電磁頻譜管理仿真系統(tǒng)體系結構設計研究

袁譽紅， 周 寧， 羅瑞評， 趙華維

（①重慶通信學院，重慶400035；②61226部隊，北京 100079）

0 引言

隨著無線電技術的廣泛應用和新業(yè)務的不斷涌現，傳統(tǒng)的技術分析手段已難于滿足當前復雜電磁環(huán)境下電磁頻譜管理的需求。高效、精確的仿真技術成為支援電磁頻譜管理的一種新型的技術分析手段[1]。美國、英國、瑞典等發(fā)達國家對電磁頻譜管理仿真技術[2]的研究應用已有二十余年，中國在《國家無線電管理“十二五”規(guī)劃》中也明確提出建立頻譜分析預測仿真系統(tǒng)以提高電磁兼容分析能力。

技術發(fā)展驅動管理變革，建立電磁頻譜管理仿真系統(tǒng)是電磁頻譜管理仿真（以下簡稱“頻管仿真”）技術的有效實現方式。文獻[1-3]對頻管仿真系統(tǒng)的重要性、仿真內容作了初步探索。然而頻管仿真系統(tǒng)構成要素眾多、內部結構復雜，為了能準確描述系統(tǒng)的軍事需求、總體結構，迫切需要運用科學的方法進行頂層設計。體系結構設計能夠使系統(tǒng)的頂層設計“畫出來”、“說清楚”、“看明白”[4]。

1 頻管仿真系統(tǒng)體系結構概述

體系結構是用來明確系統(tǒng)組成單元的結構及其關系，以及指導系統(tǒng)設計和演進的原則與指南，涵蓋了系統(tǒng)組成單元的結構，組成單元之間的交互關系、約束、行為，以及系統(tǒng)的設計、演化原則等方面的內容[4]。它由組成單元的結構、組成單元之間的關系、制約組成單元的原則與指南這3個要素構成。體系結構設計是系統(tǒng)早期設計決策的體現，比后續(xù)的詳細設計、實現、維護更為重要，對系統(tǒng)生命周期的影響范圍最大，是整個系統(tǒng)開發(fā)成敗的關鍵。

頻管仿真系統(tǒng)的體系結構是在電磁頻譜管理者、系統(tǒng)設計者和系統(tǒng)維護者就系統(tǒng)建設達成共識的基礎上，依據體系結構框架理論，采用多視圖模型，對頂層設計中系統(tǒng)的組織構成和相互關系的描述。頻管仿真系統(tǒng)的體系結構是系統(tǒng)詳細設計的依據規(guī)范，是系統(tǒng)集成或深化的依據和指南。

2 頻管仿真系統(tǒng)體系結構設計方法

美國、英國、北約等軍事強國（集團）對體系結構設計和開發(fā)的基礎方法、遵循規(guī)則做了專門研究，形成了各種體系結構框架以指導體系結構的設計與應用。目前，較為成熟的體系結構框架有美國國防部體系結構框架（DOD Architecture Framework）、英國國防部體系結構框架（UK Ministry of Defense Architectural Framework）、北約體系結構框架。美國國防部體系結構框架共經歷了C4ISR 1.0、C4ISR 2.0、DOD AF 1.0、DOD AF 1.5和DOD AF 2.0這5個發(fā)展階段[5]。2009 年8月發(fā)布的DOD AF 2.0[6]體系結構框架，在前幾個版本的基礎上，由以產品為中心轉變?yōu)橐孕畔橹行?，并更注重對國防部網絡中心戰(zhàn)略的支持。但DOD AF 2.0共含有50多個體系結構產品，在實際應用中原則性和操作性太強。英國國防部在借鑒美國體系結構框架的基礎之上，融入本國的實際和新的思維，提出相應的MOD AF 1.0、1.2，相比于DOD AF 1.5，MOD AF 1.2[7]新增了一個服務視圖，服務視圖由專門體現面向服務思想的產品組建而成，但其缺乏對服務視圖描述產品的底層數據元素之間的關系描述。北約組織在DOD AF和MOD AF研究基礎上結合北約各國家在未來“網絡化使能作戰(zhàn)(Network Enable Operation) ”中的聯合作戰(zhàn)需求提出了北約體系結構框架 NATO AF 1.0、2.0、3.0。NATO AF 3.0借鑒了MOD AF中的服務視圖的描述方法，但北約體系結構在視圖產品之間的關系描述存在不足，特別是缺乏服務視圖與作戰(zhàn)視圖、系統(tǒng)視圖等其他視圖產品之間的關系描述。

