郝關(guān)鴻

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

10.3969/j.issn.1003-3114.2018.01.06

郝關(guān)鴻.基于網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同感知的頻譜獲取新方案[J].無線電通信技術(shù),2018,44(1):30-33.

[HAO Guanhong.A New Scheme of Radio Spectrum Acquisition Based on Network Cooperative Sensing [J].Radio Communications Technology,2018,44(1):30-33.]

基于網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同感知的頻譜獲取新方案

郝關(guān)鴻

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

針對電磁域從時、頻、空、能、碼等任何一個維度來“繪制”射頻電磁頻譜圖的迫切需求，提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)化主動協(xié)同感知的無線電頻譜圖獲取解決方案。該方案充分考慮利用已有的頻譜感知設(shè)備，采用分布式網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同方式，通過合理部署多個不同型號的監(jiān)測設(shè)備，提高感知靈敏度和準(zhǔn)確度；設(shè)計了協(xié)同感知頻譜中不同階段的數(shù)據(jù)融合工作方式；采用了分布式ETL處理技術(shù)，減少了實時數(shù)據(jù)傳輸對網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬的要求，初步實現(xiàn)了海量原始頻譜監(jiān)測數(shù)據(jù)的遷移、轉(zhuǎn)化和處理。該方案可應(yīng)用于基于認(rèn)知無線電的協(xié)同頻譜感知系統(tǒng)中。

態(tài)勢感知；ETL；射頻頻譜；多站協(xié)同感知

TN911

A

1003-3114(2018)01-30-4

2017-10-18

國家部委基金資助項目

ANewSchemeofRadioSpectrumAcquisitionBasedonNetworkCooperativeSensing

HAO Guanhong

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang 050081,China)

A solution of radio spectrum acquisition based on network active cooperative sensing is proposed for the urgent need of drawing the RF spectrum map from different domain,including time,frequency,space,energy and code.The scheme is fully considered to apply the existing spectrum sensing equipment and adopting the distributed network cooperative mode in order to improve the sensory sensitivity and accuracy by rationally deploying various monitoring equipment.The data fusion approach in different stages of cooperative sensing spectrum is designed.The distributed ETL processing technology is adopted to reduce the requirement of real-time data transmission for network transmission bandwidth,and realize the mass raw spectrum monitoring data migration,transforming and processing between data warehouse.The scheme can be used in cooperative spectrum sensing system based on cognitive radio.

situation sensing; extract load & transform (ETL); RF spectrum; multi-station cooperative sensing

0 引言

美國國防高級研究計劃局(DARPA)的“先進(jìn)射頻地圖”(Advanced RF Mapping program)項目旨在將戰(zhàn)場上已經(jīng)部署的電臺與射頻對抗系統(tǒng)綜合在一起，為美國海軍陸戰(zhàn)隊提供實時的射頻頻譜態(tài)勢感知信息(包括頻率、位置和時間等)[1]。該系統(tǒng)無需增加新的頻譜感知設(shè)備，將現(xiàn)有的戰(zhàn)術(shù)無線電臺，在不影響各設(shè)備主要功能的情況下以無源的方式提供頻譜態(tài)勢信息[2]。正如可以顯示彩色實時交通狀況的智能手機(jī)的地圖那樣，射頻地圖正在發(fā)展直觀覆蓋頻譜信息的技術(shù)，通過射頻地圖快速消除頻率沖突，最大化利用可用頻譜支持通信、情報、監(jiān)視和偵察(ISR)系統(tǒng)[3]。

正是受到DARPA“先進(jìn)射頻地圖”項目實施策略和系統(tǒng)構(gòu)建的啟發(fā)，借鑒采用大型無線分布式操作系統(tǒng)方案，本文對基于既有或新建頻譜監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的升級改造和組網(wǎng)建設(shè)，采用分布式網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同方式，合理設(shè)計無源頻譜監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量和空間配置關(guān)系；采用基于云計算的大數(shù)據(jù)處理技術(shù)方案，在頻譜監(jiān)測的數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)按照“全維頻譜自動監(jiān)測、信號數(shù)據(jù)集中處理”的工作模式，實現(xiàn)時、頻、空、能、碼等全維無線電測頻譜數(shù)據(jù)的自動接收、分類、入庫，建立無線空間截獲頻譜信號的元數(shù)據(jù)庫，實時獲取和繪制“射頻電磁頻譜圖”，為不同用戶提供數(shù)據(jù)與信息的共享服務(wù)[4]。

