新型頻譜監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)模型研究

陳雨豐　關(guān)建峰　許長(zhǎng)橋　張宏科,2

1(北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院　北京 100876)2(北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院　北京 100044)

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新型頻譜監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)模型研究

陳雨豐1關(guān)建峰1許長(zhǎng)橋1張宏科1,2

1(北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院北京 100876)2(北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院北京 100044)

傳統(tǒng)的頻譜監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)主要滿足專網(wǎng)專用的需求，其在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上沒有過多考慮高并發(fā)的情況，導(dǎo)致其無法滿足快速、高效、可擴(kuò)展性等通信需求。針對(duì)這種需求，基于智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)提出一種區(qū)域化小型頻譜監(jiān)管網(wǎng)，將智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)模型中的層級(jí)和服務(wù)管理的理念應(yīng)用到各區(qū)域小型頻譜監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)中，構(gòu)建具有資源適配服務(wù)解析層和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)層的新型頻譜監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)模型。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比新舊不同模型，新型網(wǎng)絡(luò)模型可以降低中央服務(wù)器負(fù)載，為不同區(qū)域用戶減少服務(wù)響應(yīng)時(shí)間，并在用戶規(guī)模增速相同的情況下減緩服務(wù)響應(yīng)時(shí)間的增速，提升用戶體驗(yàn)。

頻譜監(jiān)管服務(wù)解析資源緩存網(wǎng)絡(luò)組件

0　引　言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的急劇增長(zhǎng)，電子設(shè)備越來越多地出現(xiàn)在人們?nèi)粘Ｉ钪?，其在給人們帶來便捷信息服務(wù)的同時(shí)也帶來嚴(yán)重的電磁輻射污染。另一方面，各類偽基站的出現(xiàn)也時(shí)刻威脅著用戶的信息安全。用戶越發(fā)關(guān)心周邊的電磁輻射及潛在的偽基站以確保人身健康與信息安全。由此可見，對(duì)無線頻譜信息進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和管理[1]，可以保證用戶的身體健康和信息安全。

現(xiàn)有的頻譜監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)，其設(shè)計(jì)初衷主要為了滿足專網(wǎng)專用的需求，沒有過多考慮大量用戶并發(fā)訪問的情況，信息服務(wù)處理機(jī)制相對(duì)簡(jiǎn)單，業(yè)務(wù)相對(duì)單一[2,3]，更缺少為普通用戶提供頻譜輻射查詢等服務(wù)，而頻譜資源在信息化社會(huì)以及信息化戰(zhàn)場(chǎng)[4]的作用越來越明顯，涉及無線電頻譜信息方面的需求也日趨多元化[5]。這種采用數(shù)據(jù)集中式存儲(chǔ)的處理模式導(dǎo)致不同區(qū)域的請(qǐng)求都需要經(jīng)過中央服務(wù)器進(jìn)行中轉(zhuǎn)分發(fā)，不僅消耗大量服務(wù)器資源，使服務(wù)器處于高負(fù)載狀態(tài)，造成頻譜監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)的擁塞，更缺乏智慧的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)管理機(jī)制[6]，無法快速、高效地滿足頻譜管理及信息作戰(zhàn)的多元化需求[7]，導(dǎo)致用戶操作體驗(yàn)差。

解決這一問題的重要手段是將網(wǎng)絡(luò)扁平化，減少用戶和網(wǎng)絡(luò)資源之間的距離，利用緩存機(jī)制等提升系統(tǒng)服務(wù)性能。

目前，基于緩存模式的未來新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如信息中心網(wǎng)絡(luò)ICN(information-centric networking)[8]則是將內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)CDN(Content Delivery Network)[9]等專有網(wǎng)絡(luò)中提供的多方通信緩存服務(wù)擴(kuò)展到全網(wǎng)絡(luò)，形成一種以信息或內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)模式，其要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)都緩存經(jīng)過的內(nèi)容，使網(wǎng)絡(luò)不僅成為一個(gè)傳輸體，更要成為一個(gè)存儲(chǔ)體。當(dāng)用戶請(qǐng)求某一內(nèi)容時(shí)，任何緩存有該內(nèi)容的中間節(jié)點(diǎn)都可以做出響應(yīng)，而不是像傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)那樣直接轉(zhuǎn)發(fā)，從而大幅度提高網(wǎng)絡(luò)的性能。伴隨著存儲(chǔ)介質(zhì)容量的提升和價(jià)格的降低，利用緩存來提升網(wǎng)絡(luò)性能符合未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)。

