陳 騁，馬曉巖，楊瑞娟，程 偉

(1.空軍預(yù)警學(xué)院研管大隊，湖北武漢 430010;2.空軍預(yù)警學(xué)院4系，湖北武漢 430010)

隨著信息化戰(zhàn)爭形態(tài)的不斷發(fā)展，要求武器平臺同時具備戰(zhàn)場探測、電子戰(zhàn)、通信、導(dǎo)航等多種能力。為確保作戰(zhàn)平臺在裝備雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信、導(dǎo)航等多種功能電子設(shè)備的同時，又不大幅增大平臺的體積和重量，保持其機動性能，這就催生了一體化多功能電子系統(tǒng)［1－3］技術(shù)的發(fā)展。所謂多功能電子系統(tǒng)，即通過計算機和數(shù)字技術(shù)，集告警、偵察和干擾于一身，共享系統(tǒng)資源，同步執(zhí)行雷達(dá)、通信、電子對抗等多任務(wù)的一體化系統(tǒng)。

多功能電子系統(tǒng)采用天線收發(fā)分置的方式，通過共享發(fā)射陣列和接收陣列實現(xiàn)雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)等多種功能的一體化，圖1為多功能電子系統(tǒng)發(fā)射陣列和接收陣列的工作示意圖，其中，發(fā)射陣列主要完成雷達(dá)、通信和電子攻擊等的電磁輻射任務(wù)，而接收陣列主要完成雷達(dá)回波接收、通信信號接收以及電子偵察等任務(wù)。

圖1 多功能電子系統(tǒng)工作示意圖

為保證不同的發(fā)射陣列電子任務(wù)能夠同時執(zhí)行，相互又不發(fā)生干擾和影響，在多功能電子系統(tǒng)的設(shè)計中，并發(fā)任務(wù)的電磁兼容是必須考慮的問題。文獻(xiàn)［4］討論了機載設(shè)備電磁兼容產(chǎn)生的原因，并建立了電磁干擾的理論模型，但未探討實現(xiàn)電磁兼容的具體措施。文獻(xiàn)［5］列舉了艦艇電磁兼容的相關(guān)解決途徑，但其電磁兼容針對的是不同的電子系統(tǒng)，未考慮各系統(tǒng)共用天線后相互之間的電磁兼容問題。文中針對多功能電子系統(tǒng)發(fā)射端共用同一天線的情況，分析了任務(wù)間產(chǎn)生電磁干擾的原因，給出了相關(guān)的解決措施，并提出了一種基于優(yōu)先級的電磁兼容調(diào)度算法，實現(xiàn)了多功能電子系統(tǒng)任務(wù)的電磁兼容性和任務(wù)有效性。

1 發(fā)射任務(wù)電磁兼容分析

多功能電子系統(tǒng)是共用天線的多任務(wù)同時執(zhí)行的電子系統(tǒng)，其發(fā)射陣列的并發(fā)任務(wù)間必須同時滿足3個電磁兼容條件:(1)在空域上存在共同的作用范圍。(2)在頻域上存在頻譜的重疊。(3)在時域上存在任務(wù)執(zhí)行的共同時間段。當(dāng)同時滿足以上3個條件時，任務(wù)之間就可能會出現(xiàn)同頻干擾、鄰道干擾等問題［6－7］。

因此，為實現(xiàn)發(fā)射任務(wù)間的電磁兼容性，需要采取相應(yīng)的管理措施。實現(xiàn)電磁兼容任務(wù)調(diào)度，最根本的方法就是使每一個任務(wù)所發(fā)射的信號都是惟一或可采取某種方法進行嚴(yán)格區(qū)分的，使每個任務(wù)的接收機都能夠?qū)⒆约盒枰邮盏男盘柵c其它任務(wù)所產(chǎn)生的信號區(qū)分開來，從而達(dá)到抗干擾的目的。多功能電子系統(tǒng)的電磁兼容任務(wù)調(diào)度設(shè)計主要從以下3個方面考慮。

