浅谈美国电磁频谱的管理

浅谈美国电磁频谱的管理

系统实现“网络中心战电磁频谱管理”是一个跨空在海湾战争和伊拉克战争中，复杂电脑环境下的光谱管理在现代战争中发挥了极其重要的作用。当前美军电磁频谱管理战略发展目标主要基于“以网络为中心的频谱管理”和实现“联合电磁频谱管理”两个方面。网络中心战电磁频谱管理是信息化战场频谱管理的新模式。2006年8月,美国国防部发布了《国防部网络中心战频谱管理战略》,就国防部内频谱管理政策和管理程序转型的长期目标做了清晰说明,并开始进行《全球电磁频谱信息系统》概念化模型的研发。2012年,又发布了联合电磁频谱管理的纲领性文件———JP6-01《联合电磁频谱管理行动》,探讨联合电磁频谱行动的组织管理、规划及实施,并提供对多国行动的思考。1电磁频谱管理体系的完善美国的电磁频谱管理工作走在世界前列,制定和发布了一系列电磁频谱管理战略及行动指南,建立了完善的电磁频谱管理体系,同时不断加大以网络为中心的频谱管理以及联合电磁频谱管理的研究,积极构建全球电磁频谱信息系统,为美军有效的管理和使用电磁频谱资源,取得战场电磁频谱优势提供了有利保障。1.1以网络为中心的频谱管理构想随着频谱管理战略的转型,美国防部(DoD)着眼于逐步实现其以网络为中心的频谱管理构想,确保美军能够“拥有足够的频谱可以使用以及全球性的频谱接入能力”。表1给出了DoD“以网络为中心的频谱管理构想”的四个目标及相应战略。其核心内容如下:1是网中心战对频谱管理模式的要求主要措施:一是调整频谱管理的架构,将其频谱管理体系纳入全球信息栅格(GIG)管理体系中,使之与“以网络为中心的频谱管理构想”相吻合。当前的美国国防频谱管理体系架构(DS-MA)是美军为适应网络中心战的需求和频谱管理模式的转型提出的,从上到下主要包括四部分:主管网络与信息集成的国防部长助理办公室(OASD/NII)、国防频谱组织(DSO)、军事通信电子委员会(MCEB)和各军种频谱管理机构。二是更新频谱管理模式,适时更新文件、政策及程序,推动新的频谱管理方法普及应用,为逐步实现国防部以网络为中心的频谱管理构想提供保障。三是构建频谱管理数据利益共同体(COI),协调各部门间的数据交换事宜,标准化数据交换格式,解决数据共享问题,促进形成一种无缝的电磁频谱管理环境。四是建立相应的频谱标准和频谱协议。五是开发可跨不同层次且与国防部频谱管理体系结构相适应的频管服务。2完善预测算法,提高预测的能力主要措施:一是构建具有全军一致性的频谱需求描述框架。二是开发先进的频谱接入预测方法。三是进一步完善有关程序,提高频谱预测接入的支持能力;一方面,通过完善采办程序,提高预测频谱接入的支持能力;另一方面,通过完善频谱管理数据利益共同体的协作程序,快速获得全球频谱接入的支持信息。3相关部门对临床网络的认可主要措施:一是推行以网络为中心的频谱管理概念及属性,求得国内和国际频谱管理结构以及相关部门的充分认可。二是促使国内和国际频谱管理机构采纳有助于美军实现以网络为中心的频谱管理构想的标准。三是确保政策制定者、立法者和频谱管理者了解美军在频谱管理问题上的要求和立场。4开发并扩展频谱管理职业培训领域主要措施:一是开发基于网络为中心的频谱管理转型培训计划;二是开发并扩展频谱管理职业培训领域,既要对各军种所有频谱管理人员进行相同的核心业务培训,又要针对其各自频谱使用规划、用频协调和频率分配需求,开发相关的专业技能培训。5与其它部门的合作主要措施:一是支持开发有助于提高频谱利用效率的技术。二是鼓励与其它国家政府机构和频谱管理部门建立伙伴关系,共同开发有助于达成电磁频谱共享的技术与标准。三是扶持开发频谱管理新技术和新工具,以提高联合作战频谱管理决策效率。1.2统一的域和战略层全球电磁频谱信息系统(GlobalElectromagneticSpectrumInformationSystem,GEMSIS)是美军重要的频谱管理综合性项目,将陆、海、空、天各领域和战略层到战术层各个层面的所有电磁操作结合成一个统一的整体,为整个全球信息栅格上的所有用频系统提供一个联合体系结构,如图1所示。能够以跨军种、跨职能梯队的方式进行工作,可以透明地解决频谱应用竞争,为各种用频作战任务提供支持。GEMSIS将用频操作从原有预先计划、静态频率分配的模式转型为动态、灵活、有响应的网络中心化作战频谱管理操作,可以通过建模和仿真实现频谱支持能力,提供能进行频谱敌我识别、以网络为中心、增强型以及整体态势的图景浮现能力。这种能力使频谱作战从一种预先规划的静态分配系统转为一种可动态频谱规划、频谱申请、分配频谱,并化解频谱冲突的具有灵活适应能力的新系统。1.3和电子战联合联合电磁频谱行动(JointE-lectromagneticSpectrumOperations,JEMSO)由联合电磁频谱管理行动(JointElectromagneticSpectrumManagementOperations,JEMSMO)和电子战(ElectronicWarfare,EW)联合构成,旨在利用、攻击、保护和管理电磁行动环境内的资源,并解决电磁干扰,从而实现指挥官的意图。