一种基于任务的频谱感知网络单元重组技术

陈磊，王琳，陈训韬

1 引言

无线装备的发展及密集使用，给用频装备的使用带来干扰、损害等问题。为此，依托不同用频业务系统内置的电磁传感器组成异构的电磁频谱传感网成为频谱管理领域新兴的研究热点。对于异构电磁频谱感知网络，国内外主要的研究集中在异构感知数据处理以及网络抗扰或自愈技术上。文献[1]和[2]提出了电磁频谱传感网的体系架构；文献[3]和[4]给出了主流的数据融合算法；文献[5]提出了减少协同开销的协作方法；文献[6]提出了融合数据可视化方法；文献[7]给出了利用跨层设计驱动波束成形以对抗恶意干扰的方法；文献[8]则给出了无人MANET（Mobile Adhoc Networks，移动自组织网络）网络自愈时保障QoS（Quality of Service，服务质量）的机制。通过实践发现，在电磁频谱传感网中，数据融合和网络管理的策略能够顺利实施的前提是与感知任务密切相关的电磁频谱传感器针对该任务执行了感知功能，如何发现哪些传感器与任务相关，这些传感器的感知能力是否满足要求，其感知任务是否已经饱和，感知任务是否可以分解给不同的电磁频谱传感器，无线条件下传感器连接不稳定造成网络拓扑变化如何处理等，成为发挥异构电磁频谱感知网络作用的瓶颈。而国内外在这方面的研究成果较少。

基于此，本文开展了对异构电磁频谱传感器资源调度的研究，对不同电磁传感器类型功能、性能进行分析，提出了基于任务的频谱感知网络单元重组技术框架及感知能力服务工作流程，并建立了基于效用的多任务协同资源调度模型，使得异构频谱传感器可以有序组织、资源得到高效利用。通过传感器资源虚拟化支撑上层电磁环境传感器大规模网络化共享应用服务，为通信、探测、测绘导航定位等用频业务以及地方和军队无线电管理机构提供各类电磁频谱感知数据共享保障服务，实现频谱数据的区域融合和频谱使用需求上的“区域保障”，提高电磁频谱信息获取能力和信息服务能力、电磁态势感知能力，从而提升电磁频谱管控效率，提高支持国家电磁空间安全决策的能力。

2 基于任务的电磁频谱感知网络资源调度架构

基于任务的电磁频谱感知网络资源调度可以将传感器资源抽象为可支撑资源调度和资源控制能力的感知资源组件，具体如图1所示。

不同任务可以将组件进行有限的实例化，并组装成可满足服务能力需要的逻辑上的任务子网。该框架具有虚拟化组件设计和融合化设计两个特点，具体如下：

（1）虚拟化组件设计。将各传感器功能以虚拟化组件方式予以封装成功能实现，组件间的封装接口设计通用化，组件间通过资源控制模块进行动态配置和管理，通过这种方式可实现感知网络任务子网的按需灵活创建。

（2）融合化设计。统一封装接口技术框架，对任务的各类共性化处理功能采用“高内聚、低耦合”的软件组件化划分和实现，按照任务需求进行融合化处理，以达到最大化复用的效果。

通过建立标准化的电磁频谱传感服务及任务框架并规范接口，可增强异构传感器的组网能力和灵活性，便于数据共享与协同。在执行具体任务时，可根据任务需要灵活组合虚拟的电磁频谱传感器任务子网，应对目标、资源和环境变化的各种挑战。

图1 资源虚拟化架构

3 电磁频谱传感服务及任务标准框架

3.1 标准化的传感器结构描述

频谱传感器标准化规范描述主要包括传感器类型、频谱感知能力、通信能力、位置信息等，具体如图2所示：

图2 标准化的传感器结构描述

其中：

（1）传感器类型分为移动型和固定型，如果是移动型传感器则应定义其可移动的速度。利用传感器移动特征，可以有针对性地执行相应的感知任务或信息汇聚任务。

（2）频谱感知能力是反映频谱传感器主要能力，包括：频率可测量范围、允许的最高测量频率精度、是否支持I/Q（In-phase/Quadrature，同相正交）支路数据采集、是否具有FFT（Fast Fourier Transformation，快速傅里叶变换）计算能力、是否具备信号识别能力、可以识别哪些信号、采样速率是否可变等。

