網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)中的電磁頻譜管理*

陳自衛(wèi) 程善政 周 密

(75818部隊(duì)1) 廣州 510500)(海軍工程大學(xué)兵器新技術(shù)應(yīng)用研究所2) 武漢 430033)(95006部隊(duì)3) 武漢 430030)

1 引言

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展,信息技術(shù)正經(jīng)歷著從平臺為中心的計算向網(wǎng)絡(luò)為中心的計算的根本轉(zhuǎn)移,這一轉(zhuǎn)變不僅為商業(yè)發(fā)展提出新的競爭動力,而且為軍事變革也注入了新的動力。網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)就是利用通信系統(tǒng)和計算機(jī)系統(tǒng),把地理上散布在戰(zhàn)場各處的各個作戰(zhàn)單元網(wǎng)絡(luò)化、一體化地連接起來,使分散配置的部隊(duì)同時掌握和了解戰(zhàn)場態(tài)勢,把信息優(yōu)勢轉(zhuǎn)變?yōu)樽鲬?zhàn)行動優(yōu)勢,實(shí)現(xiàn)先敵行動和部隊(duì)自我同步協(xié)調(diào),發(fā)揮聯(lián)合作戰(zhàn)的最大效能[1]。

網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)爭已經(jīng)演變?yōu)樾畔⒒膽?zhàn)爭,交戰(zhàn)雙方是以軍事電子技術(shù)和信息技術(shù)為基礎(chǔ)在信息領(lǐng)域進(jìn)行對抗,敵我雙方都將在傳感器、武器系統(tǒng)和通信三大網(wǎng)絡(luò)中使用大量的電子裝備,因此對頻譜的依賴性越來越強(qiáng),對電磁頻譜的需求越來越緊迫。戰(zhàn)場電磁頻譜管理任務(wù)極其艱巨、繁重,單靠人工是做不到的,必須依靠科學(xué)、準(zhǔn)確、有效的自動化、智能化頻率規(guī)劃、分配、指配工具于一體的系統(tǒng)才能做到。因此,為了確保在網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)中能夠掌握戰(zhàn)場制電磁權(quán),保證戰(zhàn)場信息的獲取、控制和使用,必須加強(qiáng)對電磁頻譜管理系統(tǒng)先進(jìn)技術(shù)的研究。

2 網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)對電磁頻譜管理的需求

網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)是信息時代全新的戰(zhàn)爭理論和基本作戰(zhàn)樣式。網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)并不是關(guān)于網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)爭,它以網(wǎng)格技術(shù)為基礎(chǔ),包含信息領(lǐng)域可以應(yīng)用于軍事的各種技術(shù),是信息化戰(zhàn)爭中的全新作戰(zhàn)理論和基本作戰(zhàn)樣式,是一種發(fā)展的理論。網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)是一種獲取制信息權(quán)的軍事行動的概念。這種作戰(zhàn)概念,通過傳感器、決策者和打擊武器的網(wǎng)絡(luò)化,獲取共享感知,增加指揮速度,加快作戰(zhàn)節(jié)奏,增大殺傷力,增強(qiáng)生存能力,提高自同步能力,從而達(dá)到作戰(zhàn)能力的提升[2]。為此,網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)對電磁頻譜管理提出了很高的要求:

1)網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)參戰(zhàn)部隊(duì)軍兵種多,使用的電子設(shè)備種類多、數(shù)量大,敵我雙方在有限的頻譜資源上爭奪異常激烈。各軍兵種使用的電子設(shè)備在平時協(xié)同少,沒有實(shí)戰(zhàn)管理經(jīng)驗(yàn)。而一旦戰(zhàn)爭爆發(fā),我方為提高整體作戰(zhàn)能力,在兵力部署、裝備配置上有較大加強(qiáng),各種高、新、尖的武器裝備以及一些殺手锏武器必將投入使用,通信、雷達(dá)、電子對抗等電子設(shè)備都需要展開,且敵我雙方集中于一定的區(qū)域內(nèi)共用有限的頻譜資源,會產(chǎn)生大量的電磁輻射。這些電磁輻射,不僅會被敵方偵察,而且還會造成己方相互干擾,惡化電磁環(huán)境,制約武器裝備性能的正常發(fā)揮。因此,網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)必須加強(qiáng)電磁波的控制與管理。

2)網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)涉及作戰(zhàn)地域廣闊,距離遠(yuǎn)、范圍大,各種武器系統(tǒng)在不同時域、地域和空域內(nèi),要經(jīng)受各種復(fù)雜電磁環(huán)境的考驗(yàn),使得對戰(zhàn)場電磁波的控制與管理顯得尤為重要。

