新一代频谱管理系统研发方案-2.doc

新一代频谱管理系统体系结构研究 杨 金 河 (原广州军区无线电管理技术站 广东 广州 510063)摘 要：研究发现，频管系统的体系结构（即设备、系统和网络的构件功能及相互间的结构关系）影响到了系统管理功能与频谱管理任务的衔接、国产频管系统的生产方式又限制了频管系统的发展。（系统集成商迅速发展，设备生产商发展缓慢，国产设备未能作为主流设备被集成到频管系统中）本文围绕频谱监测分析网络的体系结构，从设备、系统、网络三个方面：研究新型国产频管设备的体系结构，使其成为频管系统主流设备；研究新型频管系统的体系结构，使其成为新型频管网络主流系统；研究新型频管网络的体系结构，使其满足我国无线电管理工作大部分需求。关键词：无线电频谱 监测系统 体系结构 研究New generation of spectrum management system architecture research Studyshowsitisthefrequencycontrolsystemarchitecture(ie,equipment,systemsandnetworkcomponentsfunctionandinter-structurerelations)thatinfluencesthetaskconnectionbetweenthesystemmanagementfunctionsandthespectrummanagement,whereasdomesticfrequencycontrolsystemofproductionlimitsthedevelopmentoffrequencymanagementsystems.(TheSystemintegratorsdeveloprapidly,theequipmentmanufacturersdevelopataslowpace,anddomesticequipmenthaveyetbecomeintegratedasamainstreamdeviceintothefrequencycontrolsystem)Thispaperfocusesonspectrummonitoringofnetworkarchitecture,fromthethreeareasofequipment,systemsandnetworks.Itstudiesthenetworkarchitectureofnewdomesticfrequencycontroldevicestomakeitbecomethemainstreamequipment;italsoinvestigatesthearchitectureofnewfrequencycontrolsystemtomakeitbecomethenewmainstreamfrequencycontrolnetworksystem;anditresearchontothearchitectureofnewfrequencycontrolnetworktosatisfydemandoftheradiomanagement. Keywords: radio spectrum monitoring systems architecture research1.概述我们正处在一个变革的年代：射频技术快速发展，3GHz或更高频段的高频设备研发生产能力迅速提高，技术越来越开放；标准化越来越深入，我国基础工业中这个薄弱的环节正在走出低谷，振兴国产频管设备的国内外条件正在走向成熟。但是，为什么频管设备集成商没能带动国产设备生产商同步发展？为什么现有频管设备资源得不到充分有效利用？为什么频管系统的发展一直徘徊在结构、标准、体系之外？而在十二五期间:我国国产监测设备能覆盖哪些无线电管理业务? 国产频管系统如何根据国产频管设备进行体系结构的调整才会更加科学、合理?国产监测设备和进口监测设备按什么原则、多大比例、如何集成在国产频管系统中? 