(1)空間分析?？臻g分離是抑制任務(wù)間電磁干擾的有效方法［8］。當(dāng)若干種相互干擾的任務(wù)需要執(zhí)行時，則可通過空間管理使若干個不在相同空域工作的任務(wù)同時執(zhí)行。比如，一個雷達(dá)跟蹤任務(wù)和一個通信任務(wù)，他們的波束在空間上沒有重疊，則可以安排他們同時執(zhí)行。

(2)頻域分析。頻譜分離是實現(xiàn)電磁兼容的主要方法。為降低使用時發(fā)生電磁干擾的機會，同時執(zhí)行的任務(wù)頻譜需設(shè)置錯開。如果任務(wù)調(diào)度時出現(xiàn)了頻譜重疊，可以利用頻率自適應(yīng)技術(shù)［9－10］，自動尋找可用信道，將載頻轉(zhuǎn)換到不受干擾的頻道上，從而使接收機在接收信號時不發(fā)生干擾。

(3)時域分析。時間分離是實現(xiàn)電磁兼容的最簡單的方法。當(dāng)任務(wù)無法通過空間分離和頻譜分離實現(xiàn)電磁兼容時，可以使相互干擾的任務(wù)分時工作以保證任務(wù)順利執(zhí)行而不受影響。需要注意的是，雖然時間分離是簡便的電磁兼容方式，但也是使電子設(shè)備作戰(zhàn)效能損失最大的管理方式。

由于只需要空域、頻域和時域有一個領(lǐng)域滿足電磁波分離，任務(wù)就能順利執(zhí)行不被干擾，所以文中采用圖2的電磁兼容層次管理模式，以達(dá)到實現(xiàn)電磁兼容的方便性和有效性。系統(tǒng)優(yōu)先考慮空域分析，把空域相關(guān)的任務(wù)再進行頻域分析，頻域分析主要采用頻率自適應(yīng)技術(shù)，由于時間分離是作戰(zhàn)效能損失最大的電磁兼容方式，故作為最后考慮的實現(xiàn)手段。

圖2 多功能電子系統(tǒng)電磁兼容層次管理模型

2 多功能電子系統(tǒng)電磁兼容性調(diào)度算法

2.1 電磁兼容調(diào)度模型

在給出電磁兼容調(diào)度模型之前先作以下假設(shè):(1)多功能電子系統(tǒng)提交的任務(wù)都是不可中斷的，即一旦任務(wù)開始執(zhí)行，中途不可中斷，直至任務(wù)結(jié)束。(2)多功能電子系統(tǒng)提交的任務(wù)只能在其時間窗內(nèi)執(zhí)行，一旦超過時間窗，此任務(wù)便會丟失，無法執(zhí)行。(3)每個提交的任務(wù)占用資源均小于系統(tǒng)資源的最大供應(yīng)量。(4)多功能電子系統(tǒng)的資源是可重用的，即資源不會隨著任務(wù)的執(zhí)行而消耗，只是其可用量在各個時間段內(nèi)是有限的，在任務(wù)執(zhí)行結(jié)束后資源便又釋放到系統(tǒng)資源中供其他任務(wù)調(diào)用。

多功能電子系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度模型符號說明如表1所示。

表1 任務(wù)調(diào)度模型符號說明

多功能電子系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度模型的數(shù)學(xué)描述為

其中，式(1)是以多功能電子系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度的最短執(zhí)行總時間和最小任務(wù)丟失率為目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式。式(2)是系統(tǒng)資源約束關(guān)系，文中考慮的資源主要是孔徑資源和頻譜資源約束以及電磁兼容約束。式(3)是時間窗約束關(guān)系，在滿足資源約束關(guān)系的條件下，若任務(wù)不滿足時間窗約束關(guān)系，則會被放入任務(wù)丟失列表，不會被調(diào)度執(zhí)行。

2.2 基于優(yōu)先級的電磁兼容調(diào)度算法設(shè)計

設(shè)計多功能電子系統(tǒng)電磁兼容調(diào)度算法需要考慮以下兩個原則:

(1)優(yōu)先級原則。多功能電子系統(tǒng)的任務(wù)有各自的一個優(yōu)先級，當(dāng)無法保證兩個任務(wù)同時執(zhí)行時，一般優(yōu)先考慮優(yōu)先級別高的任務(wù)。優(yōu)先級的大小是根據(jù)任務(wù)的重要度、時間窗以及其他一些先驗屬性決定的［11－12］。

