陳磊，王琳，陳訓(xùn)韜

1 引言

無線裝備的發(fā)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(yè)務(wù)系統(tǒng)內(nèi)置的電磁傳感器組成異構(gòu)的電磁頻譜傳感網(wǎng)成為頻譜管理領(lǐng)域新興的研究熱點(diǎn)。對(duì)于異構(gòu)電磁頻譜感知網(wǎng)絡(luò)，國內(nèi)外主要的研究集中在異構(gòu)感知數(shù)據(jù)處理以及網(wǎng)絡(luò)抗擾或自愈技術(shù)上。文獻(xiàn)[1]和[2]提出了電磁頻譜傳感網(wǎng)的體系架構(gòu)；文獻(xiàn)[3]和[4]給出了主流的數(shù)據(jù)融合算法；文獻(xiàn)[5]提出了減少協(xié)同開銷的協(xié)作方法；文獻(xiàn)[6]提出了融合數(shù)據(jù)可視化方法；文獻(xiàn)[7]給出了利用跨層設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)波束成形以對(duì)抗惡意干擾的方法；文獻(xiàn)[8]則給出了無人MANET（Mobile Adhoc Networks，移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)）網(wǎng)絡(luò)自愈時(shí)保障QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）的機(jī)制。通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在電磁頻譜傳感網(wǎng)中，數(shù)據(jù)融合和網(wǎng)絡(luò)管理的策略能夠順利實(shí)施的前提是與感知任務(wù)密切相關(guān)的電磁頻譜傳感器針對(duì)該任務(wù)執(zhí)行了感知功能，如何發(fā)現(xiàn)哪些傳感器與任務(wù)相關(guān)，這些傳感器的感知能力是否滿足要求，其感知任務(wù)是否已經(jīng)飽和，感知任務(wù)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(wěn)定造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓绾翁幚淼龋蔀榘l(fā)揮異構(gòu)電磁頻譜感知網(wǎng)絡(luò)作用的瓶頸。而國內(nèi)外在這方面的研究成果較少。

基于此，本文開展了對(duì)異構(gòu)電磁頻譜傳感器資源調(diào)度的研究，對(duì)不同電磁傳感器類型功能、性能進(jìn)行分析，提出了基于任務(wù)的頻譜感知網(wǎng)絡(luò)單元重組技術(shù)框架及感知能力服務(wù)工作流程，并建立了基于效用的多任務(wù)協(xié)同資源調(diào)度模型，使得異構(gòu)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(huán)境傳感器大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)化共享應(yīng)用服務(wù)，為通信、探測、測繪導(dǎo)航定位等用頻業(yè)務(wù)以及地方和軍隊(duì)無線電管理機(jī)構(gòu)提供各類電磁頻譜感知數(shù)據(jù)共享保障服務(wù)，實(shí)現(xiàn)頻譜數(shù)據(jù)的區(qū)域融合和頻譜使用需求上的“區(qū)域保障”，提高電磁頻譜信息獲取能力和信息服務(wù)能力、電磁態(tài)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(wù)的電磁頻譜感知網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度架構(gòu)

基于任務(wù)的電磁頻譜感知網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度可以將傳感器資源抽象為可支撐資源調(diào)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(wù)可以將組件進(jìn)行有限的實(shí)例化，并組裝成可滿足服務(wù)能力需要的邏輯上的任務(wù)子網(wǎng)。該框架具有虛擬化組件設(shè)計(jì)和融合化設(shè)計(jì)兩個(gè)特點(diǎn)，具體如下：

（1）虛擬化組件設(shè)計(jì)。將各傳感器功能以虛擬化組件方式予以封裝成功能實(shí)現(xiàn)，組件間的封裝接口設(shè)計(jì)通用化，組件間通過資源控制模塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置和管理，通過這種方式可實(shí)現(xiàn)感知網(wǎng)絡(luò)任務(wù)子網(wǎng)的按需靈活創(chuàng)建。

（2）融合化設(shè)計(jì)。統(tǒng)一封裝接口技術(shù)框架，對(duì)任務(wù)的各類共性化處理功能采用“高內(nèi)聚、低耦合”的軟件組件化劃分和實(shí)現(xiàn)，按照任務(wù)需求進(jìn)行融合化處理，以達(dá)到最大化復(fù)用的效果。

通過建立標(biāo)準(zhǔn)化的電磁頻譜傳感服務(wù)及任務(wù)框架并規(guī)范接口，可增強(qiáng)異構(gòu)傳感器的組網(wǎng)能力和靈活性，便于數(shù)據(jù)共享與協(xié)同。在執(zhí)行具體任務(wù)時(shí)，可根據(jù)任務(wù)需要靈活組合虛擬的電磁頻譜傳感器任務(wù)子網(wǎng)，應(yīng)對(duì)目標(biāo)、資源和環(huán)境變化的各種挑戰(zhàn)。

