頻譜監(jiān)測(cè)和記錄中SDR的高數(shù)據(jù)速率考慮因素

頻譜監(jiān)控已成為商業(yè)和國(guó)防應(yīng)用的關(guān)鍵活動(dòng)。

第 1 部分：

越來(lái)越多的技術(shù)正在使用前所未有的帶寬水平。盡管捕獲的數(shù)據(jù)有所增加，但通常最好收集盡可能多的頻譜。這給現(xiàn)代頻譜監(jiān)測(cè)解決方案帶來(lái)了一個(gè)重大問(wèn)題。近乎實(shí)時(shí)地分析大量頻譜是計(jì)算密集型的。為了滿(mǎn)足頻譜監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)捕獲和處理要求，軟件定義無(wú)線(xiàn)電（SDR）和外部數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)已成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。高性能頻譜監(jiān)測(cè)需要仔細(xì)考慮系統(tǒng)架構(gòu)，以防止系統(tǒng)瓶頸并實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)分析。在高層次上，無(wú)線(xiàn)電需要通過(guò)高速數(shù)據(jù)鏈路連接到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng);最先進(jìn)的SDR利用速度高達(dá)4x40 Gbps的無(wú)線(xiàn)電到主機(jī)連接，以完全實(shí)現(xiàn)寬帶監(jiān)控。

第2節(jié)：

一旦數(shù)據(jù)從無(wú)線(xiàn)電卸載到處理系統(tǒng)，就會(huì)出現(xiàn)各種瓶頸。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口卡 （NIC） 引入數(shù)據(jù)可能會(huì)導(dǎo)致各種問(wèn)題，首先是丟棄數(shù)據(jù)包。并非所有網(wǎng)卡都能夠處理多個(gè) Gbps，即使它們通過(guò) PCI 總線(xiàn)連接。一旦NIC過(guò)載，數(shù)據(jù)包將開(kāi)始被丟棄，導(dǎo)致捕獲的數(shù)據(jù)丟失，這在頻譜監(jiān)控應(yīng)用中是不可接受的。基于FPGA的NIC已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樗鼈兛梢灾С指叩耐掏铝?。傳統(tǒng) NIC 將通過(guò)總線(xiàn)以一對(duì)一的方式將數(shù)據(jù)包傳輸?shù)街骺刂破鳎@可能導(dǎo)致高吞吐量實(shí)例中的擁塞。如果使用傳統(tǒng) NIC 引入大量數(shù)據(jù)，則由于無(wú)法預(yù)處理和聚合數(shù)據(jù)包，因此可能會(huì)丟棄數(shù)據(jù)包?；?FPGA 的 NIC 可以 利用 預(yù) 處理 和 壓縮 來(lái) 減少 下游 處理 單元 （如 CPU 和 其他 FPGA） 的 攝取 工作量。

圖 1：典型的攝取硬件解決方案

第 3 部分：

數(shù)據(jù)被計(jì)算系統(tǒng)攝取后，需要對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。應(yīng)仔細(xì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，以最大限度地提高攝取率，同時(shí)最大限度地降低硬件成本。典型的硬件配置如圖1所示。實(shí)施扇出存儲(chǔ)架構(gòu)是高通量頻譜監(jiān)測(cè)解決方案的理想選擇，因?yàn)樗梢越档蛦蝹€(gè)系統(tǒng)組件的性能要求。謹(jǐn)慎的做法是讓存儲(chǔ)系統(tǒng)利用環(huán)形緩沖區(qū)來(lái)提供最大的收集歷史記錄，同時(shí)自動(dòng)丟棄最舊的數(shù)據(jù)。頻譜監(jiān)控存儲(chǔ)硬件的 HDD 與 SSD 的選擇既具體應(yīng)用又成本相關(guān)。HDD的價(jià)格較低，寫(xiě)入速度約為150 MBps，而PCI 4.0 SSD則更昂貴，但可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)5，000 MBps的寫(xiě)入速度。

具有較低數(shù)據(jù)捕獲和存儲(chǔ)要求的頻譜監(jiān)控解決方案可以利用 RAID 陣列中的 HDD。RAID 中的兩個(gè)硬盤(pán)將支持大約 2.4 Gbps 的攝取速率。這似乎很重要，但假設(shè)未存儲(chǔ)測(cè)量元數(shù)據(jù)，則僅支持連續(xù)捕獲大約100 MHz的帶寬。捕獲 GHz 帶寬將需要將存儲(chǔ)寫(xiě)入速度提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因?yàn)樵S多頻譜監(jiān)控應(yīng)用目前利用多個(gè)獨(dú)立的無(wú)線(xiàn)電接收器來(lái)提高性能和捕獲帶寬。為了滿(mǎn)足這一日益增長(zhǎng)的需求，NVMe SSD是高性能頻譜監(jiān)控存儲(chǔ)的最佳解決方案。單個(gè)高性能 NVMe 固態(tài)硬盤(pán)可以取代 17 個(gè)硬盤(pán) RAID，這意味著單個(gè)設(shè)備可以攝取超過(guò) 1600 MHz 的捕獲頻譜。雖然 SSD 比機(jī)械式 SSD 的性能顯著提高，但許多頻譜監(jiān)控解決方案仍需要 RAID 配置。要從最先進(jìn)的 4x40 Gbps 網(wǎng)卡引入數(shù)據(jù)，需要一個(gè)由四個(gè)高性能 SDD 組成的條帶陣列。