(2)時效性原則。為保證任務(wù)的時效性，每個任務(wù)都有一個時間窗，任務(wù)必須在時間窗內(nèi)才能調(diào)度執(zhí)行，一旦其結(jié)束時間超過時間窗截止時間，任務(wù)就會被丟棄。時間窗的大小根據(jù)任務(wù)的時效范圍確定。

4.開展留守兒童的生活問題研究。經(jīng)過對留守兒童的實際生活狀況展開調(diào)查，明確存在的主要問題，分析出現(xiàn)問題的原因，采取科學(xué)化舉措，讓農(nóng)村留守兒童可以接受平等關(guān)愛與照顧。學(xué)生管理“互助小組”應(yīng)該成立并積極發(fā)揮出作用，確定留守兒童不良心理矯正方案。

基于優(yōu)先級的電磁兼容調(diào)度算法的基本思想為:依據(jù)優(yōu)先級和任務(wù)截止時間對任務(wù)進行排序，然后依次處理任務(wù)列表，將各個任務(wù)與可執(zhí)行列表中的任務(wù)進行電磁兼容分析，分析順序為空域、頻域、時域，若滿足時間窗約束則送入可執(zhí)行列表并確定空域、頻段、開始執(zhí)行時間和結(jié)束執(zhí)行時間，否則送入任務(wù)丟失列表。

空域分析時，空域會被劃分成若干個扇形區(qū)域，根據(jù)多功能電子系統(tǒng)發(fā)射任務(wù)的特性，任務(wù)的執(zhí)行空域為其中的任意多個空域單位，空域的沖突判斷采用兩兩比較法，并用矩陣表示，一旦兩個任務(wù)在任何一個扇形區(qū)域發(fā)生沖突，就視為這兩個任務(wù)空域沖突，例如有4個任務(wù)，空域被分成4個區(qū)域，任務(wù)的執(zhí)行區(qū)域分別為［1，2］、［1］、［4］、［1，2，3］，若以 1 表示沖突，則其沖突矩陣為

頻域分析時，頻域會被劃分成若干個頻段，每個頻段足夠一個任務(wù)的頻譜寬度，如此便可保證任務(wù)間只要不占用同一頻段，就不會出現(xiàn)頻率干擾。時域分析時，任務(wù)主要是通過在其時間窗范圍內(nèi)移動開始執(zhí)行時間，以達(dá)到和沖突任務(wù)不同時執(zhí)行的目的。

假設(shè)某時刻任務(wù)池提交了N個任務(wù)請求{Ri}，i=1，2，3，…，N，圖3為多功能電子系統(tǒng)電磁兼容調(diào)度算法流程圖。

圖3 多功能電子系統(tǒng)電磁兼容算法流程圖

3 仿真分析

3.1 任務(wù)調(diào)度實例

假設(shè)某時刻任務(wù)池提交了30個任務(wù)，用1～30編號;空域劃分為10個扇形區(qū)域，用1～10編號;頻域劃分為10個頻段，用1～10編號。各任務(wù)的優(yōu)先級、時間窗、執(zhí)行時間、頻段和空域位置均隨機產(chǎn)生，其中優(yōu)先級的范圍為1～6級，時間窗的范圍為30～60個時間單位，執(zhí)行時間的范圍為1～7個時間單位。表2給出了30個隨機產(chǎn)生的一個任務(wù)參數(shù)對應(yīng)矩陣。

輸出可執(zhí)行列表，如表3所示。從表2可以看出，30個任務(wù)都得到了較好的安排，從而有效地實現(xiàn)了任務(wù)間的電磁兼容。所有任務(wù)的結(jié)束時間為13，均滿足時間窗約束，因此沒有任務(wù)被丟棄。系統(tǒng)根據(jù)可執(zhí)行列表對各任務(wù)的實際開始時間進行排序，便得到系統(tǒng)的執(zhí)行調(diào)度列表。