圖1 資源虛擬化架構(gòu)

3 電磁頻譜傳感服務(wù)及任務(wù)標(biāo)準(zhǔn)框架

3.1 標(biāo)準(zhǔn)化的傳感器結(jié)構(gòu)描述

頻譜傳感器標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)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(biāo)準(zhǔn)化的傳感器結(jié)構(gòu)描述

其中：

（1）傳感器類型分為移動(dòng)型和固定型，如果是移動(dòng)型傳感器則應(yīng)定義其可移動(dòng)的速度。利用傳感器移動(dòng)特征，可以有針對(duì)性地執(zhí)行相應(yīng)的感知任務(wù)或信息匯聚任務(wù)。

（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(shù)據(jù)采集、是否具有FFT（Fast Fourier Transformation，快速傅里葉變換）計(jì)算能力、是否具備信號(hào)識(shí)別能力、可以識(shí)別哪些信號(hào)、采樣速率是否可變等。

（3）通信能力是反映頻譜傳感器傳輸?shù)哪芰?，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(xié)議類型等，通信能力越強(qiáng)則可重組能力就越強(qiáng)。

（4）位置信息包括傳感器的空間地理位置信息，可以是絕對(duì)位置或相對(duì)位置。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)化任務(wù)結(jié)構(gòu)描述

感知任務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化主要包括任務(wù)類型號(hào)、任務(wù)參數(shù)、任務(wù)返回格式，具體如圖3所示：

圖3 標(biāo)準(zhǔn)化任務(wù)結(jié)構(gòu)描述

其中：

（1）任務(wù)類型號(hào)表示該任務(wù)屬于需要協(xié)同型、可獨(dú)立完成型或其他類型。

（2）任務(wù)參數(shù)包含對(duì)要完成的任務(wù)的具體描述，如感知任務(wù)“頻譜資源占用”其任務(wù)參數(shù)可包括地理區(qū)域范圍、頻段范圍以及頻率精細(xì)度等要求。

（3）任務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范中對(duì)任務(wù)返回?cái)?shù)據(jù)格式進(jìn)行約束，從而可以提供給更高層的應(yīng)用服務(wù)接口使用。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)化的電磁頻譜感知服務(wù)接口描述

標(biāo)準(zhǔn)化的電磁頻譜感知服務(wù)規(guī)范包括服務(wù)號(hào)、服務(wù)參數(shù)和服務(wù)返回規(guī)范，具體如圖4所示：

圖4 標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)接口描述

其中：

（1）服務(wù)號(hào)定義了唯一的服務(wù)標(biāo)識(shí)，不同服務(wù)通過不同的服務(wù)號(hào)區(qū)別，相同類型的服務(wù)由于需要服務(wù)的時(shí)間不同，可以具有不同的服務(wù)號(hào)。

（2）服務(wù)參數(shù)包括服務(wù)類型、服務(wù)時(shí)間、服務(wù)地點(diǎn)、服務(wù)內(nèi)容等描述，一個(gè)服務(wù)內(nèi)容可能由一個(gè)任務(wù)或者多個(gè)任務(wù)完成，取決于該服務(wù)的復(fù)雜程度。例如，一個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)的“頻譜資源態(tài)勢”服務(wù)可能需要?jiǎng)澐侄鄠€(gè)子區(qū)域分別進(jìn)行感知，然后匯聚到數(shù)據(jù)中心進(jìn)行可視化顯示等操作，如此提供這個(gè)服務(wù)就需要多個(gè)子區(qū)域的感知任務(wù)以及可視化的任務(wù)等協(xié)同完成。

（3）服務(wù)返回規(guī)范定義了該服務(wù)返回的參數(shù)，如該服務(wù)是否完成、服務(wù)未完成的錯(cuò)誤代碼指示等。

電磁頻譜傳感服務(wù)類型可按表1劃分。

表1 電磁頻譜傳感服務(wù)類型分類

通過對(duì)頻譜傳感器、感知任務(wù)、感知服務(wù)等進(jìn)行抽象化地建模，用公共標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行描述和發(fā)布，為資源、任務(wù)、服務(wù)的虛擬化和匹配提供了依據(jù)，可簡化傳感器資源重組、分配和優(yōu)化的過程。

