一種基于任務的頻譜感知網絡單元重組技術

陳磊，王琳，陳訓韜

1 引言

無線裝備的發展及密集使用，給用頻裝備的使用帶來干擾、損害等問題。為此，依托不同用頻業務系統內置的電磁傳感器組成異構的電磁頻譜傳感網成為頻譜管理領域新興的研究熱點。對于異構電磁頻譜感知網絡，國內外主要的研究集中在異構感知數據處理以及網絡抗擾或自愈技術上。文獻[1]和[2]提出了電磁頻譜傳感網的體系架構；文獻[3]和[4]給出了主流的數據融合算法；文獻[5]提出了減少協同開銷的協作方法；文獻[6]提出了融合數據可視化方法；文獻[7]給出了利用跨層設計驅動波束成形以對抗惡意干擾的方法；文獻[8]則給出了無人MANET（Mobile Adhoc Networks，移動自組織網絡）網絡自愈時保障QoS（Quality of Service，服務質量）的機制。通過實踐發現，在電磁頻譜傳感網中，數據融合和網絡管理的策略能夠順利實施的前提是與感知任務密切相關的電磁頻譜傳感器針對該任務執行了感知功能，如何發現哪些傳感器與任務相關，這些傳感器的感知能力是否滿足要求，其感知任務是否已經飽和，感知任務是否可以分解給不同的電磁頻譜傳感器，無線條件下傳感器連接不穩定造成網絡拓撲變化如何處理等，成為發揮異構電磁頻譜感知網絡作用的瓶頸。而國內外在這方面的研究成果較少。

基于此，本文開展了對異構電磁頻譜傳感器資源調度的研究，對不同電磁傳感器類型功能、性能進行分析，提出了基于任務的頻譜感知網絡單元重組技術框架及感知能力服務工作流程，并建立了基于效用的多任務協同資源調度模型，使得異構頻譜傳感器可以有序組織、資源得到高效利用。通過傳感器資源虛擬化支撐上層電磁環境傳感器大規模網絡化共享應用服務，為通信、探測、測繪導航定位等用頻業務以及地方和軍隊無線電管理機構提供各類電磁頻譜感知數據共享保障服務，實現頻譜數據的區域融合和頻譜使用需求上的“區域保障”，提高電磁頻譜信息獲取能力和信息服務能力、電磁態勢感知能力，從而提升電磁頻譜管控效率，提高支持國家電磁空間安全決策的能力。

2 基于任務的電磁頻譜感知網絡資源調度架構

基于任務的電磁頻譜感知網絡資源調度可以將傳感器資源抽象為可支撐資源調度和資源控制能力的感知資源組件，具體如圖1所示。

不同任務可以將組件進行有限的實例化，并組裝成可滿足服務能力需要的邏輯上的任務子網。該框架具有虛擬化組件設計和融合化設計兩個特點，具體如下：

（1）虛擬化組件設計。將各傳感器功能以虛擬化組件方式予以封裝成功能實現，組件間的封裝接口設計通用化，組件間通過資源控制模塊進行動態配置和管理，通過這種方式可實現感知網絡任務子網的按需靈活創建。

（2）融合化設計。統一封裝接口技術框架，對任務的各類共性化處理功能采用“高內聚、低耦合”的軟件組件化劃分和實現，按照任務需求進行融合化處理，以達到最大化復用的效果。

通過建立標準化的電磁頻譜傳感服務及任務框架并規范接口，可增強異構傳感器的組網能力和靈活性，便于數據共享與協同。在執行具體任務時，可根據任務需要靈活組合虛擬的電磁頻譜傳感器任務子網，應對目標、資源和環境變化的各種挑戰。

圖1 資源虛擬化架構

3 電磁頻譜傳感服務及任務標準框架

3.1 標準化的傳感器結構描述

頻譜傳感器標準化規范描述主要包括傳感器類型、頻譜感知能力、通信能力、位置信息等，具體如圖2所示：

圖2 標準化的傳感器結構描述

其中：

（1）傳感器類型分為移動型和固定型，如果是移動型傳感器則應定義其可移動的速度。利用傳感器移動特征，可以有針對性地執行相應的感知任務或信息匯聚任務。

（2）頻譜感知能力是反映頻譜傳感器主要能力，包括：頻率可測量范圍、允許的最高測量頻率精度、是否支持I/Q（In-phase/Quadrature，同相正交）支路數據采集、是否具有FFT（Fast Fourier Transformation，快速傅里葉變換）計算能力、是否具備信號識別能力、可以識別哪些信號、采樣速率是否可變等。

