復(fù)雜、且尚未充分解決的問題，只能利用人工任務(wù)分配，來達到負載和I／O的平衡。
3．2 可行性分析
多處理器信號處理機基于MPP(Massively Parallel Processing)架構(gòu)，MPP分為共享總線式和分布式。共享總線式多個處理器共同使用一套系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線，如圖2所示；分布式有線形、星形、樹狀和網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)等，如圖3所示。當(dāng)處理器個數(shù)較多時，共享總線系統(tǒng)將發(fā)生頻繁的總線沖突和等待，使得并行效率下降，而分布式的可擴充性和靈活性比共享總線式強，支持多級擴展且容錯能力高。一般設(shè)計結(jié)合共享總線和分布式并行兩種形式，從而獲得較高的并行效率。
MPP架構(gòu)的典型應(yīng)用如COW(Cluster of Workstations)，它是一種松耦合MPP，可以將一個機構(gòu)內(nèi)的所有機器連結(jié)起來形成強大而統(tǒng)一的計算力，因而COW屬于HPC(High Performance Computing)超級計算，因而基于MPP架構(gòu)的信號處理系統(tǒng)天生具有HPC基因。
云計算與信號處理技術(shù)的融合已具備以下條件：
(1)FPGA+DSP架構(gòu)的模塊化設(shè)計和標準總線的采用，使得處理機硬件進一步通用化，滿足云計算環(huán)境采用通用化構(gòu)件的要求。
(2)標準總線如PCI、VME和CPCI等發(fā)展迅速，PCI總線和VME總線正向點對點高速串行總線轉(zhuǎn)變，即PCI-e和VPX標準，其用高達3～10 Gb ／s的LVDS(低壓差分信號)傳輸取代了10～33 MHz的傳統(tǒng)并行傳輸，因而采用標準總線甚至光纖耦合的處理系統(tǒng)之間通信帶寬瓶頸正逐漸消失，滿足云計算環(huán)境高帶寬的要求。
(3)云計算核心層采用單機虛擬化+多機虛擬化的技術(shù)架構(gòu)，單機虛擬化為云計算提供了邏輯上同質(zhì)的虛擬化資源，多機虛擬化將眾多跨地域、跨OS的資源整合為一個統(tǒng)一的邏輯單元。典型的單機虛擬化如VMware，Xen等，多機虛擬化如PVM／MPI等均在云計算浪潮中急劇發(fā)展。虛擬化技術(shù)的發(fā)展，使得信號處理等嵌入式領(lǐng)域的資源整合看到了曙光。
作戰(zhàn)平臺如軍艦為了實現(xiàn)探測和跟蹤海面和空中目標，引導(dǎo)艦載機飛行著艦等功能，通常需配備搜索警戒雷達、航海雷達等多種雷達，眾多的雷達系統(tǒng)裝備在艦體相應(yīng)部位，其結(jié)構(gòu)各自獨立，如圖4所示。應(yīng)用云計算模式后，信號處理系統(tǒng)成為信號處理云，如圖5所示，雷達不再單獨存在，而是成為云計算的用戶，而信號處理系統(tǒng)所要實現(xiàn)的雜波抑制、信號檢測、脈沖壓縮等功能均為云環(huán)境下各用戶的服務(wù)子程序。
HPC在工業(yè)實時系統(tǒng)、軍事領(lǐng)域中有很多應(yīng)用且已取得一些成果，云環(huán)境內(nèi)的作業(yè)調(diào)度借鑒了HPC領(lǐng)域眾多先進成果，發(fā)展相對較為成熟，而將云計算技術(shù)融人通用信號處理后，程序員將從繁瑣的并行算法分析和并行程序設(shè)計中解脫出來，一切由云來處理，多處理器系統(tǒng)面臨的任務(wù)劃分和分配／調(diào)度問題迎刃而解。而云環(huán)境的HPC性能保證了信號處理的高實時性。
云計算與通用信號處理的結(jié)合具有可行性和創(chuàng)新性，值得做進一步深入研究。
4 結(jié)語
隨著網(wǎng)絡(luò)的普及，計算量日益增大，數(shù)據(jù)計算力將轉(zhuǎn)變成生產(chǎn)力。以個人電腦為中心的計算模式將被新興的云計算模式替代，云計算在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用將水到渠成。
本文針對通用信號處理的高實時性、高帶寬等特點分析了將云計算理論融入通用信號處理的可行性。下一步工作將重點圍繞虛擬化技術(shù)，尤其是多機虛擬化技術(shù)如何在嵌入式平臺實現(xiàn)做深入研究，為通用信號處理平臺的最終整合提供支撐。
下載文檔