3)網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)是海空一體、多軍兵種參戰(zhàn)的信息綜合戰(zhàn)爭,要求各軍兵種參戰(zhàn)部隊(duì)要加強(qiáng)信息橫向流通,不間斷地利用電磁頻譜去支持通信、偵察預(yù)警、電子對抗、武器控制、制導(dǎo)引導(dǎo)、遙控遙測、傳感遙感等系統(tǒng)的正常運(yùn)行,通過加強(qiáng)戰(zhàn)場電磁頻譜管理,來實(shí)現(xiàn)高度機(jī)動和快速機(jī)動的作戰(zhàn)需求。

4)由于網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)中各種無線電設(shè)備及武器系統(tǒng)等電子設(shè)備的廣泛使用,參戰(zhàn)的電子設(shè)備參差不齊,產(chǎn)地、生產(chǎn)年代、使用單位、層次都不盡相同。加之這些電子設(shè)備的制式和體制不同,使用的頻率相互交叉,給實(shí)現(xiàn)電磁兼容帶來了更大的困難。因此要保證有利的電磁兼容,必須對現(xiàn)有的頻譜資源實(shí)行科學(xué)綜合的管理。

3 頻譜管理技術(shù)發(fā)展趨勢

鑒于網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)對電磁頻譜管理的以上需求,從美軍的資料分析表明,頻譜管理系統(tǒng)在信息化武器系統(tǒng)建設(shè)中占據(jù)重要的位置,頻譜管理系統(tǒng)裝備與技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)出如下四個特點(diǎn)和趨勢:

1)全域管理。頻譜管理系統(tǒng)從單一功能向多功能、從單一頻段向全頻段、從滿足某一特殊需求向聯(lián)合作戰(zhàn)全維頻譜管理發(fā)展。

2)動態(tài)管理。從集中、靜態(tài)管理模式向分布式、動態(tài)管理模式發(fā)展,最終實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場頻譜的自適應(yīng)戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃。

3)網(wǎng)絡(luò)化管理。實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場頻譜信息的自適應(yīng)共享、頻譜使用協(xié)作和頻譜管理的全域服務(wù)。

4)智能化管理。頻譜管理已經(jīng)完成了由手工作業(yè)到計算機(jī)輔助的轉(zhuǎn)變,最終目標(biāo)將是實(shí)現(xiàn)在自動化基礎(chǔ)上的智能化管理。目前人工智能領(lǐng)域研究取得的成果及其在網(wǎng)絡(luò)管理領(lǐng)域的應(yīng)用,將被逐步應(yīng)用于頻譜智能化管理領(lǐng)域。

4 網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的頻譜管理系統(tǒng)新技術(shù)

為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的需要,其電磁頻譜管理系統(tǒng)作為信息系統(tǒng)優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域,得到各軍事大國的高度重視,由此極大地推動了頻譜管理需求研究和新技術(shù)開發(fā),涌現(xiàn)出很多新概念和研究領(lǐng)域,并展示出廣闊的發(fā)展前景。下面就對一些應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的兩個重要熱點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行介紹:

4.1 多智能體技術(shù)

4.1.1 智能體基本概念

Agent的概念最早出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代的人工智能中,80年代后期才成長起來,基本定義是為了達(dá)到某個特定的目標(biāo),在對外部環(huán)境的相互作用基礎(chǔ)上,通過對環(huán)境狀態(tài)的認(rèn)識和其它Agent的協(xié)作,自治地推進(jìn)問題解決的處理單元[3]。從A-gent的這個定義來看,Agent應(yīng)具有下面4個基本特征:

1)Autonomy(自治性):Agent擁有內(nèi)部自治機(jī)制和問題解決機(jī)制,能夠控制自己的行為和內(nèi)部狀態(tài)。無需他人干涉就可根據(jù)自己的知識和捕捉到的信息進(jìn)行判斷和行為。Agent自治性的高低在很大程度上決定了其智能的高低;

2)Social ability(社會性):Agent不是孤立的,而是一個相互作用的群體。Agent間可以按照某種協(xié)議或者語言進(jìn)行通信和對話,從而形成一個小組來協(xié)作完成某一特定的任務(wù);

3)Reactivity(反應(yīng)性):指Agent具有外部環(huán)境的反射作用,能夠識別外部環(huán)境的變化做出適當(dāng)反應(yīng);

4)Pro-activeness(自發(fā)性):指 Agent具有對目標(biāo)的能動性,為了達(dá)到目標(biāo),Agent能夠自發(fā)地參加到某些處理或協(xié)作中。

多Agent系統(tǒng)(MAS,Multi-Agent System)是由多個在功能上獨(dú)立、具有邏輯推理能力和通信能力的Agent組成。

對于網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)而言,由于作戰(zhàn)可能發(fā)生在不同地區(qū)、同一地區(qū)又有多級參戰(zhàn)單位,而且監(jiān)測和探測設(shè)備采集的數(shù)據(jù)等都具有分布特性。并且電磁頻譜管理的控制程序、數(shù)據(jù)采集程序、分析計算程序和界面管理、人機(jī)對話程序也是由不同編程語言、或是在不同的地區(qū)或者在不同的硬件平臺上實(shí)現(xiàn),需要相互協(xié)作才能完成最后的分析、指配、發(fā)布等任務(wù),所以MAS理論與思想是非常合適的建模方法。