但是由于ICN目前還處于學(xué)術(shù)研究階段，距離大面積推廣和應(yīng)用還有一段距離[10]。因此本文借鑒ICN的思想應(yīng)用到現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)一種新型頻譜監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。同時(shí)，本文通過引入?yún)^(qū)域化網(wǎng)絡(luò)和我們團(tuán)隊(duì)之前973項(xiàng)目中所研究的智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)體系[11]的理念，來更好地應(yīng)對(duì)這種需求上的變化。

區(qū)域化網(wǎng)絡(luò)即將大網(wǎng)按照地域和用戶密集程度劃分為小網(wǎng)，形成小型頻譜監(jiān)管網(wǎng)。智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)體系即從理論上解決了現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)中“靜態(tài)”和“僵化”的現(xiàn)象。

本文基于智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)的“三層”網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提出新型頻譜監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)模型，包括資源適配服務(wù)解析層和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)層。其可以更好地適應(yīng)不同區(qū)域不斷增長(zhǎng)的用戶規(guī)模，滿足快速、高效、可擴(kuò)展性等通信需求，提升網(wǎng)絡(luò)通信效率，提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，降低網(wǎng)絡(luò)能耗，給用戶帶來更好的頻譜信息服務(wù)體驗(yàn)。

1　新型頻譜監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)模型

1.1模型描述

(1) 總體概述

新型頻譜監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示，按照地域和用戶密集程度動(dòng)態(tài)劃分成多個(gè)子節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，使本地資源盡可能地靠近本地用戶端。每個(gè)子節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)緩存該區(qū)域的資源，同時(shí)也獨(dú)立成為一個(gè)頻譜監(jiān)管系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理和控制該區(qū)域的感知設(shè)備。本文將其定義為小型頻譜監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)。在整個(gè)系統(tǒng)中，由中央服務(wù)器負(fù)責(zé)各個(gè)小型頻譜監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度工作。

圖1　網(wǎng)絡(luò)模型總體架構(gòu)

當(dāng)用戶請(qǐng)求服務(wù)所需的資源在本地緩存或者可以從本地網(wǎng)絡(luò)組件設(shè)備中獲取時(shí)，則不再經(jīng)過中央服務(wù)器。只有當(dāng)用戶請(qǐng)求非本地資源時(shí)，該服務(wù)請(qǐng)求才會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)到中央服務(wù)器進(jìn)行分發(fā)處理。這種區(qū)域化網(wǎng)絡(luò)大大降低了中央服務(wù)器的負(fù)載程度。

(2) 抽象模型描述

如圖2所示，各個(gè)小型頻譜監(jiān)測(cè)網(wǎng)中的資源適配服務(wù)解析層和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)層均可以抽象為服務(wù)提供者、服務(wù)獲取者以及服務(wù)管理器三個(gè)部分。服務(wù)提供者先注冊(cè)服務(wù)，服務(wù)管理器負(fù)責(zé)管理服務(wù)，繼而服務(wù)獲取者獲取服務(wù)。服務(wù)管理器包含記憶模塊、控制模塊和數(shù)據(jù)模塊。其中記憶模塊用來對(duì)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息進(jìn)行認(rèn)知，存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的可達(dá)性信息、路徑狀態(tài)信息、路徑可靠性信息等；控制模塊則根據(jù)記憶模塊的信息，對(duì)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和存儲(chǔ)行為進(jìn)行控制；數(shù)據(jù)模塊則根據(jù)服務(wù)流行度等級(jí)存儲(chǔ)相應(yīng)的服務(wù)內(nèi)容。

