張旭旺，楊偉軍，夏雙志

摘要：隨著戰(zhàn)場(chǎng)上頻譜競(jìng)爭(zhēng)和裝備互擾問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，統(tǒng)一規(guī)劃頻譜資源并集成多種作戰(zhàn)功能的一體化電磁裝備逐漸成為電磁裝備的發(fā)展趨勢(shì)之一。在一體化電磁裝備中，數(shù)據(jù)處理平臺(tái)負(fù)責(zé)利用全空域的電磁信號(hào)完成多項(xiàng)數(shù)據(jù)分析任務(wù)，重要性尤其突出。鑒于此，分析了一體化電磁裝備數(shù)據(jù)處理平臺(tái)建設(shè)的技術(shù)需求，梳理了其中涉及的一些關(guān)鍵技術(shù)，并設(shè)計(jì)了一種適用于未來(lái)一體化電磁裝備作戰(zhàn)功能的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)架構(gòu)。這些工作可為一體化電磁裝備的發(fā)展提供一些參考。

關(guān)鍵詞：一體化電磁裝備；數(shù)據(jù)處理平臺(tái)；分布式系統(tǒng)；同時(shí)多任務(wù)

中圖分類號(hào)：TP274文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2020）14-66-4

0引言

一體化電磁裝備是一種利用廣闊空域范圍內(nèi)的寬頻電磁信號(hào)實(shí)現(xiàn)通信[1-2]、導(dǎo)航、探測(cè)[3-4]、偵察[5]及干擾等多種功能的新型作戰(zhàn)系統(tǒng)，致力于解決現(xiàn)有電磁裝備的頻譜競(jìng)爭(zhēng)及互擾問(wèn)題以獲得更優(yōu)的作戰(zhàn)效能[6-8]。不同于常見(jiàn)單裝電磁裝備功能單一、信號(hào)采集與處理集于一體的特征，一體化電磁裝備通過(guò)廣域分布的大量寬頻收發(fā)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)全空域電磁活動(dòng)的監(jiān)測(cè)，借助于多中心、分布式部署的大規(guī)模數(shù)據(jù)處理平臺(tái)同時(shí)執(zhí)行多項(xiàng)作戰(zhàn)任務(wù)，具有更高的資源利用率以及更強(qiáng)的協(xié)同作戰(zhàn)能力，是未來(lái)軍事裝備發(fā)展的重要方向之一[9-10]。本文針對(duì)一體化電磁裝備的核心———數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，研究、梳理了有關(guān)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)建設(shè)的技術(shù)需求及關(guān)鍵技術(shù)，提出了一種具體的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)架構(gòu)。

1數(shù)據(jù)處理平臺(tái)的技術(shù)需求

相比于現(xiàn)有的單裝電磁裝備，未來(lái)的一體化電磁裝備具有功能一體化、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、信號(hào)采集廣泛化、數(shù)據(jù)處理集中化及運(yùn)行機(jī)制復(fù)雜化等特征，在解決電磁互擾問(wèn)題、提升資源利用效率等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)[11]。一種簡(jiǎn)單的一體化電磁裝備結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。若把一體化電磁裝備形象地比作一個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)，則廣域分布、寬頻覆蓋的大量收發(fā)節(jié)點(diǎn)就相當(dāng)于遍布整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)的神經(jīng)末梢，用戶端體現(xiàn)了該神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)外部需求的響應(yīng)，管理調(diào)度資源并處理大量信息的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)就相當(dāng)于大腦，是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分[12]。為了實(shí)現(xiàn)一體化電磁裝備的優(yōu)點(diǎn)，負(fù)責(zé)核心數(shù)據(jù)處理任務(wù)的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)要比傳統(tǒng)單裝電磁裝備的數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)復(fù)雜得多。

在功能方面，一體化電磁裝備是現(xiàn)有多型單裝電磁裝備的高效有機(jī)結(jié)合，因此其數(shù)據(jù)處理平臺(tái)應(yīng)具備通信、導(dǎo)航、探測(cè)、成像、偵察及干擾等多種信號(hào)和信息處理功能，并且這些功能不應(yīng)是單裝電磁裝備功能的簡(jiǎn)單疊加，而是互相協(xié)同、互相增強(qiáng)的形式。更重要的是，一體化電磁裝備通常需要在廣域范圍內(nèi)同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，這就要求其數(shù)據(jù)處理平臺(tái)具備支持同時(shí)多任務(wù)、同時(shí)多功能的能力，任務(wù)支撐環(huán)境也應(yīng)可靈活構(gòu)建和動(dòng)態(tài)擴(kuò)展。

