电磁频谱管理仿真系统体系结构设计研究

袁誉红， 周 宁， 罗瑞评， 赵华维

（①重庆通信学院，重庆400035；②61226部队，北京 100079）

0 引言

随着无线电技术的广泛应用和新业务的不断涌现，传统的技术分析手段已难于满足当前复杂电磁环境下电磁频谱管理的需求。高效、精确的仿真技术成为支援电磁频谱管理的一种新型的技术分析手段[1]。美国、英国、瑞典等发达国家对电磁频谱管理仿真技术[2]的研究应用已有二十余年，中国在《国家无线电管理“十二五”规划》中也明确提出建立频谱分析预测仿真系统以提高电磁兼容分析能力。

技术发展驱动管理变革，建立电磁频谱管理仿真系统是电磁频谱管理仿真（以下简称“频管仿真”）技术的有效实现方式。文献[1-3]对频管仿真系统的重要性、仿真内容作了初步探索。然而频管仿真系统构成要素众多、内部结构复杂，为了能准确描述系统的军事需求、总体结构，迫切需要运用科学的方法进行顶层设计。体系结构设计能够使系统的顶层设计“画出来”、“说清楚”、“看明白”[4]。

1 频管仿真系统体系结构概述

体系结构是用来明确系统组成单元的结构及其关系，以及指导系统设计和演进的原则与指南，涵盖了系统组成单元的结构，组成单元之间的交互关系、约束、行为，以及系统的设计、演化原则等方面的内容[4]。它由组成单元的结构、组成单元之间的关系、制约组成单元的原则与指南这3个要素构成。体系结构设计是系统早期设计决策的体现，比后续的详细设计、实现、维护更为重要，对系统生命周期的影响范围最大，是整个系统开发成败的关键。

频管仿真系统的体系结构是在电磁频谱管理者、系统设计者和系统维护者就系统建设达成共识的基础上，依据体系结构框架理论，采用多视图模型，对顶层设计中系统的组织构成和相互关系的描述。频管仿真系统的体系结构是系统详细设计的依据规范，是系统集成或深化的依据和指南。

2 频管仿真系统体系结构设计方法

美国、英国、北约等军事强国（集团）对体系结构设计和开发的基础方法、遵循规则做了专门研究，形成了各种体系结构框架以指导体系结构的设计与应用。目前，较为成熟的体系结构框架有美国国防部体系结构框架（DOD Architecture Framework）、英国国防部体系结构框架（UK Ministry of Defense Architectural Framework）、北约体系结构框架。美国国防部体系结构框架共经历了C4ISR 1.0、C4ISR 2.0、DOD AF 1.0、DOD AF 1.5和DOD AF 2.0这5个发展阶段[5]。2009 年8月发布的DOD AF 2.0[6]体系结构框架，在前几个版本的基础上，由以产品为中心转变为以信息为中心，并更注重对国防部网络中心战略的支持。但DOD AF 2.0共含有50多个体系结构产品，在实际应用中原则性和操作性太强。英国国防部在借鉴美国体系结构框架的基础之上，融入本国的实际和新的思维，提出相应的MOD AF 1.0、1.2，相比于DOD AF 1.5，MOD AF 1.2[7]新增了一个服务视图，服务视图由专门体现面向服务思想的产品组建而成，但其缺乏对服务视图描述产品的底层数据元素之间的关系描述。北约组织在DOD AF和MOD AF研究基础上结合北约各国家在未来“网络化使能作战(Network Enable Operation) ”中的联合作战需求提出了北约体系结构框架 NATO AF 1.0、2.0、3.0。NATO AF 3.0借鉴了MOD AF中的服务视图的描述方法，但北约体系结构在视图产品之间的关系描述存在不足，特别是缺乏服务视图与作战视图、系统视图等其他视图产品之间的关系描述。

经过多年的研究实践，在借鉴国外研究成果的基础上，我军提出了“作战—系统—信息—技术”军事信息系统体系结构框架[8]。与其他体系结构框架相比，我军的体系结构框架在克服上述框架不足的基础上，对体系结构产品进行了精简，对各视图的内容作了针对性的丰富，突出信息资源管理与规划的重要作用，突出视图间的结构关系和体系结构验证评估的作用，结构模型的表现形式更符合我军表达习惯，并已得到一定的普及和推广。综上考虑，我军军事信息系统体系结构框架更能清晰、有效地指导频管仿真系统体系结构的设计。

