張　平，劉獻(xiàn)杰，李　佳

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0　引言

隨著無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和市場(chǎng)的飛速發(fā)展和擴(kuò)大，通信服務(wù)追求的高數(shù)據(jù)速率和大覆蓋范圍與現(xiàn)有頻譜資源日益緊缺的矛盾越來(lái)越突出，造成頻譜擁擠和重疊的現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重[1]。這種緊張的供需矛盾無(wú)論對(duì)于軍事領(lǐng)域還是民用領(lǐng)域的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)部署和應(yīng)用都會(huì)形成嚴(yán)重的干擾、沖突，甚至通信中斷。分析表明，解決頻譜資源緊缺局面的根本途徑是開(kāi)發(fā)高效頻譜綜合利用技術(shù)[2-3]。

深化發(fā)展軍民融合已成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)的重要方向，建立軍民融合頻譜綜合利用體系，走中國(guó)特色軍民電磁頻譜管理融合深化發(fā)展道路，是順應(yīng)世界新軍事變革發(fā)展大勢(shì)的必然要求[4-5]。美國(guó)國(guó)防部的調(diào)查統(tǒng)計(jì)表明，如果容許實(shí)行軍民一體化以及更多地采用兩用產(chǎn)品、技術(shù)和工業(yè)操作規(guī)程，每年可節(jié)省大約300億美元的國(guó)防開(kāi)支[6]，軍民融合的體系發(fā)展勢(shì)在必行。

當(dāng)前，軍民融合的主要體現(xiàn)是軍民兩用衛(wèi)星[7]。雖然上述成果填補(bǔ)了軍民融合頻譜綜合利用領(lǐng)域的空白，但目前只局限于某些個(gè)別頻段，無(wú)法滿(mǎn)足綜合利用更多頻段的需求[8]。因此，研究適用于更多頻段的軍民調(diào)度體系架構(gòu)及工作流程具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

為高效綜合利用軍用和民用頻段，需要雙方匯總并融合海量頻譜數(shù)據(jù)得到頻譜信息，并通過(guò)具有安全和保密保證的資源調(diào)度方案使軍方或民方能夠在有需要時(shí)申請(qǐng)使用對(duì)方可用資源。這就需要高效(Velocity)地從海量(Volume)頻譜數(shù)據(jù)中獲取準(zhǔn)確(Veracity)的電磁頻譜態(tài)勢(shì)。事實(shí)上，海量頻譜數(shù)據(jù)的來(lái)源包括固定、移動(dòng)、便攜和可搬移等多種平臺(tái)的電磁頻譜監(jiān)測(cè)設(shè)備，一般來(lái)自于技偵、電抗和情報(bào)等系統(tǒng)建設(shè)的頻譜監(jiān)測(cè)設(shè)備以及眾多民用頻譜監(jiān)測(cè)設(shè)備。這些軍用或民用海量頻譜數(shù)據(jù)是由不同種類(lèi)、不同定位和不同部署位置的異構(gòu)傳感器對(duì)頻譜特征進(jìn)行不同角度的描述，即頻譜數(shù)據(jù)具備多樣性(Variety)。同時(shí)，部分頻譜數(shù)據(jù)是不確定、不完全的，甚至不正確的，需要在大量冗余的數(shù)據(jù)中挖掘到有價(jià)值(Value)的信息。因此，匯集接入外部軍用和民用海量頻譜數(shù)據(jù)并進(jìn)行綜合處理得到業(yè)務(wù)產(chǎn)品的過(guò)程呈現(xiàn)出類(lèi)似大數(shù)據(jù)的“5V”特性[9]。因此，軍民融合頻譜綜合利用研究在大數(shù)據(jù)架構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行變得順理成章[10]。

結(jié)合上述特點(diǎn)分析，首次引進(jìn)大數(shù)據(jù)架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)軍民融合電磁頻譜數(shù)據(jù)匯集、處理、分析以及應(yīng)用的體系架構(gòu)；針對(duì)電磁頻譜特殊應(yīng)用需求，首次提出頻譜數(shù)據(jù)匯集、頻譜融合以及軍民融合調(diào)度的工作原理，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)軍民雙方申請(qǐng)使用對(duì)方電磁頻譜資源的工作流程，以實(shí)現(xiàn)頻譜資源綜合利用。針對(duì)性搭建大數(shù)據(jù)軟硬件仿真平臺(tái)，并驗(yàn)證本文所提內(nèi)容在統(tǒng)籌軍民電磁頻譜資源方面的有效性。