圖2　抽象模型框架

當(dāng)相同服務(wù)再次被請(qǐng)求時(shí)，控制模塊可以從數(shù)據(jù)模塊中提取緩存數(shù)據(jù)就近為用戶提供所需服務(wù)，從而避免從遠(yuǎn)端獲取服務(wù)導(dǎo)致的資源消耗高、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)大等問題，進(jìn)而在提升用戶體驗(yàn)的同時(shí)提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率。

(3) 抽象模型具體化

在每個(gè)小型頻譜監(jiān)管網(wǎng)中，將新構(gòu)建的資源適配服務(wù)解析層和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)層中的抽象模型具體化為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如圖3所示。

圖3　各區(qū)域子網(wǎng)層級(jí)結(jié)構(gòu)具體轉(zhuǎn)化過程

各區(qū)域小型頻譜監(jiān)管網(wǎng)中的資源適配服務(wù)解析層可以具體化為智慧服務(wù)解析服務(wù)器、資源緩存服務(wù)器以及資源適配服務(wù)器的集合體。其融合了智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中智慧服務(wù)層和資源適配層的功能，引入服務(wù)標(biāo)識(shí)的概念，完成服務(wù)的動(dòng)態(tài)智慧匹配[12]。完成匹配的服務(wù)通過服務(wù)標(biāo)識(shí)動(dòng)態(tài)映射到提供該服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)族群[13]，最終實(shí)現(xiàn)服務(wù)與網(wǎng)絡(luò)組件之間的智慧耦合。網(wǎng)絡(luò)族群，即由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)層中一組或多組頻譜感知單元組成。

各區(qū)域小型頻譜監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)層可以具體化為一組或多組由感知設(shè)備組成，以節(jié)點(diǎn)設(shè)備作為接口與服務(wù)器相連的頻譜感知單元。其主要負(fù)責(zé)頻譜數(shù)據(jù)的感知與聚類，覆蓋面積可以精細(xì)到一間房間，具體在下文的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)層中進(jìn)行介紹。

下面分別具體闡述這兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特性及工作過程。

1.2資源適配服務(wù)解析層

1) 服務(wù)標(biāo)識(shí)

為了實(shí)現(xiàn)服務(wù)的普適化與智慧化，新型的小型頻譜監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)模型中的資源適配服務(wù)解析層引入服務(wù)標(biāo)識(shí)的概念。服務(wù)標(biāo)識(shí)主要用來標(biāo)識(shí)一類智慧服務(wù)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)的控制與資源相分離。本文采用服務(wù)標(biāo)識(shí)對(duì)服務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一命名和描述。

由于頻譜信息服務(wù)的多元化需求，加上新型電磁信息服務(wù)正在源源不斷的產(chǎn)生，簡(jiǎn)單的扁平化服務(wù)標(biāo)識(shí)難以做到高擴(kuò)展性。因此，本文根據(jù)服務(wù)的各種屬性對(duì)頻譜信息服務(wù)進(jìn)行分類，并依據(jù)分類結(jié)果生成層次化的服務(wù)標(biāo)識(shí)，以保證其可擴(kuò)展性。

表1給出了常見的頻譜信息服務(wù)屬性。其中的頻譜信息服務(wù)類型僅僅是典型服務(wù)，并未涵蓋所有服務(wù)；同時(shí)，為了保證服務(wù)標(biāo)識(shí)的可擴(kuò)展性，在服務(wù)標(biāo)識(shí)具體格式上還應(yīng)該預(yù)留一些空位。服務(wù)標(biāo)識(shí)的引入可以為服務(wù)的注冊(cè)與查詢以及與頻譜感知單元間的動(dòng)態(tài)智慧映射奠定基礎(chǔ)。

表1　常見的頻譜信息服務(wù)屬性

2) 具體工作過程

本文把資源適配服務(wù)解析層具體化為智慧服務(wù)解析服務(wù)器、資源緩存服務(wù)器以及資源適配服務(wù)器的集合體，分別負(fù)責(zé)服務(wù)的注冊(cè)與查詢，服務(wù)緩存資源的存儲(chǔ)，服務(wù)標(biāo)識(shí)到頻譜感知單元的動(dòng)態(tài)智慧映射。

