本發(fā)明涉及通信，具體為基于fpga的5g通信中pucch信道資源優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
1、在現(xiàn)代社會(huì)，隨著物聯(lián)網(wǎng)（iot）設(shè)備、智能手機(jī)以及各種通信設(shè)備的快速增長(zhǎng)，5g通信網(wǎng)絡(luò)正成為支撐各類應(yīng)用的基礎(chǔ)設(shè)施。在5g網(wǎng)絡(luò)中，物理上行控制信道（pucch）在確保高效、低延遲的通信中起著至關(guān)重要的作用。特別是在高密度的通信環(huán)境中，pucch需要同時(shí)處理大量并發(fā)用戶的請(qǐng)求，確保每個(gè)用戶能夠穩(wěn)定地上傳控制信息。
2、現(xiàn)有技術(shù)中，pucch信道的處理通常依賴于cpu或dsp等通用處理器。這些處理器具有較高的靈活性，能夠執(zhí)行各種復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)，包括調(diào)制、離散傅里葉變換（dft）等。然而，傳統(tǒng)的處理器雖然在多種任務(wù)中表現(xiàn)出較好的適應(yīng)性，但在面對(duì)大規(guī)模用戶接入和高并發(fā)時(shí)，計(jì)算能力和資源分配效率往往受到限制。為了解決這一問(wèn)題，現(xiàn)有技術(shù)引入了一些優(yōu)化方法，比如硬件加速和動(dòng)態(tài)調(diào)度算法，以提高pucch信道資源的利用率。這些技術(shù)在一定程度上提高了系統(tǒng)的計(jì)算效率和資源管理。
3、然而，現(xiàn)有技術(shù)還存在一些不足，傳統(tǒng)的計(jì)算方法通常依賴于串行計(jì)算，難以處理大規(guī)模數(shù)據(jù)并滿足實(shí)時(shí)響應(yīng)要求；現(xiàn)有的資源調(diào)度方案多為靜態(tài)調(diào)度，無(wú)法實(shí)時(shí)適應(yīng)變化的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，導(dǎo)致資源分配的不均衡，進(jìn)而降低了信道資源的使用效率和系統(tǒng)的整體性能；此外，現(xiàn)有的dft計(jì)算方法未能充分利用pucch信號(hào)的稀疏性，導(dǎo)致計(jì)算復(fù)雜度高、功耗大，硬件資源浪費(fèi)嚴(yán)重。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了基于fpga的5g通信中pucch信道資源優(yōu)化方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中計(jì)算效率低、資源調(diào)度不靈活以及硬件資源浪費(fèi)的問(wèn)題。
2、為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：基于fpga的5g通信中pucch信道資源優(yōu)化方法，包括以下步驟：
3、s1、對(duì)物理上行控制信道（pucch）信號(hào)進(jìn)行多尺度頻譜分析，利用小波變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解并提取信號(hào)中的稀疏頻率成分；
4、s2、將頻域信號(hào)轉(zhuǎn)換為稀疏矩陣表示，識(shí)別信號(hào)中的非零頻率成分，并基于稀疏矩陣優(yōu)化算法減少冗余計(jì)算；
5、s3、基于稀疏矩陣優(yōu)化后的信號(hào)，采用離散傅里葉變換（dft）計(jì)算，跳過(guò)低幅度頻率點(diǎn)，僅對(duì)重要頻率成分進(jìn)行dft計(jì)算；
6、s4、通過(guò)fpga平臺(tái)對(duì)所述稀疏dft優(yōu)化計(jì)算進(jìn)行并行處理；
7、s5、根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)載使用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法優(yōu)化pucch信道資源的調(diào)度，調(diào)整fpga工作頻率并進(jìn)行功耗管理；
8、s6、通過(guò)時(shí)分復(fù)用和頻分復(fù)用技術(shù)調(diào)度信道資源，以實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶對(duì)pucch信道的高效共享。
9、優(yōu)選的，所述多尺度頻譜分析步驟包括：
10、通過(guò)小波變換將pucch信號(hào)分解為不同尺度的頻率成分；
11、利用小波變換系數(shù)對(duì)頻率成分進(jìn)行篩選，識(shí)別信號(hào)中的稀疏性區(qū)域，忽略幅度較小的頻率成分；
12、根據(jù)稀疏性區(qū)域重構(gòu)信號(hào)頻譜，去除冗余頻率，優(yōu)化信號(hào)的頻域特性。
13、優(yōu)選的，所述稀疏矩陣優(yōu)化步驟包括：
14、根據(jù)pucch信號(hào)的頻譜特性，將其轉(zhuǎn)換為稀疏矩陣形式；
15、應(yīng)用零范數(shù)優(yōu)化方法，選取稀疏矩陣中的非零元素；
16、通過(guò)稀疏矩陣優(yōu)化算法，優(yōu)化頻率成分，減少計(jì)算量和硬件資源消耗。
17、優(yōu)選的，所述離散傅里葉變換計(jì)算步驟包括：
18、基于稀疏矩陣優(yōu)化后的頻率成分，執(zhí)行離散傅里葉變換計(jì)算；
19、根據(jù)頻率成分的幅度，跳過(guò)幅度較小的頻率點(diǎn)，僅對(duì)重要頻率成分進(jìn)行dft計(jì)算；
20、在fpga平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)并行處理，多個(gè)硬件單元同時(shí)計(jì)算dft。
21、優(yōu)選的，所述深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法優(yōu)化步驟包括：