除了傳輸速度要求外，系統(tǒng)的計(jì)算能力還必須能夠滿(mǎn)足攝取和處理要求。隨著捕獲的頻譜量的增加，CPU和處理卡功能也隨之增加。高捕獲帶寬將需要分配多個(gè) CPU 內(nèi)核。存儲(chǔ) 160 Gbps 的數(shù)據(jù)需要大約 25 個(gè) CPU 內(nèi)核專(zhuān)用于攝取過(guò)程 ［ntop］。建議使用分布式計(jì)算架構(gòu)、板載 FPGA 和 GPU 或某種組合來(lái)處理這些數(shù)據(jù)的分析。除了 CPU 內(nèi)核之外，在將數(shù)據(jù)寫(xiě)入 RAID 陣列之前，還應(yīng)分配幾 GB 的 RAM 來(lái)緩沖數(shù)據(jù)。對(duì)于 HDD 陣列，緩沖區(qū)大小應(yīng)更大以補(bǔ)償寫(xiě)入延遲，但對(duì)于基于 SSD 的存儲(chǔ)解決方案，可以減小其大小。

圖 2：數(shù)據(jù)包捕獲和處理數(shù)據(jù)流

第 4 部分：

基于SDR的頻譜監(jiān)測(cè)解決方案的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是它們提供了高水平的可重構(gòu)性。由于硬件配置的可變性，捕獲的元數(shù)據(jù)在分析過(guò)程中至關(guān)重要。捕獲帶寬、載波頻率和溫度等參數(shù)可能會(huì)有很大差異，并且相關(guān)的元數(shù)據(jù)必須與頻譜數(shù)據(jù)一起存儲(chǔ)。眾多SDR供應(yīng)商的存在及其獨(dú)特的數(shù)據(jù)包協(xié)議可能會(huì)使捕獲數(shù)據(jù)的分析復(fù)雜化。利用符合 VITA49 標(biāo)準(zhǔn)的 SDR 將提高 SDR 平臺(tái)數(shù)據(jù)之間的性能和一致性。符合 VITA49 標(biāo)準(zhǔn)的 SDR 數(shù)據(jù)會(huì)將捕獲的樣本與元數(shù)據(jù)隔離。元數(shù)據(jù)的分離減少了數(shù)據(jù)傳輸，因?yàn)榉蟅ITA49標(biāo)準(zhǔn)的SDR僅在SDR看到變化時(shí)才發(fā)送元數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)包，從而為頻譜捕獲數(shù)據(jù)留出更多空間。除了出色的元數(shù)據(jù)處理外，VITA49 還支持?jǐn)?shù)據(jù)包的高精度時(shí)間戳和時(shí)序校正，以補(bǔ)償 RF 前端延遲，從而獲得更準(zhǔn)確的元數(shù)據(jù) ［IEEE］。

第 5 部分：

盡管在許多應(yīng)用中變得越來(lái)越普遍，但目前可用的大多數(shù)SDR都無(wú)法滿(mǎn)足高性能寬帶頻譜監(jiān)測(cè)應(yīng)用的要求。除了高通道帶寬外，許多頻譜監(jiān)測(cè)應(yīng)用還需要多個(gè)獨(dú)立的接收鏈來(lái)實(shí)現(xiàn)空間信息提取。為了實(shí)現(xiàn)高帶寬捕獲和處理，無(wú)線(xiàn)電和早期處理系統(tǒng)需要通過(guò)高速數(shù)字回程緊密集成。嚴(yán)格的集成要求使交鑰匙 SDR 解決方案提供最佳性能，同時(shí)縮短硬件開(kāi)發(fā)時(shí)間。由于數(shù)據(jù)攝取和處理要求可能非常嚴(yán)格，因此一些交鑰匙解決方案會(huì)將錄制、存儲(chǔ)和回放直接集成到解決方案中，以確保最佳性能。在查看本文中討論的高性能頻譜監(jiān)控要求時(shí)，與能夠提供完整解決方案的供應(yīng)商合作非常重要。

審核編輯：郭婷