(1) 服務(wù)的注冊(cè)與查詢

在新型頻譜監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)中，通過頻譜信息服務(wù)的統(tǒng)一命名和匹配查詢實(shí)現(xiàn)了服務(wù)資源與控制相分離。圖4給出了服務(wù)注冊(cè)與查詢的工作過程。

注冊(cè)過程頻譜感知單元通過其節(jié)點(diǎn)設(shè)備的接口，向其所在區(qū)域的資源適配服務(wù)器，注冊(cè)所提供服務(wù)的服務(wù)標(biāo)識(shí)以記錄各個(gè)感知單元的信息，繼而由資源適配服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)到智慧服務(wù)解析服務(wù)器進(jìn)行服務(wù)的存儲(chǔ)，完成整個(gè)服務(wù)注冊(cè)。

查詢過程當(dāng)用戶向智慧服務(wù)解析服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，由智慧服務(wù)解析服務(wù)器根據(jù)服務(wù)標(biāo)識(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)查詢與匹配。如果查詢到該服務(wù)可直接由本地資源緩存服務(wù)器提供，則轉(zhuǎn)發(fā)該請(qǐng)求到資源緩存服務(wù)器，然后由其返回所需結(jié)果到服務(wù)解析服務(wù)器，繼而向用戶提供服務(wù)；如果該服務(wù)需要到本區(qū)域頻譜感知單元中獲取，則把該服務(wù)標(biāo)識(shí)轉(zhuǎn)給資源適配服務(wù)器，由資源適配服務(wù)器負(fù)責(zé)完成服務(wù)標(biāo)識(shí)到本區(qū)域網(wǎng)絡(luò)族群的智慧映射；如果該服務(wù)需要獲取非本地資源，則把該服務(wù)標(biāo)識(shí)轉(zhuǎn)發(fā)到中央服務(wù)器，由中央服務(wù)器分發(fā)到服務(wù)提供區(qū)域進(jìn)行下一步的處理。

圖4　服務(wù)的注冊(cè)與查詢工作過程

(2) 服務(wù)緩存資源的存儲(chǔ)

本文借鑒ICN等未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的思想，結(jié)合智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，使得每個(gè)小型頻譜監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)不僅是一個(gè)頻譜監(jiān)管系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理和控制該區(qū)域內(nèi)部的頻譜感知單元，同時(shí)也使其各層節(jié)點(diǎn)均緩存本區(qū)域的資源。這種區(qū)域化網(wǎng)絡(luò)使用戶無需經(jīng)過中央服務(wù)器就可以獲取本區(qū)域資源，減少用戶獲取本地服務(wù)的響應(yīng)時(shí)間。小型頻譜監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)中資源適配服務(wù)解析層和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)層結(jié)合資源分布式存儲(chǔ)和集中式存儲(chǔ)的特點(diǎn)和各自優(yōu)勢(shì)，根據(jù)服務(wù)流行度等級(jí)以及服務(wù)資源對(duì)實(shí)時(shí)性的要求等級(jí)不同采用合理的服務(wù)緩存資源存儲(chǔ)方法。其中，在資源適配服務(wù)解析層采用服務(wù)器集群的模式，實(shí)現(xiàn)資源與控制相分離，將一些高頻訪問的頻譜數(shù)據(jù)資源緩存在資源緩存服務(wù)器中。當(dāng)用戶請(qǐng)求這些資源時(shí)，無需進(jìn)一步對(duì)頻譜感知單元進(jìn)行訪問即可獲取服務(wù)。而網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)層中的頻譜感知單元?jiǎng)t根據(jù)其特點(diǎn)采取控制和緩存資源集中式存儲(chǔ)的機(jī)制，具體將在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)層中進(jìn)行介紹。

20例OSAHS患者年齡在32～47歲之間,平均為（40.05±3.95）歲，全部為男性。平均體重指數(shù)（body mass index,BMI）為（28.49±2.86）kg/m2。