1　軍民融合頻譜綜合利用體系架構(gòu)

基于大數(shù)據(jù)的軍民融合頻譜綜合利用的體系架構(gòu)由資源層、服務(wù)層以及處理層組成，如圖1所示。

圖1　軍民融合頻譜綜合利用體系架構(gòu)

資源層著重于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，由高性能計(jì)算(Spark和MapReduce)資源[11]、海量存儲(chǔ)資源、資源集群、資源管理以及云技術(shù)組成，實(shí)現(xiàn)計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力和通信能力等硬件性能瓶頸的突破，為軍民融合頻譜綜合利用提供軟硬件資源平臺(tái)。

服務(wù)層主要負(fù)責(zé)架構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)與維護(hù)，采用面向服務(wù)架構(gòu)構(gòu)建系統(tǒng)訂閱分發(fā)[12]與服務(wù)管理總線(xiàn)，主要部署平臺(tái)級(jí)服務(wù)軟件和架構(gòu)管理軟件，并提供多源數(shù)據(jù)統(tǒng)一的通信傳輸和外部數(shù)據(jù)引接服務(wù)能力，為異構(gòu)的原始數(shù)據(jù)按照元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)提供必要的協(xié)議適配服務(wù)。

處理層是頂層可視化業(yè)務(wù)系統(tǒng)，主要包括頻譜綜合和融合調(diào)度2部分，二者共同支撐軍方頻譜利用(例如電子對(duì)抗、頻譜管理和技術(shù)偵察)和民方頻譜利用(例如通信和干擾)。其中頻譜綜合過(guò)程包括頻譜數(shù)據(jù)接入、頻譜檢測(cè)以及頻譜融合，最終得到軍/民用頻段信息；融合調(diào)度通過(guò)任務(wù)管理、資源調(diào)度、資源監(jiān)視、數(shù)據(jù)交換以及安全保密完成全頻段的軍民融合綜合利用。

圖1中所示的體系架構(gòu)以軍民雙方頻譜監(jiān)測(cè)設(shè)備提供的海量外部頻譜數(shù)據(jù)為輸入，通過(guò)海量存儲(chǔ)、高性能計(jì)算以及訂閱分發(fā)等服務(wù)機(jī)制，形成頻譜融合產(chǎn)品，最終實(shí)現(xiàn)軍民融合頻譜綜合利用目的。上述體系架構(gòu)對(duì)不同頻段具備通用性的特點(diǎn)，可適用于軍民通用的短波、超短波、衛(wèi)星和微波業(yè)務(wù)頻段。

下面以C、Ku和Ka頻段軍事衛(wèi)星通信為例簡(jiǎn)述軍民融合頻譜綜合利用的現(xiàn)實(shí)需求以及所達(dá)到功能。C、Ku和Ka頻段軍事衛(wèi)星通信平時(shí)可為我國(guó)廣電部門(mén)提供C、Ku和Ka頻段衛(wèi)星廣播信號(hào)應(yīng)急播發(fā)服務(wù)，急時(shí)可完成管控非法衛(wèi)星廣播信號(hào)、定位衛(wèi)星廣播信號(hào)干擾源等任務(wù)[13]。通過(guò)軍民融合頻譜綜合利用可實(shí)現(xiàn)如下功能：

① 具備戰(zhàn)時(shí)軍方衛(wèi)星通信管控體系占用民方衛(wèi)星廣播系統(tǒng)的能力；

② 具備平時(shí)民方衛(wèi)星廣播系統(tǒng)提請(qǐng)軍方衛(wèi)星通信管控體系支援的能力；

③ 具備信息安全能力；

④ 具有資源情況、設(shè)備狀況等信息的監(jiān)測(cè)功能。

2　軍民融合頻譜綜合利用工作原理

2.1　頻譜數(shù)據(jù)匯集

頻譜數(shù)據(jù)匯集(圖1中的頻譜綜合分系統(tǒng)內(nèi)容)完成各種軍用或者民用頻譜數(shù)據(jù)的接入、數(shù)據(jù)預(yù)處理、存儲(chǔ)和分發(fā)，如圖2所示。

圖2　頻譜數(shù)據(jù)匯集

頻譜數(shù)據(jù)匯集的主要階段及其功能如下：

① 傳輸接入：隔離傳輸協(xié)議，并實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)、跨系統(tǒng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合；