本文围绕频管系统体系结构，从设备、系统、网络三个方面进行研究，以管理、研发实践为基础，从传统频管系统存在的共性问题入手，研究如何重新构建新型国产化设备体系、重新划分监测系统基本构件、重新构造监测网络新概念以建立新型体系结构。2.体系结构的研究是新型频管系统研究的焦点构件、模块、结构是一个系统的构成要素，近年来，结构越来越被人们所重视，认为系统构件间的结构特性和家族特性对系统产生着很大的影响。所谓系统体系结构研究的就是系统构件功能和构件间相互的关系。任务决定系统；系统决定装备；装备决定所服务的业务。由于设备结构影响着系统结构、系统结构影响着网络结构，所以，新一代频管网络研发方案必须从设备、系统入手进行全面的体系结构方面的研究。传统频管网络结构如图1所示， 图1.传统频管网络结构本文主要研究新型国产频管设备的体系结构，使其成为频管系统主流设备；研究新型频管系统的体系结构，使其成为新型频管网络主流系统；研究新型频管网络的体系结构，使其满足我国无线电管理工作大部分需求。新一代频管系统中设备体系结构、系统体系结构、网络体系结构构想如图2所示，将在文中进行详细研究。本文将分三个部分进行阐述和分析：第一部分：设备体系结构研究，第二部分：系统体系结构研究，第三部分：网络体系结构研究3.设备体系结构研究3.1研究内容：监测设备国产化对频管系统的影响；监测任务对监测设备的影响；监测设备技术指标对监测系统的影响；监测设备根据监测任务的进行分类的方法。监测设备是无线电监测的物理基础，在过去的几十年里，以进口频谱接收设备为主要组成部分的远端监测站远无法大面积覆盖。电磁管理能力取决于电磁感知能力 ，电磁感知能力取决于电磁感知设备，提高频谱管理能力一项基础的工作就是致力于电磁感知能力的提高。电磁感知能力的提高则取决于国产化设备的大面积普及。国产监测设备正在走向成熟。但其技术指标将能满足哪些无线电管理业务?其结构怎样设计才能满足国产频管系统的要求？如果我们把频谱管理工作细化，把频谱管理设备模块化，把管理业务与管理地域乃至具体的无线电业务相关联，不同的管理业务配置不作者简介：杨金河（1956-10-01），男，河南，高级工程师，大学 email:yang_ 图2.新型频管网络体系结构图同的监测设备模块，那么国产化设备完全可以满足管理工作的需求，完成大部分无线电管理任务。因此我们研究设备的同时必须研究设备所担负的任务。特别是面对越来越宽的工作频段，越来越丰富的业务。3.2存在问题3.2.1监测设备国产化刚起步3.2.2监测设备的技术指标与监测任务的不匹配优秀的系统在于设备资源的合理配置在无线电管理工作中，管理业务对应着监测频段、对应着满足业务相关的技术指标的监测设备，如果配置更高技术指标的设备将造成设备资源和经费的浪费；如果配置技术指标的设备较低的设备，将无法满足管理工作需求。设备资源的冗余度影响到了频管系统的建设。设备技术指标决定系统技术指标，系统技术指标决定业务管理能力。3.2.3异构监测设备制约了系统的一致性、相关性和互联性。在当前林林总总的洋设备中，设备接口、通信协议、指令系统、数据格式形形色色，五花八门。在不同公司监测设备基础上开发的系统无法融合其它公司的监测设备工作。3.2.4装备配置系统设计的功能不协调。特殊区域、特殊的无线电业务的管理则需要专用的监测设备；不同监测业务，期待着相应的监测设备配套。在一些特殊的区域，比如荒漠中的雷达、航天、导弹发射等业务的监测管理，仅需要满足频率范围、分辨率带宽、幅度指标、扫描速度的监测设备就足以完成监测管理任务。由此引发专用监测设备、专用监测单元的设备结构。重要的是，与不同用监测业务配套的监测设备并不都需要价格昂贵的高端频谱监测设备，根据需求配套不同档次的监测设备就完全可以满足工作需求。3.3解决方案3.3.1推动频管设备的国产化，为新一代频管系统奠定基础：频管设备的国产化将方便灵活的研发生产不同规格、不同型号、不同技术指标、不同用途的设备系列，从而奠定新一代频管系统体系结构的物理基础。