网络中心战中的电磁频谱管理*

陈自卫 程善政 周 密

(75818部队1) 广州 510500)(海军工程大学兵器新技术应用研究所2) 武汉 430033)(95006部队3) 武汉 430030)

1 引言

随着信息技术的高速发展,信息技术正经历着从平台为中心的计算向网络为中心的计算的根本转移,这一转变不仅为商业发展提出新的竞争动力,而且为军事变革也注入了新的动力。网络中心战就是利用通信系统和计算机系统,把地理上散布在战场各处的各个作战单元网络化、一体化地连接起来,使分散配置的部队同时掌握和了解战场态势,把信息优势转变为作战行动优势,实现先敌行动和部队自我同步协调,发挥联合作战的最大效能[1]。

网络中心战争已经演变为信息化的战争,交战双方是以军事电子技术和信息技术为基础在信息领域进行对抗,敌我双方都将在传感器、武器系统和通信三大网络中使用大量的电子装备,因此对频谱的依赖性越来越强,对电磁频谱的需求越来越紧迫。战场电磁频谱管理任务极其艰巨、繁重,单靠人工是做不到的,必须依靠科学、准确、有效的自动化、智能化频率规划、分配、指配工具于一体的系统才能做到。因此,为了确保在网络中心战中能够掌握战场制电磁权,保证战场信息的获取、控制和使用,必须加强对电磁频谱管理系统先进技术的研究。

2 网络中心战对电磁频谱管理的需求

网络中心战是信息时代全新的战争理论和基本作战样式。网络中心战并不是关于网络的战争,它以网格技术为基础,包含信息领域可以应用于军事的各种技术,是信息化战争中的全新作战理论和基本作战样式,是一种发展的理论。网络中心战是一种获取制信息权的军事行动的概念。这种作战概念,通过传感器、决策者和打击武器的网络化,获取共享感知,增加指挥速度,加快作战节奏,增大杀伤力,增强生存能力,提高自同步能力,从而达到作战能力的提升[2]。为此,网络中心战对电磁频谱管理提出了很高的要求:

1)网络中心战参战部队军兵种多,使用的电子设备种类多、数量大,敌我双方在有限的频谱资源上争夺异常激烈。各军兵种使用的电子设备在平时协同少,没有实战管理经验。而一旦战争爆发,我方为提高整体作战能力,在兵力部署、装备配置上有较大加强,各种高、新、尖的武器装备以及一些杀手锏武器必将投入使用,通信、雷达、电子对抗等电子设备都需要展开,且敌我双方集中于一定的区域内共用有限的频谱资源,会产生大量的电磁辐射。这些电磁辐射,不仅会被敌方侦察,而且还会造成己方相互干扰,恶化电磁环境,制约武器装备性能的正常发挥。因此,网络中心战必须加强电磁波的控制与管理。

2)网络中心战涉及作战地域广阔,距离远、范围大,各种武器系统在不同时域、地域和空域内,要经受各种复杂电磁环境的考验,使得对战场电磁波的控制与管理显得尤为重要。

3)网络中心战是海空一体、多军兵种参战的信息综合战争,要求各军兵种参战部队要加强信息横向流通,不间断地利用电磁频谱去支持通信、侦察预警、电子对抗、武器控制、制导引导、遥控遥测、传感遥感等系统的正常运行,通过加强战场电磁频谱管理,来实现高度机动和快速机动的作战需求。

4)由于网络中心战中各种无线电设备及武器系统等电子设备的广泛使用,参战的电子设备参差不齐,产地、生产年代、使用单位、层次都不尽相同。加之这些电子设备的制式和体制不同,使用的频率相互交叉,给实现电磁兼容带来了更大的困难。因此要保证有利的电磁兼容,必须对现有的频谱资源实行科学综合的管理。

3 频谱管理技术发展趋势

鉴于网络中心战对电磁频谱管理的以上需求,从美军的资料分析表明,频谱管理系统在信息化武器系统建设中占据重要的位置,频谱管理系统装备与技术发展呈现出如下四个特点和趋势:

1)全域管理。频谱管理系统从单一功能向多功能、从单一频段向全频段、从满足某一特殊需求向联合作战全维频谱管理发展。

2)动态管理。从集中、静态管理模式向分布式、动态管理模式发展,最终实现战场频谱的自适应战术规划。

3)网络化管理。实现战场频谱信息的自适应共享、频谱使用协作和频谱管理的全域服务。

4)智能化管理。频谱管理已经完成了由手工作业到计算机辅助的转变,最终目标将是实现在自动化基础上的智能化管理。目前人工智能领域研究取得的成果及其在网络管理领域的应用,将被逐步应用于频谱智能化管理领域。

