基于網絡化協同感知的頻譜獲取新方案

郝關鴻

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

10.3969/j.issn.1003-3114.2018.01.06

郝關鴻.基于網絡化協同感知的頻譜獲取新方案[J].無線電通信技術,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.]

基于網絡化協同感知的頻譜獲取新方案

郝關鴻

(中國電子科技集團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，提出了一種基于網絡化主動協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備，采用分布式網絡化協同方式，通過合理部署多個不同型號的監測設備，提高感知靈敏度和準確度；設計了協同感知頻譜中不同階段的數據融合工作方式；采用了分布式ETL處理技術，減少了實時數據傳輸對網絡傳輸帶寬的要求，初步實現了海量原始頻譜監測數據的遷移、轉化和處理。該方案可應用于基于認知無線電的協同頻譜感知系統中。

態勢感知；ETL；射頻頻譜；多站協同感知

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“先進射頻地圖”(Advanced RF Mapping program)項目旨在將戰場上已經部署的電臺與射頻對抗系統綜合在一起，為美國海軍陸戰隊提供實時的射頻頻譜態勢感知信息(包括頻率、位置和時間等)[1]。該系統無需增加新的頻譜感知設備，將現有的戰術無線電臺，在不影響各設備主要功能的情況下以無源的方式提供頻譜態勢信息[2]。正如可以顯示彩色實時交通狀況的智能手機的地圖那樣，射頻地圖正在發展直觀覆蓋頻譜信息的技術，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、監視和偵察(ISR)系統[3]。

正是受到DARPA“先進射頻地圖”項目實施策略和系統構建的啟發，借鑒采用大型無線分布式操作系統方案，本文對基于既有或新建頻譜監測節點的升級改造和組網建設，采用分布式網絡化協同方式，合理設計無源頻譜監測網絡的節點數量和空間配置關系；采用基于云計算的大數據處理技術方案，在頻譜監測的數據匯聚節點按照“全維頻譜自動監測、信號數據集中處理”的工作模式，實現時、頻、空、能、碼等全維無線電測頻譜數據的自動接收、分類、入庫，建立無線空間截獲頻譜信號的元數據庫，實時獲取和繪制“射頻電磁頻譜圖”，為不同用戶提供數據與信息的共享服務[4]。

1 網絡化協同感知監測系統體系架構

目前，國內電磁頻譜管理工作方式已經從單站監測向分布式網絡化模式發展，對無線電磁頻譜進行全頻段、全方位、全時域的獲取，提高多傳感器的多源融合處理能力，全面感知戰場電磁環境，提升電磁態勢信息和內涵信息的獲取能力。按照適應電磁頻譜監測裝備的需求變化和發展、統籌規劃繼承與拓展的原則，網絡化協同感知監測系統首先考慮采用面向全頻段的數字化頻譜監測的思想革新體系結構，采用分布式網絡化協同方式，充分發揮已有的頻譜監測設備對不同區域的監測能力，使得各個監測傳感器截獲頻譜信息利用最大化[5]。為了進一步實現將戰場已經部署的監測傳感器或其他射頻偵察設備綜合在一個網絡中，提供實時的射頻頻譜態勢感知信息，系統必須建立一個完整的體系層次模型設計，如圖1所示，主要包括頻譜監測接收與處理層、頻譜感知數據匯集與應用層、電磁態勢情報處理層、任務管理與運控層、核心支撐層和共用信息基礎設施等。

圖1 系統體系架構模式圖

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

頻譜感知數據匯集與應用層完成無線電頻譜數據的區域融合、態勢分析自動監視等業務的自動處理功能，以及對匯聚的不同維度的頻譜數據或處理后的素材按需分發或提供查詢服務，還可以根據頻譜管理的具體業務應用，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，同時將這些信息進行融合處理，生成精確、完整描述射頻環境的電磁態勢特征數據，然后進一步利用現有的商用數據可視化設計手段，將這些電磁態勢特征數據加以融合處理，并轉化標繪為動態熱圖。

對頻譜管理或頻譜監測任務進行分配管理，對各層資源運營進行管理控制。共用信息基礎設施主要指依托國內共用信息基礎設施而構建或根據系統建設需要而單獨建設的頻譜管理系統專用通信網絡、計算存儲、時空基準、信息安全和運維管理等設施以及共性支撐服務[6]。

該系統要求著重設計基于服務的統一的軟件體系架構，使得服務功能獨立于技術平臺，擺脫與各型監測設備之間的緊耦合，且能夠靈活完成各種具備中立接口的業務應用服務，形成松耦合、可重用、流程可動態重組的系統體系框架，實現對無線電磁頻譜的數據資源、計算資源、存儲資源、網絡資源技術資源的全面整合和統一管理調度。

