電磁頻譜管理仿真數(shù)據(jù)服務(wù)的需求分析與實(shí)現(xiàn)

電磁頻譜管理仿真數(shù)據(jù)服務(wù)的需求分析與實(shí)現(xiàn)

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的快速發(fā)展，復(fù)雜的電氣環(huán)境已經(jīng)成為信息時(shí)代的一個(gè)重要特征。頻譜管理仿真系統(tǒng)作為新興的電磁頻譜管理技術(shù)手段,以科學(xué)實(shí)驗(yàn)、理論和方法為基本依據(jù),采用計(jì)算機(jī)仿真建模技術(shù)分析頻率規(guī)劃和頻率管控問題,有效推進(jìn)了電磁頻譜管理工作由粗放定性模式向精確定量模式的轉(zhuǎn)變。頻譜管理仿真數(shù)據(jù)主要包括3種,分別是仿真系統(tǒng)加載的仿真模型、驅(qū)動(dòng)仿真系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和仿真系統(tǒng)運(yùn)行生成的數(shù)據(jù)。對(duì)于電磁頻譜管理仿真(以下簡稱“頻管仿真”)而言,頻管仿真數(shù)據(jù)服務(wù)目標(biāo)就是有效存儲(chǔ)、管理和使用仿真數(shù)據(jù),輔助完成頻管仿真實(shí)驗(yàn)任務(wù)。那么如何實(shí)現(xiàn)頻管仿真數(shù)據(jù)服務(wù)的目標(biāo),支撐頻管仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)應(yīng)用需求?這需要在綜合頻管仿真實(shí)驗(yàn)任務(wù)特點(diǎn)和仿真實(shí)驗(yàn)開展各階段特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,構(gòu)建一個(gè)結(jié)構(gòu)合理、功能完備的頻管仿真數(shù)據(jù)服務(wù)應(yīng)用軟件。1頻管仿真實(shí)驗(yàn)大型軟件系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)需要完備的數(shù)據(jù)服務(wù)應(yīng)用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)支撐。頻管仿真系統(tǒng)是面向電磁頻譜管理全過程的技術(shù)支撐手段。從用頻設(shè)備的使用角度看,頻管仿真實(shí)現(xiàn)過程既要考慮用頻設(shè)備開設(shè)場景的仿真問題,又要考慮用頻設(shè)備組織運(yùn)用的仿真實(shí)驗(yàn)問題;從無線電波的全壽命角度看,頻管仿真的數(shù)據(jù)處理過程既要考慮收發(fā)機(jī)和收發(fā)天線的頻譜特性問題,又要考慮傳輸信道的電波傳播衰減特性問題。上述問題所涉及的數(shù)據(jù)種類多、數(shù)據(jù)形態(tài)各異、容量需求大,需要結(jié)構(gòu)合理、內(nèi)容完備的頻管仿真數(shù)據(jù)服務(wù)應(yīng)用軟件輔助仿真系統(tǒng)有效運(yùn)行。本文從頻管仿真實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)不同方面,對(duì)頻管仿真數(shù)據(jù)服務(wù)應(yīng)用軟件進(jìn)行需求分析和討論。根據(jù)實(shí)驗(yàn)服務(wù)內(nèi)容劃分,仿真實(shí)驗(yàn)主要面向電磁頻譜規(guī)劃和電磁頻譜管控兩個(gè)業(yè)務(wù)方向。這兩類業(yè)務(wù)服務(wù)對(duì)象多、服務(wù)需求多、用頻設(shè)備多、設(shè)備應(yīng)用模式多、分布地域范圍廣。為服務(wù)仿真系統(tǒng),應(yīng)用軟件需要具備支撐海量數(shù)據(jù)的能力,具備強(qiáng)大的用頻裝備頻譜特性模型、用頻裝備組織應(yīng)用模型以及用頻裝備實(shí)體模型的存儲(chǔ)能力。根據(jù)實(shí)現(xiàn)階段劃分,頻管仿真系統(tǒng)可分為建模平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)兩個(gè)部分,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)調(diào)用建模平臺(tái)構(gòu)建的各類模型和仿真數(shù)據(jù)來分析任務(wù)。應(yīng)用軟件負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和管理仿真建模平臺(tái)構(gòu)建的模型和數(shù)據(jù),然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需求,將這些模型和生成數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化和處理,供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)加載,驅(qū)動(dòng)整個(gè)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行。從這個(gè)角度來看,仿真系統(tǒng)需要應(yīng)用軟件作為連接建模平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的紐帶。