（3）通信能力是反映频谱传感器传输的能力，主要包括：该传感器的通信接口形式、通信速率范围、可支持的通信协议类型等，通信能力越强则可重组能力就越强。

（4）位置信息包括传感器的空间地理位置信息，可以是绝对位置或相对位置。

3.2 标准化任务结构描述

感知任务标准化主要包括任务类型号、任务参数、任务返回格式，具体如图3所示：

图3 标准化任务结构描述

其中：

（1）任务类型号表示该任务属于需要协同型、可独立完成型或其他类型。

（2）任务参数包含对要完成的任务的具体描述，如感知任务“频谱资源占用”其任务参数可包括地理区域范围、频段范围以及频率精细度等要求。

（3）任务标准化规范中对任务返回数据格式进行约束，从而可以提供给更高层的应用服务接口使用。

3.3 标准化的电磁频谱感知服务接口描述

标准化的电磁频谱感知服务规范包括服务号、服务参数和服务返回规范，具体如图4所示：

图4 标准化服务接口描述

其中：

（1）服务号定义了唯一的服务标识，不同服务通过不同的服务号区别，相同类型的服务由于需要服务的时间不同，可以具有不同的服务号。

（2）服务参数包括服务类型、服务时间、服务地点、服务内容等描述，一个服务内容可能由一个任务或者多个任务完成，取决于该服务的复杂程度。例如，一个区域范围内的“频谱资源态势”服务可能需要划分多个子区域分别进行感知，然后汇聚到数据中心进行可视化显示等操作，如此提供这个服务就需要多个子区域的感知任务以及可视化的任务等协同完成。

（3）服务返回规范定义了该服务返回的参数，如该服务是否完成、服务未完成的错误代码指示等。

电磁频谱传感服务类型可按表1划分。

表1 电磁频谱传感服务类型分类

通过对频谱传感器、感知任务、感知服务等进行抽象化地建模，用公共标准进行描述和发布，为资源、任务、服务的虚拟化和匹配提供了依据，可简化传感器资源重组、分配和优化的过程。

4 虚拟频谱感知任务子网构建过程

在频谱感知任务执行过程中，选择可满足任务要求的传感器组成虚拟感知任务子网，并按照一定的优化准则分配给不同传感器执行相关任务功能。

虚拟频谱感知任务子网构建是资源调度的主要过程。一个虚拟频谱感知任务子网构成端到端逻辑网络，按照用户任务需求灵活地提供定制化网络服务，设定虚拟任务子网的相关参数，包括网络拓扑、功能组件、交互协议、性能指标和软硬件资源需求等。感知资源实例化处理后，通过资源控制器生成虚拟任务子网。

在需求方子网参数基本定义完成后，任务子网构建可包含以下两个阶段：

（1）任务编排阶段

资源控制器实现虚拟资源的实例化，完成任务子网向运行状态的迁移。

（2）任务运行阶段

实时监控和动态维护，主要包括资源的动态伸缩、任务子网功能的增加/删除/更新、告警故障处理等。在此过程中，频谱传感器管理系统的资源调度系统采用分布式协同的资源调度策略，对频谱感知任务进行自动分割与汇聚，动态调度感知网络资源。任务子网的控制面与数据面分离，符合任务需求的频谱传感器通过配置的“资源控制器”标准封装接口和基于虚拟化的频谱传感器服务能力标准规范互联。对分散的大量多样的频谱监测或测向扫描监听的数据，以及各节点传感器的功能类型、感知能力、通信能力、配置能力、频段范围、分辨率等信息数据进行融合处理，满足监测、监听、识别、定位等不同频谱感知任务需求。当发生传感节点脱网或失效、感知目标移出当前任务子网范围等情况时，网络可依据任务自适应或通过简单人工干预自动重组相关传感单元，以适应这些变化。

5 基于效用的多任务协同资源调度模型

多个频谱感知任务类型可能不同，而传感器除计算资源有限外，通常还仅可工作在单一任务模式，即需要切换工作模式来支持对不同类型的传感任务，这将导致传感器资源的多种使用冲突问题。

为解决上述问题，参考文献[9]，可基于任务池建立多任务资源调度模型，具体如图5所示。

任务池里面是任务需求，根据传感器性能的不同，不同任务对应一个或者多个传感器的协同操作。图5中列举了3个任务，分别对应的传感器集合为G1、G2、G3，其中传感器集合的交集部分是同时满足多种任务的传感器，在资源满足的条件下，按照性能最优原则，G1∩G2∩G3的传感器集合是最优的选择，但是在资源有限的情况下，分布式传感器的协同处理可以加快任务的执行速度。