4 网络中心战的频谱管理系统新技术

为了适应网络中心战的需要,其电磁频谱管理系统作为信息系统优先发展领域,得到各军事大国的高度重视,由此极大地推动了频谱管理需求研究和新技术开发,涌现出很多新概念和研究领域,并展示出广阔的发展前景。下面就对一些应用于网络中心战的两个重要热点技术进行介绍:

4.1 多智能体技术

4.1.1 智能体基本概念

Agent的概念最早出现于20世纪70年代的人工智能中,80年代后期才成长起来,基本定义是为了达到某个特定的目标,在对外部环境的相互作用基础上,通过对环境状态的认识和其它Agent的协作,自治地推进问题解决的处理单元[3]。从A-gent的这个定义来看,Agent应具有下面4个基本特征:

1)Autonomy(自治性):Agent拥有内部自治机制和问题解决机制,能够控制自己的行为和内部状态。无需他人干涉就可根据自己的知识和捕捉到的信息进行判断和行为。Agent自治性的高低在很大程度上决定了其智能的高低;

2)Social ability(社会性):Agent不是孤立的,而是一个相互作用的群体。Agent间可以按照某种协议或者语言进行通信和对话,从而形成一个小组来协作完成某一特定的任务;

3)Reactivity(反应性):指Agent具有外部环境的反射作用,能够识别外部环境的变化做出适当反应;

4)Pro-activeness(自发性):指 Agent具有对目标的能动性,为了达到目标,Agent能够自发地参加到某些处理或协作中。

多Agent系统(MAS,Multi-Agent System)是由多个在功能上独立、具有逻辑推理能力和通信能力的Agent组成。

对于网络中心战而言,由于作战可能发生在不同地区、同一地区又有多级参战单位,而且监测和探测设备采集的数据等都具有分布特性。并且电磁频谱管理的控制程序、数据采集程序、分析计算程序和界面管理、人机对话程序也是由不同编程语言、或是在不同的地区或者在不同的硬件平台上实现,需要相互协作才能完成最后的分析、指配、发布等任务,所以MAS理论与思想是非常合适的建模方法。

4.1.2 基于MAS的电磁频谱管理系统的设计

根据战场战时电磁频谱管理的需要,结合MAS理论和电磁频谱管理系统的特点,将基于MAS的战场电磁频谱管理系统由可用图1表示,各部分介绍如下[4]。

图1 基于MAS的电磁频谱管理系统的总体结构

1)信息来源

信息来源主要来自电磁频谱的监测探测网及相应数据库,典型的有:

(1)电磁频谱监测网,是对空中电磁信号频谱特征参数进行测试、分析的网络,也称电磁频谱监测测向网。电磁频谱监测网担负电磁环境监测和无线电信号测向定位任务,通常包括短波监测网、超短波监测网和卫星监测网等构成。

(2)电磁频谱探测网,目前使用的主要是短波频率探测网,用于对电离层变化情况的实时探测,为短波频率的预报、管理和最佳短波频率的选用提供技术支持,实现短波频率的实时探测、预报和管理。

(3)电磁频谱管理数据库系统,是为电磁频谱管理提供数据支持,它由台站库、频率数据库、设备库、网络库、监测库、电波环境数据库、辅助决策数据库和地理信息库等组成。

2)各功能Agent

将战场按不同的集结区分为几个作战区域,每个区域有一个电磁频谱管理的指挥部位,每个指挥部位通常有一个电磁频谱管理系统的平台,每个平台有若干功能Agent,图中显示的四个功能Agent介绍如下:

(1)信息收集与处理Agent

对战场电磁环境监测信息和来自我方战场所有电子系统的信息进行收集与综合,将收集和综合的信息送干扰识别与特征提取单元。实现对干扰的敌我识别及对干扰的频率、频带、发射功率和调制特性等特征的提取,并将提取和综合的特征提交给信息交互单元及保存在相应的数据库中。