1 網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同感知監(jiān)測系統(tǒng)體系架構(gòu)

目前，國內(nèi)電磁頻譜管理工作方式已經(jīng)從單站監(jiān)測向分布式網(wǎng)絡(luò)化模式發(fā)展，對無線電磁頻譜進(jìn)行全頻段、全方位、全時域的獲取，提高多傳感器的多源融合處理能力，全面感知戰(zhàn)場電磁環(huán)境，提升電磁態(tài)勢信息和內(nèi)涵信息的獲取能力。按照適應(yīng)電磁頻譜監(jiān)測裝備的需求變化和發(fā)展、統(tǒng)籌規(guī)劃繼承與拓展的原則，網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同感知監(jiān)測系統(tǒng)首先考慮采用面向全頻段的數(shù)字化頻譜監(jiān)測的思想革新體系結(jié)構(gòu)，采用分布式網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同方式，充分發(fā)揮已有的頻譜監(jiān)測設(shè)備對不同區(qū)域的監(jiān)測能力，使得各個監(jiān)測傳感器截獲頻譜信息利用最大化[5]。為了進(jìn)一步實現(xiàn)將戰(zhàn)場已經(jīng)部署的監(jiān)測傳感器或其他射頻偵察設(shè)備綜合在一個網(wǎng)絡(luò)中，提供實時的射頻頻譜態(tài)勢感知信息，系統(tǒng)必須建立一個完整的體系層次模型設(shè)計，如圖1所示，主要包括頻譜監(jiān)測接收與處理層、頻譜感知數(shù)據(jù)匯集與應(yīng)用層、電磁態(tài)勢情報處理層、任務(wù)管理與運(yùn)控層、核心支撐層和共用信息基礎(chǔ)設(shè)施等。

圖1 系統(tǒng)體系架構(gòu)模式圖

其中，頻譜監(jiān)測接收與處理層主要采取多站組網(wǎng)協(xié)同工作方式，由各種局域型組網(wǎng)的多個監(jiān)測站或監(jiān)測傳感器組成，完成無線電磁頻譜數(shù)據(jù)的全方位、全頻段的監(jiān)測，還可以通過多個監(jiān)測站的合理布局，完成對輻射源目標(biāo)的定位。

頻譜感知數(shù)據(jù)匯集與應(yīng)用層完成無線電頻譜數(shù)據(jù)的區(qū)域融合、態(tài)勢分析自動監(jiān)視等業(yè)務(wù)的自動處理功能，以及對匯聚的不同維度的頻譜數(shù)據(jù)或處理后的素材按需分發(fā)或提供查詢服務(wù)，還可以根據(jù)頻譜管理的具體業(yè)務(wù)應(yīng)用，完成非法用戶的檢測識別、敵我用頻占用分析等功能。

電磁態(tài)勢情報處理層主要提供分布式方法感知信號的算法，同時將這些信息進(jìn)行融合處理，生成精確、完整描述射頻環(huán)境的電磁態(tài)勢特征數(shù)據(jù)，然后進(jìn)一步利用現(xiàn)有的商用數(shù)據(jù)可視化設(shè)計手段，將這些電磁態(tài)勢特征數(shù)據(jù)加以融合處理，并轉(zhuǎn)化標(biāo)繪為動態(tài)熱圖。

對頻譜管理或頻譜監(jiān)測任務(wù)進(jìn)行分配管理，對各層資源運(yùn)營進(jìn)行管理控制。共用信息基礎(chǔ)設(shè)施主要指依托國內(nèi)共用信息基礎(chǔ)設(shè)施而構(gòu)建或根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)需要而單獨(dú)建設(shè)的頻譜管理系統(tǒng)專用通信網(wǎng)絡(luò)、計算存儲、時空基準(zhǔn)、信息安全和運(yùn)維管理等設(shè)施以及共性支撐服務(wù)[6]。

