电磁频谱管理仿真数据服务的需求分析与实现

电磁频谱管理仿真数据服务的需求分析与实现

随着现代通信技术的快速发展，复杂的电气环境已经成为信息时代的一个重要特征。频谱管理仿真系统作为新兴的电磁频谱管理技术手段,以科学实验、理论和方法为基本依据,采用计算机仿真建模技术分析频率规划和频率管控问题,有效推进了电磁频谱管理工作由粗放定性模式向精确定量模式的转变。频谱管理仿真数据主要包括3种,分别是仿真系统加载的仿真模型、驱动仿真系统运行的基础数据和仿真系统运行生成的数据。对于电磁频谱管理仿真(以下简称“频管仿真”)而言,频管仿真数据服务目标就是有效存储、管理和使用仿真数据,辅助完成频管仿真实验任务。那么如何实现频管仿真数据服务的目标,支撑频管仿真系统的数据应用需求?这需要在综合频管仿真实验任务特点和仿真实验开展各阶段特点的基础上,构建一个结构合理、功能完备的频管仿真数据服务应用软件。1频管仿真实验大型软件系统的功能实现需要完备的数据服务应用软件进行数据支撑。频管仿真系统是面向电磁频谱管理全过程的技术支撑手段。从用频设备的使用角度看,频管仿真实现过程既要考虑用频设备开设场景的仿真问题,又要考虑用频设备组织运用的仿真实验问题;从无线电波的全寿命角度看,频管仿真的数据处理过程既要考虑收发机和收发天线的频谱特性问题,又要考虑传输信道的电波传播衰减特性问题。上述问题所涉及的数据种类多、数据形态各异、容量需求大,需要结构合理、内容完备的频管仿真数据服务应用软件辅助仿真系统有效运行。本文从频管仿真实验的两个不同方面,对频管仿真数据服务应用软件进行需求分析和讨论。根据实验服务内容划分,仿真实验主要面向电磁频谱规划和电磁频谱管控两个业务方向。这两类业务服务对象多、服务需求多、用频设备多、设备应用模式多、分布地域范围广。为服务仿真系统,应用软件需要具备支撑海量数据的能力,具备强大的用频装备频谱特性模型、用频装备组织应用模型以及用频装备实体模型的存储能力。根据实现阶段划分,频管仿真系统可分为建模平台和实验平台两个部分,实验平台调用建模平台构建的各类模型和仿真数据来分析任务。应用软件负责存储和管理仿真建模平台构建的模型和数据,然后根据实验平台需求,将这些模型和生成数据进行转化和处理,供实验平台加载,驱动整个实验运行。从这个角度来看,仿真系统需要应用软件作为连接建模平台和实验平台的纽带。综上所述,频谱管理仿真数据服务应用软件是用于管理和维护频管仿真全过程所需的各种数据资源的计算机系统。应用软件的功能首先要满足与仿真系统互联互通的需求,其次要满足全方位、全过程支撑仿真模型和数据管理的需求,最后要满足支撑数据调度和协调的需求。2系统体系结构仿真系统与管理软件的集成应用软件负责对仿真过程所涉及的模型和数据进行合理分类,采用层次化管理的方式逐级理顺仿真数据与仿真系统的逻辑关系,以达到模型和数据的快速调用、高效存储的目的,从而保障仿真系统合理准确运行。从逻辑结构的角度出发,应用软件自底向上分为数据层、网络层、功能层和应用层四层体系结构,如图1所示。数据层是应用软件的数据核心部分,分为基础库、模型库和运行库3个部分。网络层利用以太网实现频管仿真系统与数据管理软件间的双向交互。双向交互包括仿真系统向数据管理软件输入线下仿真模型和仿真数据的过程,以及数据管理软件向仿真系统提供运行模型和初始化数据的过程。功能层提供完成软件的任务需求所必须具备的各项基本功能,通过基本功能的组合来实现用户意图。应用层面向支撑对象,按照仿真服务方向划分,可分为电磁频谱规划仿真数据支撑和电磁频谱管控仿真数据支撑。其中,数据层和功能层的设计与开发是软件功能实现的关键环节,本文将继续深入阐述。3仿真数据库设计应用软件具备6项基本功能,分别是数据管理功能、数据检索功能、智能筛选功能、文件生成功能、用户管理功能和统计计算功能,如图2所示。数据检索功能可通过精确查询和模糊查询两种模式,提供所有频谱管理仿真数据库内容的检索能力。智能筛选功能,帮助用户在建立仿真模型的过程中根据用户对建设内容的描述,并结合建设内容中之间的关联关系,在数据库中进行自动梳理,向用户推荐合理的仿真模型和仿真数据作为仿真建模的参考。数据管理功能可细分为合法性验证功能、需求认证功能和数据库管理功能。合法性验证功能是对用户通过仿真建模平台建立的仿真模型和数据进行结构合理性和内容完备性验证;需求认证功能,是在对仿真实验平台各个功能模块的数据需求进行分析的基础上,将应用软件的功能和仿真数据库中的内容进行关联映射;数据库管理功能包括数据的导入导出、数据的添加修改删除以及数据库的备份和恢复等。辅助计算功能,利用服务器的运算能力,通过调用存储过程,利用数据库的计算功能完成大量仿真数据的统计计算工作。文件生成和打印功能,可生成并打印用于描述频谱管理仿真过程的基本信息。用户管理功能可以对用户进行身份认证,划分用户等级,规定用户的使用权限。4仿真系统开发频谱管理仿真实验,从方案准备到仿真实验开展需要经历仿真模型开发、仿真资源加载和仿真系统运行3个阶段。