4.1.2 基于MAS的電磁頻譜管理系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)戰(zhàn)場戰(zhàn)時電磁頻譜管理的需要,結(jié)合MAS理論和電磁頻譜管理系統(tǒng)的特點(diǎn),將基于MAS的戰(zhàn)場電磁頻譜管理系統(tǒng)由可用圖1表示,各部分介紹如下[4]。

圖1 基于MAS的電磁頻譜管理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

1)信息來源

信息來源主要來自電磁頻譜的監(jiān)測探測網(wǎng)及相應(yīng)數(shù)據(jù)庫,典型的有:

(1)電磁頻譜監(jiān)測網(wǎng),是對空中電磁信號頻譜特征參數(shù)進(jìn)行測試、分析的網(wǎng)絡(luò),也稱電磁頻譜監(jiān)測測向網(wǎng)。電磁頻譜監(jiān)測網(wǎng)擔(dān)負(fù)電磁環(huán)境監(jiān)測和無線電信號測向定位任務(wù),通常包括短波監(jiān)測網(wǎng)、超短波監(jiān)測網(wǎng)和衛(wèi)星監(jiān)測網(wǎng)等構(gòu)成。

(2)電磁頻譜探測網(wǎng),目前使用的主要是短波頻率探測網(wǎng),用于對電離層變化情況的實(shí)時探測,為短波頻率的預(yù)報、管理和最佳短波頻率的選用提供技術(shù)支持,實(shí)現(xiàn)短波頻率的實(shí)時探測、預(yù)報和管理。

(3)電磁頻譜管理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),是為電磁頻譜管理提供數(shù)據(jù)支持,它由臺站庫、頻率數(shù)據(jù)庫、設(shè)備庫、網(wǎng)絡(luò)庫、監(jiān)測庫、電波環(huán)境數(shù)據(jù)庫、輔助決策數(shù)據(jù)庫和地理信息庫等組成。

2)各功能Agent

將戰(zhàn)場按不同的集結(jié)區(qū)分為幾個作戰(zhàn)區(qū)域,每個區(qū)域有一個電磁頻譜管理的指揮部位,每個指揮部位通常有一個電磁頻譜管理系統(tǒng)的平臺,每個平臺有若干功能Agent,圖中顯示的四個功能Agent介紹如下:

(1)信息收集與處理Agent

對戰(zhàn)場電磁環(huán)境監(jiān)測信息和來自我方戰(zhàn)場所有電子系統(tǒng)的信息進(jìn)行收集與綜合,將收集和綜合的信息送干擾識別與特征提取單元。實(shí)現(xiàn)對干擾的敵我識別及對干擾的頻率、頻帶、發(fā)射功率和調(diào)制特性等特征的提取,并將提取和綜合的特征提交給信息交互單元及保存在相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中。

(2)頻率規(guī)劃與指配Agent

使用頻率規(guī)劃與指配軟件實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場頻率的規(guī)劃及各電子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的頻率指配,將規(guī)劃和指配的結(jié)果保存在頻率資源數(shù)據(jù)庫中,以備提交給聯(lián)絡(luò)文件制作單元進(jìn)行聯(lián)絡(luò)文件制作。

(3)指令生成與發(fā)布Agent

實(shí)現(xiàn)以約定的信令或密令:確定戰(zhàn)區(qū)內(nèi)的固定臺或移動業(yè)務(wù)基站用戶;將現(xiàn)有的工作頻率系列轉(zhuǎn)換到另一工作頻率系列或向確定的頻率范圍跳躍;或者采取降低發(fā)射功率乃至在確定的期間暫停工作等措施,并實(shí)現(xiàn)管理指令的發(fā)布。

(4)態(tài)勢分析與顯示Agent

實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場地形顯示、敵我電子裝備部署顯示、電磁干擾分布分析顯示、敵方干擾分布及發(fā)展態(tài)勢分析顯示。

4.2 認(rèn)知無線電

4.2.1 認(rèn)知無線電的基本概念

認(rèn)知無線電(CR,Cognitive Radio)是軟件無線電技術(shù)的演化,是一種新的智能無線通信技術(shù)。它可以感知到無線電傳輸?shù)沫h(huán)境特征,通過無線電知識表述語言與通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行智能交流,對無線環(huán)境的分析!理解和判斷,自適應(yīng)地調(diào)整系統(tǒng)的通信參數(shù),在不影響授權(quán)用戶通信的前提下,智能的利用空閑的頻譜為認(rèn)知用戶提供隨時隨地、高可能性地接入以提高網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)條件下的頻譜利用率[5]。