(2)频率规划与指配Agent

使用频率规划与指配软件实现战场频率的规划及各电子系统和网络的频率指配,将规划和指配的结果保存在频率资源数据库中,以备提交给联络文件制作单元进行联络文件制作。

(3)指令生成与发布Agent

实现以约定的信令或密令:确定战区内的固定台或移动业务基站用户;将现有的工作频率系列转换到另一工作频率系列或向确定的频率范围跳跃;或者采取降低发射功率乃至在确定的期间暂停工作等措施,并实现管理指令的发布。

(4)态势分析与显示Agent

实现战场地形显示、敌我电子装备部署显示、电磁干扰分布分析显示、敌方干扰分布及发展态势分析显示。

4.2 认知无线电

4.2.1 认知无线电的基本概念

认知无线电(CR,Cognitive Radio)是软件无线电技术的演化,是一种新的智能无线通信技术。它可以感知到无线电传输的环境特征,通过无线电知识表述语言与通信网络进行智能交流,对无线环境的分析!理解和判断,自适应地调整系统的通信参数,在不影响授权用户通信的前提下,智能的利用空闲的频谱为认知用户提供随时随地、高可能性地接入以提高网络中心战条件下的频谱利用率[5]。

4.2.2 认知无线电的系统模型

CR作为一种智能的频谱共享技术,能够依靠人工智能的支持,感知无线通信环境,根据一定的学习和决策算法,实时自适应地改变系统工作参数,动态地检测和有效地利用空闲频谱。认知的实现主要包括以下三个基本过程,如图2所示。

1)频谱感知:监测可用频段,检测频谱空洞。

2)频谱分析:估计频谱感知获取的频谱空洞的特性。

3)频谱判决:根据频谱空洞的特性和用户需求选择合适的频段传输数据。

图2 认知的基本过程

4.2.3 基于认知的频谱共享技术

涉及的关键技术有合作式网内频谱共享算法、频谱空洞质量评估算法、频率容量估计算法及无线电知识表述方法等多方面。

由于CR网络中用户对带宽的需求、可用信道的数量和位置都是随时变化的,传统的话音和无线网络的DSA方法不完全适用。另外要实现完全动态频谱分配(Fully DSA)受到很多政策、标准及接入协议的限制。因此目前基于CR的DSA的研究主要基于频谱共享池(Spectrum Pooling)这一策略。频谱共享池的基本思想是将一部分分配给不同业务的频谱合并成一个公共的频谱池,并将整个频谱池划分为若干个子信道,因此信道是频谱分配的基本单位。基于频谱共享池策略的DSA实质上是一个受限的信道分配问题,以最大化信道利用率为主要目标的同时考虑干扰的最小化和接入的公平性。在DSA基础上,发展了动态频谱管理(DSM,dynamic spectrum management)的概念,首先确定并描述可用频谱、该频谱的可用时段,再按一定的规则将该频谱分配使用,用户在使用结束后释放该频谱。

5 结语

多智能体理论和认知无线电作为两种成熟的、先进的基础理论,在电磁频谱管理系统中的应用必将是一个有发展潜力的领域。多智能体理论可以用于设计整个网络中心战中电磁频谱管理系统的体系结构,在此体系结构下,再运用相应的频谱管理技术来设计相应的功能智能体,如运用认知无线电作为关键技术来实现频率规划与指配Agent等。

未来的战争,必将是以网络为中心的战争,必将是一场全方位、大纵深、多层次、快节奏的电子信息综合战。战场电磁频谱管理将贯穿于网络中心战的全过程,且对战役胜负起着极其重要的作用。因此,加强网络中心战的电磁频谱管理系统的研究是做好军事斗争准备的重要内容,也是打赢未来高技术条件下战争的必然要求。研究网络中心战中的电磁环境频谱管理,以最大限度地保障我方电子信息系统的频谱接入,并最大程度地限制敌方信息系统对频谱的使用,对夺取战场的制电磁权,进而掌握战争的主动权将具有十分重要的意义。

[1]James Moffat.Network Centric Warfare and Complexity Theory[M].DoD Command and Control Research Program,2003,9

[2]陈红业,李海刚,王力民,等.美国网络中心战的发展动向与分析[J].舰船电子工程,2008,28(6):21～26

[3]贾得民,刘刚,秦勇.基于智能Agent的动态协作任务求解[M].北京:科学出版社,2007,9

[4]陈自卫.基于M AS的分布式战场电磁频谱管理系统研究[J].兵工自动化,2009,29(7):35～39

[5]期俊玲,廖英杰.认知无线电的应用技术研究[J].大众科技,2007(11):71～73