在數(shù)據(jù)方面，一體化電磁裝備的“神經(jīng)末梢”是數(shù)量眾多且廣域分布的寬帶收發(fā)節(jié)點(diǎn)，這意味著其數(shù)據(jù)處理平臺(tái)面臨的數(shù)據(jù)是海量的，遠(yuǎn)超現(xiàn)有常見(jiàn)單裝電磁裝備的數(shù)據(jù)量。因此，數(shù)據(jù)的精確同步和高速存取將會(huì)比較困難。一方面需要構(gòu)建多中心的分布式存儲(chǔ)服務(wù)器集群以及跨中心的高速、高帶寬、低延時(shí)傳輸網(wǎng)絡(luò)；另一方面，需要為多源異構(gòu)數(shù)據(jù)創(chuàng)建統(tǒng)一的文件目錄以及合適的存取標(biāo)準(zhǔn)。

在計(jì)算資源方面，一體化電磁裝備通常需要同時(shí)執(zhí)行多個(gè)不同功能的作戰(zhàn)任務(wù)。一般而言，不同任務(wù)的數(shù)據(jù)處理方式差異很大，既有大規(guī)模信號(hào)的聚合運(yùn)算，又有小規(guī)模數(shù)據(jù)的復(fù)雜處理，所以其數(shù)據(jù)處理平臺(tái)需要部署大規(guī)模的FPGA、GPU及CPU等異構(gòu)計(jì)算資源，并針對(duì)不同的運(yùn)算特征進(jìn)行合理的計(jì)算資源分配。此外，硬件計(jì)算資源的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)、統(tǒng)一管理以及高度可復(fù)用等也是必須解決的問(wèn)題。

2關(guān)鍵技術(shù)

相比于傳統(tǒng)電磁裝備的信號(hào)處理平臺(tái)以及處理互聯(lián)網(wǎng)信息流的云計(jì)算平臺(tái)，在具有廣域、多功能特征的一體化電磁裝備中承擔(dān)著核心信號(hào)和信息處理功能的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)面臨著數(shù)據(jù)量更大、實(shí)時(shí)性要求更高、數(shù)據(jù)處理機(jī)制更復(fù)雜的挑戰(zhàn)，因而需要突破多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，具體可歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）異構(gòu)計(jì)算資源重構(gòu)技術(shù)

一體化電磁裝備的任務(wù)、數(shù)據(jù)和算法特征要求數(shù)據(jù)處理平臺(tái)支持多路信號(hào)同時(shí)接入、高帶寬信號(hào)聚合處理、大規(guī)模并行計(jì)算以及復(fù)雜信息處理等多種功能，這對(duì)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)的高吞吐、低延遲和高并發(fā)能力提出了很高的要求，因此需要設(shè)計(jì)專用的支持多型異構(gòu)處理器協(xié)同處理的體系架構(gòu)。其中，搭配高速網(wǎng)卡的CPU承接信號(hào)同步接入等任務(wù)，F(xiàn)PGA承接寬帶信號(hào)聚合和大規(guī)模并行計(jì)算等任務(wù)，GPU承接復(fù)雜信息處理等任務(wù)。由于一體化電磁裝備的任務(wù)、數(shù)據(jù)和算法是動(dòng)態(tài)變化的，這就要求其數(shù)據(jù)處理平臺(tái)具有良好的計(jì)算資源可重構(gòu)性及可擴(kuò)展性，支持面向不同任務(wù)動(dòng)態(tài)重組各型計(jì)算資源的功能。

（2）多維度資源管控技術(shù)

