一種用于一體化電磁裝備的數(shù)據(jù)處理平臺設(shè)計

張旭旺，楊偉軍，夏雙志

摘要：隨著戰(zhàn)場上頻譜競爭和裝備互擾問題越來越嚴(yán)重，統(tǒng)一規(guī)劃頻譜資源并集成多種作戰(zhàn)功能的一體化電磁裝備逐漸成為電磁裝備的發(fā)展趨勢之一。在一體化電磁裝備中，數(shù)據(jù)處理平臺負(fù)責(zé)利用全空域的電磁信號完成多項數(shù)據(jù)分析任務(wù)，重要性尤其突出。鑒于此，分析了一體化電磁裝備數(shù)據(jù)處理平臺建設(shè)的技術(shù)需求，梳理了其中涉及的一些關(guān)鍵技術(shù)，并設(shè)計了一種適用于未來一體化電磁裝備作戰(zhàn)功能的數(shù)據(jù)處理平臺架構(gòu)。這些工作可為一體化電磁裝備的發(fā)展提供一些參考。

關(guān)鍵詞：一體化電磁裝備；數(shù)據(jù)處理平臺；分布式系統(tǒng)；同時多任務(wù)

中圖分類號：TP274文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2020）14-66-4

0引言

一體化電磁裝備是一種利用廣闊空域范圍內(nèi)的寬頻電磁信號實現(xiàn)通信[1-2]、導(dǎo)航、探測[3-4]、偵察[5]及干擾等多種功能的新型作戰(zhàn)系統(tǒng)，致力于解決現(xiàn)有電磁裝備的頻譜競爭及互擾問題以獲得更優(yōu)的作戰(zhàn)效能[6-8]。不同于常見單裝電磁裝備功能單一、信號采集與處理集于一體的特征，一體化電磁裝備通過廣域分布的大量寬頻收發(fā)節(jié)點實現(xiàn)對全空域電磁活動的監(jiān)測，借助于多中心、分布式部署的大規(guī)模數(shù)據(jù)處理平臺同時執(zhí)行多項作戰(zhàn)任務(wù)，具有更高的資源利用率以及更強的協(xié)同作戰(zhàn)能力，是未來軍事裝備發(fā)展的重要方向之一[9-10]。本文針對一體化電磁裝備的核心———數(shù)據(jù)處理平臺，研究、梳理了有關(guān)數(shù)據(jù)處理平臺建設(shè)的技術(shù)需求及關(guān)鍵技術(shù)，提出了一種具體的數(shù)據(jù)處理平臺架構(gòu)。

1數(shù)據(jù)處理平臺的技術(shù)需求

相比于現(xiàn)有的單裝電磁裝備，未來的一體化電磁裝備具有功能一體化、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、信號采集廣泛化、數(shù)據(jù)處理集中化及運行機制復(fù)雜化等特征，在解決電磁互擾問題、提升資源利用效率等方面具有顯著優(yōu)勢[11]。一種簡單的一體化電磁裝備結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。若把一體化電磁裝備形象地比作一個神經(jīng)系統(tǒng)，則廣域分布、寬頻覆蓋的大量收發(fā)節(jié)點就相當(dāng)于遍布整個戰(zhàn)場的神經(jīng)末梢，用戶端體現(xiàn)了該神經(jīng)系統(tǒng)對外部需求的響應(yīng)，管理調(diào)度資源并處理大量信息的數(shù)據(jù)處理平臺就相當(dāng)于大腦，是整個系統(tǒng)的核心部分[12]。為了實現(xiàn)一體化電磁裝備的優(yōu)點，負(fù)責(zé)核心數(shù)據(jù)處理任務(wù)的數(shù)據(jù)處理平臺要比傳統(tǒng)單裝電磁裝備的數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)復(fù)雜得多。