其中,联合电磁频谱管理行动(JointE-lectromagneticspectrummanagementOperations,JEMSMO)是在多国参与环境中最终负责协调电磁频谱的功能域。通过行动、工程和行政程序规划、协调和管理电磁频谱。其首要目标是使电磁频谱相关的能力和系统可在目标环境中正常发挥功能,避免不必要的干扰。JEMSMO的三大功能———频率管理(FM)、东道主国协同(HNC)和联合频谱冲突消解(JSIR)可以在任何类型的行动中执行。JEMSMO规划活动包括制定政策和指南、收集频谱需求、频谱需求汇总、定义电磁作战环境、获取频谱资源和制定频谱管理计划。美军JEMSMO规划步骤及输入输出参见表2。2认知无线电技术美军在不断调整频谱管理战略的同时,一直致力于频谱管理技术研究与创新,以实现电磁频谱管理效能的最优化。早在2002年,美国联邦通信委员会就发布报告,推荐将认知无线电技术作为提高无线频谱整体利用效率的技术措施,并专门成立认知无线电工作组,研究无线电在内的频谱管理政策。此后,美国国防部预先研究计划局(DARPA)也开始了下一代通信计划(XG),开展动态频谱接入(DynamicSpectrumAccess,DSA)关键技术研究。2005年,美国联邦通信委员会(FCC)提出频谱政策改革,提出采用认知无线电技术实现开放频谱系统,还成立了专门的认知无线电工作组。认知无线电(CognitiveRadio,CR)是瑞典皇家技术学院的JosephMitola博士于1999年在软件无线电的基础上首次提出的。CR是一种利用动态频谱访问技术,通过与环境的交互动态改变发射机参数的无线电设备。动态频谱接入是指实时调整频谱资源使用以应对变化的环境和目标,包括信道干扰、无线终端状态(操作模式、电池寿命或位置等)、环境和外部约束条件(频谱、传播和操作策略)的变化。认知无线电技术通过“理解—构造”的过程,对环境进行理解和主动学习,在不影响其它授权用户的前提下智能地利用大量空闲频谱并随时随地提高可靠性通信。这将大大降低频谱和带宽的限制对无线技术发展的束缚,为军事电磁频谱管理带来革命性的发展。当前,美军正积极致力于实时的、动态的频谱管理技术的开发,如正在进行的全球电磁频谱信息系统,以实现电磁频谱管理流程的最优化。目前,国内对于认知无线电技术的研究也全面开展。国家自然科学基金委员会和国家863计划在2006年开始自助认知无线电方面的研究。从事认知无线电研究的高校包括清华大学、北京邮电大学等。认知无线电技术在军事领域具有广泛的应用前景,主要集中在动态频谱管理和军用认知无线电技术方面。2.1基于物理层的频谱感知动态频谱管理依赖于认知无线电的认知和重配置能力。基于认知无线电的动态频谱管理还需要有一系列的相关功能及框架的支撑,需实现以下四个功能:1)频谱感知(SpectrumSensing):检测可用频谱,并且在不干扰其它用户的基础上使用这些频谱;2)频谱决策(SpectrumDecision):根据用户需求,获取最佳的可用频谱资源;3)频谱共享(SpectrumSharing):在共存的认知用户间提供公平的频谱接入;4)频谱机动(SpectrumMobility):在授权用户出现时转移到另外的可用频谱并且在该过程中保持无缝通信。物理层主要负责频谱感知功能,并提交感知信息至频谱切换和频谱决策功能模块;链路层负责频谱共享,将调度信息和重配置信息交给频谱决策进行频谱分析和决策,同时将链路控制及延迟等参数提供给频谱切换功能模块进行处理;网络层完成路由选择,重置链路层的频谱感知;应用层则主要提供QoS应用需求并进行应用控制。2.2基于认知环的认识能力认知无线电在军事领域的应用展现了一种全新的频谱管理模式,将战场环境感知、通信、指控综合在一起的军用认知无线电(MilitaryCognitiveRadio,MCR)是一种能够感知战场电磁环境,通过对军事环境的理解和学习,实时调整其内部配置,以适应外部战场环境变化的无线电技术,采用认知环的形式来理解军用认知无线电的认知能力,如图4所示。在认知环中,频谱感知模块实时监测战场电磁环境的变化,通过频谱特征提取为频谱策略决策提供依据,而在决策过程中还综合了频谱管理中心分配的频谱资源、业务需求等信息,在频谱策略库中选择最佳方案,并予以实施。另外,认知中还包含频谱本地认知与频谱网络认知。每一部认知无线电台均具有频谱本地认知能力,将这些信息传递到网络频谱管理中心,就可以完成对各个区域、各个时间段的频谱认知。军用认知无线电的研究在以下三个方面展开:1)电磁环境感知和通信指挥一体化;2)集中分布式结合的军用认知频谱管理;3)军用认知抗干扰通信。3认知无线电技术及其军事应用美军的电磁频谱管理战略重点以军事行动需求为指导,以战场环境需求为牵引,不断完善和推出新的频谱管理战略,还积极开展认知无线电、动态频谱接入等技术理论研究。本文对美军现行以网络为中心及