[发明专利]一种基于GPU和粒子群优化算法的高速路由通信系统及方法

说明书

本发明提供一种基于GPU和粒子群优化算法的高速路由通信系统及方法，通过采用大量GPU并行处理单元及DDR/GDDR5宽带高速存储器的直接操作，解决了基于传统CPU类纯软件处理路由数据交换与转发时，存在数据交换速率受限等问题，提升了高速路由器网络数据交换的数据交换吞吐量和并行处理能力；本发明通过采用基于粒子群优化算法优结合GPU大规模并行计算处理特点，实现了对网络拓扑中，最优路径的快速搜索与更新，提升了路由器路由规划性能。本发明通过采用一种基于FFT系数相对称的查找表优化方法，压缩了高速路由通信系统频谱带宽，提升了系统传输的微波射频频谱效能。

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种基于GPU和粒子群优化算法的高速路由通信系统及方法。

背景技术

近十年来，GPU越来越受到计算机、大数据和通信等领域的密切关注，而各种数据也表明GPU大规模计算，特别是并行计算和浮点运算方面，有着极大的优势，虽然CPU与GPU在结构上来说既有差异，又有类似。它所提供的性能是CPU的数十倍乃至于上百倍，虽然从成分构成上来看，CPU与GPU包含的部分基本相同，但是相比于传统CPU而言，GPU中包含的并行计算单元核数量，要远超CPU，这也是GPU在大规模并行数据处理和计算性能上，拥有巨大优势原因。

最短路径规划在工作时，要求根据某一准则(如网络拓扑传递最短、能量消耗最小等)，在网络拓扑链接中沿最优(或次优)路径行走。在拓扑信息完全已知时，目前已经有许多解决方法，势场法、 Dijkstra最短路径、可视图法等网络拓扑最短路径规划等。但势场法存在陷阱区，在相近的障碍物面前不能发现路径和在障碍物面前振荡等。Dijkstra最短路径、可视图法则有搜索路径复杂、无法引入大规模并行处理，效率不高等问题。

在追求高频谱效率的通信系统中，超乃奎斯特压缩(FTN)波形是近年来关注的热点。欧洲在“下一代卫星通信先进波形技术”项目中对时频二维压缩(TFP)波形进行了研究，认为TFP能够有效提升频谱效率。另外，TFP也是第二代数字卫星广播扩展型(DVB-S2X) 和第五代移动通信(5G)系统中的备选波形。从时频网格图上可以看出，压缩将引入码间串扰(ISI)和载波间干扰(ICI)。但是已有研究工作证明，只要压缩因子不超过时频Mazo极限，则信号的最小欧式距离不发生变化，因此接收机能够获得相同的误码率性能。对传输的波形进行时间压缩后(压缩因子0.8)，信号的传输速率增大，频谱效率提升25％左右。当然，传统的奈奎斯特信号在最佳采样点处不存在码间串扰(ISI)，而时间压缩后的信号则存在ISI，需要在接收端采用均衡技术进行消除。

发明内容

本发明是为了解决路由通信系统效率提升的问题，提供一种基于 GPU和粒子群优化算法的高速路由通信系统，通过采用大量GPU并行处理单元及DDR5/GDDR5宽带高速存储器的直接互联设计、采用基于粒子群优化算法优结合GPU大规模并行计算、采用一种基于FFT 系数对称特性的查找表优化方法等方法，提升了高速路由器网络数据交换的数据交换吞吐量和并行处理能力，提高了最优路径的快速搜索更新及网络交换路径规划能力，压缩减小了通信系统的频谱占用带宽，实现了系统频谱效能提升目标。

本发明提供一种基于GPU和粒子群优化算法的高速路由通信系统，包括通过互联网总线连接的通信收发单元、路由管理与数据交换单元和电源单元；

通信收发单元包括通过数据线连接的收发射频模块、基带收发模块和时钟管理模块；

路由管理与数据交换单元包括通过数据线连接的综合接口模块、综合控制与管理模块、GPU模块和数据分发模块；

综合控制与管理模块包括CPU处理器，GPU模块包括至少2个并行的GPU核处理器，数据分发模块包括电连接的FPGA芯片和 DDR/GDDR5宽带高速存储器，CPU处理器、FPGA芯片和 DDR/GDDR5宽带高速存储器均通过数据线连接；