频管设备国产化是我国无线电管理工作走向现代化的至关重要重要的环节。3.3.2推动新一代设备体系结构的研究监测设备国产化是实现新一代设备体系结构的基础。新一代设备体系结构如图2所示：单监测设备、监测处理设备、监测分析设备、单分析设备、监测单元、监测模块。设备体系结构的改变使得系统模块或构件间的相互关系可以得到灵活的组合和调整，从而改善传统频管系统中各个方面的不足。 单监测设备（如传感器、频谱黑匣子、电磁记录仪）的诞生可以灵活的根据所监测区域的业务性质配置不同参数和技术指标的监测设备，从而大大降低建站费用，提高辖区电磁信息的感知能力；提高设备和任务配套的合理性等。监测处理设备（如小型站、远端站）的国产化产品将大大降低监测站的建设费用；可以灵活的根据所监测区域的业务性质配置不同参数和技术指标的监测设备，可以降低建站费用；可以提高辖区电磁信息的感知能力；可以提高设备和任务配套的合理性等。监测分析设备（如手持机、便携机）的国产化产品将极大的提高电磁信息的现场监测、分析、处理能力，将传统的监测设备扩充到更加广阔的领域，将监测分析处理能力延伸到技术管理工作的现场，分析设备（掌上采集分析仪）的国产化产品将会把新一代频管系统带来一种更为灵活的组织方式。这种掌上设备可以灵活地控制任意一种频谱接收设备（国产的或进口的）进行监测、分析、处理；可以在现场采集任一远端监测设备的电磁信息，在现场进行数据融合分析；可以与数据中心服务器沟通，在现场获取数据中心的资料，在现场进行分析。此外还极大的降低设备购置费用；灵活的根据所监测区域的业务性质配置不同参数和技术指标的监测设备；可以降低建站费用；可以提高辖区电磁信息的感知能力；可以提高设备和任务配套的合理性等。监测单元将电磁信息的感知处理进一步简化、单元化、这样做的目的有三条：一是将一部分简单、小型的频管业务融入相关的无线电业务之中；二是将频管工作人员的工作解放到非频管工作人员手中；三是将专用的频谱管理设备延伸为某种无线电业务附属的、配套保障单元。监测模块则将成为无线电业务系统集成的一部分。它将频管功能直接带进业务系统，如在雷达系统中监测分析选择最优工作频率等。3.3.3监测设备分类为了突出重点，降低成本从而扩大电磁环境的监测覆盖能力、增加监测处理设备的配置范围和数量，提高电磁信息的感知、处理能力，我们十分必要对监测设备进行分类。如图3所示，设备的分类对应着不同的性能、规格和指标，为系统体系结构的设计、优化，性能的提高、打造优秀的频管系统奠定了物理基础，设备的分类对应着不同的技术管理业务。不同的任务需求将有性能指标适合的设备与之配套，这将是新一代频管系统活的灵魂。监测设备的分类是频管系统体系结构设计的重要一环。3.3.4科学的研发生产方法任何一个新产品的问世不外乎出自以下三种模式：发明、制造和模仿。发明是研制新产品的科学方法。发明者就是使用者，为提高自身的生产力为目的而去改造生产工具；怎么快怎么好就怎么改造；持续不断的构思、试验、升华，直至完美。 图3.监测设备的分类参与无线电管理工作的团队研发生产出来的频谱管理设备才会是好用的设备！因此，只有深入地了解无线电管理工作的内涵，大量的掌握无线电管理的方法和手段，从管理工作中抽象出来一个无线电频谱管理系统方案并逐步实现预定的功能并贯彻于设备研发生产的全过程，才能将频管系统融入无线电管理工作当中。4.系统体系结构研究4.1监测系统逻辑分割装备决定手段、手段决定方法，在这里将研究如何将传统的频管系统中的功能模块重新进行逻辑分割.分割的目的是以设备结构体系为基础进行系统结构关系及连接关系的重新设计，从而解决传统频管系统中存在的问题。这里将在监测设备的基础上研究相互之间的结构和连接关系，最大限度的利用现有资源整合出科学、合理、适于应用的新一代频管系统。如图4所示，我们把监测分析系统从逻辑上分成监测系统、档案系统和分析系统。这样分割是为了解决如下存在的问题： 图4.监测系统的逻辑分割4.1.1异构设备的互联，系统与设备的匹配时出现的问题。