（3）通信能力是反映頻譜傳感器傳輸的能力，主要包括：該傳感器的通信接口形式、通信速率范圍、可支持的通信協議類型等，通信能力越強則可重組能力就越強。

（4）位置信息包括傳感器的空間地理位置信息，可以是絕對位置或相對位置。

3.2 標準化任務結構描述

感知任務標準化主要包括任務類型號、任務參數、任務返回格式，具體如圖3所示：

圖3 標準化任務結構描述

其中：

（1）任務類型號表示該任務屬于需要協同型、可獨立完成型或其他類型。

（2）任務參數包含對要完成的任務的具體描述，如感知任務“頻譜資源占用”其任務參數可包括地理區域范圍、頻段范圍以及頻率精細度等要求。

（3）任務標準化規范中對任務返回數據格式進行約束，從而可以提供給更高層的應用服務接口使用。

3.3 標準化的電磁頻譜感知服務接口描述

標準化的電磁頻譜感知服務規范包括服務號、服務參數和服務返回規范，具體如圖4所示：

圖4 標準化服務接口描述

其中：

（1）服務號定義了唯一的服務標識，不同服務通過不同的服務號區別，相同類型的服務由于需要服務的時間不同，可以具有不同的服務號。

（2）服務參數包括服務類型、服務時間、服務地點、服務內容等描述，一個服務內容可能由一個任務或者多個任務完成，取決于該服務的復雜程度。例如，一個區域范圍內的“頻譜資源態勢”服務可能需要劃分多個子區域分別進行感知，然后匯聚到數據中心進行可視化顯示等操作，如此提供這個服務就需要多個子區域的感知任務以及可視化的任務等協同完成。

（3）服務返回規范定義了該服務返回的參數，如該服務是否完成、服務未完成的錯誤代碼指示等。

電磁頻譜傳感服務類型可按表1劃分。

表1 電磁頻譜傳感服務類型分類

通過對頻譜傳感器、感知任務、感知服務等進行抽象化地建模，用公共標準進行描述和發布，為資源、任務、服務的虛擬化和匹配提供了依據，可簡化傳感器資源重組、分配和優化的過程。

4 虛擬頻譜感知任務子網構建過程

在頻譜感知任務執行過程中，選擇可滿足任務要求的傳感器組成虛擬感知任務子網，并按照一定的優化準則分配給不同傳感器執行相關任務功能。

虛擬頻譜感知任務子網構建是資源調度的主要過程。一個虛擬頻譜感知任務子網構成端到端邏輯網絡，按照用戶任務需求靈活地提供定制化網絡服務，設定虛擬任務子網的相關參數，包括網絡拓撲、功能組件、交互協議、性能指標和軟硬件資源需求等。感知資源實例化處理后，通過資源控制器生成虛擬任務子網。

在需求方子網參數基本定義完成后，任務子網構建可包含以下兩個階段：

（1）任務編排階段

資源控制器實現虛擬資源的實例化，完成任務子網向運行狀態的遷移。

（2）任務運行階段

實時監控和動態維護，主要包括資源的動態伸縮、任務子網功能的增加/刪除/更新、告警故障處理等。在此過程中，頻譜傳感器管理系統的資源調度系統采用分布式協同的資源調度策略，對頻譜感知任務進行自動分割與匯聚，動態調度感知網絡資源。任務子網的控制面與數據面分離，符合任務需求的頻譜傳感器通過配置的“資源控制器”標準封裝接口和基于虛擬化的頻譜傳感器服務能力標準規范互聯。對分散的大量多樣的頻譜監測或測向掃描監聽的數據，以及各節點傳感器的功能類型、感知能力、通信能力、配置能力、頻段范圍、分辨率等信息數據進行融合處理，滿足監測、監聽、識別、定位等不同頻譜感知任務需求。當發生傳感節點脫網或失效、感知目標移出當前任務子網范圍等情況時，網絡可依據任務自適應或通過簡單人工干預自動重組相關傳感單元，以適應這些變化。

5 基于效用的多任務協同資源調度模型

多個頻譜感知任務類型可能不同，而傳感器除計算資源有限外，通常還僅可工作在單一任務模式，即需要切換工作模式來支持對不同類型的傳感任務，這將導致傳感器資源的多種使用沖突問題。

為解決上述問題，參考文獻[9]，可基于任務池建立多任務資源調度模型，具體如圖5所示。

任務池里面是任務需求，根據傳感器性能的不同，不同任務對應一個或者多個傳感器的協同操作。圖5中列舉了3個任務，分別對應的傳感器集合為G1、G2、G3，其中傳感器集合的交集部分是同時滿足多種任務的傳感器，在資源滿足的條件下，按照性能最優原則，G1∩G2∩G3的傳感器集合是最優的選擇，但是在資源有限的情況下，分布式傳感器的協同處理可以加快任務的執行速度。