② 數(shù)據(jù)識(shí)別和適配提?。嚎衫贸墒斓募夹g(shù)和產(chǎn)品提取有效元素；

③ 預(yù)處理：對(duì)頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、一致性檢查、標(biāo)注管理和統(tǒng)一編碼；

④ 分發(fā)存儲(chǔ)：實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)總線(xiàn)的訂閱發(fā)布機(jī)制，并完成高速海量存儲(chǔ)。

2.2　頻譜融合

頻譜融合(圖1中的頻譜綜合分系統(tǒng)內(nèi)容)以海量頻譜檢測(cè)數(shù)據(jù)為輸入，相繼完成數(shù)據(jù)適配、估計(jì)融合和頻譜檢測(cè)數(shù)據(jù)融合等過(guò)程，使海量頻譜檢測(cè)數(shù)據(jù)得到最大化利用并得到全局較優(yōu)的融合結(jié)果，如圖3所示。

圖3　頻譜融合工作原理

① 數(shù)據(jù)適配通過(guò)頻譜適配、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和時(shí)間配準(zhǔn)等操作完成檢測(cè)數(shù)據(jù)特征尺寸的統(tǒng)一；

② 估計(jì)融合通過(guò)統(tǒng)計(jì)推斷完成頻譜瞬態(tài)特征的抑制和消除；

③ 頻譜檢測(cè)數(shù)據(jù)融合利用融合算法實(shí)現(xiàn)頻譜感知空間擴(kuò)展；

④ 融合結(jié)果可通過(guò)集中式和分布式[14]2種融合方法得到。

在上述融合過(guò)程中起決定性作用的是融合算法的選擇，它能夠決定頻譜融合的最終效果，可選算法包括DS證據(jù)理論統(tǒng)計(jì)方法、卡爾曼濾波估計(jì)方法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能算法[15]。

2.3　軍民融合調(diào)度

軍方業(yè)務(wù)體系主要由任務(wù)管理系統(tǒng)、頻譜監(jiān)測(cè)設(shè)備、資源監(jiān)視系統(tǒng)以及通信設(shè)備等組成；民方業(yè)務(wù)體系主要由監(jiān)測(cè)中心、管網(wǎng)中心、運(yùn)行管理中心以及業(yè)務(wù)管理中心構(gòu)成，二者通過(guò)由軍民雙方融合調(diào)度、網(wǎng)間交換、安全保密以及基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)構(gòu)成的軍民融合調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連接，最終實(shí)現(xiàn)軍民頻譜綜合利用。軍民融合調(diào)度的工作原理如圖4所示。

圖4　軍民融合調(diào)度工作原理

① 基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)由資源調(diào)度服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器組成；

② 安全保密系統(tǒng)主要由保障物理安全、網(wǎng)絡(luò)安全、計(jì)算安全、應(yīng)用安全、數(shù)據(jù)安全以及安全保密管理的軟硬件組成，包括防火墻、病毒防護(hù)系統(tǒng)和身份認(rèn)證等機(jī)制；

③ 網(wǎng)間交換涉及到軍民雙方涉密數(shù)據(jù)的交互。由于軍方涉密等級(jí)高，故在軍方敏感信息脫密之外需有加密算法轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，即實(shí)現(xiàn)高密級(jí)算法向低密級(jí)算法的轉(zhuǎn)換；民方則利用低密級(jí)算法進(jìn)行解密、脫密、格式轉(zhuǎn)換等過(guò)程；

④ 軍民雙方融合調(diào)度系統(tǒng)分別實(shí)時(shí)接收軍方資源監(jiān)視系統(tǒng)和管網(wǎng)中心上報(bào)的頻譜資源信息，待接到軍民雙方調(diào)度電話(huà)或者網(wǎng)絡(luò)發(fā)來(lái)的調(diào)度請(qǐng)求指令時(shí)，匯總軍民雙方資源，并做出合理的資源分配。

⑤ 軍方通信設(shè)備和民方業(yè)務(wù)管理中心接到融合調(diào)度發(fā)來(lái)的資源分配結(jié)果，分別執(zhí)行相應(yīng)業(yè)務(wù)操作，并及時(shí)上報(bào)業(yè)務(wù)中止請(qǐng)求指令。

