含時間窗的資源調度算法性能分析

2019-01-03 01:26:02孟慶鵬

雷達與對抗 2018年4期

萬錚,孟慶鵬

(1. 中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153;2. 海軍駐南京地區雷達系統軍事代表室，南京 210003)

0 引言

現代軍事戰爭中，雷達和電子戰有著重要的意義，電子偵察也是其中亟待研究的領域。資源調度策略的優劣決定了雷達、電子戰系統性能的高下，影響著現代化戰爭的進程。相控陣雷達資源調度的主要算法有靜態優先級的速率單調調度算法、時限單調調度算法、動態優先級的最早截止期優先(EDF)調度算法、最小裕度優先調度算法等[1-2]。這些常規的資源調度策略雷達的系統資源無法充分利用，重點目標和任務無法有效實現。因此，急需一種與目標優先級和時間利用率密切相關的調度策略優化系統性能。

1 強實時系統資源調度策略

現代電子偵察系統的強實時資源綜合調度問題，其核心有兩點：一是系統各項公共資源的利用效能問題，需要依據系統要求操作的不同功能和任務，調配相應的硬件資源，通過資源合理調度實現整體性能提升，增強軟硬件資源利用率，使得任務可以高效完成并有一定的均衡性；二是多樣化任務服務可靠性問題，即在系統資源有限的前提下，如何確保任務安全、可靠、持續、穩定地完成，維持整個系統的穩定運轉[3]。

對于現今越來越重要的軟件化系統而言，資源調度軟件需要考慮系統重組的效率。系統的軟件可重組包括了軟件功能新構和軟件故障屏蔽重構。

軟件功能新構是軟件化系統需要執行一項新任務時進行軟件配置到部件運行退出的一系列操作，其流程可用圖1表示。

圖1 軟件功能新構流程圖

系統決定執行功能新構時，首先根據決策下達部件配置指令，各部件根據執行功能任務的需求控制相互間數據流向和芯片架構。配置完成后將各部件啟動，并對下載傳輸的任務功能完成初始化。在部件等待時清理過往數據，等待接收新的信息。之后根據決策執行各部件功能算法，將得到的結果儲存傳輸，之后結束功能退出等待下一步指令。

軟件故障重組流程則是當系統面對功能更新、部件故障、任務更改等需求時執行的重組操作，其具體流程如圖2所示。

監測單元實時監控各部件的故障信息，接收到部件故障情報通過總線上報故障，系統將各個部件的監測單元情報信息收集后進行判斷。根據各部件信息計算重組策略。將決策下達至各個部件，部件根據決策重啟模塊，清空信息等待新的數據流傳入，回歸正常運行。

系統的硬件平臺是資源調度中另一個需要提前考慮的問題。軟件化系統的硬件平臺需要很強的通用性，由中心處理機控制著包括數字信道化、數字多波束形成到輻射源識別在內的數字信號處理。天線陣列及前端模擬量處理應在規范協議下實現可重構[4]。

因為電子偵察系統超寬帶工作的特性，所以有著較高的數據傳輸速率。這就對各部分硬件的處理速率和數據吞吐量有著極高的要求，同時也要考慮成本的控制和實現難易的問題。圖3為軟件化系統硬件平臺的基本組成框圖。

利用光電轉換模塊進行數字信號傳輸適合于傳輸數據量大和易被外界噪聲干擾的背景。集成方便、軟件化程度高且易于維護和升級的高性能通用計算機可以實現軟件控制重組等多種操控。

為適應寬頻域、全空域處理帶來的海量數據，基于PCI-E和Rapid I/O總線的快速傳輸網絡可以減少處理機的性能限制。結合高速光纖傳輸網絡可以基本滿足軟件化系統總線高帶寬、低延遲支持并行處理、擴展自由靈活的要求[5]。

基于寬帶相控陣體制的多功能軟件化系統的任務調度可根據系統需執行的不同任務和功能選擇不同的調度策略。常用的調度策略有固定模板、多模板、部分模板和自適應調度策，調度的性能隨著調度策略復雜度的提升而增加。

(1) 固定模板法

這是最簡單直接的一種調度策略。在一個調度間隔內固定分配一系列固定的電子偵察任務組合，分別執行搜索確認跟蹤等任務。系統按此流程固定的調度硬件進行序列任務，如圖4所示。這種調度策略的設計結構簡單，需求系統資源較少，也不需要實時進行任務排序。但是，由于這種算法的固定性限制，導致這種策略僅適用于一些特殊的任務目標，缺乏普遍性和靈活性，無法自動根據任務進行調節，不適合多功能的電子偵察系統。

(2) 多模板法

這是由固定模板法衍生而來的一種調度策略。它擺脫了固定性的局限，增強了策略的多功能適應性。多模板法提前根據面對的環境設計了多個固定模板，在調度時根據一定要求尋找其中最適合的模板，其流程如圖5所示。這種調度策略適用在對目標具有一定先驗知識的情況下，但若面對的模板數過多則會耗費大量的計算機硬件資源進行搜尋模板的計算，難以滿足多功能強實時調度的要求。

(3) 部分模板法

該策略在調度間隔中事先設計了部分電子偵察系統需要完成的任務以保證一些功能的最小程度執行，而對調度間隔中的其余時間則根據其他任務的優先級和約束條件進行調度安排，如圖6所示。

