CN117768051A - 一种算法级无线电信号快速仿真生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种算法级无线电信号快速仿真生成方法，涉及无线通信技术领域。本发明与之前的相比，改进了信号生成调度效率低、数据实时性不足和组件扩展困难的问题，基于组件化多线程调度处理信号生成方法的应用，能为技术、产品的研究和开发提供一个新概念和通用信号生成平台，采用组件化和流图化的设计思想，大大简化信号仿真的设计和开发流程，降低了开发成本和周期，基于组件化多线程调度处理信号生成技术具有可重配置性，在很大程度上增强了其灵活性。能够高效快速地进行信号验证。

Description

一种算法级无线电信号快速仿真生成方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种算法级无线电信号快速仿真生成方法。

背景技术

无线通信信号广泛应用于手机、电视、广播、无线电等众多领域，传统信号生成方式以通用硬件平台为基础帮助我们收发信息、观看广播和电视等等。在通信领域，信号生成和分析技术不仅是一个重要的研究领域，而且也是技术革新的推动者。如今，由于不断提升的信号生成与分析技术，我们每天可以在网络上畅游、收发信息、观看电视节目、听取电台广播等等。通过软件编程来实现无线电信号仿真生成，是一种新型的无线电通信技术，具有灵活、通用、可升级、低成本等优点，被广泛应用于军事、民用等领域。目前，国内外都在积极研究和推广信号生成技术，其主要原理是通过实现无线电算法，通过验证各种算法的正确性和性能，通过仿真生成各种信号，再将实现的算法打包编译形成链接库进行应用。

当前处理信号生成主要由以下4个模块组成：信号源模块、编码模块、调制模块、信道模块，通过选择编码调制方式和设定信号的参数以生成所需的各种信号，并将这些信号存储成自定义的文件中。

处理信号的流程如图1所示，首先根据仿真需求设定参数，然后选择编码、调制和信道，通过输入数据、信道编码、调制和信道模拟的流程最终生成输出数据，以完成整个仿真过程。

当前处理数据的方法是线性的，前一个阶段处理的结果需要全部存储在内存中，如图2所示，数据处理时，对内存的占用会很大，如果硬件资源有限，那么信号生成过程中的内存使用可能会受到限制。

信号处理数据量越大，处理的时间越长，就需要更多的计算资源和内存来处理，当前解决方案以内存的先进先出队列为主，通过移位寄存器来实现，每当消费者读取到数据时，为了使其在线性地址空间中工作，每个子缓冲区都会被移动到“右侧”，随着时间的推移，“写入端”总是朝着新的、未使用的地址前进，但是由于内存大小是有限的，所以这种处理方式会有一个数据量处理上限。

针对此问题，目前的通用方案是流式处理，通过输入数据、信道编码、调制和信道模拟的流程最终生成输出数据，流式处理是一种常用的技术，它能够处理连续的、大量的数据，但这种处理方式在当前硬件环境下主要涉及几个方面的问题：

数据实时性：流式处理的一个主要缺点是数据实时性。在处理大量实时数据时，流式处理系统需要确保数据的实时性，即数据从产生到被处理的延迟时间不能太大。然而，由于处理过程中的各种因素，如处理器的速度、多线程的处理等，延迟是不可避免的。这对大数据量的信号生成是无法满足的。

计算资源：信号处理需要大量的计算资源。由于目前的处理方式是线性的，每一个阶段均需要等待前一个阶段全部处理完成才可以进行，这样的处理方式不但对目前多线程的处理器性能使用不足，而且对于大数据量信号生成时需要占用很高的内存空间，导致对计算资源的应用不当，产生异常和错误。

模型更新：目前信号处理的模型时常更新，目前集成度高的系统很难处理更新后的信号生成，对于每次更新都需要代码更新和重新编译，这样不仅需要使用人员技术能力更高，而且还导致开发验证时间变长。

组件扩展：信号处理不仅仅需要对当前已知的信号进行模拟仿真，而且还要对未知的信号进行模拟仿真，需要有足够的组件扩展能力，目前的信号处理方法均对组件的快速开发和组件的扩展能力支持度不高。

复杂网电空间充斥着各种技术体制的信号，在仿真生成这些信号时，对信号参数粒度拆分越精细就越有助于模拟逼近真实的信号。但受限于供应商的实力和用户在保密方面的特殊需求，一个系统不可能在投产前完全具备用户所需要的所有技术体制信号，这就需要为用户提供一种方便快捷的信号开发验证手段，用来协助用户能够在保证其核心资产不外泄的情况下实现载体的快速开发扩展。