在功能方面，一體化電磁裝備是現(xiàn)有多型單裝電磁裝備的高效有機結(jié)合，因此其數(shù)據(jù)處理平臺應(yīng)具備通信、導(dǎo)航、探測、成像、偵察及干擾等多種信號和信息處理功能，并且這些功能不應(yīng)是單裝電磁裝備功能的簡單疊加，而是互相協(xié)同、互相增強的形式。更重要的是，一體化電磁裝備通常需要在廣域范圍內(nèi)同時執(zhí)行多個任務(wù)，這就要求其數(shù)據(jù)處理平臺具備支持同時多任務(wù)、同時多功能的能力，任務(wù)支撐環(huán)境也應(yīng)可靈活構(gòu)建和動態(tài)擴展。

在數(shù)據(jù)方面，一體化電磁裝備的“神經(jīng)末梢”是數(shù)量眾多且廣域分布的寬帶收發(fā)節(jié)點，這意味著其數(shù)據(jù)處理平臺面臨的數(shù)據(jù)是海量的，遠(yuǎn)超現(xiàn)有常見單裝電磁裝備的數(shù)據(jù)量。因此，數(shù)據(jù)的精確同步和高速存取將會比較困難。一方面需要構(gòu)建多中心的分布式存儲服務(wù)器集群以及跨中心的高速、高帶寬、低延時傳輸網(wǎng)絡(luò)；另一方面，需要為多源異構(gòu)數(shù)據(jù)創(chuàng)建統(tǒng)一的文件目錄以及合適的存取標(biāo)準(zhǔn)。

在計算資源方面，一體化電磁裝備通常需要同時執(zhí)行多個不同功能的作戰(zhàn)任務(wù)。一般而言，不同任務(wù)的數(shù)據(jù)處理方式差異很大，既有大規(guī)模信號的聚合運算，又有小規(guī)模數(shù)據(jù)的復(fù)雜處理，所以其數(shù)據(jù)處理平臺需要部署大規(guī)模的FPGA、GPU及CPU等異構(gòu)計算資源，并針對不同的運算特征進(jìn)行合理的計算資源分配。此外，硬件計算資源的動態(tài)可重構(gòu)、統(tǒng)一管理以及高度可復(fù)用等也是必須解決的問題。

2關(guān)鍵技術(shù)

相比于傳統(tǒng)電磁裝備的信號處理平臺以及處理互聯(lián)網(wǎng)信息流的云計算平臺，在具有廣域、多功能特征的一體化電磁裝備中承擔(dān)著核心信號和信息處理功能的數(shù)據(jù)處理平臺面臨著數(shù)據(jù)量更大、實時性要求更高、數(shù)據(jù)處理機制更復(fù)雜的挑戰(zhàn)，因而需要突破多項關(guān)鍵技術(shù)，具體可歸納為以下幾點：

（1）異構(gòu)計算資源重構(gòu)技術(shù)

一體化電磁裝備的任務(wù)、數(shù)據(jù)和算法特征要求數(shù)據(jù)處理平臺支持多路信號同時接入、高帶寬信號聚合處理、大規(guī)模并行計算以及復(fù)雜信息處理等多種功能，這對數(shù)據(jù)處理平臺的高吞吐、低延遲和高并發(fā)能力提出了很高的要求，因此需要設(shè)計專用的支持多型異構(gòu)處理器協(xié)同處理的體系架構(gòu)。其中，搭配高速網(wǎng)卡的CPU承接信號同步接入等任務(wù)，F(xiàn)PGA承接寬帶信號聚合和大規(guī)模并行計算等任務(wù)，GPU承接復(fù)雜信息處理等任務(wù)。由于一體化電磁裝備的任務(wù)、數(shù)據(jù)和算法是動態(tài)變化的，這就要求其數(shù)據(jù)處理平臺具有良好的計算資源可重構(gòu)性及可擴展性，支持面向不同任務(wù)動態(tài)重組各型計算資源的功能。

（2）多維度資源管控技術(shù)