4 虛擬頻譜感知任務(wù)子網(wǎng)構(gòu)建過程

在頻譜感知任務(wù)執(zhí)行過程中，選擇可滿足任務(wù)要求的傳感器組成虛擬感知任務(wù)子網(wǎng)，并按照一定的優(yōu)化準(zhǔn)則分配給不同傳感器執(zhí)行相關(guān)任務(wù)功能。

虛擬頻譜感知任務(wù)子網(wǎng)構(gòu)建是資源調(diào)度的主要過程。一個(gè)虛擬頻譜感知任務(wù)子網(wǎng)構(gòu)成端到端邏輯網(wǎng)絡(luò)，按照用戶任務(wù)需求靈活地提供定制化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，設(shè)定虛擬任務(wù)子網(wǎng)的相關(guān)參數(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、功能組件、交互協(xié)議、性能指標(biāo)和軟硬件資源需求等。感知資源實(shí)例化處理后，通過資源控制器生成虛擬任務(wù)子網(wǎng)。

在需求方子網(wǎng)參數(shù)基本定義完成后，任務(wù)子網(wǎng)構(gòu)建可包含以下兩個(gè)階段：

（1）任務(wù)編排階段

資源控制器實(shí)現(xiàn)虛擬資源的實(shí)例化，完成任務(wù)子網(wǎng)向運(yùn)行狀態(tài)的遷移。

（2）任務(wù)運(yùn)行階段

實(shí)時(shí)監(jiān)控和動(dòng)態(tài)維護(hù)，主要包括資源的動(dòng)態(tài)伸縮、任務(wù)子網(wǎng)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(tǒng)的資源調(diào)度系統(tǒng)采用分布式協(xié)同的資源調(diào)度策略，對(duì)頻譜感知任務(wù)進(jìn)行自動(dòng)分割與匯聚，動(dòng)態(tài)調(diào)度感知網(wǎng)絡(luò)資源。任務(wù)子網(wǎng)的控制面與數(shù)據(jù)面分離，符合任務(wù)需求的頻譜傳感器通過配置的“資源控制器”標(biāo)準(zhǔn)封裝接口和基于虛擬化的頻譜傳感器服務(wù)能力標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范互聯(lián)。對(duì)分散的大量多樣的頻譜監(jiān)測或測向掃描監(jiān)聽的數(shù)據(jù)，以及各節(jié)點(diǎn)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(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，滿足監(jiān)測、監(jiān)聽、識(shí)別、定位等不同頻譜感知任務(wù)需求。當(dāng)發(fā)生傳感節(jié)點(diǎn)脫網(wǎng)或失效、感知目標(biāo)移出當(dāng)前任務(wù)子網(wǎng)范圍等情況時(shí)，網(wǎng)絡(luò)可依據(jù)任務(wù)自適應(yīng)或通過簡單人工干預(yù)自動(dòng)重組相關(guān)傳感單元，以適應(yīng)這些變化。

5 基于效用的多任務(wù)協(xié)同資源調(diào)度模型

多個(gè)頻譜感知任務(wù)類型可能不同，而傳感器除計(jì)算資源有限外，通常還僅可工作在單一任務(wù)模式，即需要切換工作模式來支持對(duì)不同類型的傳感任務(wù)，這將導(dǎo)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(xiàn)[9]，可基于任務(wù)池建立多任務(wù)資源調(diào)度模型，具體如圖5所示。

任務(wù)池里面是任務(wù)需求，根據(jù)傳感器性能的不同，不同任務(wù)對(duì)應(yīng)一個(gè)或者多個(gè)傳感器的協(xié)同操作。圖5中列舉了3個(gè)任務(wù)，分別對(duì)應(yīng)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(shí)滿足多種任務(wù)的傳感器，在資源滿足的條件下，按照性能最優(yōu)原則，G1∩G2∩G3的傳感器集合是最優(yōu)的選擇，但是在資源有限的情況下，分布式傳感器的協(xié)同處理可以加快任務(wù)的執(zhí)行速度。

下面以頻譜監(jiān)測和信號(hào)識(shí)別主要任務(wù)為例，建立多任務(wù)協(xié)同資源調(diào)度模型。

（1）虛擬任務(wù)描述

在t時(shí)刻，頻譜監(jiān)測和目標(biāo)識(shí)別2種頻譜感知任務(wù)形成的協(xié)同感知虛擬任務(wù)數(shù)量均為n，設(shè)Tjc、Tmb分別為監(jiān)測和目標(biāo)識(shí)別的虛擬任務(wù)子集，多傳感器資源調(diào)度系統(tǒng)的虛擬任務(wù)集合為T，T={T1,T2, …, TN}，Ti∈(Tjc∪Tmb)，任務(wù)類型Mt={Tjc, Tmb}，由此任務(wù)集合表達(dá)為：M={M1, M2, …, MN}。其中，Mj={Tj, Mtj}，Tj∈T，Mtj∈Mt。