綜上所述,頻譜管理仿真數(shù)據(jù)服務(wù)應(yīng)用軟件是用于管理和維護(hù)頻管仿真全過程所需的各種數(shù)據(jù)資源的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。應(yīng)用軟件的功能首先要滿足與仿真系統(tǒng)互聯(lián)互通的需求,其次要滿足全方位、全過程支撐仿真模型和數(shù)據(jù)管理的需求,最后要滿足支撐數(shù)據(jù)調(diào)度和協(xié)調(diào)的需求。2系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)仿真系統(tǒng)與管理軟件的集成應(yīng)用軟件負(fù)責(zé)對(duì)仿真過程所涉及的模型和數(shù)據(jù)進(jìn)行合理分類,采用層次化管理的方式逐級(jí)理順仿真數(shù)據(jù)與仿真系統(tǒng)的邏輯關(guān)系,以達(dá)到模型和數(shù)據(jù)的快速調(diào)用、高效存儲(chǔ)的目的,從而保障仿真系統(tǒng)合理準(zhǔn)確運(yùn)行。從邏輯結(jié)構(gòu)的角度出發(fā),應(yīng)用軟件自底向上分為數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、功能層和應(yīng)用層四層體系結(jié)構(gòu),如圖1所示。數(shù)據(jù)層是應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)核心部分,分為基礎(chǔ)庫、模型庫和運(yùn)行庫3個(gè)部分。網(wǎng)絡(luò)層利用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)頻管仿真系統(tǒng)與數(shù)據(jù)管理軟件間的雙向交互。雙向交互包括仿真系統(tǒng)向數(shù)據(jù)管理軟件輸入線下仿真模型和仿真數(shù)據(jù)的過程,以及數(shù)據(jù)管理軟件向仿真系統(tǒng)提供運(yùn)行模型和初始化數(shù)據(jù)的過程。功能層提供完成軟件的任務(wù)需求所必須具備的各項(xiàng)基本功能,通過基本功能的組合來實(shí)現(xiàn)用戶意圖。應(yīng)用層面向支撐對(duì)象,按照仿真服務(wù)方向劃分,可分為電磁頻譜規(guī)劃仿真數(shù)據(jù)支撐和電磁頻譜管控仿真數(shù)據(jù)支撐。其中,數(shù)據(jù)層和功能層的設(shè)計(jì)與開發(fā)是軟件功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),本文將繼續(xù)深入闡述。3仿真數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件具備6項(xiàng)基本功能,分別是數(shù)據(jù)管理功能、數(shù)據(jù)檢索功能、智能篩選功能、文件生成功能、用戶管理功能和統(tǒng)計(jì)計(jì)算功能,如圖2所示。數(shù)據(jù)檢索功能可通過精確查詢和模糊查詢兩種模式,提供所有頻譜管理仿真數(shù)據(jù)庫內(nèi)容的檢索能力。智能篩選功能,幫助用戶在建立仿真模型的過程中根據(jù)用戶對(duì)建設(shè)內(nèi)容的描述,并結(jié)合建設(shè)內(nèi)容中之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行自動(dòng)梳理,向用戶推薦合理的仿真模型和仿真數(shù)據(jù)作為仿真建模的參考。數(shù)據(jù)管理功能可細(xì)分為合法性驗(yàn)證功能、需求認(rèn)證功能和數(shù)據(jù)庫管理功能。合法性驗(yàn)證功能是對(duì)用戶通過仿真建模平臺(tái)建立的仿真模型和數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)合理性和內(nèi)容完備性驗(yàn)證;需求認(rèn)證功能,是在對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各個(gè)功能模塊的數(shù)據(jù)需求進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,將應(yīng)用軟件的功能和仿真數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容進(jìn)行關(guān)聯(lián)映射;數(shù)據(jù)庫管理功能包括數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出、數(shù)據(jù)的添加修改刪除以及數(shù)據(jù)庫的備份和恢復(fù)等。輔助計(jì)算功能,利用服務(wù)器的運(yùn)算能力,通過調(diào)用存儲(chǔ)過程,利用數(shù)據(jù)庫的計(jì)算功能完成大量仿真數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算工作。文件生成和打印功能,可生成并打印用于描述頻譜管理仿真過程的基本信息。用戶管理功能可以對(duì)用戶進(jìn)行身份認(rèn)證,劃分用戶等級(jí),規(guī)定用戶的使用權(quán)限。