多維度資源管控技術(shù)主要包括異構(gòu)資源狀態(tài)感知技術(shù)、異構(gòu)資源統(tǒng)一調(diào)度技術(shù)和分布式多中心協(xié)同管理技術(shù)3個方面。利用異構(gòu)資源狀態(tài)感知技術(shù)，可實時監(jiān)測數(shù)據(jù)處理平臺的內(nèi)存、CPU、GPU及FPGA等計算資源的運行狀態(tài)，為用戶端提供準(zhǔn)確的狀態(tài)信息。異構(gòu)資源統(tǒng)一調(diào)度技術(shù)主要用于實現(xiàn)對數(shù)據(jù)處理平臺各型計算資源的管理和調(diào)度，以支撐計算環(huán)境的構(gòu)建和計算任務(wù)的執(zhí)行。一體化電磁裝備的數(shù)據(jù)處理平臺是由異地分布的多個數(shù)據(jù)處理中心構(gòu)建而成的，這樣便于對不同收發(fā)節(jié)點獲取的電磁信號進(jìn)行分級處理，也能夠顯著增強系統(tǒng)的抗摧毀能力。這種情況下，分布式多中心協(xié)同管理技術(shù)可在全網(wǎng)統(tǒng)一的資源池基礎(chǔ)上，根據(jù)任務(wù)需求配置就近中心的處理資源，并對全局任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃和跨中心調(diào)度，達(dá)到提高系統(tǒng)資源利用效率的目的。

（3）多中心協(xié)同處理技術(shù)

多中心協(xié)同處理技術(shù)主要涉及異構(gòu)資源分布式任務(wù)規(guī)劃、多維數(shù)據(jù)協(xié)同處理及分布式流計算緩沖同步等。針對一體化電磁裝備數(shù)據(jù)處理平臺涉及多型計算資源的情況，異構(gòu)資源分布式任務(wù)規(guī)劃技術(shù)用于建立基于異構(gòu)資源的計算任務(wù)描述模型，并提供基于異構(gòu)計算的處理任務(wù)描述等。針對一體化電磁裝備涉及多維度、多類型數(shù)據(jù)的特征，多維數(shù)據(jù)協(xié)同處理技術(shù)用于支持子任務(wù)間分布式協(xié)同計算的數(shù)據(jù)處理模式以及基于內(nèi)容感知的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析計算模式。針對電磁波數(shù)據(jù)由多個收發(fā)節(jié)點采集并經(jīng)高速網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)那闆r，分布式流計算緩沖同步技術(shù)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)流緩沖與處理能力的同步，通過數(shù)據(jù)緩沖區(qū)管理，控制計算資源的數(shù)據(jù)拉取或推送進(jìn)度，以實現(xiàn)消息流傳輸與處理進(jìn)度的匹配。

（4）大規(guī)模數(shù)據(jù)高速存取技術(shù)

一體化電磁裝備的原始電磁信號具有規(guī)模大、類型多、來源廣泛等特征，其存取面臨著諸多困難。為了解決這些困難，需要構(gòu)建多個分布式大數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器集群，以實現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)高速存取。因此，有必要研究存儲服務(wù)器集群的分布式部署架構(gòu)，突破大規(guī)模數(shù)據(jù)分布式存儲技術(shù)，基于物理分散、邏輯共享模式解耦數(shù)據(jù)的供需關(guān)系，實現(xiàn)信號級/數(shù)據(jù)級/情報級數(shù)據(jù)的高效管理。此外，還需要研究分布式異構(gòu)數(shù)據(jù)資源的高效訪問技術(shù)，建立面向用戶的全局?jǐn)?shù)據(jù)資源視圖，提供訪問異構(gòu)數(shù)據(jù)資源的統(tǒng)一接口，完善分布式存儲服務(wù)器異構(gòu)數(shù)據(jù)的大規(guī)模高速并發(fā)訪問功能。

3數(shù)據(jù)處理平臺架構(gòu)設(shè)計

在梳理一體化電磁裝備數(shù)據(jù)處理平臺技術(shù)需求和關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，將單裝電磁裝備的信號處理技術(shù)與新興的大數(shù)據(jù)和云計算理念相結(jié)合，提出了一種適用于未來一體化電磁裝備的數(shù)據(jù)處理平臺架構(gòu)，如圖2所示，該數(shù)據(jù)處理平臺架構(gòu)主要分為應(yīng)用層、執(zhí)行層和基礎(chǔ)設(shè)施層3個層。