2 協同頻譜動態感知工作模式設計

單個頻譜監測設備或監測網絡的能力是非常有限的，只能在一定的時間內對一定的區域實施無線頻譜的監視或測向。而網絡化的頻譜感知系統可將布置在不同地方的、不同類型的頻譜監測裝備聯接起來，使其為完成同一個作戰任務而同時與多個不同手段進行協調一致動態感知，使分散的各個頻譜監測或測向的力量有效聯接，產生綜合效果。在組網關系方面，通過頻譜監測組網、測向定位組網和數據匯聚與頻譜感知自動處理，使目標定位和頻譜監測有機融合、引導聯動，可以有效改善無線電波傳播規律造成信號接收質量受各個監測傳感器位置限制的現象，實現大范圍、全覆蓋、多維度的頻譜數據獲取[7]。

協同頻譜動態感知工作模式的核心思路是：在無線電磁頻譜信號的監測接收與處理階段，基于各個既有或新建的頻譜監測網絡，結合任務屬性和信號特征，設計頻譜監測或無源定位網絡的節點數量和空間配置方式，實現信號的全頻段、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、空域屬性，為后續的射頻動態頻譜圖處理與生成能夠提供數量和屬性的支撐。

在頻譜感知數據匯集與應用階段，針對存儲的海量電磁頻譜數據，采用實時自動或人工處理、離線深度分析兩種模式開展，系統提供相應的信號處理服務。自動化處理包括多類同構/異構傳感器獲取的多源頻譜數據融合處理算法，實現對多元、同構/異構數據源的匯聚、歸一化和融合；對關注的非法用戶目標信號進行解調解碼，產生信號的報文信息，通過對報文信息和特征參數的綜合分析，判證信號的目標屬性和異常報警等。通過電磁頻譜管理的目標知識庫，對截獲到的頻譜信號進行頻率、類型、示向、特征等目標參數辨識，能夠給作戰人員提供出敵我雙方當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。

在電磁態勢情報處理階段，建立覆蓋國內范圍的常用用頻設備復合模型和多維電磁頻譜數據統一表征框架，生成頻譜信息綜合元數據。通過研究電磁空間頻譜數據各屬性的耦合關系，構建頻譜資源倉庫、聚合頻譜信息方法，采用海量頻譜數據的快速存取和分發方法，建立頻譜資源倉庫。通過研究頻譜感知信息、知識表征標準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。研究頻譜數據的時域、頻域、空域、能量域、信號調制、編碼、協議等多域數據關系和組織方式，提出多維電磁頻譜數據統一表征框架，實現多維頻譜數據的可視化展現，最終形成精確全面展示無線電磁分布的“動態頻譜熱圖”[8]。

3 基于PostgreSQL的分布式數據倉庫ETL實現

如何實現對海量原始頻譜監測數據在數據庫與數據倉庫之間進行遷移、轉化和處理，是數據匯聚節點成果創建的關鍵，其研究內容主要包括數據進入數據倉庫之前的數據抽取、轉換和裝載技術，即ETL(Extract-Load&Transform)技術[9]。

3.1 原始頻譜數據的ETL實現

針對監測設備受部署環境條件的制約，存在數據傳輸不可靠、網絡傳輸速率低的突出問題，提出了分布式數據庫系統的設計思路，并非簡單的將原始頻譜監測數據完全復制到數據倉庫端，而是將監測站內部數據庫與匯聚節點的數據倉庫看作一個大的分布式環境，由部署在監測站內的ETL服務實現對原始頻譜數據的定時抽取、融合與格式轉換計算，形成以輻射源為基本單位的目標參數描述，并上載到中心匯聚節點的數據倉庫，通過對原始頻譜數據的ETL處理，數據傳輸量變化如表1所示。

表1 原始定、跳頻信號監測結果合批前后數據傳輸量對比

測試內容原始定頻信號監測結果合批后定頻信號監測結果原始跳頻信號監測結果合批后跳頻信號監測結果記錄數(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，大大減少了實時數據傳輸對網絡傳輸帶寬的要求，使得原本無法實現的多站協同成為了可能，同樣也減輕了數據中心的存儲與計算壓力[9-10]。