3 频管仿真系统体系结构设计

基于频管仿真系统的设计需求，结合我军军事信息系统体系结构框架的设计方法和规则，频管仿真系统的体系结构模型主要由全视图、作战视图、系统视图、信息视图和技术标准视图5大视图组成，其结构关系如图1所示，具体内容如下[8-10]。

图1 电磁频谱管理仿真系统的体系结构视图模型

3.1 全视图

频管仿真系统的全视图（All View）提供与整个体系结构描述有关的信息，限定开发该仿真系统的目的、意义、背景、目标、产出对象、建设系统的规则等。频管仿真系统的建设背景是频管在国民经济建设和国防军事应用中的重要地位日益突出，而传统的实测分析技术又难于实现频管的目标——抑制用频冲突的出现，因此亟需建立频管仿真系统以革新技术分析手段。建设频管仿真系统的目的就是尽可能地用仿真技术解决频管中的技术分析问题，以提高频管技术分析的能力和效率。频管仿真系统的建设目标是能够完成频谱资源规划中新型用频体制、用频设备和用频业务之间频谱特性的兼容共用性问题分析；完成预设台站部署、用频计划的兼容性分析；完成用频预案、电磁频谱管制预案的兼容性分析；具有网络运行、融合多源信息、开放与共享、重构和扩展的能力，为用频设备研制、使用，频管计划的分析论证以及其他频管实验室提供权威一致的仿真数据支持与服务。

3.2 作战视图

作战视图（Operation View）是从系统完成的任务、行动、环节出发，清楚、完整地描述频管任务对系统的需求，为系统总体设计奠定基础。作战视图包括作战构想图、作战活动模型、作战转换图等。作战视图的描述便于系统视图明确系统的功能模块组成，便于信息视图明确作战体系与信息的关系。频管仿真系统的作战视图模型是从支援用频全过程管理控制和完成对应技术分析能力的视角对频管仿真系统进行的分析描述。系统的功能任务是面向用频设备的频谱资源规划和面向用频设备使用的用频筹划，对应的任务环节分别为频谱资源规划分析、设备频谱特性参数共用性分析、设备频谱特性参数检测、监测数据的态势分析、用频台站间电磁兼容性分析、用频计划频率冲突分析、电磁频谱管制计划效果分析、用频干扰综合分析等。每一任务环节的完成又有相应的信息要素支撑。

3.3 系统视图

系统视图（System View）是对支持作战或业务活动的系统、系统功能及其相互关系的描述。系统视图描述是整个体系结构描述的核心，是根据作战视图的任务需求，设计实现这些需求的系统结构，并描述在这个体系结构中的特定系统的内部结构和操作。系统视图包括系统功能分析图、系统组成结构图、系统通信实现方案、系统性能参数等。根据任务需求，频管仿真系统应由一个综合管理控制系统和频谱资源规划仿真分系统、空间卫星频率/轨道指配仿真分系统、用频设备频谱特性参数仿真分析分系统、用频台站电磁兼容仿真分析分系统和用频筹划仿真分析分系统5大应用分系统组成。支撑应用分系统运行的共用模块有建模模块、电波传播模型模块、电磁环境构建模块、仿真评估模块、电磁兼容计算模块、辅助决策模块和结果数据显示模块等，支撑系统运行和模块工作的资源应有频谱资源使用数据、设备频谱特性参数数据、电磁环境数据、地理信息数据、辅助决策经验数据和评估指标数据等。综合主控系统和仿真应用分系统都基于高层体系结构（HLA，High Level Architecture）的规则进行开发，以联邦成员的形式进行聚成便于提高系统的可重用性、可扩展性和互联性[2]。

