淺談美國電磁頻譜的管理

淺談美國電磁頻譜的管理

系統(tǒng)實現(xiàn)“網(wǎng)絡中心戰(zhàn)電磁頻譜管理”是一個跨空在海灣戰(zhàn)爭和伊拉克戰(zhàn)爭中，復雜電腦環(huán)境下的光譜管理在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮了極其重要的作用。當前美軍電磁頻譜管理戰(zhàn)略發(fā)展目標主要基于“以網(wǎng)絡為中心的頻譜管理”和實現(xiàn)“聯(lián)合電磁頻譜管理”兩個方面。網(wǎng)絡中心戰(zhàn)電磁頻譜管理是信息化戰(zhàn)場頻譜管理的新模式。2006年8月,美國國防部發(fā)布了《國防部網(wǎng)絡中心戰(zhàn)頻譜管理戰(zhàn)略》,就國防部內(nèi)頻譜管理政策和管理程序轉(zhuǎn)型的長期目標做了清晰說明,并開始進行《全球電磁頻譜信息系統(tǒng)》概念化模型的研發(fā)。2012年,又發(fā)布了聯(lián)合電磁頻譜管理的綱領性文件———JP6-01《聯(lián)合電磁頻譜管理行動》,探討聯(lián)合電磁頻譜行動的組織管理、規(guī)劃及實施,并提供對多國行動的思考。1電磁頻譜管理體系的完善美國的電磁頻譜管理工作走在世界前列,制定和發(fā)布了一系列電磁頻譜管理戰(zhàn)略及行動指南,建立了完善的電磁頻譜管理體系,同時不斷加大以網(wǎng)絡為中心的頻譜管理以及聯(lián)合電磁頻譜管理的研究,積極構建全球電磁頻譜信息系統(tǒng),為美軍有效的管理和使用電磁頻譜資源,取得戰(zhàn)場電磁頻譜優(yōu)勢提供了有利保障。1.1以網(wǎng)絡為中心的頻譜管理構想隨著頻譜管理戰(zhàn)略的轉(zhuǎn)型,美國防部(DoD)著眼于逐步實現(xiàn)其以網(wǎng)絡為中心的頻譜管理構想,確保美軍能夠“擁有足夠的頻譜可以使用以及全球性的頻譜接入能力”。表1給出了DoD“以網(wǎng)絡為中心的頻譜管理構想”的四個目標及相應戰(zhàn)略。其核心內(nèi)容如下:1是網(wǎng)中心戰(zhàn)對頻譜管理模式的要求主要措施:一是調(diào)整頻譜管理的架構,將其頻譜管理體系納入全球信息柵格(GIG)管理體系中,使之與“以網(wǎng)絡為中心的頻譜管理構想”相吻合。當前的美國國防頻譜管理體系架構(DS-MA)是美軍為適應網(wǎng)絡中心戰(zhàn)的需求和頻譜管理模式的轉(zhuǎn)型提出的,從上到下主要包括四部分:主管網(wǎng)絡與信息集成的國防部長助理辦公室(OASD/NII)、國防頻譜組織(DSO)、軍事通信電子委員會(MCEB)和各軍種頻譜管理機構。二是更新頻譜管理模式,適時更新文件、政策及程序,推動新的頻譜管理方法普及應用,為逐步實現(xiàn)國防部以網(wǎng)絡為中心的頻譜管理構想提供保障。三是構建頻譜管理數(shù)據(jù)利益共同體(COI),協(xié)調(diào)各部門間的數(shù)據(jù)交換事宜,標準化數(shù)據(jù)交換格式,解決數(shù)據(jù)共享問題,促進形成一種無縫的電磁頻譜管理環(huán)境。四是建立相應的頻譜標準和頻譜協(xié)議。五是開發(fā)可跨不同層次且與國防部頻譜管理體系結構相適應的頻管服務。2完善預測算法,提高預測的能力主要措施:一是構建具有全軍一致性的頻譜需求描述框架。二是開發(fā)先進的頻譜接入預測方法。三是進一步完善有關程序,提高頻譜預測接入的支持能力;一方面,通過完善采辦程序,提高預測頻譜接入的支持能力;另一方面,通過完善頻譜管理數(shù)據(jù)利益共同體的協(xié)作程序,快速獲得全球頻譜接入的支持信息。3相關部門對臨床網(wǎng)絡的認可主要措施:一是推行以網(wǎng)絡為中心的頻譜管理概念及屬性,求得國內(nèi)和國際頻譜管理結構以及相關部門的充分認可。二是促使國內(nèi)和國際頻譜管理機構采納有助于美軍實現(xiàn)以網(wǎng)絡為中心的頻譜管理構想的標準。三是確保政策制定者、立法者和頻譜管理者了解美軍在頻譜管理問題上的要求和立場。