JP2022065130A - ソフトウェアベースのクラウドコンピューティングモジュレータ/デモジュレータモデム - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、特許協力条約に基づく国際出願であり、2017年10月12日に出願された米国非仮特許出願第15/782,651号(2017年6月22日に出願された米国仮特許出願第62/523,713号の優先権を主張する)の利益を主張し、その内容は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、「クラウドコンピューティング」として知られる分散コンピューティングファブリック内にモデムを作成するための「全ソフトウェア」手法を使用し、この手法は、高性能コンピューティング(HPC)サーバとして知られる市販の既製(COTS)ハードウェアでサポートされる。HPCアーキテクチャは、現在、Amazon Web Services(AWS)、Google Cloud Computing、MicrosoftのAzureなどの分散処理会社によってサポートされている。クラウドコンピューティング会社によってサポートされているアーキテクチャは、ソフトウェア定義ネットワーキング(SDN)をサポートまたは使用可能にすることも知られている。記載される方法は、当業者、例えば、ソフトウェアアーキテクト、ネットワークエンジニア、またはモデム設計者が、本開示に記載される概念を理解する能力を提供する。
本開示はOpenCL、C、C++などの高級プログラミング言語を使用して作成される変調器および/または復調器(モデム)を記述し、分散コンピューティングアーキテクチャ内のクラウドベースのHPCプラットフォーム上のアプリケーションとして高級プログラミング言語を実装する方法に関する。説明される方法は、高級コンピューティング言語を使用して全ソフトウェアモデムをどのように作成することができ、すべてデジタルのコンピューティングデバイスを使用して通信波形を作成するためのクラウドベースのアーキテクチャでサポートされることができるかの説明を提供する。説明される方法は、クラウドベースの処理アーキテクチャ内で利用可能な処理リソースを使用して、ハードウェアまたは専用(目的のために構築された)モデム、またはソフトウェア定義モデム(SDM)のあらゆる態様において、同様のまたはより高い性能を提供するために利用され得る。さらに、記載されるアプローチは、リアルタイムで波形処理を実行することができる。
本開示は、クラウドコンピューティングのリソース分散処理リソースを使用する全デジタルソフトウェアのみのモデムを提供することに関するが、これに限定されない。従来、衛星、戦術無線、または地上リンクのための通信リンクをサポートする典型的な通信モデムは、ネットワークユーザインターフェースから構成され、様々な同期および非同期プロトコルを利用するデジタルストリームの形でユーザデータを受け入れる。モデムの変調部分は、ユーザデータを受け付け、伝送媒体に適したフォーマットにデータを変調する処理を実行する。ユーザデータから変調されるストリームへの変換の実際のプロセスは、個別のコンポーネント、論理デバイス、および低級プログラミング言語からなるハードウェアの目的に合わせて構築された部分によって実行され、伝送媒体を介して伝送される最終波形を生成するのに必要なステップをハードウェアが達成するための指示を提供する。逆に、モデムの復調部分は、逆のプロセスを実行し、再び、すべてが、個別のコンポーネント、論理デバイス、および低レベルのプログラミング言語からなるハードウェアの目的に応じて構築された部分によって実行され、ハードウェアが伝送媒体を介して波形を受け入れるために必要なステップを達成し、ユーザデータをデジタルストリームに戻すためのステップを実行するための指示を提供する。
・回復力のあるアーキテクチャを提供する。パスが危険にさらされた場合、パスはクラウドコンピューティング環境で追加のリソースを介して再ルーティングされる。
・冗長な波形処理リソースを提供する。パスまたはサーバが使用できなくなった場合、クラウドコンピューティング環境で追加のリソースを介して再ルーティングされる。
・ほぼ無制限の波形処理能力を提供する。処理中の波形がサーバ上の処理の限界に達した場合、クラウドコンピューティング環境内の別のサーバまたは複数のサーバのリソースが追加される。
・一時的な運用を提供する。短期間の使用にのみ波形処理が必要とされる場合、波形は処理され、永久に破壊されるか、短期間(繰り返されるか)、または新しい位置に移動され得る。
