分布式系統實時信號級仿真實現方法*

邱 嵐，胡 莉

（1.江西科技學院信息工程學院，南昌 330098；2.河北師范大學信息技術學院，石家莊 050024）

0 引言

仿真技術是以相似原理、系統技術、信息技術以及仿真應用領域的有關專業技術為基礎，以計算機系統、與應用有關的物理效應設備以及仿真器為工具，利用模型對實際系統進行研究的一門多科學綜合性技術[1]。隨著現代信息技術的高速發展，仿真技術也得到了長足進步，在軍用和民用領域中的應用更是不斷向深度和廣度拓展。對于仿真系統的要求也越來越高，目前，就軍用仿真系統而言，主要分為功能級仿真系統和信號級仿真系統[2]。功能級仿真系統主要是檢測該系統能否實現預期功能，對于系統中細節部分關注較少。優點在于仿真速度快；而缺點在于仿真精度低。信號級仿真系統更接近真實系統，主要用于對系統中應用的相關算法、系統結構以及系統功能進行研究。優點在于系統結構反映清晰、仿真精度高；而缺點在于計算量大，運行速度慢。

目前，國內對于解決分布式系統的實時信號處理問題主要集中于硬件提升以及算法上，傳統的應用實時處理機制多是利用構建系統模型，犧牲空間來彌補時間上的不足，這樣的仿真系統過于繁瑣，應用受限。現代軍用仿真系統主要應用于戰場環境、電子對抗等方面，用來對戰術戰法、武器系統研制以及各項處理算法進行研究。根據以上特點，系統必須具備運行速度快、逼真度高等條件。所以研究一種實現實時性、信號級仿真系統的方法十分必要。目前，制約信號級仿真的最大障礙就是系統的運行速度，文獻[3]中利用并行計算模式構造了相控陣雷達仿真系統，提高了系統運行速度，其實質在于利用大量的計算機資源換取計算速度，但計算量卻沒有降低。

本文結合透明計算實現結構，提出一種實時信號級仿真系統的實現方法。該方法主要是根據透明計算概念中，軟、硬件分離的思想，改變仿真系統中信號發射端和接收端的結構，將信號的特征值代替信號采樣數據作為各節點間傳輸信息，傳輸的數據量大大減小，從而最終使系統達到實時仿真。

1 原理介紹

文獻[4]中是這樣描述透明計算的：透明計算模式由服務器以及終端機組成，用戶通過網絡，向服務器提出要求，服務器根據要求，下發指令至各用戶，由各用戶所持有的終端產生用戶所需要的資源。這種計算模式使得用戶能夠根據自己的興趣和需要去選擇資源，減少了資源浪費；同時服務器只用于儲存，不從事應用計算，提高了用戶響應速度。這種模式也可理解為遠端提供指令；本地提供硬件，根據用戶所需，獲取遠端技術指令，并在本地生成對應數據。這種方式的好處在于遠端無需提供用戶所需全部數據，通過指令指導用戶本地硬件產生對應數據，大大減少傳輸數據量，縮短響應時間。

在仿真領域定義3種時間：自然時間、機器時間和仿真時間[5]。自然時間為客觀世界的現實時間；仿真時間為仿真系統產生的仿真世界的時間。只有當自然時間等于仿真時間時，才能認為該仿真具有實時性。通常，在實時性要求很高的軍事仿真領域，相鄰的兩次仿真時間間隔不應超過1/60 s，否則仿真人員往往在下達指令后無法立刻得到系統響應，產生延遲的感覺[6-7]。

信號級系統仿真時，大數據量的傳輸導致了整個系統的計算、響應速度變慢，無法適應現代軍用仿真的要求。信號經采樣后，每秒傳輸的數據量為幾兆至幾十兆不等，而對于一些信號源數目較多的系統，比如雷達組網仿真、雷達偵察仿真等系統，在進行仿真時，在傳輸線上每秒所需要傳遞的數據量就會達到幾百兆甚至更大，所以降低傳遞的數據量是改善系統運行速度的關鍵。

根據透明計算的模式結構，將仿真系統的信號發射端和接收端類比于服務器和終端機，服務器將對終端機用戶的需求提供技術指導，最終用戶的需求通過技術指導，在本地生成所需資源，這樣直接減少了數據傳遞量，并且也能完成用戶所需。同樣的，仿真系統也能通過此方法減少數據量，信號發射端提供產生發射信號所需的足夠特征值，將特征值數據傳遞給信號的接收端，接收端利用信號特征值信息，在接收端產生信號，直接進行處理。這樣系統傳輸的不再是大量的信號采樣后的數據，取而代之的則是信號特征值數據。很明顯，系統各節點間傳遞的數據量大幅減少。系統結構如圖1所示。

圖1 發射、接收端結構

圖1重新規定了仿真系統中的信號發射、接收端結構。按照透明計算的軟硬件分離的思想[9-10]，將產生信號的硬件結構安置于信號的接收端，這樣信號發射端產生的只是所要產生信號的特征值，接收端利用特征值在本地信號復原模塊上進行信號復原，并得到信號數據，進一步處理。