为了解决上述问题，本发明提出一种算法级无线电信号快速仿真生成方法。

发明内容

本发明的目的在于提出一种算法级无线电信号快速仿真生成方法以解决背景技术中所提出的问题：

信号生成调度效率低、数据实时性不足和组件扩展困难。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种算法级无线电信号快速仿真生成方法，包括如下步骤：

S1：构建若干个标准化组件后存储于组件库中，组件库进行组件验证和组件管理；

S2：通过信号流图创编工具可视化调用组件库中的组件创建、编辑和调试信号流图；

S3：信号生成执行引擎按照信号生成流图定义，将组成流图的各个组件线程化，其中基于组件化多线程调度服务进行组件执行过程中的资源调度，再进行信号的验证。

优选地，S1中所述标准化组件构建具体如下：

定义组件输入参数、输出参数和工作处理流程；

规定组件构建初始化输出组件预设执行资源数量；

配置组件端口数据结构。

优选地，所述组件的构建过程中，对组件的复杂度进行预估，并将预估数值绑定在组件代码中；每个组件分配不少于一个线程执行，相邻的两个组件之间使用缓冲区进行数据缓冲。

优选地，S2中所述组件创建、编辑和调试信号流图完成后，信号生成流程图库基于流程生成调度服务对信号流图的生成、验证和执行过程进行资源调度。

优选地，S3中所述组件化多线程调度服务通过扫描流程图中组件数量进行存储，通过组件预设执行资源数量预设处理线程的优先级别；

所述组件化多线程调度服务还对达到预设执行资源数量达到阈值的组件进行线程绑定CPU；

所述组件化多线程调度服务还根据组件数据类型分配内存资源；

生产者组件执行时，所述组件化多线程调度服务基于读指针与写指针的差值计算可写空间大小，在计算可写指针后，进行组件执行，再将执行结果写入内存空间，并将指针指向写入的最后单元；

消费者组件执行时，所述组件化多线程调度服务首先基于写指针与组件读指针的差值计算可写空间大小，进行消费者组件执行，再进行数据消费，并将指针指向读取的最后单元。

优选地，所述组件化多线程调度服务还通过组件通知机制接收组件发出的消息和进行消息通知，具体如下：

在组件的写入过程中，判断可写数量是否达到内存空间总量的25％，若未达到，则通知提高线程优先级；

在组件的读取过程中，判断可读数量是否达到内存空间总量的25％，若未达到，则通知提高上一组件的线程优先级。

优选地，所述S3中进行资源调度后，组件获取对应的线程资源后，执行以下操作：

S3.1：判断线程是否准备完成，准备完成则进入下一步，否则释放资源；

S3.2：判断输入端口是否存在数据，存在数据则进入下一步，否则通知上级组件生产数据；

S3.3：判断输出端口是否存在输出空间，存在输出空间则读取缓存数据，执行算法并将输出写入缓存，否则通知下级组件消费数据。

优选地，所述组件化多线程调度服务的调度结果基于生成信号进行可视化验证。

与现有技术相比，本发明提供了一种算法级无线电信号快速仿真生成方法，具备以下有益效果：

本发明基于组件化多线程调度处理信号生成方法的应用，能为技术、产品的研究和开发提供一个新概念和通用信号生成平台，采用组件化和流图化的设计思想，大大简化信号仿真的设计和开发流程，降低了开发成本和周期，基于组件化多线程调度处理信号生成技术具有可重配置性，在很大程度上增强了其灵活性。能够高效快速地进行信号验证。

附图说明

图1为本发明背景技术中提到的现有方法处理信号流程图；

图2为本发明背景技术中提到的现有技术处理数据存储结构示意图；

图3为本发明实施例1中提到的方法流程图；

图4为本发明实施例1中提到的组件构建结构示意图；

图5为本发明实施例1中提到的组件消息通知示意图；

图6为本发明实施例1中提到的组件输出端口结构示意图；

图7为本发明实施例1中提到的组件输入端口结构示意图；

图8为本发明实施例1中提到的组件写入缓冲区示意图；

图9为本发明实施例1中提到的组件输入项目示意图；

图10为本发明实施例1中提到的生产者组件执行示意图；

图11为本发明实施例1中提到的生产者组件执行后指针指向示意图；

图12为本发明实施例1中提到的消费者组件执行示意图；

图13为本发明实施例1中提到的消费者组件执行后指针指向示意图；

图14为本发明实施例1中提到的组件获取线程资源后单次执行流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明利用组件化的方式将信号生成分解成独立的组件，再通过流图化的方式描述组件之间的关系和交互，从而实现了载荷快速开发和测试的目标。同时，基于组件化和流图化的设计思想，使得载荷系统更加模块化、灵活和易于维护。具体包括以下内容。