4仿真系統(tǒng)開發(fā)頻譜管理仿真實(shí)驗(yàn),從方案準(zhǔn)備到仿真實(shí)驗(yàn)開展需要經(jīng)歷仿真模型開發(fā)、仿真資源加載和仿真系統(tǒng)運(yùn)行3個(gè)階段。那么,以頻譜管理仿真實(shí)驗(yàn)的3個(gè)階段為劃分依據(jù),頻譜管理仿真數(shù)據(jù)庫可分為基礎(chǔ)模型數(shù)據(jù)庫、仿真模型數(shù)據(jù)庫和仿真運(yùn)行數(shù)據(jù)庫3個(gè)部分,如圖3所示。4.1頻譜管理仿真系統(tǒng)專業(yè)無線電技術(shù)仿真軟件(SystemVue、WirelessInside、HFSS等)在無線電技術(shù)仿真計(jì)算領(lǐng)域有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)可供仿真系統(tǒng)加以利用。然而專業(yè)無線電技術(shù)仿真軟件接口對(duì)頻譜管理仿真系統(tǒng)不開放,以致仿真系統(tǒng)無法直接使用無線電專業(yè)技術(shù)仿真軟件的模型?；A(chǔ)模型數(shù)據(jù)庫建立的目的是指導(dǎo)無線電專業(yè)技術(shù)軟件建立仿真模型,通過運(yùn)行這些仿真模型獲得對(duì)頻譜管理仿真系統(tǒng)透明的各類專項(xiàng)仿真計(jì)算數(shù)據(jù),從而利用專項(xiàng)仿真計(jì)算數(shù)據(jù)為頻譜管理仿真系統(tǒng)仿真運(yùn)行服務(wù)?；A(chǔ)模型數(shù)據(jù)庫并不直接為仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)行服務(wù),而是為仿真建模平臺(tái)中專業(yè)無線電技術(shù)軟件仿真模型開發(fā)以及仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)程序開發(fā)提供數(shù)據(jù)參考和指導(dǎo)?；A(chǔ)模型數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)和管理的內(nèi)容主要是利用專業(yè)無線電技術(shù)仿真軟件建立仿真模型時(shí)需要配置的關(guān)鍵環(huán)節(jié)以及這些仿真模型的物化形式等信息。根據(jù)無線電技術(shù)仿真模型的種類,基礎(chǔ)模型數(shù)據(jù)庫可分為鏈路級(jí)仿真基礎(chǔ)模型庫、電波傳播基礎(chǔ)模型庫、天線仿真基礎(chǔ)模型庫和實(shí)體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)模型庫,其中鏈路級(jí)仿真基礎(chǔ)模型庫包括通信發(fā)射機(jī)基礎(chǔ)模型表、通信接收機(jī)基礎(chǔ)模型表、通信鏈路基礎(chǔ)模型表、雷達(dá)基礎(chǔ)模型表、干擾分析基礎(chǔ)模型表。電波傳播基礎(chǔ)模型庫和天線仿真基礎(chǔ)模型庫根據(jù)各類模型實(shí)現(xiàn)形式和手段不同可做進(jìn)一步劃分。實(shí)體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)模型庫賦予用頻裝備實(shí)體在仿真過程中運(yùn)動(dòng)的特性,根據(jù)承載用頻裝備運(yùn)輸工具不同可分為車輛動(dòng)力學(xué)模型表、艦船動(dòng)力學(xué)模型表和飛行器動(dòng)力學(xué)模型表。4.2仿真系統(tǒng)與軟件的連接仿真模型數(shù)據(jù)庫與基礎(chǔ)模型數(shù)據(jù)庫不同,仿真模型數(shù)據(jù)庫的表項(xiàng)設(shè)置直接為無線電管理系統(tǒng)級(jí)仿真實(shí)驗(yàn)需求服務(wù)。因此,仿真模型數(shù)據(jù)庫中的仿真模型和數(shù)據(jù)從結(jié)構(gòu)到內(nèi)容都是對(duì)頻譜管理仿真系統(tǒng)完全開放的,是各類異構(gòu)無線電仿真模型和數(shù)據(jù)的本地化映射。通過頻譜管理仿真數(shù)據(jù)服務(wù)應(yīng)用軟件可實(shí)現(xiàn)與仿真系統(tǒng)無縫連接。仿真模型數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)為仿真背景環(huán)境和仿真用頻設(shè)備實(shí)體提供基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)、頻譜特性數(shù)據(jù)和各類計(jì)算模型,滿足仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)行需求。在仿真實(shí)驗(yàn)初始化階段,仿真模型數(shù)據(jù)庫需要向頻譜管理仿真系統(tǒng)提供實(shí)體模型、電波傳播模型、可視化模型和地理信息模型。因此,仿真模型庫又可分為實(shí)體模型庫、電波傳播模型庫、可視化模型庫和地理信息模型庫。實(shí)體模型庫中發(fā)射機(jī)模型表、接收機(jī)模型表和天線模型表,不但有發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和天線的基本參數(shù)指標(biāo)而且還包括對(duì)應(yīng)的專業(yè)無線電仿真模型運(yùn)行的結(jié)果數(shù)據(jù)。