表2 輸入的任務(wù)列表

表3 輸出的可執(zhí)行任務(wù)列表

3.2 性能分析

任務(wù)結(jié)束時間和任務(wù)丟失率是在任務(wù)調(diào)度時需要關(guān)注的主要性能指標(biāo)。圖4和圖5分別給出了上述仿真環(huán)境條件下不同任務(wù)數(shù)對任務(wù)結(jié)束時間和任務(wù)丟失率的影響。

如圖4所示，隨著任務(wù)數(shù)的不斷增加，任務(wù)結(jié)束時間也不斷上升，在任務(wù)數(shù)達(dá)到150時，結(jié)束時間出現(xiàn)拐點，不再增加，而趨于穩(wěn)定，這是因為受到系統(tǒng)資源負(fù)載的作用，那些在到達(dá)時刻無法安排的任務(wù)只能延遲調(diào)度而使得任務(wù)結(jié)束時間增加，加上所有任務(wù)受到任務(wù)時間窗的限制，導(dǎo)致任務(wù)數(shù)達(dá)到一定量時趨于穩(wěn)定，不再有大的波動。

如圖5所示，當(dāng)任務(wù)數(shù)＜55時，任務(wù)丟失率一直為0，這說明算法充分利用了多方位多層次的電磁兼容手段，使得任務(wù)調(diào)度的電磁兼容能夠很好地實現(xiàn)，隨著任務(wù)數(shù)的增加，任務(wù)丟失率也不斷上升，當(dāng)任務(wù)數(shù)達(dá)到300時，任務(wù)丟失率達(dá)到了0.6。在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)不同的需要設(shè)定最佳的任務(wù)數(shù)范圍。以此問題規(guī)模為例，若需要任務(wù)丟失率保持在0.1以內(nèi)，任務(wù)數(shù)應(yīng)保持在70以內(nèi);若需要任務(wù)沖突率保持在0.2以內(nèi)，則任務(wù)數(shù)保持在100以內(nèi)就可以滿足要求。

3.2.2 與傳統(tǒng)方法的任務(wù)調(diào)度結(jié)果比較

為證明文中算法在多功能電子系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度中的優(yōu)越性，將之與傳統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度算法進行比較。

傳統(tǒng)任務(wù)調(diào)度算法的基本思想，是將任務(wù)池提交的任務(wù)，根據(jù)其優(yōu)先級的大小依次添加到執(zhí)行任務(wù)鏈表中，同步地將系統(tǒng)可用資源中減去每個任務(wù)所消耗的資源，對于那些由于系統(tǒng)資源不夠而無法安排的任務(wù)，推遲其至系統(tǒng)資源增大時執(zhí)行。在這過程中還需不斷地將任務(wù)請求中超出截止期的任務(wù)刪除，對于已安排的且達(dá)到其執(zhí)行結(jié)束時刻的任務(wù)要釋放所占用的系統(tǒng)資源。

圖6顯示了兩種算法的任務(wù)結(jié)束時間情況，可以看出，任務(wù)數(shù)＜150時，在任務(wù)數(shù)相同的條件下，電磁兼容調(diào)度算法的結(jié)束時間明顯小于傳統(tǒng)任務(wù)調(diào)度算法的結(jié)束時間，一般電磁兼容調(diào)度算法的結(jié)束時間要比傳統(tǒng)任務(wù)調(diào)度算法縮短5～10個單位，這主要得益于電磁兼容調(diào)度算法充分利用空域和頻域，使得在同一時刻可以安排更多的任務(wù)而不出現(xiàn)相互干擾。當(dāng)任務(wù)數(shù)＞150以后，兩者的任務(wù)結(jié)束時間彼此相當(dāng)，這是因為時間窗的最大范圍是60，再多任務(wù)競爭也不可能超過60。因此，任務(wù)數(shù)＜150時，相同數(shù)量的任務(wù)申請執(zhí)行，電磁兼容調(diào)度算法可以更早地執(zhí)行完畢，提高了任務(wù)執(zhí)行的時間效率。就任務(wù)結(jié)束時間指標(biāo)而言，電磁兼容調(diào)度算法具有一定的優(yōu)越性。