多維度資源管控技術(shù)主要包括異構(gòu)資源狀態(tài)感知技術(shù)、異構(gòu)資源統(tǒng)一調(diào)度技術(shù)和分布式多中心協(xié)同管理技術(shù)3個(gè)方面。利用異構(gòu)資源狀態(tài)感知技術(shù)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)的內(nèi)存、CPU、GPU及FPGA等計(jì)算資源的運(yùn)行狀態(tài)，為用戶端提供準(zhǔn)確的狀態(tài)信息。異構(gòu)資源統(tǒng)一調(diào)度技術(shù)主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)各型計(jì)算資源的管理和調(diào)度，以支撐計(jì)算環(huán)境的構(gòu)建和計(jì)算任務(wù)的執(zhí)行。一體化電磁裝備的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)是由異地分布的多個(gè)數(shù)據(jù)處理中心構(gòu)建而成的，這樣便于對(duì)不同收發(fā)節(jié)點(diǎn)獲取的電磁信號(hào)進(jìn)行分級(jí)處理，也能夠顯著增強(qiáng)系統(tǒng)的抗摧毀能力。這種情況下，分布式多中心協(xié)同管理技術(shù)可在全網(wǎng)統(tǒng)一的資源池基礎(chǔ)上，根據(jù)任務(wù)需求配置就近中心的處理資源，并對(duì)全局任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃和跨中心調(diào)度，達(dá)到提高系統(tǒng)資源利用效率的目的。

（3）多中心協(xié)同處理技術(shù)

多中心協(xié)同處理技術(shù)主要涉及異構(gòu)資源分布式任務(wù)規(guī)劃、多維數(shù)據(jù)協(xié)同處理及分布式流計(jì)算緩沖同步等。針對(duì)一體化電磁裝備數(shù)據(jù)處理平臺(tái)涉及多型計(jì)算資源的情況，異構(gòu)資源分布式任務(wù)規(guī)劃技術(shù)用于建立基于異構(gòu)資源的計(jì)算任務(wù)描述模型，并提供基于異構(gòu)計(jì)算的處理任務(wù)描述等。針對(duì)一體化電磁裝備涉及多維度、多類型數(shù)據(jù)的特征，多維數(shù)據(jù)協(xié)同處理技術(shù)用于支持子任務(wù)間分布式協(xié)同計(jì)算的數(shù)據(jù)處理模式以及基于內(nèi)容感知的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析計(jì)算模式。針對(duì)電磁波數(shù)據(jù)由多個(gè)收發(fā)節(jié)點(diǎn)采集并經(jīng)高速網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)那闆r，分布式流計(jì)算緩沖同步技術(shù)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流緩沖與處理能力的同步，通過(guò)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)管理，控制計(jì)算資源的數(shù)據(jù)拉取或推送進(jìn)度，以實(shí)現(xiàn)消息流傳輸與處理進(jìn)度的匹配。

（4）大規(guī)模數(shù)據(jù)高速存取技術(shù)

一體化電磁裝備的原始電磁信號(hào)具有規(guī)模大、類型多、來(lái)源廣泛等特征，其存取面臨著諸多困難。為了解決這些困難，需要構(gòu)建多個(gè)分布式大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器集群，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)高速存取。因此，有必要研究存儲(chǔ)服務(wù)器集群的分布式部署架構(gòu)，突破大規(guī)模數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)技術(shù)，基于物理分散、邏輯共享模式解耦數(shù)據(jù)的供需關(guān)系，實(shí)現(xiàn)信號(hào)級(jí)/數(shù)據(jù)級(jí)/情報(bào)級(jí)數(shù)據(jù)的高效管理。此外，還需要研究分布式異構(gòu)數(shù)據(jù)資源的高效訪問(wèn)技術(shù)，建立面向用戶的全局?jǐn)?shù)據(jù)資源視圖，提供訪問(wèn)異構(gòu)數(shù)據(jù)資源的統(tǒng)一接口，完善分布式存儲(chǔ)服務(wù)器異構(gòu)數(shù)據(jù)的大規(guī)模高速并發(fā)訪問(wèn)功能。

3數(shù)據(jù)處理平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

在梳理一體化電磁裝備數(shù)據(jù)處理平臺(tái)技術(shù)需求和關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，將單裝電磁裝備的信號(hào)處理技術(shù)與新興的大數(shù)據(jù)和云計(jì)算理念相結(jié)合，提出了一種適用于未來(lái)一體化電磁裝備的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)架構(gòu)，如圖2所示，該數(shù)據(jù)處理平臺(tái)架構(gòu)主要分為應(yīng)用層、執(zhí)行層和基礎(chǔ)設(shè)施層3個(gè)層。