經過多年的研究實踐，在借鑒國外研究成果的基礎上，我軍提出了“作戰(zhàn)—系統(tǒng)—信息—技術”軍事信息系統(tǒng)體系結構框架[8]。與其他體系結構框架相比，我軍的體系結構框架在克服上述框架不足的基礎上，對體系結構產品進行了精簡，對各視圖的內容作了針對性的豐富，突出信息資源管理與規(guī)劃的重要作用，突出視圖間的結構關系和體系結構驗證評估的作用，結構模型的表現形式更符合我軍表達習慣，并已得到一定的普及和推廣。綜上考慮，我軍軍事信息系統(tǒng)體系結構框架更能清晰、有效地指導頻管仿真系統(tǒng)體系結構的設計。

3 頻管仿真系統(tǒng)體系結構設計

基于頻管仿真系統(tǒng)的設計需求，結合我軍軍事信息系統(tǒng)體系結構框架的設計方法和規(guī)則，頻管仿真系統(tǒng)的體系結構模型主要由全視圖、作戰(zhàn)視圖、系統(tǒng)視圖、信息視圖和技術標準視圖5大視圖組成，其結構關系如圖1所示，具體內容如下[8-10]。

圖1 電磁頻譜管理仿真系統(tǒng)的體系結構視圖模型

3.1 全視圖

頻管仿真系統(tǒng)的全視圖（All View）提供與整個體系結構描述有關的信息，限定開發(fā)該仿真系統(tǒng)的目的、意義、背景、目標、產出對象、建設系統(tǒng)的規(guī)則等。頻管仿真系統(tǒng)的建設背景是頻管在國民經濟建設和國防軍事應用中的重要地位日益突出，而傳統(tǒng)的實測分析技術又難于實現頻管的目標——抑制用頻沖突的出現，因此亟需建立頻管仿真系統(tǒng)以革新技術分析手段。建設頻管仿真系統(tǒng)的目的就是盡可能地用仿真技術解決頻管中的技術分析問題，以提高頻管技術分析的能力和效率。頻管仿真系統(tǒng)的建設目標是能夠完成頻譜資源規(guī)劃中新型用頻體制、用頻設備和用頻業(yè)務之間頻譜特性的兼容共用性問題分析；完成預設臺站部署、用頻計劃的兼容性分析；完成用頻預案、電磁頻譜管制預案的兼容性分析；具有網絡運行、融合多源信息、開放與共享、重構和擴展的能力，為用頻設備研制、使用，頻管計劃的分析論證以及其他頻管實驗室提供權威一致的仿真數據支持與服務。