4開發(fā)并擴展頻譜管理職業(yè)培訓領域主要措施:一是開發(fā)基于網(wǎng)絡為中心的頻譜管理轉(zhuǎn)型培訓計劃;二是開發(fā)并擴展頻譜管理職業(yè)培訓領域,既要對各軍種所有頻譜管理人員進行相同的核心業(yè)務培訓,又要針對其各自頻譜使用規(guī)劃、用頻協(xié)調(diào)和頻率分配需求,開發(fā)相關的專業(yè)技能培訓。5與其它部門的合作主要措施:一是支持開發(fā)有助于提高頻譜利用效率的技術。二是鼓勵與其它國家政府機構和頻譜管理部門建立伙伴關系,共同開發(fā)有助于達成電磁頻譜共享的技術與標準。三是扶持開發(fā)頻譜管理新技術和新工具,以提高聯(lián)合作戰(zhàn)頻譜管理決策效率。1.2統(tǒng)一的域和戰(zhàn)略層全球電磁頻譜信息系統(tǒng)(GlobalElectromagneticSpectrumInformationSystem,GEMSIS)是美軍重要的頻譜管理綜合性項目,將陸、海、空、天各領域和戰(zhàn)略層到戰(zhàn)術層各個層面的所有電磁操作結合成一個統(tǒng)一的整體,為整個全球信息柵格上的所有用頻系統(tǒng)提供一個聯(lián)合體系結構,如圖1所示。能夠以跨軍種、跨職能梯隊的方式進行工作,可以透明地解決頻譜應用競爭,為各種用頻作戰(zhàn)任務提供支持。GEMSIS將用頻操作從原有預先計劃、靜態(tài)頻率分配的模式轉(zhuǎn)型為動態(tài)、靈活、有響應的網(wǎng)絡中心化作戰(zhàn)頻譜管理操作,可以通過建模和仿真實現(xiàn)頻譜支持能力,提供能進行頻譜敵我識別、以網(wǎng)絡為中心、增強型以及整體態(tài)勢的圖景浮現(xiàn)能力。這種能力使頻譜作戰(zhàn)從一種預先規(guī)劃的靜態(tài)分配系統(tǒng)轉(zhuǎn)為一種可動態(tài)頻譜規(guī)劃、頻譜申請、分配頻譜,并化解頻譜沖突的具有靈活適應能力的新系統(tǒng)。1.3和電子戰(zhàn)聯(lián)合聯(lián)合電磁頻譜行動(JointE-lectromagneticSpectrumOperations,JEMSO)由聯(lián)合電磁頻譜管理行動(JointElectromagneticSpectrumManagementOperations,JEMSMO)和電子戰(zhàn)(ElectronicWarfare,EW)聯(lián)合構成,旨在利用、攻擊、保護和管理電磁行動環(huán)境內(nèi)的資源,并解決電磁干擾,從而實現(xiàn)指揮官的意圖。其中,聯(lián)合電磁頻譜管理行動(JointE-lectromagneticspectrummanagementOperations,JEMSMO)是在多國參與環(huán)境中最終負責協(xié)調(diào)電磁頻譜的功能域。通過行動、工程和行政程序規(guī)劃、協(xié)調(diào)和管理電磁頻譜。其首要目標是使電磁頻譜相關的能力和系統(tǒng)可在目標環(huán)境中正常發(fā)揮功能,避免不必要的干擾。JEMSMO的三大功能———頻率管理(FM)、東道主國協(xié)同(HNC)和聯(lián)合頻譜沖突消解(JSIR)可以在任何類型的行動中執(zhí)行。JEMSMO規(guī)劃活動包括制定政策和指南、收集頻譜需求、頻譜需求匯總、定義電磁作戰(zhàn)環(huán)境、獲取頻譜資源和制定頻譜管理計劃。美軍JEMSMO規(guī)劃步驟及輸入輸出參見表2。2認知無線電技術美軍在不斷調(diào)整頻譜管理戰(zhàn)略的同時,一直致力于頻譜管理技術研究與創(chuàng)新,以實現(xiàn)電磁頻譜管理效能的最優(yōu)化。早在2002年,美國聯(lián)邦通信委員會就發(fā)布報告,推薦將認知無線電技術作為提高無線頻譜整體利用效率的技術措施,并專門成立認知無線電工作組,研究無線電在內(nèi)的頻譜管理政策。此后,美國國防部預先研究計劃局(DARPA)也開始了下一代通信計劃(XG),開展動態(tài)頻譜接入(DynamicSpectrumAccess,DSA)關鍵技術研究。2005年,美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)提出頻譜政策改革,提出采用認知無線電技術實現(xiàn)開放頻譜系統(tǒng),還成立了專門的認知無線電工作組。