那么,以频谱管理仿真实验的3个阶段为划分依据,频谱管理仿真数据库可分为基础模型数据库、仿真模型数据库和仿真运行数据库3个部分,如图3所示。4.1频谱管理仿真系统专业无线电技术仿真软件(SystemVue、WirelessInside、HFSS等)在无线电技术仿真计算领域有独特的优势和特点可供仿真系统加以利用。然而专业无线电技术仿真软件接口对频谱管理仿真系统不开放,以致仿真系统无法直接使用无线电专业技术仿真软件的模型。基础模型数据库建立的目的是指导无线电专业技术软件建立仿真模型,通过运行这些仿真模型获得对频谱管理仿真系统透明的各类专项仿真计算数据,从而利用专项仿真计算数据为频谱管理仿真系统仿真运行服务。基础模型数据库并不直接为仿真实验运行服务,而是为仿真建模平台中专业无线电技术软件仿真模型开发以及仿真实验平台程序开发提供数据参考和指导。基础模型数据库存储和管理的内容主要是利用专业无线电技术仿真软件建立仿真模型时需要配置的关键环节以及这些仿真模型的物化形式等信息。根据无线电技术仿真模型的种类,基础模型数据库可分为链路级仿真基础模型库、电波传播基础模型库、天线仿真基础模型库和实体动力学基础模型库,其中链路级仿真基础模型库包括通信发射机基础模型表、通信接收机基础模型表、通信链路基础模型表、雷达基础模型表、干扰分析基础模型表。电波传播基础模型库和天线仿真基础模型库根据各类模型实现形式和手段不同可做进一步划分。实体动力学基础模型库赋予用频装备实体在仿真过程中运动的特性,根据承载用频装备运输工具不同可分为车辆动力学模型表、舰船动力学模型表和飞行器动力学模型表。4.2仿真系统与软件的连接仿真模型数据库与基础模型数据库不同,仿真模型数据库的表项设置直接为无线电管理系统级仿真实验需求服务。因此,仿真模型数据库中的仿真模型和数据从结构到内容都是对频谱管理仿真系统完全开放的,是各类异构无线电仿真模型和数据的本地化映射。通过频谱管理仿真数据服务应用软件可实现与仿真系统无缝连接。仿真模型数据库负责为仿真背景环境和仿真用频设备实体提供基础信息数据、频谱特性数据和各类计算模型,满足仿真实验运行需求。在仿真实验初始化阶段,仿真模型数据库需要向频谱管理仿真系统提供实体模型、电波传播模型、可视化模型和地理信息模型。因此,仿真模型库又可分为实体模型库、电波传播模型库、可视化模型库和地理信息模型库。实体模型库中发射机模型表、接收机模型表和天线模型表,不但有发射机、接收机和天线的基本参数指标而且还包括对应的专业无线电仿真模型运行的结果数据。电波传播模型库中的电波传播模型表根据电波传播模型的存在形式不同,可以存储电波传播模型文件的路径、电波传播模型统计计算公式或者电波传播频率、距离和衰减的数据表。可视化模型库存储内容是2D和3D的可视化文件。地理信息模型库负责存储各个典型地域或者特定范围的地理信息数据文件和相关文件的基本信息。4.3数据库设计仿真运行数据库负责存储和管理频谱管理仿真实验任务信息及仿真运行全过程产生的数据信息,如果仿真运算需要,仿真运行数据库也可以对仿真结果数据提供辅助计算功能。仿真运行数据库具有数据种类多、数据关系复杂的特点。为减少仿真数据的冗余、方便管理,需要在数据库各个部分之间建立清晰的逻辑关系,以层次化的方式表述和关联。根据仿真运行内容划分,仿真运行数据库可进一步分为仿真任务库、仿真实体库、仿真场景库、仿真数据记录库和装备模型映射库5个子数据库。仿真任务库负责存储和管理频管仿真任务描述内容和仿真任务执行的基本信息,包括仿真任务信息表和仿真运行信息表。仿真实体库负责描述参与仿真运行的各个仿真实体信息,根据表述层次,从顶层到底层可以分为实体运行集数据表、实体信息表、发射机集和接收机集信息表。仿真场景数据库描述仿真系统运行时的场景信息,包括地理信息和电磁环境信息以及当前场景下可使用的电波传播模型信息。仿真数据记录库负责为仿真运行生成数据提供存储空间,包括仿真记录信息表和状态数据表。仿真记录信息表用来将仿真运行数据归类整理,状态数据表实际存储仿真运行数据。用频设备模型映射库包括各类用频设备模型映射表。用频设备模型映射表提供仿真基础模型库模型和仿真模型库模型与实际用频装备实体的组合关系和关联空间。4.4仿真实验流程频谱管理仿真实验工作从模型构建到数据分析全过程都需要数据库的参与。通过仿真系统与仿真数据管理软件之间的调度,数据库各个数据表之间也存在很多直接或者间接的关联关系,下面通过建立并运行一个用频设备仿真实体过程,描述数据表之间的关联。处理流程如图4所示。(1)仿真建模平台通过调阅发射机基础模型表、接收机基础模型表和天线基础模型表,建立并运行专业无线电技术软件的发射机模型、接收机模型和天线模型,得到信号频谱数据、接收机性能评判曲线数据和天线方向图数据。(2)将步骤(1)中得到的数据导入仿真模型库中的发射机模型表、接收机模型表和天线模型表中,完成可供仿真实验平台运行的发射机模型、接收机模型和天线模型。(3)仿真实验运行利用仿真实体模型表组合该用频设备使用的发射机模型、接收机模型和天线模型。(4)仿真计算过程中由该仿真实体产生的数据存储至仿真运行库中对应的仿真实体数据存