（2）效能函數(shù)

資源調(diào)度的目標(biāo)是盡快完成盡量多的感知任務(wù)，設(shè)組織方案P={P1, P2, …, PN}，其中虛擬子網(wǎng)Pi={Pi1,Pi2, …, PiQ}，Pij為組成子網(wǎng)的傳感器，則效能函數(shù)可定義為：

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

（3）系統(tǒng)約束

系統(tǒng)約束包括次序約束、協(xié)作約束和資源約束，具體如下：

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

圖5 多任務(wù)資源調(diào)度模型

◆協(xié)作約束。各傳感器協(xié)作完成任務(wù)需要網(wǎng)絡(luò)開銷等成本，該成本需要控制在一定門限才不會(huì)影響系統(tǒng)的整體效能。因此，可通過對(duì)單個(gè)成本與總成本的約束來表示協(xié)作約束的限制：

其中，C(Pij)為單個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的協(xié)作成本函數(shù)，是其分配任務(wù)、傳感器能力及對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的函數(shù)。

◆資源約束。即虛擬傳感能力的約束，如果對(duì)于單個(gè)傳感器Ai，工作方式只能選擇監(jiān)測或目標(biāo)識(shí)別中的一種，則只考慮各方式資源約束：

x個(gè)監(jiān)測或y個(gè)目標(biāo)識(shí)別請(qǐng)求在該節(jié)點(diǎn)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(shí)輸出兩種工作方式，則為(x+y)個(gè)任務(wù)的總資源分配不能超過qi，可表示為：

根據(jù)上述模型，結(jié)合類似文獻(xiàn)[10]提出的智能搜索算法，可完成電磁頻譜傳感器虛擬子網(wǎng)自動(dòng)調(diào)度。

6 仿真實(shí)現(xiàn)

以頻譜監(jiān)測和目標(biāo)識(shí)別2種頻譜感知任務(wù)進(jìn)行仿真建模，仿真參數(shù)設(shè)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(xié)作成本為C=(0.55, 0.45)。

資源調(diào)度仿真執(zhí)行過程如圖6所示。

在6個(gè)子任務(wù)中，需要傳感器G1集合資源需求的有5個(gè)，需要傳感器G2集合資源需求的有4個(gè)，其中需要G1和G2協(xié)同資源需求的有3個(gè)，按照任務(wù)優(yōu)先級(jí)和任務(wù)開始時(shí)間順序執(zhí)行資源調(diào)度，優(yōu)先級(jí)0表示最高。

傳感器資源調(diào)度仿真結(jié)果如圖7所示。

當(dāng)t=11 s時(shí)，子任務(wù)M4開始任務(wù)調(diào)度，請(qǐng)求傳感器G1和G2各提供28%的資源需求，此時(shí)傳感器G1正在為子任務(wù)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(wù)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(jù)子任務(wù)優(yōu)先級(jí)的重新排序，M4的優(yōu)先級(jí)高于M2，因此通過資源調(diào)度算法搶占M2的傳感器資源，子任務(wù)M2暫停，直至M6結(jié)束后釋放G1和G2資源，M2再繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。

7 結(jié)論

本文給出基于任務(wù)的頻譜感知網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度架構(gòu)，面向多用戶多任務(wù)的頻譜感知網(wǎng)絡(luò)，通過標(biāo)準(zhǔn)化的服務(wù)接口組織和發(fā)布資源，通過虛擬調(diào)度動(dòng)態(tài)匹配資源。仿真表明，該架構(gòu)適用于無線傳輸環(huán)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(huán)境傳感器大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)化共享應(yīng)用提供了可行技術(shù)途徑。

需要指出的是，該架構(gòu)基于傳統(tǒng)的電磁頻譜傳感網(wǎng)絡(luò)類型設(shè)計(jì)。而由于近年來物聯(lián)網(wǎng)及人工智能的迅速發(fā)展，下一步頻譜感知網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度架構(gòu)應(yīng)加強(qiáng)數(shù)據(jù)分析、挖掘與學(xué)習(xí)功能，主動(dòng)性預(yù)測和處理資源網(wǎng)絡(luò)潛在的故障風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步提高資源保障的可靠性與穩(wěn)定性。

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圖6 資源調(diào)度仿真執(zhí)行過程

圖7 傳感器資源調(diào)度仿真結(jié)果

表2 仿真參數(shù)設(shè)置

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