・抽象化されたハードウェアプラットフォームを提供する。高レベル波形処理は、特定のサーバまたは製造業者の技術のハードウェアリソースに依存しない方法で実行されてもよい。
・セキュアな処理環境を提供する。詳細、複雑さ、およびリソースは外部の世界にさらされず、物理的に盗まれたり、敵意ある人物、組織、または敵にさらされたりすることはない。
・正しい宛先に向けられるか、または既知のエッジデバイスから受信される
・データフローに対するFEC保護を必要とする可能性のあるエラーのない動作
・フレーム/パケットが欠落していないまたは順序がずれていないすべてのデータの順序
・デジタル波形I/Qデータを含むフレーム/パケットがあまりにも遅く到着したりオーバーフローしたりしないことを保証するために、すべてのデータのタイムスタンピングまたは既知の量の時間/遅延を考慮に入れることができる
・暗号化されたデータフローを利用することができる
・デジタルI/Qデータの通過を減速または高速化するためにフロー制御メカニズムを利用することができる
・インターネットまたはクラウドエッジにアクセスできる任意の場所に置くことができるエッジデバイスを提供する。
・処理技術が向上することにつれてスケーリングするアーキテクチャを提供する。エッジデバイスは、単に変換装置であり、デジタルストリーム(I/Qサンプル)として符号化された波形を最終的なアナログフォーマットに、または最終的なアナログフォーマットから変換する。波形処理の複雑さは、クラウドコンピューティングファブリック内に残る。
・セキュアな処理環境を提供する。変調されたデジタルI/Q波形データのみが、エッジデバイスへ、およびエッジデバイスから渡される必要があり、複雑さおよびリソースは外部世界にさらされず、物理的に盗まれず、または敵意ある人物、組織、または敵にさらされることができない。
以下は、全デジタルクラウドコンピューティングモデムのための最適化技術を用いた特定の実装であり、これらの方法の使用は、非限定的な例として提供される。
Claims (6)
- 変調サブシステムと、復調サブシステムと、統合されたエッジデバイスと、を備えるモデムシステムであって、
前記変調サブシステムは、
フレーム化ユーザデータストリームとしてユーザデータを受け入れるようにプログラムされたコンピュータ装置と、
前記フレーム化ユーザデータストリームのビット訂正を実行するようにプログラムされた順方向エラー訂正アプリケーションと、
前記ユーザデータをパラレルフォーマットからシリアルフォーマットに変換するようにプログラムされたフォーマット変換アプリケーションと、
シリアルフォーマットされた前記フレーム化ユーザデータストリームを第1の変調ユーザデータストリームに変換するようにプログラムされたマッピングアプリケーションと、
前記第1の変調ユーザデータストリームを電子的にフィルタリングするようにプログラムされたフィルタアプリケーションと、
フィルタリングされた前記第1の変調ユーザデータストリームを第1のアナログ変調通信波形に変換するように構成されたデジタル/アナログ変換器と、
を備え、
前記順方向エラー訂正アプリケーション、前記フォーマット変換アプリケーション、前記マッピングアプリケーション、及び前記フィルタアプリケーションは、それぞれ、少なくとも1つの中央処理装置(CPU)を有する少なくとも1つのHPCサーバによってサポートされるプログラムである、
前記変調サブシステムであり、
前記復調サブシステムは、
第2のアナログ変調通信波形を受信するようにプログラムされており、
前記第2のアナログ変調通信波形を第2の変調ユーザデータストリームに変換するように構成されたアナログ/デジタル信号変換器と、
増幅/減衰アプリケーションと、
前記第2の変調ユーザデータストリームをデマッピングされたデータビットに変換するようにプログラムされた復調アプリケーションと、
順方向エラー訂正(FEC)アプリケーションと、
エラーチェックアプリケーションと、
前記第2の変調ユーザデータストリームのフレーミングフォーマットを除去するようにプログラムされたデフレーミングアプリケーションと、
を備え、
前記増幅/減衰アプリケーション、前記復調アプリケーション、前記順方向エラー訂正アプリケーション、前記エラーチェックアプリケーション、および前記デフレーミングアプリケーションは、少なくとも1つのHPCサーバによってサポートされる、
前記復調サブシステムであり、
前記統合されたエッジデバイスは、
