一種基于監測接收機的分布式組網系統

王雪臣

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引 言

在我國無線電頻譜監測領域，監測頻段的范圍一般為3 MHz～3 GHz，涵蓋了短波和超短波等頻段。目前，頻譜監測接收機分為短波監測接收機和超短波監測接收機兩種。其中短波監測接收機的監測頻段范圍為3～30 MHz，而單臺短波監測接收機的監測帶寬并不能覆蓋3～30 MHz，需要多臺短波監測接收機組網才能覆蓋整個短波頻段。單臺超短波監測接收機的監測范圍一般為30 MHz～3 GHz。

當前的短波和超短波頻譜監測系統是各自接收機分開進行監測的單機系統，不具備組網監測能力，客戶端不能對多臺設備資源進行有效調度和監測，以達到3 MHz～3 GHz超寬頻段的實時監測。本文從分布式組網系統技術架構、客戶端以及服務端3個方面開展設計，可以通過頻段拼接技術實現3 MHz～3 GHz頻段信號的全面覆蓋[1,2]。

1 技術架構

由于本系統要實現3 MHz～3 GHz頻段信號的實時寬帶掃描監測和重點頻段內信號的實時監測以及離線分析功能，要整合多臺頻譜監測設備資源，因此總體架構從下到上依次分為設備資源層、服務端以及客戶端。

設備資源層即頻譜監測接收機，包含多臺短波監測接收機和一臺超短波監測接收機。每臺短波監測接收機完成4 MHz帶寬數據的采集，利用多臺短波監測接收機即可完成3～30 MHz頻段范圍內信號的同時監測。服務端是整個分布式組網系統的核心，部署在一臺服務器上，其中央處理器（Central Processing Unit，CPU）性能必須非常強悍，并且服務器必須配置多個大容量硬盤存儲器，以便存儲海量的實時業務數據，便于后期進行數據的離線分析。客戶端是用戶操作個人計算機（Personal Computer，PC）端的人機交互界面軟件，實現3 MHz～3 GHz的超寬帶頻譜監測，同時可以通過多個客戶端部署來有針對性地完成重點關注頻段和信號的捕獲分析。

本系統是根據千兆網交換機連接由多臺監測接收機、服務端以及多個客戶端所組成的分布式組網系統來實現的。多個客戶端和多臺監測接收機并不能直接進行通信，控制指令和業務數據的處理和轉發必須經由服務端，服務端是本系統的核心組成部分。本系統的拓撲連接關系如圖1所示。

圖1 系統拓撲

2 服務端

本系統服務端是基于監測接收機分布式組網系統的核心組成部分，可以完成頻譜監測接收機的入網和退網管理、實時交互指令的分發和控制、監測頻段信號數據的匯集和轉發、3 MHz～3 GHz全頻段數據的存儲等功能。它包含了設備資源管理軟件和數據管理軟件兩個軟件子系統。其中，設備資源管理軟件負責多臺頻譜監測接收機入網、退網、命令消息的分發，數據管理軟件負責轉發頻段信號監測數據和指定監測信號的話音數據。

2.1 設備資源管理軟件

設備資源管理軟件是多臺頻譜監測接收機和多個客戶端之間控制指令交互的橋梁，其提供多臺頻譜監測接收機的入網和退網以及多客戶端接入管理和消息命令轉發的路由功能，同時維護與數據管理軟件之間的心跳狀態，并監控頻譜監測接收機的資源使用情況，定時通知資源狀態信息給客戶端，客戶端根據資源使用情況動態調整其監測任務。

設備資源管理軟件從功能上劃分為頻譜監測接收機接入管理和客戶端接入管理兩大類。其中，頻譜監測接收機接入管理功能是通過接收機開機后主動向設備資源管理軟件發送入網請求來實現的，設備資源管理軟件收到接收機入網請求后同意其入網來完成接收機入網注冊的流程。同理，客戶端接入管理功能是通過客戶端發送的接入指令到設備資源管理軟件來申請頻譜監測接收機資源，客戶端接入管理功能根據設備資源調度算法分配空閑的、未鎖定的接收機資源給這個客戶端來使用。

設備資源管理軟件是基于自適配通信環境（Adaptive Communication Environment，ACE）框架來設計和實現。ACE是跨平臺的開源軟件框架，含有豐富的軟件設計模式實現庫，能夠避免在服務器端開發過程中重復性的實現基礎功能，簡化軟件設計，提高服務器軟件容錯性和穩定性[3]。其中的反應器模式和前攝器模式能夠很好地處理軟件內部各個任務之間的同步和異步通信。傳輸控制協議（Transmission Control Protocol，TCP）用到了ACE框架的連接器和接收器組件，這兩個組件可以降低連接過程中代碼的耦合度[4,5]。

