一種用于一體化電磁裝備的數據處理平臺設計

張旭旺，楊偉軍，夏雙志

摘要：隨著戰場上頻譜競爭和裝備互擾問題越來越嚴重，統一規劃頻譜資源并集成多種作戰功能的一體化電磁裝備逐漸成為電磁裝備的發展趨勢之一。在一體化電磁裝備中，數據處理平臺負責利用全空域的電磁信號完成多項數據分析任務，重要性尤其突出。鑒于此，分析了一體化電磁裝備數據處理平臺建設的技術需求，梳理了其中涉及的一些關鍵技術，并設計了一種適用于未來一體化電磁裝備作戰功能的數據處理平臺架構。這些工作可為一體化電磁裝備的發展提供一些參考。

關鍵詞：一體化電磁裝備；數據處理平臺；分布式系統；同時多任務

中圖分類號：TP274文獻標志碼：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的寬頻電磁信號實現通信[1-2]、導航、探測[3-4]、偵察[5]及干擾等多種功能的新型作戰系統，致力于解決現有電磁裝備的頻譜競爭及互擾問題以獲得更優的作戰效能[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節點實現對全空域電磁活動的監測，借助于多中心、分布式部署的大規模數據處理平臺同時執行多項作戰任務，具有更高的資源利用率以及更強的協同作戰能力，是未來軍事裝備發展的重要方向之一[9-10]。本文針對一體化電磁裝備的核心———數據處理平臺，研究、梳理了有關數據處理平臺建設的技術需求及關鍵技術，提出了一種具體的數據處理平臺架構。

1數據處理平臺的技術需求

相比于現有的單裝電磁裝備，未來的一體化電磁裝備具有功能一體化、系統網絡化、信號采集廣泛化、數據處理集中化及運行機制復雜化等特征，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勢[11]。一種簡單的一體化電磁裝備結構示意圖，如圖1所示。若把一體化電磁裝備形象地比作一個神經系統，則廣域分布、寬頻覆蓋的大量收發節點就相當于遍布整個戰場的神經末梢，用戶端體現了該神經系統對外部需求的響應，管理調度資源并處理大量信息的數據處理平臺就相當于大腦，是整個系統的核心部分[12]。為了實現一體化電磁裝備的優點，負責核心數據處理任務的數據處理平臺要比傳統單裝電磁裝備的數據處理分系統復雜得多。

在功能方面，一體化電磁裝備是現有多型單裝電磁裝備的高效有機結合，因此其數據處理平臺應具備通信、導航、探測、成像、偵察及干擾等多種信號和信息處理功能，并且這些功能不應是單裝電磁裝備功能的簡單疊加，而是互相協同、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同時執行多個任務，這就要求其數據處理平臺具備支持同時多任務、同時多功能的能力，任務支撐環境也應可靈活構建和動態擴展。

在數據方面，一體化電磁裝備的“神經末梢”是數量眾多且廣域分布的寬帶收發節點，這意味著其數據處理平臺面臨的數據是海量的，遠超現有常見單裝電磁裝備的數據量。因此，數據的精確同步和高速存取將會比較困難。一方面需要構建多中心的分布式存儲服務器集群以及跨中心的高速、高帶寬、低延時傳輸網絡；另一方面，需要為多源異構數據創建統一的文件目錄以及合適的存取標準。

在計算資源方面，一體化電磁裝備通常需要同時執行多個不同功能的作戰任務。一般而言，不同任務的數據處理方式差異很大，既有大規模信號的聚合運算，又有小規模數據的復雜處理，所以其數據處理平臺需要部署大規模的FPGA、GPU及CPU等異構計算資源，并針對不同的運算特征進行合理的計算資源分配。此外，硬件計算資源的動態可重構、統一管理以及高度可復用等也是必須解決的問題。

2關鍵技術

相比于傳統電磁裝備的信號處理平臺以及處理互聯網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著核心信號和信息處理功能的數據處理平臺面臨著數據量更大、實時性要求更高、數據處理機制更復雜的挑戰，因而需要突破多項關鍵技術，具體可歸納為以下幾點：