22、通過(guò)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)負(fù)載及信號(hào)特性；
23、根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)載預(yù)測(cè)結(jié)果，深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型動(dòng)態(tài)調(diào)整計(jì)算資源的分配和fpga工作頻率；
24、根據(jù)調(diào)度結(jié)果調(diào)整功耗管理策略，優(yōu)化系統(tǒng)的功耗控制，確保在低負(fù)載時(shí)減少功耗，高負(fù)載時(shí)提高計(jì)算能力。
25、優(yōu)選的，所述時(shí)分復(fù)用和頻分復(fù)用技術(shù)調(diào)度步驟包括：
26、采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)，將pucch信道的資源分配到不同的時(shí)間段；
27、采用頻分復(fù)用技術(shù)，將pucch信道的資源分配到不同的頻率帶寬；
28、通過(guò)深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)調(diào)度算法，根據(jù)用戶需求動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)隙和頻帶，確保資源在多用戶并發(fā)情況下的高效利用。
29、優(yōu)選的，所述稀疏矩陣優(yōu)化算法通過(guò)以下步驟進(jìn)行：
30、計(jì)算頻譜中的稀疏性特征，選擇重要的頻率成分；
31、對(duì)頻率成分進(jìn)行壓縮，減少冗余部分，得到稀疏矩陣表示；
32、應(yīng)用稀疏優(yōu)化技術(shù)，通過(guò)零范數(shù)優(yōu)化或梯度下降方法最小化冗余計(jì)算，從而減少硬件資源消耗。
33、優(yōu)選的，所述fpga并行處理步驟包括：
34、根據(jù)pucch信號(hào)的頻譜分析結(jié)果，將dft計(jì)算分配到多個(gè)fpga硬件單元上并行處理；
35、每個(gè)硬件單元并行執(zhí)行dft計(jì)算任務(wù)，利用fpga的并行計(jì)算能力提高信號(hào)處理速度；
36、在計(jì)算過(guò)程中，動(dòng)態(tài)調(diào)整硬件單元的工作頻率，以適應(yīng)不同的計(jì)算負(fù)載。
37、優(yōu)選的，所述功耗管理通過(guò)以下步驟進(jìn)行：
38、通過(guò)深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型，根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)載預(yù)測(cè)功耗需求；
39、根據(jù)功耗需求，動(dòng)態(tài)調(diào)整fpga的工作頻率和電壓，以減少功耗；
40、在低負(fù)載情況下，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式，降低fpga的工作頻率，減少不必要的能量消耗。
41、本發(fā)明還提供基于fpga的5g通信中pucch信道資源優(yōu)化系統(tǒng)，包括：
42、信號(hào)分析模塊，用于對(duì)pucch信號(hào)進(jìn)行多尺度頻譜分析并提取信號(hào)的稀疏頻率成分；
43、稀疏矩陣優(yōu)化模塊，用于將信號(hào)的頻域表示為稀疏矩陣并優(yōu)化頻率成分；
44、dft計(jì)算模塊，用于基于優(yōu)化后的稀疏矩陣進(jìn)行離散傅里葉變換計(jì)算；
45、fpga處理單元，用于并行處理dft計(jì)算并動(dòng)態(tài)調(diào)整計(jì)算資源；
46、深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)模塊，用于優(yōu)化資源調(diào)度和功耗管理；
47、時(shí)空復(fù)用模塊，用于根據(jù)多用戶需求調(diào)度pucch信道資源并實(shí)現(xiàn)時(shí)分復(fù)用和頻分復(fù)用。
48、本發(fā)明提供了基于fpga的5g通信中pucch信道資源優(yōu)化方法。具備以下有益效果：
49、1、本發(fā)明通過(guò)引入fpga硬件加速，提升了pucch信道的處理效率。與傳統(tǒng)的cpu或dsp處理方案相比，fpga可以并行處理更多計(jì)算任務(wù)，減少了延遲。通過(guò)這種硬件加速，系統(tǒng)能夠更高效地支持大規(guī)模設(shè)備接入和高并發(fā)通信場(chǎng)景，從而提升了吞吐量和響應(yīng)速度。
50、?2、本發(fā)明采用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法來(lái)動(dòng)態(tài)優(yōu)化pucch信道資源調(diào)度，不同于現(xiàn)有技術(shù)中靜態(tài)的資源分配策略，深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)能夠根據(jù)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和信號(hào)變化，智能地調(diào)整資源配置。通過(guò)這種方式，系統(tǒng)能夠避免資源浪費(fèi)并確保功耗的最優(yōu)化，適應(yīng)多變的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。
51、?3、本發(fā)明結(jié)合時(shí)分復(fù)用和頻分復(fù)用技術(shù)，在時(shí)間和頻率維度上優(yōu)化資源分配。與傳統(tǒng)的單一資源分配方案不同，這種創(chuàng)新的資源調(diào)度方式，能根據(jù)用戶需求和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載靈活選擇最合適的策略，提高了頻譜的利用效率，減少了干擾，保障了多用戶環(huán)境下的高效通信。