4.2.2 認(rèn)知無線電的系統(tǒng)模型

CR作為一種智能的頻譜共享技術(shù),能夠依靠人工智能的支持,感知無線通信環(huán)境,根據(jù)一定的學(xué)習(xí)和決策算法,實(shí)時自適應(yīng)地改變系統(tǒng)工作參數(shù),動態(tài)地檢測和有效地利用空閑頻譜。認(rèn)知的實(shí)現(xiàn)主要包括以下三個基本過程,如圖2所示。

1)頻譜感知:監(jiān)測可用頻段,檢測頻譜空洞。

2)頻譜分析:估計頻譜感知獲取的頻譜空洞的特性。

3)頻譜判決:根據(jù)頻譜空洞的特性和用戶需求選擇合適的頻段傳輸數(shù)據(jù)。

圖2 認(rèn)知的基本過程

4.2.3 基于認(rèn)知的頻譜共享技術(shù)

涉及的關(guān)鍵技術(shù)有合作式網(wǎng)內(nèi)頻譜共享算法、頻譜空洞質(zhì)量評估算法、頻率容量估計算法及無線電知識表述方法等多方面。

由于CR網(wǎng)絡(luò)中用戶對帶寬的需求、可用信道的數(shù)量和位置都是隨時變化的,傳統(tǒng)的話音和無線網(wǎng)絡(luò)的DSA方法不完全適用。另外要實(shí)現(xiàn)完全動態(tài)頻譜分配(Fully DSA)受到很多政策、標(biāo)準(zhǔn)及接入?yún)f(xié)議的限制。因此目前基于CR的DSA的研究主要基于頻譜共享池(Spectrum Pooling)這一策略。頻譜共享池的基本思想是將一部分分配給不同業(yè)務(wù)的頻譜合并成一個公共的頻譜池,并將整個頻譜池劃分為若干個子信道,因此信道是頻譜分配的基本單位。基于頻譜共享池策略的DSA實(shí)質(zhì)上是一個受限的信道分配問題,以最大化信道利用率為主要目標(biāo)的同時考慮干擾的最小化和接入的公平性。在DSA基礎(chǔ)上,發(fā)展了動態(tài)頻譜管理(DSM,dynamic spectrum management)的概念,首先確定并描述可用頻譜、該頻譜的可用時段,再按一定的規(guī)則將該頻譜分配使用,用戶在使用結(jié)束后釋放該頻譜。

5 結(jié)語

多智能體理論和認(rèn)知無線電作為兩種成熟的、先進(jìn)的基礎(chǔ)理論,在電磁頻譜管理系統(tǒng)中的應(yīng)用必將是一個有發(fā)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域。多智能體理論可以用于設(shè)計整個網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)中電磁頻譜管理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),在此體系結(jié)構(gòu)下,再運(yùn)用相應(yīng)的頻譜管理技術(shù)來設(shè)計相應(yīng)的功能智能體,如運(yùn)用認(rèn)知無線電作為關(guān)鍵技術(shù)來實(shí)現(xiàn)頻率規(guī)劃與指配Agent等。

未來的戰(zhàn)爭,必將是以網(wǎng)絡(luò)為中心的戰(zhàn)爭,必將是一場全方位、大縱深、多層次、快節(jié)奏的電子信息綜合戰(zhàn)。戰(zhàn)場電磁頻譜管理將貫穿于網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的全過程,且對戰(zhàn)役勝負(fù)起著極其重要的作用。因此,加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的電磁頻譜管理系統(tǒng)的研究是做好軍事斗爭準(zhǔn)備的重要內(nèi)容,也是打贏未來高技術(shù)條件下戰(zhàn)爭的必然要求。研究網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)中的電磁環(huán)境頻譜管理,以最大限度地保障我方電子信息系統(tǒng)的頻譜接入,并最大程度地限制敵方信息系統(tǒng)對頻譜的使用,對奪取戰(zhàn)場的制電磁權(quán),進(jìn)而掌握戰(zhàn)爭的主動權(quán)將具有十分重要的意義。

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

[2]陳紅業(yè),李海剛,王力民,等.美國網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的發(fā)展動向與分析[J].艦船電子工程,2008,28(6):21～26

[3]賈得民,劉剛,秦勇.基于智能Agent的動態(tài)協(xié)作任務(wù)求解[M].北京:科學(xué)出版社,2007,9

[4]陳自衛(wèi).基于M AS的分布式戰(zhàn)場電磁頻譜管理系統(tǒng)研究[J].兵工自動化,2009,29(7):35～39

[5]期俊玲,廖英杰.認(rèn)知無線電的應(yīng)用技術(shù)研究[J].大眾科技,2007(11):71～73