電波傳播模型庫中的電波傳播模型表根據(jù)電波傳播模型的存在形式不同,可以存儲(chǔ)電波傳播模型文件的路徑、電波傳播模型統(tǒng)計(jì)計(jì)算公式或者電波傳播頻率、距離和衰減的數(shù)據(jù)表?？梢暬Ｐ蛶齑鎯?chǔ)內(nèi)容是2D和3D的可視化文件。地理信息模型庫負(fù)責(zé)存儲(chǔ)各個(gè)典型地域或者特定范圍的地理信息數(shù)據(jù)文件和相關(guān)文件的基本信息。4.3數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)仿真運(yùn)行數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和管理頻譜管理仿真實(shí)驗(yàn)任務(wù)信息及仿真運(yùn)行全過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息,如果仿真運(yùn)算需要,仿真運(yùn)行數(shù)據(jù)庫也可以對(duì)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)提供輔助計(jì)算功能。仿真運(yùn)行數(shù)據(jù)庫具有數(shù)據(jù)種類多、數(shù)據(jù)關(guān)系復(fù)雜的特點(diǎn)。為減少仿真數(shù)據(jù)的冗余、方便管理,需要在數(shù)據(jù)庫各個(gè)部分之間建立清晰的邏輯關(guān)系,以層次化的方式表述和關(guān)聯(lián)。根據(jù)仿真運(yùn)行內(nèi)容劃分,仿真運(yùn)行數(shù)據(jù)庫可進(jìn)一步分為仿真任務(wù)庫、仿真實(shí)體庫、仿真場景庫、仿真數(shù)據(jù)記錄庫和裝備模型映射庫5個(gè)子數(shù)據(jù)庫。仿真任務(wù)庫負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和管理頻管仿真任務(wù)描述內(nèi)容和仿真任務(wù)執(zhí)行的基本信息,包括仿真任務(wù)信息表和仿真運(yùn)行信息表。仿真實(shí)體庫負(fù)責(zé)描述參與仿真運(yùn)行的各個(gè)仿真實(shí)體信息,根據(jù)表述層次,從頂層到底層可以分為實(shí)體運(yùn)行集數(shù)據(jù)表、實(shí)體信息表、發(fā)射機(jī)集和接收機(jī)集信息表。仿真場景數(shù)據(jù)庫描述仿真系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的場景信息,包括地理信息和電磁環(huán)境信息以及當(dāng)前場景下可使用的電波傳播模型信息。仿真數(shù)據(jù)記錄庫負(fù)責(zé)為仿真運(yùn)行生成數(shù)據(jù)提供存儲(chǔ)空間,包括仿真記錄信息表和狀態(tài)數(shù)據(jù)表。仿真記錄信息表用來將仿真運(yùn)行數(shù)據(jù)歸類整理,狀態(tài)數(shù)據(jù)表實(shí)際存儲(chǔ)仿真運(yùn)行數(shù)據(jù)。用頻設(shè)備模型映射庫包括各類用頻設(shè)備模型映射表。用頻設(shè)備模型映射表提供仿真基礎(chǔ)模型庫模型和仿真模型庫模型與實(shí)際用頻裝備實(shí)體的組合關(guān)系和關(guān)聯(lián)空間。4.4仿真實(shí)驗(yàn)流程頻譜管理仿真實(shí)驗(yàn)工作從模型構(gòu)建到數(shù)據(jù)分析全過程都需要數(shù)據(jù)庫的參與。通過仿真系統(tǒng)與仿真數(shù)據(jù)管理軟件之間的調(diào)度,數(shù)據(jù)庫各個(gè)數(shù)據(jù)表之間也存在很多直接或者間接的關(guān)聯(lián)關(guān)系,下面通過建立并運(yùn)行一個(gè)用頻設(shè)備仿真實(shí)體過程,描述數(shù)據(jù)表之間的關(guān)聯(lián)。處理流程如圖4所示。(1)仿真建模平臺(tái)通過調(diào)閱發(fā)射機(jī)基礎(chǔ)模型表、接收機(jī)基礎(chǔ)模型表和天線基礎(chǔ)模型表,建立并運(yùn)行專業(yè)無線電技術(shù)軟件的發(fā)射機(jī)模型、接收機(jī)模型和天線模型,得到信號(hào)頻譜數(shù)據(jù)、接收機(jī)性能評(píng)判曲線數(shù)據(jù)和天線方向圖數(shù)據(jù)。(2)將步驟(1)中得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入仿真模型庫中的發(fā)射機(jī)模型表、接收機(jī)模型表和天線模型表中,完成可供仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行的發(fā)射機(jī)模型、接收機(jī)模型和天線模型。(3)仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)行利用仿真實(shí)體模型表組合該用頻設(shè)備使用的發(fā)射機(jī)模型、接收機(jī)模型和天線模型。(4)仿真計(jì)算過程中由該仿真實(shí)體產(chǎn)生的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至仿真運(yùn)行庫中對(duì)應(yīng)的仿真實(shí)體數(shù)據(jù)存