下面以频谱监测和信号识别主要任务为例，建立多任务协同资源调度模型。

（1）虚拟任务描述

在t时刻，频谱监测和目标识别2种频谱感知任务形成的协同感知虚拟任务数量均为n，设Tjc、Tmb分别为监测和目标识别的虚拟任务子集，多传感器资源调度系统的虚拟任务集合为T，T={T1,T2, …, TN}，Ti∈(Tjc∪Tmb)，任务类型Mt={Tjc, Tmb}，由此任务集合表达为：M={M1, M2, …, MN}。其中，Mj={Tj, Mtj}，Tj∈T，Mtj∈Mt。

（2）效能函数

资源调度的目标是尽快完成尽量多的感知任务，设组织方案P={P1, P2, …, PN}，其中虚拟子网Pi={Pi1,Pi2, …, PiQ}，Pij为组成子网的传感器，则效能函数可定义为：

其中，ρ(Pij)为单个传感器的效能。这个效能是可用的频谱资源f_R、传感器状态A_S、传感器处理速度D_U的函数f(f_R, A_S, D_U)。

（3）系统约束

系统约束包括次序约束、协作约束和资源约束，具体如下：

◆次序约束。如果不同任务Mi和Mj需依次执行，表示Mi和Mj之间存在任务次序约束。根据次序要求，可表示为enforce[({Pre(Mi), Mi}, ≺)]或enforce[({Mi,Next(Mi)}, ≺ )]。

图5 多任务资源调度模型

◆协作约束。各传感器协作完成任务需要网络开销等成本，该成本需要控制在一定门限才不会影响系统的整体效能。因此，可通过对单个成本与总成本的约束来表示协作约束的限制：

其中，C(Pij)为单个传感节点的协作成本函数，是其分配任务、传感器能力及对应网络传输能力的函数。

◆资源约束。即虚拟传感能力的约束，如果对于单个传感器Ai，工作方式只能选择监测或目标识别中的一种，则只考虑各方式资源约束：

x个监测或y个目标识别请求在该节点的资源分配均不可超过传感器Ai的资源总量qi，可表示为：

如果传感器Ai可同时输出两种工作方式，则为(x+y)个任务的总资源分配不能超过qi，可表示为：

根据上述模型，结合类似文献[10]提出的智能搜索算法，可完成电磁频谱传感器虚拟子网自动调度。

6 仿真实现

以频谱监测和目标识别2种频谱感知任务进行仿真建模，仿真参数设置具体如表2所示。

传感器有G1和G2两种集合，每种资源总量为100%，即每种传感器可满足的资源需求总量为100%。G1和G2传感器的协作成本为C=(0.55, 0.45)。

资源调度仿真执行过程如图6所示。

在6个子任务中，需要传感器G1集合资源需求的有5个，需要传感器G2集合资源需求的有4个，其中需要G1和G2协同资源需求的有3个，按照任务优先级和任务开始时间顺序执行资源调度，优先级0表示最高。

传感器资源调度仿真结果如图7所示。

当t=11 s时，子任务M4开始任务调度，请求传感器G1和G2各提供28%的资源需求，此时传感器G1正在为子任务M1、M6和M2提供资源需求，资源占用82%，传感器G2正在为子任务M6、M2和M3提供资源需求，资源占用77%，G1和G2的剩余资源都不能满足M4的需求。根据子任务优先级的重新排序，M4的优先级高于M2，因此通过资源调度算法抢占M2的传感器资源，子任务M2暂停，直至M6结束后释放G1和G2资源，M2再继续执行任务。

7 结论

本文给出基于任务的频谱感知网络资源调度架构，面向多用户多任务的频谱感知网络，通过标准化的服务接口组织和发布资源，通过虚拟调度动态匹配资源。仿真表明，该架构适用于无线传输环境的资源高效利用，为用频装备部署日趋密集的将来，电磁环境传感器大规模网络化共享应用提供了可行技术途径。

需要指出的是，该架构基于传统的电磁频谱传感网络类型设计。而由于近年来物联网及人工智能的迅速发展，下一步频谱感知网络资源调度架构应加强数据分析、挖掘与学习功能，主动性预测和处理资源网络潜在的故障风险，进一步提高资源保障的可靠性与稳定性。

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图6 资源调度仿真执行过程

图7 传感器资源调度仿真结果

表2 仿真参数设置

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