下面以頻譜監測和信號識別主要任務為例，建立多任務協同資源調度模型。

（1）虛擬任務描述

在t時刻，頻譜監測和目標識別2種頻譜感知任務形成的協同感知虛擬任務數量均為n，設Tjc、Tmb分別為監測和目標識別的虛擬任務子集，多傳感器資源調度系統的虛擬任務集合為T，T={T1,T2, …, TN}，Ti∈(Tjc∪Tmb)，任務類型Mt={Tjc, Tmb}，由此任務集合表達為：M={M1, M2, …, MN}。其中，Mj={Tj, Mtj}，Tj∈T，Mtj∈Mt。

（2）效能函數

資源調度的目標是盡快完成盡量多的感知任務，設組織方案P={P1, P2, …, PN}，其中虛擬子網Pi={Pi1,Pi2, …, PiQ}，Pij為組成子網的傳感器，則效能函數可定義為：

其中，ρ(Pij)為單個傳感器的效能。這個效能是可用的頻譜資源f_R、傳感器狀態A_S、傳感器處理速度D_U的函數f(f_R, A_S, D_U)。

（3）系統約束

系統約束包括次序約束、協作約束和資源約束，具體如下：

◆次序約束。如果不同任務Mi和Mj需依次執行，表示Mi和Mj之間存在任務次序約束。根據次序要求，可表示為enforce[({Pre(Mi), Mi}, ?)]或enforce[({Mi,Next(Mi)}, ? )]。

圖5 多任務資源調度模型

◆協作約束。各傳感器協作完成任務需要網絡開銷等成本，該成本需要控制在一定門限才不會影響系統的整體效能。因此，可通過對單個成本與總成本的約束來表示協作約束的限制：

其中，C(Pij)為單個傳感節點的協作成本函數，是其分配任務、傳感器能力及對應網絡傳輸能力的函數。

◆資源約束。即虛擬傳感能力的約束，如果對于單個傳感器Ai，工作方式只能選擇監測或目標識別中的一種，則只考慮各方式資源約束：

x個監測或y個目標識別請求在該節點的資源分配均不可超過傳感器Ai的資源總量qi，可表示為：

如果傳感器Ai可同時輸出兩種工作方式，則為(x+y)個任務的總資源分配不能超過qi，可表示為：

根據上述模型，結合類似文獻[10]提出的智能搜索算法，可完成電磁頻譜傳感器虛擬子網自動調度。

6 仿真實現

以頻譜監測和目標識別2種頻譜感知任務進行仿真建模，仿真參數設置具體如表2所示。

傳感器有G1和G2兩種集合，每種資源總量為100%，即每種傳感器可滿足的資源需求總量為100%。G1和G2傳感器的協作成本為C=(0.55, 0.45)。

資源調度仿真執行過程如圖6所示。

在6個子任務中，需要傳感器G1集合資源需求的有5個，需要傳感器G2集合資源需求的有4個，其中需要G1和G2協同資源需求的有3個，按照任務優先級和任務開始時間順序執行資源調度，優先級0表示最高。

傳感器資源調度仿真結果如圖7所示。

當t=11 s時，子任務M4開始任務調度，請求傳感器G1和G2各提供28%的資源需求，此時傳感器G1正在為子任務M1、M6和M2提供資源需求，資源占用82%，傳感器G2正在為子任務M6、M2和M3提供資源需求，資源占用77%，G1和G2的剩余資源都不能滿足M4的需求。根據子任務優先級的重新排序，M4的優先級高于M2，因此通過資源調度算法搶占M2的傳感器資源，子任務M2暫停，直至M6結束后釋放G1和G2資源，M2再繼續執行任務。

7 結論

本文給出基于任務的頻譜感知網絡資源調度架構，面向多用戶多任務的頻譜感知網絡，通過標準化的服務接口組織和發布資源，通過虛擬調度動態匹配資源。仿真表明，該架構適用于無線傳輸環境的資源高效利用，為用頻裝備部署日趨密集的將來，電磁環境傳感器大規模網絡化共享應用提供了可行技術途徑。

需要指出的是，該架構基于傳統的電磁頻譜傳感網絡類型設計。而由于近年來物聯網及人工智能的迅速發展，下一步頻譜感知網絡資源調度架構應加強數據分析、挖掘與學習功能，主動性預測和處理資源網絡潛在的故障風險，進一步提高資源保障的可靠性與穩定性。

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圖6 資源調度仿真執行過程

圖7 傳感器資源調度仿真結果

表2 仿真參數設置

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