圖6 兩種算法的任務(wù)結(jié)束時間情況

圖7顯示了兩種算法的任務(wù)丟失率情況，從圖中可以看出，此問題規(guī)模下，傳統(tǒng)任務(wù)調(diào)度算法的任務(wù)丟失率在任務(wù)數(shù)＜25時都為0，而電磁兼容調(diào)度算法的任務(wù)丟失率在任務(wù)數(shù)＜55時都為0，隨著任務(wù)數(shù)的不斷增加，電磁兼容調(diào)度算法的任務(wù)丟失率始終要比傳統(tǒng)任務(wù)調(diào)度算法的任務(wù)丟失率約低于20%，這說明電磁兼容調(diào)度算法在任務(wù)丟失率方面也優(yōu)于傳統(tǒng)任務(wù)調(diào)度算法。究其原因主要是電磁兼容調(diào)度算法通過空域、頻域和時域三維進行任務(wù)分配，讓每一個任務(wù)盡可能提前開始執(zhí)行，從而使得任務(wù)結(jié)束時刻超過時間窗的任務(wù)數(shù)量減少，任務(wù)丟失率自然也比傳統(tǒng)任務(wù)調(diào)度的任務(wù)丟失率小，體現(xiàn)了其在此性能指標(biāo)上的優(yōu)越性。

圖7 兩種算法的任務(wù)丟失率情況

4 結(jié)束語

多功能電子系統(tǒng)是為適應(yīng)現(xiàn)代復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境提出的，多功能電子系統(tǒng)的研究也已成為今后所面臨的重要研究領(lǐng)域。在多功能電子系統(tǒng)設(shè)計中，為保證系統(tǒng)能夠順利完成指定任務(wù)，電磁兼容是必須考慮的問題。文中在分析發(fā)射任務(wù)電磁兼容的基礎(chǔ)上，提出了多功能電子系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度的電磁兼容層次分析模型，并設(shè)計了基于優(yōu)先級的電磁兼容調(diào)度算法，最后通過實例仿真進行了算法實現(xiàn)，分析了此算法下的任務(wù)結(jié)束時間和任務(wù)丟失率這兩個性能指標(biāo)，同時與傳統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度算法進行了比較分析，結(jié)果表明，設(shè)計的電磁兼容算法在解決系統(tǒng)任務(wù)電磁兼容問題、實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度上具有一定的有效性和優(yōu)越性。

［1］張明友.雷達(dá)－電子戰(zhàn)－通信一體化概論［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2010.

［2］CHU R S，LEE K M，WANG A T S.Multi－ band phased －array antenna with interleaved tapered－elements and waveguide radiators［C］.Antennas and Propagation Society International Symposium，1996，21:1616 －1618.

［3］GREGORY C，TAVIK CL，HILTERBRICK C.The advanced multifunction RF concept［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2005，53(3):1009 －1019.

［4］王星，郝重陽，陳游.機載雷達(dá)與對抗設(shè)備電磁兼容建模與仿真［J］.火力與指揮控制，2010，35(8):103－106.

［5］李仙茂，張東屹，劉濤.艦載電磁兼容性設(shè)計與頻譜管理［J］.艦船電子工程，2009(3):160－163.

［6］李潮.復(fù)雜電磁環(huán)境下雷達(dá)同頻干擾及對策［J］.電子對抗，2011(1):45－48.

［7］孫嚴(yán)東，孫劭方.無線通信的電磁干擾與防范［J］.科技信息，2009(8):352.

［8］沈鴻斌.無線通信空間域電磁兼容及資源利用［J］.中國無線電，2004(2):13－15.

［9］尹華銳，李亞麟，符權(quán)，等.IR－UWB通信系統(tǒng)的準(zhǔn)自適應(yīng)頻率同步算法［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2009，31(7):1564－1567.

［10］LOVELACE W，TOWNSEND J.The effects of timing jitter and tracking on the performance of impulse radio［J］.IEEE Journal Selected Areas Communications，2002，20(9):1646－1651.

［11］AUDSLEY N，BURNS A，RICHARDSON M，et al.Applying new scheduling theory to static priority preemptive scheduling［J］.Software Engineering Jaurnal，1993，8(5):284 － 292.

［12］伍微，倪少杰，劉小匯.一種靜態(tài)優(yōu)先級保序飽和分配算法［J］. 計算機科學(xué)，2009，36(12):41－44.