該原理也可理解為系統任務分割并重新組合的一類決策問題[8]。將系統的每一節點所需完成的任務進行分割，例如信號發射端，產生發射信號的任務可以進行再分割，可分為信號特征值提取和信號復原兩部分。若進行這樣的分割還是無法達到預期效果，則可以進一步細化。細化后的節點拓撲圖按照所需要求進行重組，得到最優系統結構。重組前后拓撲結構如圖2所示。

圖2 系統拓撲結構

圖2（a）中，將系統任務分為3部分，并將任務1，2，3賦予系統各節點。任務1為信號產生；任務2為信號接收；任務3為信號處理。圖2（b）中，任務1被重新劃分，分為新的任務1，任務4和任務5。任務1為信號產生，任務4為信號特征值提取，任務5為信號復原。將信號復原硬件安裝在信號接收硬件部分，也就是說，信號復原和信號接收的硬件部分在同一臺PC機上，且信號特征值在系統各節點間的傳遞可視為實時傳遞，所以信號產生和傳遞便不存在時間延遲等問題。

2 實驗驗證

該實時信號級系統仿真方法已經應用于雷達偵察分布式系統中[11-13]。雷達偵察仿真系統，主要分為3個部分，分別為導演控制臺、雷達信號產生子系統和雷達信號接收機子系統。兩個子系統分別用不同的PC機實現，數據通過傳輸線傳輸。雷達信號產生子系統中，包括火控、警戒等9部雷達仿真模塊，采樣率為1 M/s，9部雷達仿真模塊同時產生仿真信號，則雷達信號產生子系統每秒產生的采樣后的數據量為9 M，數據傳輸的時候就會產生數據冗余，傳輸速度變慢，導致響應無法實時產生回應，失去了仿真的意義。應用本文提出的方法，解決了此問題，使得分布式雷達偵察仿真系統成為真正意義上的實時信號級仿真系統。各子系統間數據傳遞的示意圖如圖3所示。

圖3 數據傳遞示意圖

當仿真開始后，雷達信號發射系統根據任務想定，從導演控制臺處接受指令，產生相應類型信號，并通過局域網向雷達偵察子系統傳遞信號數據[14]。根據不同的需求，發射系統所產生的數據量的大小就會產生差別[15]。數據量大時，勢必會產生傳輸速度慢、系統不能及時響應等問題。所以根據本文方法，將傳遞的數據量轉換為足夠多的特征值進行傳遞以解決該問題。

2.1 數據傳輸耗時對比實驗

假設，本次實驗的源信號為9部雷達同時產生的，信號類型為線性調頻、偽碼調相以及Barker編碼。利用SystemVue軟件產生以上幾類信號，具體參數見下頁表1。

通過改變3種類型信號的脈沖重復周期實現9個雷達信號。信號產生后，SystemVue軟件能夠形成雷達信號數據，又由于本次實驗是在信號級下進行仿真，采樣點數達到了1 M，而每個點就是雷達信號時域的幅度值，換算成比特，每個雷達信號每次采樣就會產生8 Mb的數據量，9個雷達信號大約就會產生72 Mb以上的數據量，傳輸時必然會產生時延。將數據打包，最終需要傳遞的數據量為85 032 kb，利用傳輸軟件，在局域網中將100次實驗得到的雷達信號數據進行傳輸，傳輸時間如下頁圖4所示。

實驗中，平均傳輸速率為11.3 Mb/s。通過計算得到100次實驗平均耗時為7.373 6 s，遠遠超過了仿真預期耗時，無法達到實時性系統的要求。按照本文提出的方法改變仿真系統結構，子系統間傳輸的數據由雷達信號采樣數據變為雷達信號特征值數據，包括信號類型編碼、脈沖重復周期、脈沖寬度、特征值和采樣率。經過打包后，數據量為3.652 kb。單從數據量上就能看出本文使用的方法能夠很好地減少傳輸數據量。同樣按照上述實驗方法進行實驗，得到的結果如圖5所示。

表1 雷達信號參數

圖4 雷達信號數據傳輸耗時圖

實驗中，平均傳輸速率為219 kb/s，平均耗時0.173 6 s，達到了實時性條件。對比圖4和圖5，很清楚地看到，系統間傳輸特征值數據所耗時間遠小于雷達信號數據傳輸耗時。說明本文提出的方法減少了系統間傳遞的數據量，大大減小數據傳輸時間。

圖5 特征值數據傳輸耗時圖

2.2 接收端復原信號對比實驗

將實際的信號接收端復原的雷達信號時域波形與雷達信號發射端產生的信號進行對比，目的是為了驗證本文提出的方法能夠保證復原信號不失真。利用均方根誤差來表示信號之間的差異，實驗結果如圖6所示。

圖6 復原信號與源信號對比圖

從圖6可以看出，經過復原的信號與源信號相差無幾，并使系統按照圖3的兩種信號傳輸方式進行仿真，最終得到的雷達信號的脈沖描述字相同，說明了該方法不會影響整個系統的仿真結果。

3 結論

本文根據透明計算的實現結構，提出一種實時信號級仿真系統的實現方法。將仿真系統中信號產生的硬件部分轉移至信號接收端，利用所需產生信號的特征值來指導硬件在信號接收端產生所需信號。該方法減少了系統間傳輸的數據量，縮短傳輸時間，并達到與原系統相同的仿真效果，說明了該方法能夠有效實現實時信號級仿真，具有一定的實際應用價值。