2.2 數據管理軟件

數據管理軟件是分布式組網系統的數據中心，完成3 MHz～3 GHz頻段內所有實時數據的采集和存儲過程，其中實時頻譜監測數據包含頻段內所有頻點的電平值和話音數據。由于頻譜監測的實時數據是不間斷海量數據流，因此數據管理軟件與頻譜監測接收機、客戶端交互的協議采用用戶數據報協議（User Datagram Protocol，UDP）。UDP協議由于其無連接特性，數據傳輸速度比TCP協議快，系統開銷也少，能夠滿足本系統對海量數據流傳輸的性能要求[6,7]。數據管理軟件會7×24 h循環存儲整個3 MHz～3 GHz頻段的頻譜監測數據以便用戶隨時調用和分析。

數據管理軟件通過固定UDP端口接收所有頻譜監測接收機的監測數據，根據頻段拼接算法完成3 MHz～3 GHz多臺頻譜監測數據的拼接和存儲，并通過設備資源管理軟件發送的客戶端資源調用信息將數據分發給對應的客戶端軟件。

數據管理軟件也是基于ACE框架設計和實現，UDP數據通信功能用到了ACE框架的可移植庫ACE_SOCK，減少了實際編寫UDP通信程序的代碼量，并屏蔽了網絡通信開發的編程細節，提高了程序的可移植性、健壯性以及可讀性。與設備資源管理軟件之間的指令信息是基于ACE框架的連接器和接收器組件來實現的，可完成準確無誤的控制指令接收和回復。

3 客戶端

3.1 架構設計

客戶端是面向用戶的終端軟件界面，可完成3 MHz～3 GHz頻段內實時頻譜監測界面，其中監測的頻段范圍可根據使用需求自定義動態設置，并且可以實現多窗口單一信號的實時頻譜監測以及話音的監聽和存儲功能。

3.2 主框架設計

客戶端采用模型-視圖-控制器（Model，View，Controller，MVC）軟件架構，將業務邏輯、數據以及界面相互分離來組織代碼框架[8]。Model完成客戶端配置文件管理、監測數據存儲等功能；View是客戶端的界面模塊，能夠完成本系統客戶端和服務端IP地址的設置和管理、實時頻譜監測圖的顯示和操作、控制命令窗口的繪制與操作等功能；Controller是客戶端軟件的交互處理模塊，能夠完成控制命令的交互、數據庫記錄的增刪改查、配置文件的加載與修改、監測數據和話音的離線調用控制等功能。

3.3 軟件流程

客戶端軟件打開后，會向設備資源管理軟件請求入網，設備資源管理軟件通知客戶端軟件當前可用的頻譜監測接收機資源。客戶端軟件界面激活并開始頻段的實時監測，Controller模塊接收數據管理軟件的頻譜監測數據，并顯示在頻譜監測界面上。用戶根據頻譜監測界面上信號的幅度值來判斷是否需要進行監聽，如果需要監聽則通過選中此信號啟動單一信號監測和話音收聽功能，并進行數據存儲和錄音。軟件流程如圖2所示。

圖2 監測流程

3.4 界面設計

客戶端界面是基于Qt和Qwt二維圖形庫來設計的。Qt開源框架能夠輕松地開發客戶端界面程序，并且自帶界面設計器，界面設計效率相比傳統的微軟公司軟件開發包界面設計要高效快捷，客戶端界面如圖3所示[9,10]。客戶端界面包含設備資源管理、頻譜監測以及信號監測3個功能。設備資源管理放在第一個頁面，可查看頻譜監測接收機的入網情況；頻譜監測界面的整體頁面以寬帶頻譜顯示為主；信號監測為便捷信號分析設計，該界面是軟件的啟動界面，也是用戶使用的第一步。

圖3 客戶端界面

4 結 論

本文圍繞3 MHz～3 GHz頻段范圍的頻譜監測目標開展服務端和客戶端的設計與實現。以系統化的思路解決了多臺頻譜監測接收機和多個客戶端進行分布式調度的難題，為無線電管理用戶提供了可靠的實時頻譜監測功能和監測數據離線分析手段。本文實現的監測接收機分布式組網系統具有很強的擴展性，大大節省了用戶設備部署和監測成本，具有很強的現實意義。