一种用于一体化电磁装备的数据处理平台设计

张旭旺，杨伟军，夏双志

摘要：随着战场上频谱竞争和装备互扰问题越来越严重，统一规划频谱资源并集成多种作战功能的一体化电磁装备逐渐成为电磁装备的发展趋势之一。在一体化电磁装备中，数据处理平台负责利用全空域的电磁信号完成多项数据分析任务，重要性尤其突出。鉴于此，分析了一体化电磁装备数据处理平台建设的技术需求，梳理了其中涉及的一些关键技术，并设计了一种适用于未来一体化电磁装备作战功能的数据处理平台架构。这些工作可为一体化电磁装备的发展提供一些参考。

关键词：一体化电磁装备；数据处理平台；分布式系统；同时多任务

中图分类号：TP274文献标志码：A文章编号：1008-1739（2020）14-66-4

0引言

一体化电磁装备是一种利用广阔空域范围内的宽频电磁信号实现通信[1-2]、导航、探测[3-4]、侦察[5]及干扰等多种功能的新型作战系统，致力于解决现有电磁装备的频谱竞争及互扰问题以获得更优的作战效能[6-8]。不同于常见单装电磁装备功能单一、信号采集与处理集于一体的特征，一体化电磁装备通过广域分布的大量宽频收发节点实现对全空域电磁活动的监测，借助于多中心、分布式部署的大规模数据处理平台同时执行多项作战任务，具有更高的资源利用率以及更强的协同作战能力，是未来军事装备发展的重要方向之一[9-10]。本文针对一体化电磁装备的核心———数据处理平台，研究、梳理了有关数据处理平台建设的技术需求及关键技术，提出了一种具体的数据处理平台架构。

1数据处理平台的技术需求

相比于现有的单装电磁装备，未来的一体化电磁装备具有功能一体化、系统网络化、信号采集广泛化、数据处理集中化及运行机制复杂化等特征，在解决电磁互扰问题、提升资源利用效率等方面具有显著优势[11]。一种简单的一体化电磁装备结构示意图，如图1所示。若把一体化电磁装备形象地比作一个神经系统，则广域分布、宽频覆盖的大量收发节点就相当于遍布整个战场的神经末梢，用户端体现了该神经系统对外部需求的响应，管理调度资源并处理大量信息的数据处理平台就相当于大脑，是整个系统的核心部分[12]。为了实现一体化电磁装备的优点，负责核心数据处理任务的数据处理平台要比传统单装电磁装备的数据处理分系统复杂得多。

在功能方面，一体化电磁装备是现有多型单装电磁装备的高效有机结合，因此其数据处理平台应具备通信、导航、探测、成像、侦察及干扰等多种信号和信息处理功能，并且这些功能不应是单装电磁装备功能的简单叠加，而是互相协同、互相增强的形式。更重要的是，一体化电磁装备通常需要在广域范围内同时执行多个任务，这就要求其数据处理平台具备支持同时多任务、同时多功能的能力，任务支撑环境也应可灵活构建和动态扩展。

在数据方面，一体化电磁装备的“神经末梢”是数量众多且广域分布的宽带收发节点，这意味着其数据处理平台面临的数据是海量的，远超现有常见单装電磁装备的数据量。因此，数据的精确同步和高速存取将会比较困难。一方面需要构建多中心的分布式存储服务器集群以及跨中心的高速、高带宽、低延时传输网络；另一方面，需要为多源异构数据创建统一的文件目录以及合适的存取标准。

在计算资源方面，一体化电磁装备通常需要同时执行多个不同功能的作战任务。一般而言，不同任务的数据处理方式差异很大，既有大规模信号的聚合运算，又有小规模数据的复杂处理，所以其数据处理平台需要部署大规模的FPGA、GPU及CPU等异构计算资源，并针对不同的运算特征进行合理的计算资源分配。此外，硬件计算资源的动态可重构、统一管理以及高度可复用等也是必须解决的问题。

2关键技术

相比于传统电磁装备的信号处理平台以及处理互联网信息流的云计算平台，在具有广域、多功能特征的一体化电磁装备中承担着核心信号和信息处理功能的数据处理平台面临着数据量更大、实时性要求更高、数据处理机制更复杂的挑战，因而需要突破多项关键技术，具体可归纳为以下几点：

（1）异构计算资源重构技术

一体化电磁装备的任务、数据和算法特征要求数据处理平台支持多路信号同时接入、高带宽信号聚合处理、大规模并行计算以及复杂信息处理等多种功能，这对数据处理平台的高吞吐、低延迟和高并发能力提出了很高的要求，因此需要设计专用的支持多型异构处理器协同处理的体系架构。其中，搭配高速网卡的CPU承接信号同步接入等任务，FPGA承接宽带信号聚合和大规模并行计算等任务，GPU承接复杂信息处理等任务。由于一体化电磁装备的任务、数据和算法是动态变化的，这就要求其数据处理平台具有良好的计算资源可重构性及可扩展性，支持面向不同任务动态重组各型计算资源的功能。