(3) 服務(wù)標(biāo)識(shí)到頻譜感知單元的動(dòng)態(tài)智慧映射

各區(qū)域小型頻譜監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)中的資源適配服務(wù)器主要負(fù)責(zé)服務(wù)標(biāo)識(shí)到網(wǎng)絡(luò)族群的智慧映射，即通過服務(wù)標(biāo)識(shí)映射到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)層中提供該服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)族群，實(shí)現(xiàn)服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施之間的智慧耦合，最終把該服務(wù)請(qǐng)求轉(zhuǎn)到相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)族群，即一組或多組頻譜感知單元。

3) 性能分析

在各個(gè)小型頻譜監(jiān)管區(qū)域內(nèi)部建立資源緩存機(jī)制可以使得用戶靠近服務(wù)提供者，降低中央服務(wù)器負(fù)載的同時(shí)，省去了服務(wù)提供者到中央服務(wù)器的往返鏈路傳輸時(shí)間，更省去了中央服務(wù)器對(duì)服務(wù)的解析與分發(fā)處理等時(shí)間，進(jìn)而減少服務(wù)響應(yīng)時(shí)間。同時(shí)，由于多服務(wù)器集群的設(shè)計(jì)理念，將客戶端和頻譜感知單元連接到不同的服務(wù)器，通過將上下位機(jī)分開處理的策略進(jìn)一步降低服務(wù)器負(fù)載。

此外，服務(wù)標(biāo)識(shí)到網(wǎng)絡(luò)族群的智慧映射主要是為電磁頻譜信息服務(wù)尋求最佳的族群組合，頻譜感知單元的不同組合以及合理的搭配可以為用戶提供高效且不同功能需求的服務(wù)。同時(shí)這種智慧映射能夠提高服務(wù)獲取的靈活性，協(xié)同調(diào)度網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)現(xiàn)資源的動(dòng)態(tài)適配。

1.3網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)層

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)層主要負(fù)責(zé)頻譜數(shù)據(jù)的感知與聚類，由一組或多組頻譜感知單元組成，與上層的資源適配服務(wù)解析層共同構(gòu)成小型頻譜監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)。頻譜感知單元覆蓋范圍小、管控粒度精細(xì)，可更好地應(yīng)對(duì)不斷增長(zhǎng)的本地化頻譜信息服務(wù)需求，使得用戶可以更方便地對(duì)自身周邊的頻譜信息進(jìn)行查看。同時(shí)，頻譜感知單元實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分級(jí)處理，避免了龐大的底層頻譜感知設(shè)備群直接連向各區(qū)域的服務(wù)器，很大程度上減少了服務(wù)器出現(xiàn)高負(fù)載的情況。

在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)層中，如圖5所示，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備和頻譜感知設(shè)備又被統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)組件。網(wǎng)絡(luò)組件可以對(duì)感知和流經(jīng)的頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行管控。由于每個(gè)頻譜感知單元的規(guī)模較小，因此在其中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備采用數(shù)據(jù)集中式管理的模式，其作用兼具上層服務(wù)解析服務(wù)器、資源緩存服務(wù)器和資源適配服務(wù)器的功能，實(shí)現(xiàn)服務(wù)的解析、匹配以及資源的緩存等。其中的緩存機(jī)制同樣依照服務(wù)流行度等級(jí)以及該服務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求等級(jí)確定是否緩存該服務(wù)資源。如果節(jié)點(diǎn)設(shè)備判定某服務(wù)所需要的資源能夠直接從其自身獲取，就不再經(jīng)過其下層各個(gè)頻譜感知設(shè)備，從而減少數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)時(shí)間，就近為用戶提供服務(wù)，提升用戶體驗(yàn)。除節(jié)點(diǎn)設(shè)備外，頻譜感知設(shè)備可以智能感知周邊的頻譜信息，并支持實(shí)時(shí)響應(yīng)服務(wù)請(qǐng)求和告警自動(dòng)上報(bào)兩種模式。

圖5　頻譜感知單元的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及工作過程

2　系統(tǒng)評(píng)測(cè)