3.2 作戰(zhàn)視圖

作戰(zhàn)視圖（Operation View）是從系統(tǒng)完成的任務、行動、環(huán)節(jié)出發(fā)，清楚、完整地描述頻管任務對系統(tǒng)的需求，為系統(tǒng)總體設計奠定基礎。作戰(zhàn)視圖包括作戰(zhàn)構想圖、作戰(zhàn)活動模型、作戰(zhàn)轉換圖等。作戰(zhàn)視圖的描述便于系統(tǒng)視圖明確系統(tǒng)的功能模塊組成，便于信息視圖明確作戰(zhàn)體系與信息的關系。頻管仿真系統(tǒng)的作戰(zhàn)視圖模型是從支援用頻全過程管理控制和完成對應技術分析能力的視角對頻管仿真系統(tǒng)進行的分析描述。系統(tǒng)的功能任務是面向用頻設備的頻譜資源規(guī)劃和面向用頻設備使用的用頻籌劃，對應的任務環(huán)節(jié)分別為頻譜資源規(guī)劃分析、設備頻譜特性參數共用性分析、設備頻譜特性參數檢測、監(jiān)測數據的態(tài)勢分析、用頻臺站間電磁兼容性分析、用頻計劃頻率沖突分析、電磁頻譜管制計劃效果分析、用頻干擾綜合分析等。每一任務環(huán)節(jié)的完成又有相應的信息要素支撐。

3.3 系統(tǒng)視圖

系統(tǒng)視圖（System View）是對支持作戰(zhàn)或業(yè)務活動的系統(tǒng)、系統(tǒng)功能及其相互關系的描述。系統(tǒng)視圖描述是整個體系結構描述的核心，是根據作戰(zhàn)視圖的任務需求，設計實現這些需求的系統(tǒng)結構，并描述在這個體系結構中的特定系統(tǒng)的內部結構和操作。系統(tǒng)視圖包括系統(tǒng)功能分析圖、系統(tǒng)組成結構圖、系統(tǒng)通信實現方案、系統(tǒng)性能參數等。根據任務需求，頻管仿真系統(tǒng)應由一個綜合管理控制系統(tǒng)和頻譜資源規(guī)劃仿真分系統(tǒng)、空間衛(wèi)星頻率/軌道指配仿真分系統(tǒng)、用頻設備頻譜特性參數仿真分析分系統(tǒng)、用頻臺站電磁兼容仿真分析分系統(tǒng)和用頻籌劃仿真分析分系統(tǒng)5大應用分系統(tǒng)組成。支撐應用分系統(tǒng)運行的共用模塊有建模模塊、電波傳播模型模塊、電磁環(huán)境構建模塊、仿真評估模塊、電磁兼容計算模塊、輔助決策模塊和結果數據顯示模塊等，支撐系統(tǒng)運行和模塊工作的資源應有頻譜資源使用數據、設備頻譜特性參數數據、電磁環(huán)境數據、地理信息數據、輔助決策經驗數據和評估指標數據等。綜合主控系統(tǒng)和仿真應用分系統(tǒng)都基于高層體系結構（HLA，High Level Architecture）的規(guī)則進行開發(fā)，以聯邦成員的形式進行聚成便于提高系統(tǒng)的可重用性、可擴展性和互聯性[2]。

3.4 信息視圖

信息視圖（Information View）主要描述系統(tǒng)各類信息資源的交換關系，通常由信息交換矩陣、信息表示模型和信息存儲模型等組成。信息視圖基于作戰(zhàn)任務需求和系統(tǒng)的組織結構完成系統(tǒng)信息存儲格式和交流細節(jié)的描述以指導后續(xù)設計。頻管仿真系統(tǒng)的信息視圖主要描述頻管仿真系統(tǒng)的內部交流信息和頻管仿真系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的外部交流信息。頻管仿真系統(tǒng)內部交流信息主要有分系統(tǒng)間的交流信息、分系統(tǒng)與模塊，以及分系統(tǒng)、模塊與基礎資源數據的交流。頻管仿真系統(tǒng)的外部交流信息包括外部系統(tǒng)為仿真系統(tǒng)提供的電磁環(huán)境監(jiān)測數據、裝備的用頻參數等，和仿真系統(tǒng)為外部系統(tǒng)提供的仿真結果數據。在信息交流中，對于底層的初始化參數、共用的非交互數據可直接由讀取數據庫的方式實現，而動態(tài)變化的生成數據、交互命令等則依托于HLA的運行支撐環(huán)境（RTI，Run Time Infrastructure）進行傳遞。