3.4 信息视图

信息视图（Information View）主要描述系统各类信息资源的交换关系，通常由信息交换矩阵、信息表示模型和信息存储模型等组成。信息视图基于作战任务需求和系统的组织结构完成系统信息存储格式和交流细节的描述以指导后续设计。频管仿真系统的信息视图主要描述频管仿真系统的内部交流信息和频管仿真系统与其他系统的外部交流信息。频管仿真系统内部交流信息主要有分系统间的交流信息、分系统与模块，以及分系统、模块与基础资源数据的交流。频管仿真系统的外部交流信息包括外部系统为仿真系统提供的电磁环境监测数据、装备的用频参数等，和仿真系统为外部系统提供的仿真结果数据。在信息交流中，对于底层的初始化参数、共用的非交互数据可直接由读取数据库的方式实现，而动态变化的生成数据、交互命令等则依托于HLA的运行支撑环境（RTI，Run Time Infrastructure）进行传递。

3.5 技术标准视图

技术视图（Technology View）是决定系统部件或元素配置、相互作用和相互依存的一组最小的规则集，提供系统实现的技术方针和指南。它通过一批技术标准、实现协议、标准选项、惯例、规则准则来决定系统视图的系统服务、接口和相互关系。技术视图的表现形式为一系列的技术标准列表。频管仿真系统主要涉及分布式仿真技术、用频设备建模技术、视景仿真技术、效能评估技术、电波传播计算等，频管仿真系统的技术标准涉及HLA标准规范、系统开发标准、网络接口标准、数据库设计标准、视景显示标准、信息安全标准等。

频管仿真系统的5个视图在逻辑上构成一个整体，共同描绘出频管仿真系统的整体结构。作战视图清楚地描述频管任务对仿真系统的需求，为系统总体设计奠定基础；系统视图说明多个分系统、模块如何连接、运行，并描述了系统的内部结构和运行原理；信息视图是系统的“脉搏”，根据系统视图导引系统的信息流向；技术标准视图描述了系统部件或要素的配置、交互作用和相互依存的最低限度的规则要求。频管仿真系统的每一个视图描述体系结构的某几个特征，视图的集成为体系结构的设计提供了完整性、一致性、连贯性支持。

4 结语

频管仿真系统是一个多功能的复杂大型系统[11]。在其设计过程中，依据我军军事信息系统体系结构框架理论，由5个视图模型分别从系统建设背景目标、频管任务需求、系统结构组成、系统信息交流和技术标准支持等方面完整有序地勾勒出频管仿真系统的体系结构，很好地解决了系统设计中各方人员的交流问题，有效地指导系统的设计、实现、演进和使用。

[1]袁誉红，赵思思，张学平，等.电磁频谱管理仿真技术应用研究[J].中国无线电，2011(11):75-77.

[2]袁誉红，罗瑞评，王磊，等.基于 HLA的电磁频谱管理仿真系统关键技术研究[C]//2011年全国无线电应用与管理学术会议论文集.北京：电子工业出版社，2011:76-80.

[3]周宁，肖凯宁，张明，等.基于 HLA的电磁频谱管理仿真系统的设计[C]//2010年全国无线电应用与管理学术会议论文集.北京：电子工业出版社，2010:492-498.

[4]Integrated Architecture Panel of the C4ISR Integration Task Force.C4ISR Architecture Framework Version 1.0[S].The United States:Department of Defense, 1996.

[5]施未来，陆敏.外军体系结构的发展应用及启示[J].通信技术，2010,43(02):169-171.

[6]Doodad Architectures Framework Working Group.DoDAF Architecture Framework Version 2.0 [S].The United States: Department of Defense, 2009.

[7]The MoDAF DAF development Team.The MoD Architecture Framework Version 1.2[S].UK:Department of Defense, 2008.

[8]朱奎玉.体系结构研究[M].北京：军事科学出版社，2011:20-36.

[9]陆敏，黄湘鹏，施未来.军事信息系统体系结构框架研究进展[J].通信技术,2011,44(03):77-79.

[10]罗雪山，罗爱民，张耀鸿，等.军事信息系统体系结构技术[M].北京：国防工业出版社，2010:163-164.

[11]工信部.中华人民共和国无线电管制规定[J].信息安全与通信保密,2010（10）：2.