3　軍民融合頻譜綜合利用典型工作流程

民方通信設(shè)備在基于大數(shù)據(jù)的軍民融合頻譜綜合利用體系下申請(qǐng)軍用頻段的工作流程如圖5所示。軍方通信設(shè)備在基于大數(shù)據(jù)的軍民融合頻譜綜合利用體系下占用軍用頻段的工作流程如圖6所示。

圖5　民方申請(qǐng)軍用頻段流程

圖6　軍方占用民用頻段流程

民方申請(qǐng)軍用頻段主要流程為：民方發(fā)起資源申請(qǐng)請(qǐng)求，請(qǐng)求經(jīng)融合調(diào)度系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)至軍方任務(wù)管理系統(tǒng)，軍方任務(wù)管理系統(tǒng)接收申請(qǐng)后再經(jīng)資源監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行資源確認(rèn)，給出能夠使用的資源信息，信息通過(guò)加密算法處理加密后由融合調(diào)度系統(tǒng)發(fā)送回民方資源監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行信息解密，該資源在網(wǎng)管中心進(jìn)行統(tǒng)一分配后，就可進(jìn)行資源的使用，同時(shí)將占用情況發(fā)送給軍方資源監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行可用資源更新。

軍方占用民用頻段流程可參見(jiàn)3.1節(jié)的流程描述。

4　軍民融合頻譜綜合利用仿真試驗(yàn)

硬件平臺(tái)介紹：

大數(shù)據(jù)平臺(tái)服務(wù)器4臺(tái)，配置：華為RH2288V3；CPU：Intel E5-2640 v4 (25 M Cache，2.4 GHz)、10核；內(nèi)存：32 GB ECC DDR4，最大可支持1 024 G；機(jī)械硬盤(pán)：4 TB 3.5寸 SAS/SATA企業(yè)級(jí)硬盤(pán)、固態(tài)硬盤(pán)：1.6 TB NVMe PCIe SSD；RAID卡：Raid 0，1，10，5，50，6，60，1 GB cache。

數(shù)據(jù)處理終端1臺(tái)，配置：聯(lián)想揚(yáng)天T6900C；CPU：Intel i7-6700 3.4 GHz；內(nèi)存：8 GB DDR4；硬盤(pán)：7 200轉(zhuǎn) 1 TB。

軍民融合頻譜融合仿真處理的主要流程中的主要業(yè)務(wù)組件及處理流程圖如圖7所示，包括頻譜數(shù)據(jù)收集、預(yù)處理、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)匹配、融合估計(jì)、檢測(cè)分析、融合分析及綜合顯示。大數(shù)據(jù)平臺(tái)收集統(tǒng)計(jì)的頻譜資源分布圖如圖8所示(部分)。

圖7　軍民融合頻譜流程界面

圖8　軍民頻譜監(jiān)測(cè)資源分布界面

軍民用某頻段的頻譜融合過(guò)程截圖如圖9、圖10和圖11所示。其中仿真融合前的軍用和民用頻段占用頻譜圖分別如圖9和圖10所示。通過(guò)頻譜資源調(diào)度、融合處理后的頻譜圖如圖11所示，淺色(黃色)為民用、深色(藍(lán)色)為軍用。

圖9　軍用頻段信息

圖10　民用頻段信息

圖11　軍民融合后的頻段統(tǒng)計(jì)結(jié)果

5　結(jié)束語(yǔ)

在新的經(jīng)濟(jì)和國(guó)防形勢(shì)要求下，由軍方和民方用戶(hù)共同使用的電磁頻譜資源需要通過(guò)軍民融合手段來(lái)滿(mǎn)足各自業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)頻譜資源利用率提高。本文通過(guò)深入分析電磁頻譜數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，結(jié)合業(yè)務(wù)需求，基于大數(shù)據(jù)架構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，并形成下述創(chuàng)新點(diǎn)：提出基于大數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)軍民融合頻譜綜合利用體系架構(gòu)；設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)軍方和民方利用對(duì)方電磁頻譜資源的工作流程。

通過(guò)上述技術(shù)層面的探索，可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)急救災(zāi)和軍事應(yīng)用特殊情況下設(shè)備裝備方便快捷使用電磁頻譜資源的方法，為全面發(fā)展電磁頻譜管理領(lǐng)域其他軍民共用技術(shù)和雙向應(yīng)用的體系架構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)運(yùn)行管理等方面研究提供參考。

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