基于上述網(wǎng)絡(luò)模型，本文開發(fā)了新型頻譜監(jiān)管系統(tǒng)，并搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了系統(tǒng)的功能和性能評(píng)測(cè)。其中，功能測(cè)試以獲取電磁輻射信息為例，檢測(cè)該功能是否能夠監(jiān)測(cè)某區(qū)域的電磁輻射強(qiáng)度；性能評(píng)測(cè)主要評(píng)測(cè)中央服務(wù)器負(fù)載程度以及服務(wù)提供者離用戶的遠(yuǎn)近程度對(duì)服務(wù)響應(yīng)時(shí)間的影響。

2.1測(cè)試環(huán)境

表2　測(cè)試環(huán)境

2.2功能評(píng)測(cè)

圖6　電磁輻射強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果截圖

通過獲取某區(qū)域的電磁輻射信息，可以查看到該區(qū)域的電磁輻射強(qiáng)度為35.00 V/m，超過國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，符合實(shí)驗(yàn)預(yù)期，如圖6所示。

用戶可以通過查看自己周邊的電磁輻射信息，盡可能地遠(yuǎn)離高輻射區(qū)域來確保人身健康安全。同時(shí)，新型頻譜監(jiān)管系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)周邊的異常信號(hào)，如發(fā)現(xiàn)違法基站即自動(dòng)上報(bào)提醒用戶，給用戶的信息安全帶來保障。

2.3性能評(píng)測(cè)

性能評(píng)測(cè)主要通過中央服務(wù)器負(fù)載程度和服務(wù)響應(yīng)時(shí)間兩個(gè)方面來評(píng)測(cè)新型頻譜監(jiān)管系統(tǒng)。

(1) 中央服務(wù)器負(fù)載程度

圖7　服務(wù)訪問頻率曲線

在新型頻譜監(jiān)管系統(tǒng)中，大約60種不同類型的服務(wù)按照流行度等級(jí)依次排名。通過比較單位時(shí)間內(nèi)服務(wù)的訪問次數(shù)來確定是否引用緩存機(jī)制的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠有效減少中央服務(wù)器的負(fù)載。

通過對(duì)新系統(tǒng)服務(wù)訪問頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到如圖7所示結(jié)果。我們可以看到只有少數(shù)流行度等級(jí)排名靠前的服務(wù)被頻繁訪問，其分布曲線近似符合齊夫(Zipf-like)分布[14]。

根據(jù)齊夫分布的特性以及實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，暫將排名前20%的服務(wù)資源進(jìn)行本地緩存處理。本文分別比較20、40、60、80及100個(gè)用戶訪問時(shí)，中央服務(wù)器的用戶接入數(shù)量來衡量其負(fù)載情況如圖8所示。從圖中可以看出通過引入緩存機(jī)制，中央服務(wù)器的用戶接入數(shù)量得到了大幅度的減少，從而降低了服務(wù)器的負(fù)載，在保證系統(tǒng)性能的前提下更好地應(yīng)對(duì)不斷增長(zhǎng)的用戶規(guī)模。

圖8　傳統(tǒng)與新型機(jī)制下中央服務(wù)器用戶接入數(shù)量對(duì)比圖

(2) 服務(wù)響應(yīng)時(shí)間

本文模擬1、100、500及1000個(gè)用戶，通過比較傳統(tǒng)和新型機(jī)制下頻譜監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)響應(yīng)時(shí)間，評(píng)測(cè)出服務(wù)提供者離用戶的遠(yuǎn)近程度以及服務(wù)器負(fù)載程度對(duì)服務(wù)響應(yīng)時(shí)間的影響。

其中，傳統(tǒng)機(jī)制指所有服務(wù)請(qǐng)求先經(jīng)過中央服務(wù)器，然后由其中轉(zhuǎn)分發(fā)到服務(wù)提供者所在區(qū)域，并進(jìn)一步訪問頻譜感知設(shè)備獲取服務(wù)；本文提出的新型機(jī)制指服務(wù)請(qǐng)求不經(jīng)過中央服務(wù)器直接從本區(qū)域服務(wù)器的緩存資源獲取服務(wù)。實(shí)驗(yàn)得到此兩種機(jī)制在不同并發(fā)量時(shí)的服務(wù)響應(yīng)時(shí)間如圖9所示。

