频谱监测和记录中SDR的高数据速率考虑因素

频谱监测已成为商业和国防应用的关键活动。

第一节：

越来越多的技术正在使用前所未有的带宽水平。尽管捕获的数据有所增加，但通常最好收集尽可能多的频谱。这给现代频谱监测解决方案带来了重大问题;近乎实时地分析大量频谱在计算上非常密集。为了满足频谱监测的动态捕获和处理要求，软件定义无线电（SDR）和外部数据处理系统已成为事实上的标准。高性能频谱监控需要仔细考虑系统架构，以防止系统瓶颈并实现高效的数据分析。在高层次上，无线电需要通过高速数据链路连接到数据处理系统;最先进的 SDR 利用速度高达 4x40 Gbps 的无线电到主机连接来全面实现宽带监控。

第二节：

一旦数据从无线电卸载到处理系统，就会出现各种瓶颈。通过网络接口卡 （NIC） 摄取数据可能会导致各种问题，首先是丢弃数据包。并非所有 NIC 都能够处理多个 Gbps，即使它们通过 PCI 总线连接也是如此。一旦NIC过载，数据包将开始被丢弃，从而导致捕获的数据丢失，这在频谱监控应用中是不可接受的。基于FPGA的NIC已经开发出来解决这个问题，因为它们可以支持更高的吞吐量。传统 NIC 将以一对一的方式通过总线将数据包传输到主机控制器，这可能会导致高吞吐量实例中的拥塞。如果使用传统 NIC 摄取大量数据，则数据包可能会被丢弃，因为它无法预处理和聚合数据包。基于 FPGA 的 NIC 可以利用预处理和压缩来减少下游处理单元（如 CPU 和其他 FPGA）的摄取工作负载。

图 1：典型的引入硬件解决方案

第一节：

数据被计算系统摄取后，将需要对其进行存储和处理。应仔细设计系统的体系结构，以最大限度地提高引入速率，同时最大限度地降低硬件成本。典型的硬件配置如图 1 所示。实施扇出存储架构是高吞吐量频谱监控解决方案的理想选择，因为它可以降低单个系统组件的性能要求。让存储系统利用环形缓冲区来提供最大的收集历史记录，同时自动丢弃最旧的数据也是谨慎的做法。用于频谱监控存储硬件的 HDD 与 SSD 的选择既特定于应用，也特定于成本。HDD 的价格较低，写入速度约为 150 MBps，而 PCI 4.0 SSD 更昂贵，但可实现高达 5，000 MBps 的写入速度。

具有较低数据采集和存储要求的频谱监控解决方案可以利用 RAID 阵列中的 HDD。RAID 中的两个 HDD 将支持大约 2.4 Gbps 的摄取速率。这可能看起来很重要，但假设测量元数据未存储，则仅支持连续捕获大约100 MHz带宽。捕获GHz带宽将需要存储写入速度提高几个数量级，因为许多频谱监控应用目前利用多个独立的无线电接收器来提高性能和捕获带宽。为了满足这一不断增长的需求，NVMe SSD 是高性能频谱监控存储的最佳解决方案。单个高性能 NVMe SSD 可以取代 17 HDD RAID 意味着单个设备可以摄取超过 1600 MHz 的捕获频谱。虽然SSD比机械版提供了显着的性能改进，但许多频谱监控解决方案仍然需要RAID配置。要从最先进的 4x40 Gbps NIC 摄取数据，需要一个包含四个高性能 SDD 的条带阵列。

除了传输速度要求外，系统的计算能力还必须能够满足摄取和处理要求。随着捕获的频谱量的增加，CPU 和处理卡的能力也会增加。高捕获带宽将需要分配多个 CPU 内核。存储 160 Gbps 的数据需要大约 25 个 CPU 内核专用于引入过程 ［ntop］。建议使用分布式计算架构、板载 FPGA 和 GPU 或某种组合来处理这些数据的分析。除了 CPU 内核之外，在将数据写入 RAID 阵列之前，还应分配几 GB 的 RAM 来缓冲数据。对于 HDD 阵列，缓冲区大小应更大以补偿写入延迟，但对于基于 SSD 的存储解决方案，缓冲区大小应减小。

图 2：数据包捕获和处理数据流

第一节：

基于 SDR 的频谱监控解决方案的一个显著优势是它们提供了高水平的可重构性。由于硬件配置的可变性，捕获的元数据在分析过程中至关重要。捕获带宽、载波频率和温度等参数可能会有很大差异，并且关联的元数据必须与频谱数据一起存储。众多SDR供应商的存在及其独特的数据包协议可能会使捕获数据的分析复杂化。利用符合 VITA49 标准的 SDR 将提高 SDR 平台数据之间的性能和一致性。符合 VITA49 标准的 SDR 数据会将捕获的样本与元数据隔离。元数据的分离减少了数据传输，因为符合 VITA49 标准的 SDR 仅在 SDR 看到更改时才发送元数据数据包，为频谱捕获数据留出更多空间。除了出色的元数据处理能力外，VITA49 还支持数据包的高精度时间戳和定时校正，可补偿射频前端延迟，从而获得更准确的元数据 ［IEEE］。

第一节：

尽管在许多应用中变得越来越普遍，但目前可用的大多数SDR都无法满足高性能宽带频谱监控应用的要求。除了高信道带宽外，许多频谱监控应用还需要多个独立的接收链来实现空间信息提取。为了实现高带宽捕获和处理，无线电和早期处理系统需要通过高速数字回程紧密集成。严格的集成要求使交钥匙 SDR 解决方案能够提供最佳性能，同时缩短硬件开发时间。由于数据引入和处理要求可能非常严格，因此某些交钥匙解决方案会将录制、存储和回放直接集成到解决方案中，以确保最佳性能。

审核编辑：郭婷