基于大數(shù)據(jù)架構的軍民融合頻譜綜合利用分析

張　平，劉獻杰，李　佳

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0　引言

隨著無線通信技術和市場的飛速發(fā)展和擴大，通信服務追求的高數(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越突出，造成頻譜擁擠和重疊的現(xiàn)象愈發(fā)嚴重[1]。這種緊張的供需矛盾無論對于軍事領域還是民用領域的無線通信系統(tǒng)部署和應用都會形成嚴重的干擾、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發(fā)高效頻譜綜合利用技術[2-3]。

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

當前，軍民融合的主要體現(xiàn)是軍民兩用衛(wèi)星[7]。雖然上述成果填補了軍民融合頻譜綜合利用領域的空白，但目前只局限于某些個別頻段，無法滿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)度體系架構及工作流程具有非常重要的現(xiàn)實意義。

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申請使用對方可用資源。這就需要高效(Velocity)地從海量(Volume)頻譜數(shù)據(jù)中獲取準確(Veracity)的電磁頻譜態(tài)勢。事實上，海量頻譜數(shù)據(jù)的來源包括固定、移動、便攜和可搬移等多種平臺的電磁頻譜監(jiān)測設備，一般來自于技偵、電抗和情報等系統(tǒng)建設的頻譜監(jiān)測設備以及眾多民用頻譜監(jiān)測設備。這些軍用或民用海量頻譜數(shù)據(jù)是由不同種類、不同定位和不同部署位置的異構傳感器對頻譜特征進行不同角度的描述，即頻譜數(shù)據(jù)具備多樣性(Variety)。同時，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)并進行綜合處理得到業(yè)務產(chǎn)品的過程呈現(xiàn)出類似大數(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)架構基礎上進行變得順理成章[10]。

結合上述特點分析，首次引進大數(shù)據(jù)架構來實現(xiàn)軍民融合電磁頻譜數(shù)據(jù)匯集、處理、分析以及應用的體系架構；針對電磁頻譜特殊應用需求，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，并在此基礎上設計軍民雙方申請使用對方電磁頻譜資源的工作流程，以實現(xiàn)頻譜資源綜合利用。針對性搭建大數(shù)據(jù)軟硬件仿真平臺，并驗證本文所提內(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

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

圖1　軍民融合頻譜綜合利用體系架構

資源層著重于基礎設施建設，由高性能計算(Spark和MapReduce)資源[11]、海量存儲資源、資源集群、資源管理以及云技術組成，實現(xiàn)計算能力、存儲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。

服務層主要負責架構運轉與維護，采用面向服務架構構建系統(tǒng)訂閱分發(fā)[12]與服務管理總線，主要部署平臺級服務軟件和架構管理軟件，并提供多源數(shù)據(jù)統(tǒng)一的通信傳輸和外部數(shù)據(jù)引接服務能力，為異構的原始數(shù)據(jù)按照元數(shù)據(jù)標準提供必要的協(xié)議適配服務。

處理層是頂層可視化業(yè)務系統(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(例如電子對抗、頻譜管理和技術偵察)和民方頻譜利用(例如通信和干擾)。其中頻譜綜合過程包括頻譜數(shù)據(jù)接入、頻譜檢測以及頻譜融合，最終得到軍/民用頻段信息；融合調(diào)度通過任務管理、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中所示的體系架構以軍民雙方頻譜監(jiān)測設備提供的海量外部頻譜數(shù)據(jù)為輸入，通過海量存儲、高性能計算以及訂閱分發(fā)等服務機制，形成頻譜融合產(chǎn)品，最終實現(xiàn)軍民融合頻譜綜合利用目的。上述體系架構對不同頻段具備通用性的特點，可適用于軍民通用的短波、超短波、衛(wèi)星和微波業(yè)務頻段。

下面以C、Ku和Ka頻段軍事衛(wèi)星通信為例簡述軍民融合頻譜綜合利用的現(xiàn)實需求以及所達到功能。C、Ku和Ka頻段軍事衛(wèi)星通信平時可為我國廣電部門提供C、Ku和Ka頻段衛(wèi)星廣播信號應急播發(fā)服務，急時可完成管控非法衛(wèi)星廣播信號、定位衛(wèi)星廣播信號干擾源等任務[13]。通過軍民融合頻譜綜合利用可實現(xiàn)如下功能：

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

② 具備平時民方衛(wèi)星廣播系統(tǒng)提請軍方衛(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、設備狀況等信息的監(jiān)測功能。

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)預處理、存儲和分發(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，并實現(xiàn)跨平臺、跨系統(tǒng)異構網(wǎng)絡融合；

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

③ 預處理：對頻譜數(shù)據(jù)進行清洗、一致性檢查、標注管理和統(tǒng)一編碼；

④ 分發(fā)存儲：實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)總線的訂閱發(fā)布機制，并完成高速海量存儲。