各層的功能分別如下：

應(yīng)用層：系統(tǒng)與用戶交互的接口，主要包括通信、導(dǎo)航、探測、成像、偵察及干擾等現(xiàn)有電磁裝備中比較常見的應(yīng)用。在一體化電磁裝備的數(shù)據(jù)處理平臺上，每個應(yīng)用都是一個獨立的軟件APP，遵循預(yù)先設(shè)定的接口和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，并且可以在平臺上便捷地安裝和卸載。另外，相比于單裝電磁裝備，一體化電磁裝備中的應(yīng)用要更加復(fù)雜得多，因為一體化電磁裝備能夠獲得更廣闊空域、更寬頻帶的多源電磁信號，所以各應(yīng)用可以通過多源信號/信息融合，實現(xiàn)更優(yōu)的性能。

執(zhí)行層：數(shù)據(jù)處理平臺的核心，涉及數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)存取和管理控制3個方面。數(shù)據(jù)計算主要指將待執(zhí)行任務(wù)分解為多個由處理模塊表述的子任務(wù)，并根據(jù)不同計算資源的特征將這些子任務(wù)分配給不同的計算資源；數(shù)據(jù)存取主要解決大規(guī)模異構(gòu)數(shù)據(jù)的分布式、多中心高速存儲和讀取問題；管理控制主要是對系統(tǒng)的多中心交互、支撐環(huán)境、硬件資源以及任務(wù)執(zhí)行等動態(tài)監(jiān)測和管理。

基礎(chǔ)設(shè)施層：包括多個FPGA、GPU和CPU服務(wù)器集群，以及高速交換網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)存取服務(wù)集群等，為執(zhí)行層提供底層的硬件支撐環(huán)境?；A(chǔ)設(shè)施層應(yīng)具有良好的可擴展功能，支持FPGA、GPU及CPU等運算資源的即插即用，并且能夠動態(tài)監(jiān)控各運算資源的工作狀態(tài)，對出現(xiàn)故障的運算資源進(jìn)行及時隔離。

這種應(yīng)用層、執(zhí)行層和基礎(chǔ)設(shè)施層3層獨立的平臺架構(gòu)從頂層設(shè)計的角度實現(xiàn)了多應(yīng)用同時運行、多中心協(xié)同計算、異構(gòu)計算資源分工協(xié)作、大規(guī)模異構(gòu)數(shù)據(jù)高速存取、系統(tǒng)功能動態(tài)重構(gòu)及資源分配彈性調(diào)整等功能，為一體化電磁裝備更合理、更充分地利用空間電磁資源奠定了基礎(chǔ)。

4數(shù)據(jù)處理平臺的應(yīng)用

隨著傳統(tǒng)的單裝電磁裝備逐漸難以滿足日趨復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境要求，一體化電磁裝備的理論研究和工程實踐逐漸吸引了廣大科研人員的注意力。本文所提適用于一體化電磁裝備的數(shù)據(jù)處理平臺設(shè)計方案及其簡化形式在通信雷達(dá)一體化、電磁信號綜合利用等工程實踐中獲得了較多應(yīng)用，并取得了較好的效果。

5結(jié)束語

重點研究了數(shù)據(jù)處理平臺，從作戰(zhàn)功能、數(shù)據(jù)存取、硬件計算資源及分布式部署等方面梳理了基本的技術(shù)需求，并總結(jié)了一體化電磁裝備數(shù)據(jù)處理平臺發(fā)展過程中涉及的一些關(guān)鍵技術(shù)，包括異構(gòu)計算資源重構(gòu)技術(shù)、多維度資源管控技術(shù)、多中心協(xié)同處理技術(shù)和大規(guī)模數(shù)據(jù)高速存取技術(shù)等。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種由應(yīng)用層、執(zhí)行層和基礎(chǔ)設(shè)施層構(gòu)成的數(shù)據(jù)處理平臺實現(xiàn)架構(gòu)，為未來一體化電磁裝備的發(fā)展提供了一些有意義的參考。

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