波形生成または波形受信の端で、アナログフォーマットへの変換およびアナログフォーマットからの変換を実行するように適応されており、さらに送信チェーンの場合、結果として得られる全デジタル波形は、デジタル/アナログ変換(DAC)によって、前記エッジデバイスによってデジタル形式からアナログ形式に変換され、逆に、受信チェーンの場合、前記エッジデバイスは、アナログ信号を受信し、アナログデジタル変換器(ADC)でアナログ信号をデジタルにする、
前記統合されたエッジデバイスである、
モデムシステム。 - 前記エッジデバイスは、前記第1のアナログ変調通信波形を送信し、前記第2のアナログ変調通信波形を受信する、請求項1に記載のモデムシステム。
- 変調サブシステムと復調サブシステムを有するモデムシステムを利用し1以上の変調通信波形を送信および受信する方法であって、前記方法は、
前記変調サブシステムによりユーザデータストリームを受け入れ、
前記ユーザデータストリームをフレーム化し、
フレーム化した前記ユーザデータストリームのビット訂正を実行し、
前記ユーザデータストリームをパラレルフォーマットからシリアルフォーマットに変換し、
シリアルフォーマットにされフレーム化した前記ユーザデータストリームを第1の変調ユーザデータストリームに変換し、
前記第1の変調ユーザデータストリームをフィルタリングし、
フィルタリングされた前記第1の変調ユーザデータストリームを第1のアナログ変調通信波形に変換し、
前記第1のアナログ変調通信波形を送信し、
前記復調サブシステムにより第2のアナログ変調通信波形を受信し、
前記第2のアナログ変調通信波形を第2の変調ユーザデータストリームに変換し、
前記第2の変調ユーザデータストリームをデマッピングされたデータビットに変換し、
前記第2の変調ユーザデータストリームでエラー訂正を行い、
前記第2の変調ユーザデータストリームのフレーミングフォーマットを除去する、
ことを有し、
前記ユーザデータストリームを変調する前記変調サブシステムは、前記変調サブシステムにより実行される順方向エラー訂正アプリケーション、フォーマット変換アプリケーション、マッピングアプリケーション、及びフィルタアプリケーションを含み、
前記変調サブシステムのそれぞれのアプリケーションは、高級プログラミング言語で書かれ、リアルタイム処理を達成するために、少なくとも1つのCPUを有する少なくとも1つの高性能コンピューティング(HPC)サーバおよび少なくとも1つのハードウェア加速装置によってサポートされ、
前記第2のアナログ変調通信波形を処理する前記復調サブシステムは、増幅/減衰アプリケーション、復調アプリケーション、順方向エラー訂正アプリケーション、エラーチェックアプリケーション、およびデフレーミングアプリケーションを含み、
前記復調サブシステムのそれぞれのアプリケーションは、リアルタイム処理を達成するために、少なくとも1つの高性能コンピューティング(HPC)サーバおよび少なくとも1つのハードウェア加速装置を利用する高級プログラミング言語で書かれている、
方法。 - 波形生成または波形受信の端で、統合されたエッジデバイスを使用し、アナログフォーマットへの変換およびアナログフォーマットからの変換を実行することをさらに含み、さらに送信チェーンの場合、結果として得られる全デジタル波形は、デジタル/アナログ変換(DAC)によって、前記エッジデバイスによってデジタル形式からアナログ形式に変換され、逆に、受信チェーンの場合、前記エッジデバイスは、アナログ信号を受信し、アナログ/デジタル変換器(ADC)でアナログ信号をデジタルにする、請求項3に記載の方法。
- 少なくとも1つの非一時的なコンピュータ可読媒体を含むコンピュータプログラムプロダクトであり、前記コンピュータ可読媒体は、変調サブシステムと復調サブシステムを有するモデムシステムにより実行されるとき、前記モデムシステムに1以上の変調通信波形を送信および受信する請求項3に記載の方法を実行させるプログラムを備えるコンピュータプログラムプロダクト。
- 少なくとも1つの非一時的なコンピュータ可読媒体を含むコンピュータプログラムプロダクトであり、前記コンピュータ可読媒体は、変調サブシステムと復調サブシステムを有するモデムシステムにより実行されるとき、前記モデムシステムに1以上の変調通信波形を送信および受信する請求項4に記載の方法を実行させるプログラムを備えるコンピュータプログラムプロダクト。
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