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)以海量頻譜檢測數(shù)據(jù)為輸入，相繼完成數(shù)據(jù)適配、估計融合和頻譜檢測數(shù)據(jù)融合等過程，使海量頻譜檢測數(shù)據(jù)得到最大化利用并得到全局較優(yōu)的融合結果，如圖3所示。

圖3　頻譜融合工作原理

① 數(shù)據(jù)適配通過頻譜適配、坐標轉換和時間配準等操作完成檢測數(shù)據(jù)特征尺寸的統(tǒng)一；

② 估計融合通過統(tǒng)計推斷完成頻譜瞬態(tài)特征的抑制和消除；

③ 頻譜檢測數(shù)據(jù)融合利用融合算法實現(xiàn)頻譜感知空間擴展；

④ 融合結果可通過集中式和分布式[14]2種融合方法得到。

在上述融合過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)計方法、卡爾曼濾波估計方法以及神經(jīng)網(wǎng)絡等人工智能算法[15]。

2.3　軍民融合調(diào)度

軍方業(yè)務體系主要由任務管理系統(tǒng)、頻譜監(jiān)測設備、資源監(jiān)視系統(tǒng)以及通信設備等組成；民方業(yè)務體系主要由監(jiān)測中心、管網(wǎng)中心、運行管理中心以及業(yè)務管理中心構成，二者通過由軍民雙方融合調(diào)度、網(wǎng)間交換、安全保密以及基礎網(wǎng)絡服務構成的軍民融合調(diào)度系統(tǒng)實現(xiàn)連接，最終實現(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 基礎網(wǎng)絡服務由資源調(diào)度服務器、數(shù)據(jù)庫服務器組成；

② 安全保密系統(tǒng)主要由保障物理安全、網(wǎng)絡安全、計算安全、應用安全、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、病毒防護系統(tǒng)和身份認證等機制；

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

④ 軍民雙方融合調(diào)度系統(tǒng)分別實時接收軍方資源監(jiān)視系統(tǒng)和管網(wǎng)中心上報的頻譜資源信息，待接到軍民雙方調(diào)度電話或者網(wǎng)絡發(fā)來的調(diào)度請求指令時，匯總軍民雙方資源，并做出合理的資源分配。

⑤ 軍方通信設備和民方業(yè)務管理中心接到融合調(diào)度發(fā)來的資源分配結果，分別執(zhí)行相應業(yè)務操作，并及時上報業(yè)務中止請求指令。

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軍用頻段的工作流程如圖5所示。軍方通信設備在基于大數(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　民方申請軍用頻段流程

圖6　軍方占用民用頻段流程

民方申請軍用頻段主要流程為：民方發(fā)起資源申請請求，請求經(jīng)融合調(diào)度系統(tǒng)轉發(fā)至軍方任務管理系統(tǒng)，軍方任務管理系統(tǒng)接收申請后再經(jīng)資源監(jiān)視系統(tǒng)進行資源確認，給出能夠使用的資源信息，信息通過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)進行信息解密，該資源在網(wǎng)管中心進行統(tǒng)一分配后，就可進行資源的使用，同時將占用情況發(fā)送給軍方資源監(jiān)視系統(tǒng)進行可用資源更新。

軍方占用民用頻段流程可參見3.1節(jié)的流程描述。

4　軍民融合頻譜綜合利用仿真試驗

硬件平臺介紹：

大數(shù)據(jù)平臺服務器4臺，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；機械硬盤：4 TB 3.5寸 SAS/SATA企業(yè)級硬盤、固態(tài)硬盤：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，配置：聯(lián)想揚天T6900C；CPU：Intel i7-6700 3.4 GHz；內(nèi)存：8 GB DDR4；硬盤：7 200轉 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)務組件及處理流程圖如圖7所示，包括頻譜數(shù)據(jù)收集、預處理、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)匹配、融合估計、檢測分析、融合分析及綜合顯示。大數(shù)據(jù)平臺收集統(tǒng)計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)測資源分布界面

軍民用某頻段的頻譜融合過程截圖如圖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)計結果

5　結束語

在新的經(jīng)濟和國防形勢要求下，由軍方和民方用戶共同使用的電磁頻譜資源需要通過軍民融合手段來滿足各自業(yè)務需求，實現(xiàn)頻譜資源利用率提高。本文通過深入分析電磁頻譜數(shù)據(jù)的特點，結合業(yè)務需求，基于大數(shù)據(jù)架構進行系統(tǒng)設計和實現(xiàn)，并形成下述創(chuàng)新點：提出基于大數(shù)據(jù)設計軍民融合頻譜綜合利用體系架構；設計實現(xiàn)軍方和民方利用對方電磁頻譜資源的工作流程。

通過上述技術層面的探索，可以實現(xiàn)應急救災和軍事應用特殊情況下設備裝備方便快捷使用電磁頻譜資源的方法，為全面發(fā)展電磁頻譜管理領域其他軍民共用技術和雙向應用的體系架構設計、系統(tǒng)運行管理等方面研究提供參考。

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