這種調度策略相比前兩種在系統資源利用率上有較大提升，且對不同的電磁環境有著較強的自適應能力，但在設計和分析策略時較為困難，在多任務多功能強實時要求下仍有缺陷。

(4)自適應調度法

該策略根據不同工作方式優先級條件，在電子偵察系統硬件約束范圍內實時響應各種任務功能的駐留請求時間、能力和計算機資源，為每一個調度間隔選擇最佳的實時任務調度序列。圖7所示是這種調度策略的框圖。這種調度策略需要與動態的電子偵察環境相匹配，要符合系統設計條件，在多功能、多任務、強實時需求下的電子偵察系統中具有靈活調度、可自適應、資源利用率高等優點。

2 綜合優先級自適應算法

各類資源調度算法在處理不同任務數情況下的資源利用率和調度成功率有明顯差異。在任務數較少時，系統調度產生的資源沖突少，各種調度算法都能順利完成調度。但是，當同時執行多種任務時，資源競爭加劇，只有擁有自適應能力的調度算法可以保持對高優先級目標的精密跟蹤。在系統資源趨近飽和時，自適應調度策略可以根據當前任務及資源分配合理提高資源和時間利用率，高效準確地完成各項任務，并能對系統資源做出合理配置。

因此，結合目標威脅度設計一種優先級自適應調度算法對系統的資源調度進行優化。設計時的準則為：

(1) 在同一時間段內申請執行的任務，優先調度綜合優先級更高的。當系統硬件資源不足時，首先配置資源給綜合優先級高的任務，優先級較低的任務可根據需要進行延遲，任務沖突時優先保證高級別任務執行。

(2) 在系統約束條件下按時間利用率高的方式配置系統公共資源(如式(1)所示)，使調度間隔內執行的任務數量最多，空閑時間最少，任務執行時間總和趨近于調度間隔。

(1)

系統調度得益的評判標準可以由以下幾個指標給出：

(1) 任務調度成功率(SSR)(如式(2)所示)是調度成功的任務數與申請調度的總任務數之比，成功率越高則說明調度策略性能越好。

(2)

(2) 實現價值率(HVR)(如式(3)所示)是成功調度任務的綜合優先級之和與申請調度任務的綜合優先級之和的比值，實現價值率越高說明高優先級任務成功調度越多，優先級調度算法越可靠。

(3)

(3) 時間利用率(TUR)(如式(4)所示)表示成功調度任務的調度時間與總調度時間之比，時間利用率越高則電偵系統資源有效調度效率越高，調度策略性能越好。

(4)

基于數字相控陣體制的電子偵察系統利用數字相控陣多自由度的特點可以執行多種體制功能，針對不同優先級的目標也有相應的應對策略。一般情況下，系統在低優先級搜索中按固定規律對全空域、寬頻段進行常規搜索，在高優先級搜索中對特定的空域進行精細搜索，在截獲目標后通過系統的信號、信息處理功能對目標識別，根據目標種類和戰術需求進行編批、跟蹤。對于威脅程度不高的普通目標，系統可以利用較少的資源進行更新率較低的普通跟蹤定位。對威脅程度高的目標以較大更新率進行精密跟蹤。

偵察系統根據目標的威脅程度進行優先級判定，判定截獲信號為高威脅的目標后，會對其進行更高優先級的跟蹤、顯示；判定為低威脅目標后，會對其進行較低優先級的警戒跟蹤。截獲目標的威脅度是由目標自身特性決定的，一般以截獲信號的脈沖寬度(PW)和脈沖重復頻率(PRF)作為判決指標[6]。低重頻、寬脈沖雷達信號測向距離遠，但需長時間積累，測速能力和抗雜波能力弱，一般應用在遠程搜索警戒雷達上，對我方電偵系統威脅度較小。高重頻、窄脈沖雷達信號測向、測速精確迅速，一般設計為機載雷達、導彈制導等近目標快速作戰裝備，對我方威脅程度高，應調度資源對其優先跟蹤定位。

設計的算法流程如圖8所示。首先初始化調度程序，查詢調度申請序列，計算所有申請任務的綜合優先級并排序，然后依次執行調度，分析調度結果。

3 時間窗優化策略

現代相控陣系統采用了時間窗優化自適應算法。利用時間窗對存在沖突的任務進行調整調度，從而提高調度效率和時間利用率。若申請調度的任務在一定時間窗內仍未被調度執行，則判斷此任務請求失效，送入刪除隊列處理。利用時間窗調整優先級低的任務占用的調度時間，提高實現價值率[7]。

為了驗證有時間窗的綜合優先級自適應調度算法的性能，設計了仿真試驗，調度間隔為50 ms，高、低優先級任務在一定虛警概率下按固定頻率產生。設計的虛警概率為0.001，檢測概率0.9，在隨機產生的50個目標中有20個需要精確跟蹤。將有時間窗和無時間窗的自適應調度算法結果與傳統的平均分配型固定模板法作對比得到表1所示。可以看到，采用優先級自適應算法可以在各項指標中獲得更優的結果，有時間窗的調度方法在實現價值率上比無時間窗算法有明顯提升。

表1 時間窗對資源調度算法性能影響分析

4 結束語