該系統(tǒng)要求著重設(shè)計基于服務(wù)的統(tǒng)一的軟件體系架構(gòu)，使得服務(wù)功能獨(dú)立于技術(shù)平臺，擺脫與各型監(jiān)測設(shè)備之間的緊耦合，且能夠靈活完成各種具備中立接口的業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)，形成松耦合、可重用、流程可動態(tài)重組的系統(tǒng)體系框架，實現(xiàn)對無線電磁頻譜的數(shù)據(jù)資源、計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)資源技術(shù)資源的全面整合和統(tǒng)一管理調(diào)度。

2 協(xié)同頻譜動態(tài)感知工作模式設(shè)計

單個頻譜監(jiān)測設(shè)備或監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的能力是非常有限的，只能在一定的時間內(nèi)對一定的區(qū)域?qū)嵤o線頻譜的監(jiān)視或測向。而網(wǎng)絡(luò)化的頻譜感知系統(tǒng)可將布置在不同地方的、不同類型的頻譜監(jiān)測裝備聯(lián)接起來，使其為完成同一個作戰(zhàn)任務(wù)而同時與多個不同手段進(jìn)行協(xié)調(diào)一致動態(tài)感知，使分散的各個頻譜監(jiān)測或測向的力量有效聯(lián)接，產(chǎn)生綜合效果。在組網(wǎng)關(guān)系方面，通過頻譜監(jiān)測組網(wǎng)、測向定位組網(wǎng)和數(shù)據(jù)匯聚與頻譜感知自動處理，使目標(biāo)定位和頻譜監(jiān)測有機(jī)融合、引導(dǎo)聯(lián)動，可以有效改善無線電波傳播規(guī)律造成信號接收質(zhì)量受各個監(jiān)測傳感器位置限制的現(xiàn)象，實現(xiàn)大范圍、全覆蓋、多維度的頻譜數(shù)據(jù)獲取[7]。

協(xié)同頻譜動態(tài)感知工作模式的核心思路是：在無線電磁頻譜信號的監(jiān)測接收與處理階段，基于各個既有或新建的頻譜監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合任務(wù)屬性和信號特征，設(shè)計頻譜監(jiān)測或無源定位網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量和空間配置方式，實現(xiàn)信號的全頻段、全時域、全空域接收；在信號全覆蓋接收的同時，全面獲取無線電信號的時域、頻域、空域?qū)傩?，為后續(xù)的射頻動態(tài)頻譜圖處理與生成能夠提供數(shù)量和屬性的支撐。

在頻譜感知數(shù)據(jù)匯集與應(yīng)用階段，針對存儲的海量電磁頻譜數(shù)據(jù)，采用實時自動或人工處理、離線深度分析兩種模式開展，系統(tǒng)提供相應(yīng)的信號處理服務(wù)。自動化處理包括多類同構(gòu)/異構(gòu)傳感器獲取的多源頻譜數(shù)據(jù)融合處理算法，實現(xiàn)對多元、同構(gòu)/異構(gòu)數(shù)據(jù)源的匯聚、歸一化和融合；對關(guān)注的非法用戶目標(biāo)信號進(jìn)行解調(diào)解碼，產(chǎn)生信號的報文信息，通過對報文信息和特征參數(shù)的綜合分析，判證信號的目標(biāo)屬性和異常報警等。通過電磁頻譜管理的目標(biāo)知識庫，對截獲到的頻譜信號進(jìn)行頻率、類型、示向、特征等目標(biāo)參數(shù)辨識，能夠給作戰(zhàn)人員提供出敵我雙方當(dāng)前或潛在的頻譜使用情況以及頻譜受干擾的情況，為頻譜管理提供更直觀有效的手段。

在電磁態(tài)勢情報處理階段，建立覆蓋國內(nèi)范圍的常用用頻設(shè)備復(fù)合模型和多維電磁頻譜數(shù)據(jù)統(tǒng)一表征框架，生成頻譜信息綜合元數(shù)據(jù)。通過研究電磁空間頻譜數(shù)據(jù)各屬性的耦合關(guān)系，構(gòu)建頻譜資源倉庫、聚合頻譜信息方法，采用海量頻譜數(shù)據(jù)的快速存取和分發(fā)方法，建立頻譜資源倉庫。通過研究頻譜感知信息、知識表征標(biāo)準(zhǔn)和頻譜信息挖掘方法，完成對頻譜的信息挖掘和頻譜知識生成。研究頻譜數(shù)據(jù)的時域、頻域、空域、能量域、信號調(diào)制、編碼、協(xié)議等多域數(shù)據(jù)關(guān)系和組織方式，提出多維電磁頻譜數(shù)據(jù)統(tǒng)一表征框架，實現(xiàn)多維頻譜數(shù)據(jù)的可視化展現(xiàn)，最終形成精確全面展示無線電磁分布的“動態(tài)頻譜熱圖”[8]。