3.2 中心節點數據的ETL實現

數據匯聚到中心節點后，中心節點將各站預處理后的輻射源參數信息做進一步的融合處理工作，對實時數據的在線融合處理，包括輻射源信號的聚類分析、關聯分析和定位計算，實現對輻射源參數的深度融合；結合輻射源歷史記錄，對比分析當前輻射源的變化情況，評估輻射源目標作用范圍以及異常等級或威脅等級，為任務的自動化協同提供數據支撐；定時對數據進行離線處理，以時、天、周、月為單位，對頻段占用度、信道占用度、輻射源目標屬性特征等進行統計分析，對目標網臺情活動規律分析提供輔助手段，并形成輻射源歷史數據保存入庫。

3.3 高度概括的電磁態勢綜合數據實現

借助已知情報庫和知識庫，實現輻射源目標的類屬識別、非法性識別、通聯關系識別，并借助二三維地理態勢圖進行直觀展現。

3.4 基于元數據的ETL方法

在本系統中，元數據是指用于描述操作數據流程規則、轉換規則和抽取規則的數據，以邏輯節點和邏輯關系的方式構成一組完整的目標邏輯，進而實現一種可重用、可擴展、可重組的數據處理與挖掘方法，采樣XML或JSON格式對數據庫表信息、字段信息、映射和轉換關系進行描述，實現對ETL服務模塊的自動化設計與運行。

4 設計工程應用案例

超短波頻段(30～3 000 MHz)是電磁頻譜監測管理的重要頻段，超短波協同感知頻譜監測系統正是基于本文的設計思想，根據用戶在網絡中協同與信息交互的方式，采用監測站分布、數據融合集中處理的結構，由固定式頻譜監測系統、移動式監測系統、可搬移監測設備構成。系統組成原理如圖2所示。在網絡中設立了數據匯聚中心，各個監測設備對選定的頻段進行獨立的本地感知；然后將感知結果發送至數據匯聚節點，由數據中心對這些結果進行匯總，做出全局判決，再將其通知發送到各個監測設備。

工程實現改造過程如下：在原有固定式測向站的基礎上，增建數據中心，借助無線通信手段實現了對移動式監測站和可搬移式測向設備的接入，其中移動式監測站可利用常規數傳電臺實現組網協同監測和交匯定位能力，也可與可搬移式測向設備組成子系統，配備高速無線網絡，實現了監測網絡的分級化管理能力。與傳統無線電監測系統相比，超短波協同感知頻譜監測系統具有以下幾項突出優點：

① 能夠根據實際情況靈活部署監測站位置和數量，使監測節點更加靠近輻射源，實現了監測覆蓋能力與監測精度的大幅度提升；

② 實現了無線電監測工作模式從傳統的臨時、零散的工作模式向自主化、任務化工作模式轉變；

③ 促使無線電監測管理水平從粗放、被動式管理，向精細化、智能化管理轉變，使管理更加精確、科學和高效[10]。

圖2 超短波協同感知頻譜監測系統實現原理圖

5 結束語

為了解決目前全維射頻動態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測網絡，不僅可以增強單網自動化頻譜監測處理的能力，通過采用先進的軟件體系架構、設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；而且可以通過網絡化協同感知，共享監測資源，提升自動數據處理能力，以及達到頻譜數據的匯聚與有機融合，實現按需組網監測和數據匯集處理，逐步達到跨頻率、地理與時間的無線電頻譜實時感知的終極目標。

[1] 葉顯武.從DARPA研究計劃看海戰場預警探測系統發展計劃[J].現代雷達，2016，38(10)：13-17.

[2] 李方偉.基于分布式頻譜圖的混合頻譜共享研究[J].電子技術應用，2015，41(9)：92-94,98.

[3] 郭麗紅.美軍信息通信系統發展研究[J].無線電通信技術，2017，43(3)：13-19.

[4] 羅爭.基于大數據的電磁頻譜感知數據管理與挖掘[J].信息通信,2016(9):137-138.

[5] 陳雨豐,關建峰,許長橋.新型頻譜監管網絡模型研究[J].計算機應用與軟件,2016(8):146-149,171.

[6] 姚富強,張余,柳永祥.電磁頻譜安全與控制[J].指揮與控制學報,2015(3):278-283.

[7] 孫曉東，孫瑞．基于頻譜監測數據的聯合時差定位方法[J]．無線電工程，2013，43(12):54-57．

[8] 任峰.頻譜感知數據挖掘技術研究[D].北京：北京郵電大學，2015.

[9] 宋杰.面向多類型數據源的數據倉庫構建及ETL關鍵技術的研究[D].沈陽:東北大學,2011．

[10] 何敬松，宗容.網格化無線電監測網監測站點布局規劃探索[J].無線電工程，2016，46(9):28-32．

郝關鴻(1978—)，男，高級工程師，主要研究方向：衛星通信對抗、無線頻譜監測與管理軟件系統設計等。