实施例1：

请参阅图3-14，本发明一种算法级无线电信号快速仿真生成方法，包括：

S1：构建若干个标准化组件并经验证后存储于组件库中；具体如下：

基础的组件一般是有输入端口和输出端口连接，每个组件至少分配一个线程执行，相邻的两个组件之间使用缓冲区进行数据缓冲，

组件的构建具体如下，可参照图4：

对每个组件的执行统一按照多线程执行方式，定义组件执行方法包括：输入参数、输出参数和工作处理。

规定组件构建初始化输出组件预设执行资源数量。

组件包括输入端口和输出端口，配置端口数据结构。

组件构建完成后，再对各组件进行验证，验证通过后存储至组件库中，由组件库进行统一的调度管理。由于每个组件的复杂度均不相同，如果将计算机资源平均分配给每一个运行中的组件，那么对应复杂度小的组件会很快执行完成，将分配给它的缓冲区数据执行完成，对应复杂度大的组件处理速度会很慢，无法将缓冲区中的数据及时处理。故在开发组件时，先对组件的复杂度进行预估，这个预估数值绑定在组件代码中，当组件被使用时，统筹全部组件的复杂度并根据各个组件的复杂度进行预处理，分配给不同组件预设的资源。

S2：通过信号流图创编工具可视化调用组件库中的组件创建、编辑和调试信号流图；具体如下：

组件化处理信号生成的基础运行单元是流图，基本处理单元是组件，通过将组件连接的方式，让数据从前向后流动，信号流图创编工具基于组件库中各标准化组件进行调用制作和生成信号流图，经过验证后执行。每个组件都是基础的处理单元。

在流图运行时，各个组件会进行消息通知，具体可参照图5，当组件在处理数据时发现缓冲区中没有足够数量的数据，就会通知调度系统进行资源的重新分配，会减少当前组件的资源分配，同时增加上游组件的资源分配；当组件在处理过程中，发现输出缓冲区的数据未能及时被下游组件消费，也会通知调度系统进行资源的重新分配，会增加当前组件的资源分配，同时减少下游组件的资源分配。

由于组件之间的处理速度各不相同，虽然通过预设组件的优先级，但是仍不可避免组件之间的线程切换和资源争抢引起的资源浪费，这时通过组件的通知机制来处理，首先调度系统创建一个控制调度线程，该线程负责接收组件发来的消息和进行消息通知。

组件每次执行判断可写数量是否达到内存空间总量的25％，若无法达到，则进行通知提高线程优先级。

判断可读数量是否达到内存空间总量的25％，若无法达到，则进行通知提高上一组件线程优先级。

预估复杂度和运行时修改两种机制同时处理，可以在最快的时间内找到流图中运行资源的最优分配方案，保障系统按照预设的速率正常、平稳运行。

S3：信号生成执行引擎按照信号生成流图定义，将组成流图的各个组件线程化，其中基于组件化多线程调度服务进行组件执行过程中的资源调度，再进行信号的验证。具体如下：

调度系统在初始化时，会预设缓冲区数量，每个缓冲区的数量设置为4096个，对应不同的数据结构所占用的内存资源不同。输出端口只连接一个组件时只有一个读取指针，如图6所示。

输入端口连接多个组件时，将根据连接的数量设置消费指针数量，如图7为两个消费指针。

组件将生产的数据写入缓冲区内，如图8所示，可以写入的范围为读取指针减去写入指针的值，组件消费数据时，会根据上游缓冲区的写指针减去读指针获取可读数据数量。

在组件输出项目中可以写入的数量为读指针减去写指针，输入项目中可以读取的数量为写指针减去读指针，组件判断可读数量和可写数量，如图9所示。

具体的组件执行可参照图10-图13，参照图10，生产者组件执行时，首先会先计算可写空间大小，值为读指针减去写指针，获取的数量是可以写入的内存空间大小，该读指针为最末读指针。参照图11，计算可写指针后，进行组件执行，将执行结果写入内存空间，并将写指针指向写入的最后单元。参照图12，消费者组件执行时，首先会先计算可读空间大小，值为写指针减去组件读指针。参照图13，消费者组件开始执行，进行数据消费，最后将读指针指向读取的最后单元。