3 基于PostgreSQL的分布式數(shù)據(jù)倉庫ETL實現(xiàn)

如何實現(xiàn)對海量原始頻譜監(jiān)測數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)倉庫之間進(jìn)行遷移、轉(zhuǎn)化和處理，是數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)成果創(chuàng)建的關(guān)鍵，其研究內(nèi)容主要包括數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)倉庫之前的數(shù)據(jù)抽取、轉(zhuǎn)換和裝載技術(shù)，即ETL(Extract-Load&Transform)技術(shù)[9]。

3.1 原始頻譜數(shù)據(jù)的ETL實現(xiàn)

針對監(jiān)測設(shè)備受部署環(huán)境條件的制約，存在數(shù)據(jù)傳輸不可靠、網(wǎng)絡(luò)傳輸速率低的突出問題，提出了分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計思路，并非簡單的將原始頻譜監(jiān)測數(shù)據(jù)完全復(fù)制到數(shù)據(jù)倉庫端，而是將監(jiān)測站內(nèi)部數(shù)據(jù)庫與匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)倉庫看作一個大的分布式環(huán)境，由部署在監(jiān)測站內(nèi)的ETL服務(wù)實現(xiàn)對原始頻譜數(shù)據(jù)的定時抽取、融合與格式轉(zhuǎn)換計算，形成以輻射源為基本單位的目標(biāo)參數(shù)描述，并上載到中心匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)倉庫，通過對原始頻譜數(shù)據(jù)的ETL處理，數(shù)據(jù)傳輸量變化如表1所示。

表1 原始定、跳頻信號監(jiān)測結(jié)果合批前后數(shù)據(jù)傳輸量對比

測試內(nèi)容原始定頻信號監(jiān)測結(jié)果合批后定頻信號監(jiān)測結(jié)果原始跳頻信號監(jiān)測結(jié)果合批后跳頻信號監(jiān)測結(jié)果記錄數(shù)(條/s)<4000<100<10000<900帶寬(kbytes/s)40116030

通過對比可知，采用分布式ETL處理技術(shù)，大大減少了實時數(shù)據(jù)傳輸對網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬的要求，使得原本無法實現(xiàn)的多站協(xié)同成為了可能，同樣也減輕了數(shù)據(jù)中心的存儲與計算壓力[9-10]。

3.2 中心節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的ETL實現(xiàn)

數(shù)據(jù)匯聚到中心節(jié)點(diǎn)后，中心節(jié)點(diǎn)將各站預(yù)處理后的輻射源參數(shù)信息做進(jìn)一步的融合處理工作，對實時數(shù)據(jù)的在線融合處理，包括輻射源信號的聚類分析、關(guān)聯(lián)分析和定位計算，實現(xiàn)對輻射源參數(shù)的深度融合；結(jié)合輻射源歷史記錄，對比分析當(dāng)前輻射源的變化情況，評估輻射源目標(biāo)作用范圍以及異常等級或威脅等級，為任務(wù)的自動化協(xié)同提供數(shù)據(jù)支撐；定時對數(shù)據(jù)進(jìn)行離線處理，以時、天、周、月為單位，對頻段占用度、信道占用度、輻射源目標(biāo)屬性特征等進(jìn)行統(tǒng)計分析，對目標(biāo)網(wǎng)臺情活動規(guī)律分析提供輔助手段，并形成輻射源歷史數(shù)據(jù)保存入庫。

3.3 高度概括的電磁態(tài)勢綜合數(shù)據(jù)實現(xiàn)

借助已知情報庫和知識庫，實現(xiàn)輻射源目標(biāo)的類屬識別、非法性識別、通聯(lián)關(guān)系識別，并借助二三維地理態(tài)勢圖進(jìn)行直觀展現(xiàn)。

