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高性能計算在無線電管理領域的應用

來源:中國無線電 作者:劉國英 李建平
發布于:2021-04-29 共2671字

  無線電技師論文第五篇:高性能計算在無線電管理領域的應用

  摘要:隨著經濟社會的深入發展,充分利用無線電頻譜資源,提高無線電管理效率勢在必行。本文對高性能計算技術進行了概述,并分析了無線電管理領域對高性能計算的需求,之后探討了高性能計算在無線電管理領域的應用,以期高性能計算技術能在無線電管理領域得到更多的應用和發展,提升無線電頻譜資源的利用率,促進無線電管理技術的進步,創新無線電管理辦法。

  關鍵詞:高性能計算; 無線電管理;

  Application of the High Performance Computing in Radio Management

  0 引言

  計算機技術的發展使其在各個領域的發展中作出了巨大貢獻。高性能計算技術以并行計算方式提高計算性能。在無線電管理領域,各種業務和應用對計算能力的需求與日俱增,若能充分利用高性能計算技術,必將創新無線電管理的技術手段,提升無線電管理效率。

  1 高性能計算技術概述

  高性能計算(High Performance Computing,HPC),是指利用聚集起來的計算能力來處理標準工作站無法完成的大規?茖W與工程計算任務,包括仿真、建模和渲染等。實現高性能計算的設備稱之為高性能計算機,其具有運算速度快、存儲容量大和可靠性高等特點。從普通意義上講,高性能計算和現在常說的并行計算、超級計算是同義詞。作為科技創新的重要手段,高性能計算是當代科技競爭的戰略制高點,集中體現一個國家的綜合實力,在國防安全、高科技發展和國民經濟建設中占有重要的戰略地位。

  依據2019年中國HPC TOP100中的行業應用領域的系統數量統計,所有系統分布于9個大的應用領域。其中用于互聯網/云計算的系統最多,達到34%;其余是大數據(14%)、科學計算(16%)、超算中心(11%)、政府電信(9%)、安全(2%)、工業制造(3%)、能源石油(6%)和短視頻(5%)。依據應用模式的不同,上述9類應用可進一步歸并為三大類:

  (1)大數據分析挖掘類:Map Reduce(映射歸約),深度學習計算等基于數據的(非數值類)應用;

  (2)科學與工程計算:主要指傳統的數值計算類應用,通常是計算密集型(也有數據密集型);

  (3)信息服務類:頻繁交互的互聯網服務類應用[1]。

  高性能計算的應用涉及諸多領域,隨著高性能計算技術的快速發展,其應用領域也將越來越多。

  2 無線電管理領域對高性能計算的需求

  無線電管理是為合理、有效地開發和利用無線電頻譜資源,審批各類無線電臺的設置,協調和處理各類無線電干擾,監督檢查各類無線電臺的使用情況,維護空中電波秩序,保證各種無線電業務正常進行的管理工作和管理體系。目前為充分利用無線電頻譜資源,提高無線電管理的效率,服務經濟社會發展,需要不斷創新無線電管理辦法。

  基于統一的數據基礎,充分構建全國性的基礎電磁頻譜數據庫,可以有效支撐當前及未來的綜合頻譜管理工作;對于海量無線電頻譜數據的處理方法開展全面研究可以更好地支撐各類無線電工作;工作中通過監測、測量設備形成的大量數據資源的積累,若加以分析利用,可以提升監測和頻譜分析的效率。這一切要求我們重視數據的重要性,發揮數據的積極作用,以數據為核心、為基礎,通過計算服務無線電管理工作大局。在實際工作中,從監測數據、臺站數據等基礎數據出發,需要通過計算做好對無線電管理的事前、事中、事后支撐。而以數據的采集、分析、挖掘為基礎,開展面向服務的各類應用,需要強大的計算能力作支撐,高性能計算為其提供了可能性。

  3 高性能計算在無線電管理領域中的應用探討

  充分的數據和強大的計算,可以創新無線電管理的手段和方法,推動頻譜管理創新發展,滿足諸多工作需求,以下淺談高性能計算在無線電管理領域中的相關應用。

  (1)滿足更大規模系統級電磁兼容快速計算的需求

  系統級電磁兼容仿真計算是頻率規劃和劃分的重要理論支撐手段。筆者所在單位的高性能計算平臺上已完成多個共存分析案例的計算任務,為我國移動通信頻率的規劃與劃分、系統的部署以及設備射頻指標確定等提供了強有力的技術支撐。

  目前,各國都在積極推動5G移動通信發展,中頻段5G系統大多已完成試驗組網。進行5G頻率規劃與劃分,首先要進行5G移動通信系統與相關頻段衛星業務、射電天文業務、無線電導航業務等多種業務的同頻鄰頻共存分析,因為5G系統使用的頻段更高、基站規模更大,而更大規模的蒙特卡洛仿真需要更加強大的計算資源支撐。

  (2)滿足復雜城市環境中對電磁態勢精準預測以實現頻譜共享的需求

  頻譜共享是未來解決頻譜供需矛盾、提高頻譜利用率的有效途徑,而構建頻譜地圖是實現頻譜共享的前提,其中態勢重構是重要環節。目前在廣域空間電磁態勢重構方面,針對復雜城市環境的態勢預測難題,已完成基于UTD的預測算法的開發和實測驗證,在計算精度方面較傳統經驗模型有很大改善。但是該算法采用射線跟蹤方法建立傳播模型,存在計算量大、耗時長的問題。通過高性能計算平臺,將預測算法并行化可大大提高計算效率。

  (3)滿足對海量監測數據分析挖掘創新無線電管理技術手段的需求

  面對日益復雜的城市電磁環境、日趨緊張的頻譜資源供求關系,可從多維度對海量監測數據進行分析與挖掘。

  開展監測工作離不開各種接收機,通過接收機可采集大量監測數據,若將這些監測數據作為一種原始數據資源積累,并加以分析利用,可挖掘更多有價值的信息。以黑鳥接收機為例,作為一種高速接收機,可通過對其數據庫的開發,依托高性能計算平臺,實現黑鳥日常監測數據的海量存儲,以及對存儲數據的分析、處理和查詢,滿足工作需求。通過高性能計算平臺可以優化補充黑鳥的功能,使其具有同時在線掃描監測和歷史監測數據分析處理功能,提高了對日常監測數據的自動化監測和分析能力。再以PR100為例,作為一種便攜式移動無線電監測接收機,其移動監測能力有目共睹。為提高其利用率,除移動監測時間外,可將其用作固定接收機7×24小時不間斷采集監測數據。通過對其做二次開發,經過信號識別檢測算法,生成信號表和頻譜圖寫入數據庫,可實現對不同業務信號的統計分析,而整個過程的數據處理需要依托高性能計算平臺。以上兩個實例凸顯了高性能計算在分析和挖掘海量數據方面的優勢,提升了設備的使用率,創新了無線電監測手段和方法。

  4 結束語

  總而言之,現代化信息技術的發展,使高性能計算技術成為重要的發展方向。無線電管理事關國計民生,隨著無線電監測技術的發展,更高效地實現頻譜資源的利用和管理勢在必行,而以數據為核心的各類應用對計算資源的需求愈加強烈。高性能計算是一種高效計算手段,若能充分利用其優勢,必將推動無線電管理的創新發展。

  參考文獻

  [1]袁國興,張云泉,袁泉.2019年中國高性能計算機發展現狀分析[J].計算機工程與科學,2019,41(12):2095~2100

作者單位:國家無線電監測中心陜西監測站
原文出處:劉國英,李建平.高性能計算在無線電管理領域的應用[J].中國無線電,2021(02):27-28.
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