圖9　傳統(tǒng)與新型機(jī)制下服務(wù)響應(yīng)時(shí)間對(duì)比圖

通過分析上述傳統(tǒng)和新型機(jī)制下的服務(wù)響應(yīng)時(shí)間可以看出：

在相同客戶端并發(fā)數(shù)量情況下，引入緩存機(jī)制的新型網(wǎng)絡(luò)所需的服務(wù)響應(yīng)時(shí)間少。這驗(yàn)證了引用資源緩存機(jī)制節(jié)省鏈路傳輸時(shí)間以及中央服務(wù)器對(duì)服務(wù)解析與分發(fā)處理時(shí)間的優(yōu)勢(shì)。

同時(shí)，隨著用戶數(shù)量的增加，服務(wù)器的負(fù)載越來越高，服務(wù)響應(yīng)時(shí)間也逐漸增加。本文引入緩存機(jī)制的新型網(wǎng)絡(luò)模型變化趨勢(shì)更緩，即在某個(gè)區(qū)域用戶規(guī)模增長(zhǎng)速率相同的情況下，新型模型要比傳統(tǒng)模型的服務(wù)響應(yīng)時(shí)間增速更緩慢，從而更好地應(yīng)對(duì)不斷增長(zhǎng)的用戶規(guī)模，提高系統(tǒng)性能。

3　結(jié)　語

本文結(jié)合傳統(tǒng)頻譜監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)專網(wǎng)專用化的特點(diǎn)和未來頻譜信息服務(wù)本地化的發(fā)展趨勢(shì)，建立了區(qū)域化小型頻譜監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)。在每個(gè)小型頻譜監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)中，基于先進(jìn)的智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)體系和區(qū)域化網(wǎng)絡(luò)的理念，構(gòu)建了資源適配服務(wù)解析層和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)層的網(wǎng)絡(luò)框架；引入服務(wù)標(biāo)識(shí)的概念；提出服務(wù)的注冊(cè)與查詢、服務(wù)緩存信息的存儲(chǔ)、服務(wù)資源的適配等工作過程。通過模擬不同情景對(duì)這種全新的頻譜監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行功能和性能評(píng)測(cè)，從而有力地證明這種模型可以有效地為規(guī)模不斷增長(zhǎng)的用戶群體提供如電磁輻射監(jiān)測(cè)在內(nèi)的頻譜信息服務(wù)。同時(shí)提升網(wǎng)絡(luò)通信效率，降低網(wǎng)絡(luò)能耗，減少服務(wù)響應(yīng)時(shí)間，給用戶帶來更好的信息服務(wù)體驗(yàn)。

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RESEARCH ON NEW SPECTRUM MONITORING AND MANAGEMENT NETWORK MODEL

Chen Yufeng1Guan Jianfeng1Xu Changqiao1Zhang Hongke1,2

1(InstituteofNetworkTechnology,BeijingUniversityofPostsandTelecommunications，Beijing100876，China)2(CollegeofElectronicsandInformationEngineering,BeijingJiaotongUniversity，Beijing100044，China)

Traditional spectrum monitoring and management network mainly meets the dedicated needs in special networks but does not consider the high network concurrency too much in its network structure design, this leads to that it cannot satisfy the communication demands including high speed, high efficiency and scalability. In light of such needs, based on the smart and cooperative network architecture we propose a regional small-sized spectrum monitoring and management network, and apply the concepts of hierarchy and service management presented in smart and cooperative network model to small-sized spectrum monitoring and management networks in all regions, and build a novel spectrum monitoring and management network model containing resource adaption service analysis layer and network nodes layer. Different models of the new and the old are compared in experiment, the new network model can reduce the load of central server, thus decreases the service response time for users in different regions, and slows down the increase rate of service response time in the circumstance of same rate in users scale development, as well as enhances user experience.

Spectrum monitoring and managementService analysisResource cacheNetwork component

2015-04-22。國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61232017，6100 3283，61372112);國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013CB329102)。陳雨豐，碩士生，主研領(lǐng)域：網(wǎng)絡(luò)智慧服務(wù)。關(guān)建峰，博士。許長(zhǎng)橋，副教授。張宏科,教授。

TP393

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2016.08.032