3.4 基于元數(shù)據(jù)的ETL方法

在本系統(tǒng)中，元數(shù)據(jù)是指用于描述操作數(shù)據(jù)流程規(guī)則、轉(zhuǎn)換規(guī)則和抽取規(guī)則的數(shù)據(jù)，以邏輯節(jié)點(diǎn)和邏輯關(guān)系的方式構(gòu)成一組完整的目標(biāo)邏輯，進(jìn)而實現(xiàn)一種可重用、可擴(kuò)展、可重組的數(shù)據(jù)處理與挖掘方法，采樣XML或JSON格式對數(shù)據(jù)庫表信息、字段信息、映射和轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行描述，實現(xiàn)對ETL服務(wù)模塊的自動化設(shè)計與運(yùn)行。

4 設(shè)計工程應(yīng)用案例

超短波頻段(30～3 000 MHz)是電磁頻譜監(jiān)測管理的重要頻段，超短波協(xié)同感知頻譜監(jiān)測系統(tǒng)正是基于本文的設(shè)計思想，根據(jù)用戶在網(wǎng)絡(luò)中協(xié)同與信息交互的方式，采用監(jiān)測站分布、數(shù)據(jù)融合集中處理的結(jié)構(gòu)，由固定式頻譜監(jiān)測系統(tǒng)、移動式監(jiān)測系統(tǒng)、可搬移監(jiān)測設(shè)備構(gòu)成。系統(tǒng)組成原理如圖2所示。在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)立了數(shù)據(jù)匯聚中心，各個監(jiān)測設(shè)備對選定的頻段進(jìn)行獨(dú)立的本地感知；然后將感知結(jié)果發(fā)送至數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)，由數(shù)據(jù)中心對這些結(jié)果進(jìn)行匯總，做出全局判決，再將其通知發(fā)送到各個監(jiān)測設(shè)備。

工程實現(xiàn)改造過程如下：在原有固定式測向站的基礎(chǔ)上，增建數(shù)據(jù)中心，借助無線通信手段實現(xiàn)了對移動式監(jiān)測站和可搬移式測向設(shè)備的接入，其中移動式監(jiān)測站可利用常規(guī)數(shù)傳電臺實現(xiàn)組網(wǎng)協(xié)同監(jiān)測和交匯定位能力，也可與可搬移式測向設(shè)備組成子系統(tǒng)，配備高速無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的分級化管理能力。與傳統(tǒng)無線電監(jiān)測系統(tǒng)相比，超短波協(xié)同感知頻譜監(jiān)測系統(tǒng)具有以下幾項突出優(yōu)點(diǎn)：

① 能夠根據(jù)實際情況靈活部署監(jiān)測站位置和數(shù)量，使監(jiān)測節(jié)點(diǎn)更加靠近輻射源，實現(xiàn)了監(jiān)測覆蓋能力與監(jiān)測精度的大幅度提升；

② 實現(xiàn)了無線電監(jiān)測工作模式從傳統(tǒng)的臨時、零散的工作模式向自主化、任務(wù)化工作模式轉(zhuǎn)變；

③ 促使無線電監(jiān)測管理水平從粗放、被動式管理，向精細(xì)化、智能化管理轉(zhuǎn)變，使管理更加精確、科學(xué)和高效[10]。

圖2 超短波協(xié)同感知頻譜監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)原理圖

5 結(jié)束語

為了解決目前全維射頻動態(tài)地圖繪制所面臨的困難與不足，融合了已有的電磁頻譜感知裝備或局域監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，不僅可以增強(qiáng)單網(wǎng)自動化頻譜監(jiān)測處理的能力，通過采用先進(jìn)的軟件體系架構(gòu)、設(shè)置合理的工作模式與流程，提高全維或多維電磁頻譜獲取效能；而且可以通過網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同感知，共享監(jiān)測資源，提升自動數(shù)據(jù)處理能力，以及達(dá)到頻譜數(shù)據(jù)的匯聚與有機(jī)融合，實現(xiàn)按需組網(wǎng)監(jiān)測和數(shù)據(jù)匯集處理，逐步達(dá)到跨頻率、地理與時間的無線電頻譜實時感知的終極目標(biāo)。

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郝關(guān)鴻(1978—)，男，高級工程師，主要研究方向：衛(wèi)星通信對抗、無線頻譜監(jiān)測與管理軟件系統(tǒng)設(shè)計等。