由以上描述可以看出，当可读数量与可写数量相等时，组件执行的效率最高。但不可避免初始化时，组件的资源分配并不是那么理想，为了解决这一问题，我们通过运行时组件通知机制，由组件通知调度系统重新分配资源的方式来解决这个问题。组件单次执行流程如图14所示，组件在获取到线程资源后，会进行以下操作：

(1)判断线程是否准备完成，状态为是进入下一步，为否时将释放资源；

(2)判断输入端口是否存在数据，状态为是下一步，为否时将通知上级组件尽快生产数据；

(3)判断输出端口是否存在输出空间，状态为是将读取缓存数据，执行算法并将输出写入缓存，为否时，将通知下级组件尽快消费数据。

资源调度完成后，可以通过生成的信号进行可视化验证，能够实现快速、直观的信号验证。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种算法级无线电信号快速仿真生成方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：构建若干个标准化组件后存储于组件库中，组件库进行组件验证和组件管理；

S2：通过信号流图创编工具可视化调用组件库中的组件创建、编辑和调试信号流图；

S3：信号生成执行引擎按照信号生成流图定义，将组成流图的各个组件线程化，其中基于组件化多线程调度服务进行组件执行过程中的资源调度，再进行信号的验证。

2.根据权利要求1所述的一种算法级无线电信号快速仿真生成方法，其特征在于，S1中所述标准化组件构建具体如下：

定义组件输入参数、输出参数和工作处理流程；

规定组件构建初始化输出组件预设执行资源数量；

配置组件端口数据结构。

3.根据权利要求2所述的一种算法级无线电信号快速仿真生成方法，其特征在于，所述组件的构建过程中，对组件的复杂度进行预估，并将预估数值绑定在组件代码中；每个组件分配不少于一个线程执行，相邻的两个组件之间使用缓冲区进行数据缓冲。

4.根据权利要求1所述的一种算法级无线电信号快速仿真生成方法，其特征在于，S2中所述组件创建、编辑和调试信号流图完成后，信号生成流程图库基于流程生成调度服务对信号流图的生成、验证和执行过程进行资源调度。

5.根据权利要求1所述的一种算法级无线电信号快速仿真生成方法，其特征在于，S3中所述组件化多线程调度服务通过扫描流程图中组件数量进行存储，通过组件预设执行资源数量预设处理线程的优先级别；

所述组件化多线程调度服务还对达到预设执行资源数量达到阈值的组件进行线程绑定CPU；

所述组件化多线程调度服务还根据组件数据类型分配内存资源；

生产者组件执行时，所述组件化多线程调度服务基于读指针与写指针的差值计算可写空间大小，在计算可写指针后，进行组件执行，再将执行结果写入内存空间，并将指针指向写入的最后单元；

消费者组件执行时，所述组件化多线程调度服务首先基于写指针与组件读指针的差值计算可写空间大小，进行消费者组件执行，再进行数据消费，并将指针指向读取的最后单元。

6.根据权利要求5所述的一种算法级无线电信号快速仿真生成方法，其特征在于，所述组件化多线程调度服务还通过组件通知机制接收组件发出的消息和进行消息通知，具体如下：

在组件的写入过程中，判断可写数量是否达到内存空间总量的25％，若未达到，则通知提高线程优先级；

在组件的读取过程中，判断可读数量是否达到内存空间总量的25％，若未达到，则通知提高上一组件的线程优先级。

7.根据权利要求1所述的一种算法级无线电信号快速仿真生成方法，其特征在于，所述S3中进行资源调度后，组件获取对应的线程资源后，执行以下操作：

S3.1：判断线程是否准备完成，准备完成则进入下一步，否则释放资源；

S3.2：判断输入端口是否存在数据，存在数据则进入下一步，否则通知上级组件生产数据；

S3.3：判断输出端口是否存在输出空间，存在输出空间则读取缓存数据，执行算法并将输出写入缓存，否则通知下级组件消费数据。

8.根据权利要求1所述的一种算法级无线电信号快速仿真生成方法，其特征在于，所述组件化多线程调度服务的调度结果基于生成信号进行可视化验证。