3.5 技術標準視圖

技術視圖（Technology View）是決定系統(tǒng)部件或元素配置、相互作用和相互依存的一組最小的規(guī)則集，提供系統(tǒng)實現的技術方針和指南。它通過一批技術標準、實現協議、標準選項、慣例、規(guī)則準則來決定系統(tǒng)視圖的系統(tǒng)服務、接口和相互關系。技術視圖的表現形式為一系列的技術標準列表。頻管仿真系統(tǒng)主要涉及分布式仿真技術、用頻設備建模技術、視景仿真技術、效能評估技術、電波傳播計算等，頻管仿真系統(tǒng)的技術標準涉及HLA標準規(guī)范、系統(tǒng)開發(fā)標準、網絡接口標準、數據庫設計標準、視景顯示標準、信息安全標準等。

頻管仿真系統(tǒng)的5個視圖在邏輯上構成一個整體，共同描繪出頻管仿真系統(tǒng)的整體結構。作戰(zhàn)視圖清楚地描述頻管任務對仿真系統(tǒng)的需求，為系統(tǒng)總體設計奠定基礎；系統(tǒng)視圖說明多個分系統(tǒng)、模塊如何連接、運行，并描述了系統(tǒng)的內部結構和運行原理；信息視圖是系統(tǒng)的“脈搏”，根據系統(tǒng)視圖導引系統(tǒng)的信息流向；技術標準視圖描述了系統(tǒng)部件或要素的配置、交互作用和相互依存的最低限度的規(guī)則要求。頻管仿真系統(tǒng)的每一個視圖描述體系結構的某幾個特征，視圖的集成為體系結構的設計提供了完整性、一致性、連貫性支持。

4 結語

頻管仿真系統(tǒng)是一個多功能的復雜大型系統(tǒng)[11]。在其設計過程中，依據我軍軍事信息系統(tǒng)體系結構框架理論，由5個視圖模型分別從系統(tǒng)建設背景目標、頻管任務需求、系統(tǒng)結構組成、系統(tǒng)信息交流和技術標準支持等方面完整有序地勾勒出頻管仿真系統(tǒng)的體系結構，很好地解決了系統(tǒng)設計中各方人員的交流問題，有效地指導系統(tǒng)的設計、實現、演進和使用。

[1]袁譽紅，趙思思，張學平，等.電磁頻譜管理仿真技術應用研究[J].中國無線電，2011(11):75-77.

[2]袁譽紅，羅瑞評，王磊，等.基于 HLA的電磁頻譜管理仿真系統(tǒng)關鍵技術研究[C]//2011年全國無線電應用與管理學術會議論文集.北京：電子工業(yè)出版社，2011:76-80.

[3]周寧，肖凱寧，張明，等.基于 HLA的電磁頻譜管理仿真系統(tǒng)的設計[C]//2010年全國無線電應用與管理學術會議論文集.北京：電子工業(yè)出版社，2010:492-498.

[4]Integrated Architecture Panel of the C4ISR Integration Task Force.C4ISR Architecture Framework Version 1.0[S].The United States:Department of Defense, 1996.

[5]施未來，陸敏.外軍體系結構的發(fā)展應用及啟示[J].通信技術，2010,43(02):169-171.

[6]Doodad Architectures Framework Working Group.DoDAF Architecture Framework Version 2.0 [S].The United States: Department of Defense, 2009.

[7]The MoDAF DAF development Team.The MoD Architecture Framework Version 1.2[S].UK:Department of Defense, 2008.

[8]朱奎玉.體系結構研究[M].北京：軍事科學出版社，2011:20-36.

[9]陸敏，黃湘鵬，施未來.軍事信息系統(tǒng)體系結構框架研究進展[J].通信技術,2011,44(03):77-79.

[10]羅雪山，羅愛民，張耀鴻，等.軍事信息系統(tǒng)體系結構技術[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010:163-164.

[11]工信部.中華人民共和國無線電管制規(guī)定[J].信息安全與通信保密,2010（10）：2.