（1）異構計算資源重構技術

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

（2）多維度資源管控技術

多維度資源管控技術主要包括異構資源狀態感知技術、異構資源統一調度技術和分布式多中心協同管理技術3個方面。利用異構資源狀態感知技術，可實時監測數據處理平臺的內存、CPU、GPU及FPGA等計算資源的運行狀態，為用戶端提供準確的狀態信息。異構資源統一調度技術主要用于實現對數據處理平臺各型計算資源的管理和調度，以支撐計算環境的構建和計算任務的執行。一體化電磁裝備的數據處理平臺是由異地分布的多個數據處理中心構建而成的，這樣便于對不同收發節點獲取的電磁信號進行分級處理，也能夠顯著增強系統的抗摧毀能力。這種情況下，分布式多中心協同管理技術可在全網統一的資源池基礎上，根據任務需求配置就近中心的處理資源，并對全局任務進行統籌規劃和跨中心調度，達到提高系統資源利用效率的目的。

（3）多中心協同處理技術

多中心協同處理技術主要涉及異構資源分布式任務規劃、多維數據協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據處理平臺涉及多型計算資源的情況，異構資源分布式任務規劃技術用于建立基于異構資源的計算任務描述模型，并提供基于異構計算的處理任務描述等。針對一體化電磁裝備涉及多維度、多類型數據的特征，多維數據協同處理技術用于支持子任務間分布式協同計算的數據處理模式以及基于內容感知的數據關聯分析計算模式。針對電磁波數據由多個收發節點采集并經高速網絡傳輸的情況，分布式流計算緩沖同步技術可實現數據流緩沖與處理能力的同步，通過數據緩沖區管理，控制計算資源的數據拉取或推送進度，以實現消息流傳輸與處理進度的匹配。

（4）大規模數據高速存取技術

一體化電磁裝備的原始電磁信號具有規模大、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，需要構建多個分布式大數據存儲服務器集群，以實現大規模數據高速存取。因此，有必要研究存儲服務器集群的分布式部署架構，突破大規模數據分布式存儲技術，基于物理分散、邏輯共享模式解耦數據的供需關系，實現信號級/數據級/情報級數據的高效管理。此外，還需要研究分布式異構數據資源的高效訪問技術，建立面向用戶的全局數據資源視圖，提供訪問異構數據資源的統一接口，完善分布式存儲服務器異構數據的大規模高速并發訪問功能。

3數據處理平臺架構設計

在梳理一體化電磁裝備數據處理平臺技術需求和關鍵技術的基礎上，將單裝電磁裝備的信號處理技術與新興的大數據和云計算理念相結合，提出了一種適用于未來一體化電磁裝備的數據處理平臺架構，如圖2所示，該數據處理平臺架構主要分為應用層、執行層和基礎設施層3個層。

各層的功能分別如下：

應用層：系統與用戶交互的接口，主要包括通信、導航、探測、成像、偵察及干擾等現有電磁裝備中比較常見的應用。在一體化電磁裝備的數據處理平臺上，每個應用都是一個獨立的軟件APP，遵循預先設定的接口和數據傳輸協議，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用要更加復雜得多，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，所以各應用可以通過多源信號/信息融合，實現更優的性能。

執行層：數據處理平臺的核心，涉及數據計算、數據存取和管理控制3個方面。數據計算主要指將待執行任務分解為多個由處理模塊表述的子任務，并根據不同計算資源的特征將這些子任務分配給不同的計算資源；數據存取主要解決大規模異構數據的分布式、多中心高速存儲和讀取問題；管理控制主要是對系統的多中心交互、支撐環境、硬件資源以及任務執行等動態監測和管理。

基礎設施層：包括多個FPGA、GPU和CPU服務器集群，以及高速交換網絡和數據存取服務集群等，為執行層提供底層的硬件支撐環境。基礎設施層應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，并且能夠動態監控各運算資源的工作狀態，對出現故障的運算資源進行及時隔離。

這種應用層、執行層和基礎設施層3層獨立的平臺架構從頂層設計的角度實現了多應用同時運行、多中心協同計算、異構計算資源分工協作、大規模異構數據高速存取、系統功能動態重構及資源分配彈性調整等功能，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。

4數據處理平臺的應用

隨著傳統的單裝電磁裝備逐漸難以滿足日趨復雜的戰場環境要求，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據處理平臺設計方案及其簡化形式在通信雷達一體化、電磁信號綜合利用等工程實踐中獲得了較多應用，并取得了較好的效果。

5結束語

重點研究了數據處理平臺，從作戰功能、數據存取、硬件計算資源及分布式部署等方面梳理了基本的技術需求，并總結了一體化電磁裝備數據處理平臺發展過程中涉及的一些關鍵技術，包括異構計算資源重構技術、多維度資源管控技術、多中心協同處理技術和大規模數據高速存取技術等。在此基礎上，設計了一種由應用層、執行層和基礎設施層構成的數據處理平臺實現架構，為未來一體化電磁裝備的發展提供了一些有意義的參考。

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