（2）多维度资源管控技术

多维度资源管控技术主要包括异构资源状态感知技术、异构资源统一调度技术和分布式多中心协同管理技术3个方面。利用异构资源状态感知技术，可实时监测数据处理平台的内存、CPU、GPU及FPGA等计算资源的运行状态，为用户端提供准确的状态信息。异构资源统一调度技术主要用于实现对数据处理平台各型计算资源的管理和调度，以支撑计算环境的构建和计算任务的执行。一体化电磁装备的数据处理平台是由异地分布的多个数据处理中心构建而成的，这样便于对不同收发节点获取的电磁信号进行分级处理，也能够显著增强系统的抗摧毁能力。这种情况下，分布式多中心协同管理技术可在全网统一的资源池基础上，根据任务需求配置就近中心的处理资源，并对全局任务进行统筹规划和跨中心调度，达到提高系统资源利用效率的目的。

（3）多中心协同处理技术

多中心协同处理技术主要涉及异构资源分布式任务规划、多维数据协同处理及分布式流计算缓冲同步等。针对一体化电磁装备数据处理平台涉及多型计算资源的情况，异构资源分布式任务规划技术用于建立基于异构资源的计算任务描述模型，并提供基于异构计算的处理任务描述等。针对一体化电磁装备涉及多维度、多类型数据的特征，多维数据协同处理技术用于支持子任务间分布式协同计算的数据处理模式以及基于内容感知的数据关联分析计算模式。针对电磁波数据由多个收发节点采集并经高速网络传输的情况，分布式流计算缓冲同步技术可实现数据流缓冲与处理能力的同步，通过数据缓冲区管理，控制计算资源的数据拉取或推送进度，以实现消息流传输与处理进度的匹配。

（4）大规模数据高速存取技术

一体化电磁装备的原始电磁信号具有规模大、类型多、来源广泛等特征，其存取面临着诸多困难。为了解决这些困难，需要构建多个分布式大数据存储服务器集群，以实现大规模数据高速存取。因此，有必要研究存储服务器集群的分布式部署架构，突破大规模数据分布式存储技术，基于物理分散、逻辑共享模式解耦数据的供需关系，实现信号级/数据级/情报级数据的高效管理。此外，还需要研究分布式异构数据资源的高效访问技术，建立面向用户的全局数据资源视图，提供访问异构数据资源的统一接口，完善分布式存储服务器异构数据的大规模高速并发访问功能。

3数据处理平台架构设计

在梳理一体化电磁装备数据处理平台技术需求和关键技术的基础上，将单装电磁装备的信号处理技术与新兴的大数据和云计算理念相结合，提出了一种适用于未来一体化电磁装备的数据处理平台架构，如图2所示，该数据处理平台架构主要分为应用层、执行层和基础设施层3个层。

各层的功能分别如下：

应用层：系统与用户交互的接口，主要包括通信、导航、探测、成像、侦察及干扰等现有电磁装备中比较常见的应用。在一体化电磁装备的数据处理平台上，每个应用都是一个独立的软件APP，遵循预先设定的接口和数据传输协议，并且可以在平台上便捷地安装和卸载。另外，相比于单装电磁装备，一体化电磁装备中的应用要更加复杂得多，因为一体化电磁装备能够获得更广阔空域、更宽频带的多源电磁信号，所以各应用可以通过多源信号/信息融合，实现更优的性能。

执行层：数据处理平台的核心，涉及数据计算、数据存取和管理控制3个方面。数据计算主要指将待执行任务分解为多个由处理模块表述的子任务，并根据不同计算资源的特征将这些子任务分配给不同的计算资源；数据存取主要解决大规模异构数据的分布式、多中心高速存储和读取问题；管理控制主要是对系统的多中心交互、支撑环境、硬件资源以及任务执行等动态监测和管理。

基础设施层：包括多个FPGA、GPU和CPU服务器集群，以及高速交换网络和数据存取服务集群等，为执行层提供底层的硬件支撑环境。基础设施层应具有良好的可扩展功能，支持FPGA、GPU及CPU等运算资源的即插即用，并且能够动态监控各运算资源的工作状态，对出现故障的运算资源进行及时隔离。

这种应用层、执行层和基础设施层3层独立的平台架构从顶层设计的角度实现了多应用同时运行、多中心协同计算、异构计算资源分工协作、大规模异构数据高速存取、系统功能动态重构及资源分配弹性调整等功能，为一体化电磁装备更合理、更充分地利用空間电磁资源奠定了基础。

4数据处理平台的应用

随着传统的单装电磁装备逐渐难以满足日趋复杂的战场环境要求，一体化电磁装备的理论研究和工程实践逐渐吸引了广大科研人员的注意力。本文所提适用于一体化电磁装备的数据处理平台设计方案及其简化形式在通信雷达一体化、电磁信号综合利用等工程实践中获得了较多应用，并取得了较好的效果。

5结束语

重点研究了数据处理平台，从作战功能、数据存取、硬件计算资源及分布式部署等方面梳理了基本的技术需求，并总结了一体化电磁装备数据处理平台发展过程中涉及的一些关键技术，包括异构计算资源重构技术、多维度资源管控技术、多中心协同处理技术和大规模数据高速存取技术等。在此基础上，设计了一种由应用层、执行层和基础设施层构成的数据处理平台实现架构，为未来一体化电磁装备的发展提供了一些有意义的参考。

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