各層的功能分別如下：

應(yīng)用層：系統(tǒng)與用戶交互的接口，主要包括通信、導(dǎo)航、探測(cè)、成像、偵察及干擾等現(xiàn)有電磁裝備中比較常見(jiàn)的應(yīng)用。在一體化電磁裝備的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)上，每個(gè)應(yīng)用都是一個(gè)獨(dú)立的軟件APP，遵循預(yù)先設(shè)定的接口和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，并且可以在平臺(tái)上便捷地安裝和卸載。另外，相比于單裝電磁裝備，一體化電磁裝備中的應(yīng)用要更加復(fù)雜得多，因?yàn)橐惑w化電磁裝備能夠獲得更廣闊空域、更寬頻帶的多源電磁信號(hào)，所以各應(yīng)用可以通過(guò)多源信號(hào)/信息融合，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的性能。

執(zhí)行層：數(shù)據(jù)處理平臺(tái)的核心，涉及數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)存取和管理控制3個(gè)方面。數(shù)據(jù)計(jì)算主要指將待執(zhí)行任務(wù)分解為多個(gè)由處理模塊表述的子任務(wù)，并根據(jù)不同計(jì)算資源的特征將這些子任務(wù)分配給不同的計(jì)算資源；數(shù)據(jù)存取主要解決大規(guī)模異構(gòu)數(shù)據(jù)的分布式、多中心高速存儲(chǔ)和讀取問(wèn)題；管理控制主要是對(duì)系統(tǒng)的多中心交互、支撐環(huán)境、硬件資源以及任務(wù)執(zhí)行等動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和管理。

基礎(chǔ)設(shè)施層：包括多個(gè)FPGA、GPU和CPU服務(wù)器集群，以及高速交換網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)存取服務(wù)集群等，為執(zhí)行層提供底層的硬件支撐環(huán)境。基礎(chǔ)設(shè)施層應(yīng)具有良好的可擴(kuò)展功能，支持FPGA、GPU及CPU等運(yùn)算資源的即插即用，并且能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)控各運(yùn)算資源的工作狀態(tài)，對(duì)出現(xiàn)故障的運(yùn)算資源進(jìn)行及時(shí)隔離。

這種應(yīng)用層、執(zhí)行層和基礎(chǔ)設(shè)施層3層獨(dú)立的平臺(tái)架構(gòu)從頂層設(shè)計(jì)的角度實(shí)現(xiàn)了多應(yīng)用同時(shí)運(yùn)行、多中心協(xié)同計(jì)算、異構(gòu)計(jì)算資源分工協(xié)作、大規(guī)模異構(gòu)數(shù)據(jù)高速存取、系統(tǒng)功能動(dòng)態(tài)重構(gòu)及資源分配彈性調(diào)整等功能，為一體化電磁裝備更合理、更充分地利用空間電磁資源奠定了基礎(chǔ)。

4數(shù)據(jù)處理平臺(tái)的應(yīng)用

隨著傳統(tǒng)的單裝電磁裝備逐漸難以滿足日趨復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境要求，一體化電磁裝備的理論研究和工程實(shí)踐逐漸吸引了廣大科研人員的注意力。本文所提適用于一體化電磁裝備的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)設(shè)計(jì)方案及其簡(jiǎn)化形式在通信雷達(dá)一體化、電磁信號(hào)綜合利用等工程實(shí)踐中獲得了較多應(yīng)用，并取得了較好的效果。

5結(jié)束語(yǔ)

重點(diǎn)研究了數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，從作戰(zhàn)功能、數(shù)據(jù)存取、硬件計(jì)算資源及分布式部署等方面梳理了基本的技術(shù)需求，并總結(jié)了一體化電磁裝備數(shù)據(jù)處理平臺(tái)發(fā)展過(guò)程中涉及的一些關(guān)鍵技術(shù)，包括異構(gòu)計(jì)算資源重構(gòu)技術(shù)、多維度資源管控技術(shù)、多中心協(xié)同處理技術(shù)和大規(guī)模數(shù)據(jù)高速存取技術(shù)等。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種由應(yīng)用層、執(zhí)行層和基礎(chǔ)設(shè)施層構(gòu)成的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，為未來(lái)一體化電磁裝備的發(fā)展提供了一些有意義的參考。

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