認知無線電(CognitiveRadio,CR)是瑞典皇家技術學院的JosephMitola博士于1999年在軟件無線電的基礎上首次提出的。CR是一種利用動態(tài)頻譜訪問技術,通過與環(huán)境的交互動態(tài)改變發(fā)射機參數(shù)的無線電設備。動態(tài)頻譜接入是指實時調(diào)整頻譜資源使用以應對變化的環(huán)境和目標,包括信道干擾、無線終端狀態(tài)(操作模式、電池壽命或位置等)、環(huán)境和外部約束條件(頻譜、傳播和操作策略)的變化。認知無線電技術通過“理解—構造”的過程,對環(huán)境進行理解和主動學習,在不影響其它授權用戶的前提下智能地利用大量空閑頻譜并隨時隨地提高可靠性通信。這將大大降低頻譜和帶寬的限制對無線技術發(fā)展的束縛,為軍事電磁頻譜管理帶來革命性的發(fā)展。當前,美軍正積極致力于實時的、動態(tài)的頻譜管理技術的開發(fā),如正在進行的全球電磁頻譜信息系統(tǒng),以實現(xiàn)電磁頻譜管理流程的最優(yōu)化。目前,國內(nèi)對于認知無線電技術的研究也全面開展。國家自然科學基金委員會和國家863計劃在2006年開始自助認知無線電方面的研究。從事認知無線電研究的高校包括清華大學、北京郵電大學等。認知無線電技術在軍事領域具有廣泛的應用前景,主要集中在動態(tài)頻譜管理和軍用認知無線電技術方面。2.1基于物理層的頻譜感知動態(tài)頻譜管理依賴于認知無線電的認知和重配置能力?；谡J知無線電的動態(tài)頻譜管理還需要有一系列的相關功能及框架的支撐,需實現(xiàn)以下四個功能:1)頻譜感知(SpectrumSensing):檢測可用頻譜,并且在不干擾其它用戶的基礎上使用這些頻譜;2)頻譜決策(SpectrumDecision):根據(jù)用戶需求,獲取最佳的可用頻譜資源;3)頻譜共享(SpectrumSharing):在共存的認知用戶間提供公平的頻譜接入;4)頻譜機動(SpectrumMobility):在授權用戶出現(xiàn)時轉(zhuǎn)移到另外的可用頻譜并且在該過程中保持無縫通信。物理層主要負責頻譜感知功能,并提交感知信息至頻譜切換和頻譜決策功能模塊;鏈路層負責頻譜共享,將調(diào)度信息和重配置信息交給頻譜決策進行頻譜分析和決策,同時將鏈路控制及延遲等參數(shù)提供給頻譜切換功能模塊進行處理;網(wǎng)絡層完成路由選擇,重置鏈路層的頻譜感知;應用層則主要提供QoS應用需求并進行應用控制。2.2基于認知環(huán)的認識能力認知無線電在軍事領域的應用展現(xiàn)了一種全新的頻譜管理模式,將戰(zhàn)場環(huán)境感知、通信、指控綜合在一起的軍用認知無線電(MilitaryCognitiveRadio,MCR)是一種能夠感知戰(zhàn)場電磁環(huán)境,通過對軍事環(huán)境的理解和學習,實時調(diào)整其內(nèi)部配置,以適應外部戰(zhàn)場環(huán)境變化的無線電技術,采用認知環(huán)的形式來理解軍用認知無線電的認知能力,如圖4所示。在認知環(huán)中,頻譜感知模塊實時監(jiān)測戰(zhàn)場電磁環(huán)境的變化,通過頻譜特征提取為頻譜策略決策提供依據(jù),而在決策過程中還綜合了頻譜管理中心分配的頻譜資源、業(yè)務需求等信息,在頻譜策略庫中選擇最佳方案,并予以實施。另外,認知中還包含頻譜本地認知與頻譜網(wǎng)絡認知。每一部認知無線電臺均具有頻譜本地認知能力,將這些信息傳遞到網(wǎng)絡頻譜管理中心,就可以完成對各個區(qū)域、各個時間段的頻譜認知。軍用認知無線電的研究在以下三個方面展開:1)電磁環(huán)境感知和通信指揮一體化;2)集中分布式結合的軍用認知頻譜管理;3)軍用認知抗干擾通信。3認知無線電技術及其軍事應用美軍的電磁頻譜管理戰(zhàn)略重點以軍事行動需求為指導,以戰(zhàn)場環(huán)境需求為牽引,不斷完善和推出新的頻譜管理戰(zhàn)略,還積極開展認知無線電、動態(tài)頻譜接入等技術理論研究。本文對美軍現(xiàn)行以網(wǎng)絡為中心及