4.1.2异构网系的互联，系统间互联时出现的问题。4.1.3监测与分析功能之间的取舍，在结构上需要追求时间效率时出现的问题。4.1.4辖区电磁信息的感知能力，在结构上当电磁信息感知能力上升为主要矛盾时出现的问题。4.1.5物理数据的处理，即监测结果如何转换成管理工作最需要的信息及数据形式时需重点研究的问题。4.1.6管理数据的分发与共享。无线电管理部门所有工作的目标，是为国家各个无线电行业提供管理和技术依据，通过监测分析等一系列过程得到的无线电信号属性数据需要方便的分发、共享给相关的使用单位。4.1.7异构设备、异构网系、异时、异地的电磁信息数据融合与交叉分析解决这些问题必须在系统的功能模块的逻辑分割及结构连接方面有所突破与创新。如图5所示，我们把频管系统分割成监测、档案、分析三个逻辑模块，这样将有利于系统结构方面的设计和功能方面的最佳整合，这种结构十分便于监测、分析功能在时间和空间上的分割组合。4.2档案系统 研究内容：引发档案理论，是为了：研究监测功能和分析功能在时间和空间上的分割与结合；研究空中电磁环境历史的记录与重现；研究准确描述与得到无线电信号的方法与手段；研究监测系统的运行模式等而建立的体系结构。4.2.1监测与分析在时间和空间上的分割与结合 图5. 监测与分析在时间和空间上的分割与结合方法我们把监测分析系统分割成为监测功能和分析功能.分割开来的两个模块,既可以分,又可以合,如图5所示的运行模式。运行模式是新一代频管下图体系结构中需要建立的概念。运行模式是监测与分析在速度与时间上的调节器。当无线电管理任务中对监测处理速度提出较高要求时,可以停止数据的存储与分析而提高实时监测的速度，即后台监测；当对监测处理速度要求不高时,可以在监测的同时进行数据的存储与分析即前台分析后台监测；而当监测数据与时间空间无关而独立存在时，我们更能优化后面述及的分析功能与方法。4.2.2电磁环境档案电磁环境档案是监测与分析的沟通媒介。电磁环境档案理论的生命力在于：第一,一切分析处理都可以在任意时刻进行，第二,档案理论任意网系,任意设备,任意时间,任何地域采集的频谱数据均可进行融合,关联与分析第三,离线分析本身就可以解决大部分管理与决策的问题档案的建立引发了设备结构的改造及电磁记录仪的研发生产，为记录电磁信息档案而进行监测。档案的分析推动了无线电信号描述方法的研究。档案的分析使之可以脱离系统而存在：一切都可以在任意时刻进行，一切都可以在任意地点进行。4.2.3研究描述无线电信号的方法.如图6所示我们用七种属性二十余个字段较准确地描述一个无线电信号: 图6. 描述无线电信号的方法4.2.4档案内容与获取途径。电磁环境档案包括原始频谱库、信号属性库、比对频谱库、条件信号库、可用频率库、可用频谱库、动态可用库、动态信息库等。这些档案数据获取途径可以来自一个监测网系、监测设备、传感器、电磁记录仪、黑匣子等监测设备。4.3分析系统这里将研究将监测到的物理数据转换为管理数据的方法，如图所示：研究从频谱中分析信号属性的方法；研究从频谱中分离信号的方法；研究从频谱中分离噪声的方法；我们可以通过一种分析的方法从频谱数据中分离出信号并通过识别、评估、预测、捕获、生成、筛选等方法得到信号的大部分属性。这里，还将研究将分析系统扩充至更大的范畴。如图7所示：一是将分析系统独立成为分析软件。分析软件的优点在于可以简单的安装在普通的电脑上使用以方便大范围普及； 图7. 物理数据转换为管理数据的方法二是研发生产专用的分析设备。这种设备可以进行现场分析；可以现场控制监测设备；可以获取远端的频谱数据进行分析。三是提供网络分析服务。通过网络为更多的管理人员及相关应用人员提供分析服务。四是在非频管系统中嵌入分析模块，直接为无线电业务提供管理服务。5.网络体系结构这里将研究构件、模块、结构对系统功能的影响并在传统频管系统的基础上建立一系列崭新的概念。这些概念将解决传统频管系统中因为构件、模块结构的不合理而带来的系统和网络体系结构的不合理。 我们曾深入研究过构件、模块