10月 20日， 2021年

莎莉·科爾

美國軍事頻譜管理目前正在經(jīng)歷許多變化 - 從頻譜共享到量子傳感器和人工智能（AI）的技術(shù)進(jìn)步。

電磁頻譜（EMS）支持全球各種民用和軍事行動;它也恰好是一個無形的戰(zhàn)場，對美國國防部（DoD）的所有領(lǐng)域都至關(guān)重要。中斷頻譜接入可能很快成為美國的軍事噩夢。

美國GAO（政府問責(zé)局）最近的一份報告發(fā)現(xiàn)，A國和俄羅斯正在采取GAO所謂的重大步驟來提高其電磁戰(zhàn)能力，以挑戰(zhàn)美國，這意味著美國不能再保證在頻譜內(nèi)（GAO的報告參見：https://www./products/gao-21-440t）的優(yōu)勢。

根據(jù)GAO的說法，美國國防部非常清楚影響頻譜軍事使用的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，該部門同意GAO的建議，即它應(yīng)該確定流程和程序，改革治理結(jié)構(gòu)，為戰(zhàn)略實施分配領(lǐng)導(dǎo)，發(fā)布實施計劃，并在頻譜領(lǐng)域制定監(jiān)督流程。

在推動重新獲得美國在電磁頻譜優(yōu)勢的過程中，隨著美國國防部開始進(jìn)行頻譜共享，新的量子技術(shù)以及人工智能（AI）速度的提高，新的變化正在發(fā)生。

美軍軍JP3-85聯(lián)合電磁頻譜作戰(zhàn)條令

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電波制勝:重拾美國在電磁頻譜的主宰地位

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電磁頻譜共享

為了幫助解決日益嚴(yán)重的頻譜稀缺問題，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）決定開放無線電頻譜的公民寬帶無線電服務(wù)（CBRS）頻段（3.5至3.7 GHz），該頻段未得到充分利用，用于共享，此舉將使多個類別的用戶能夠安全地占據(jù)相同的頻段。2020年，許可證被拍賣給出價最高的人，即無線運營商，以訪問該頻段的頻譜;即便如此，美國海軍仍保留了作為現(xiàn)有用戶的優(yōu)先權(quán)。

'為了讓電磁頻譜共享成為可能，必須投入大量工作和技術(shù)，它終于實現(xiàn)了，'Xilinx（加利福尼亞州圣何塞）硅營銷總監(jiān)Manuel Uhm說，他也是無線創(chuàng)新論壇的董事會主席，該論壇為公民寬帶無線電服務(wù)（CBRS）設(shè)定了所有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。'頻譜共享非常有意義，因為我們的獨家許可頻譜已經(jīng)用完了。未來，這種情況將變得更加普遍。

EMS和頻譜優(yōu)勢的問題是美國國防部的一個重大優(yōu)先事項。'這對他們來說是一個非常高的優(yōu)先事項 - 讓作戰(zhàn)人員不被敵方發(fā)射器干擾，阻止他們執(zhí)行命令，實時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，'Uhm補(bǔ)充道。多年來，商業(yè)策略是'在拍賣會上開放頻譜，我們將購買并擁有它，沒有其他人可以使用它。但美國國防部的策略是保持其專用于其目的的頻譜，然后在未充分利用時將其共享用于商業(yè)目的。'如果你將美國國防部戰(zhàn)略充分了解，你可以看到美國國防部也希望能夠在未充分利用的情況下開放商業(yè)寬帶頻譜應(yīng)用，'Uhm說。'把鞋子放在另一只腳上，美國國防部說'你在拍賣會上買了這個頻譜，但它沒有得到充分利用，所以我們希望當(dāng)你不將其用于商業(yè)目的時能夠使用它。商業(yè)部門也會開放嗎？他們會說他們在拍賣會上購買了它，并為此支付了數(shù)十億美元，但如果他們沒有充分利用它，他們會對頻譜共享持開放態(tài)度嗎？只要他們的商業(yè)用戶有優(yōu)先權(quán)，并受到保護(hù)免受其他用戶的干擾，那么為什么不向美國國防部開放呢？'

雖然CBRS已經(jīng)成功推出，但可以進(jìn)行改進(jìn)：'現(xiàn)在革命已經(jīng)發(fā)生，這是關(guān)于進(jìn)化變化的，'Uhm繼續(xù)說道。因此，人們正在研究CBRS以及簡化或改進(jìn)未來頻譜共享模型的方法。一個例子是ESC，環(huán)境傳感能力 - 這是CBRS用來確保商業(yè)寬帶用戶在使用時不會干擾海軍雷達(dá)的系統(tǒng)。目前的系統(tǒng)涉及一組安裝在海岸線和內(nèi)陸幾個選定地點的RF傳感器。'如果[傳感器]檢測到正在運行的海軍雷達(dá)，它們會通知附近的所有CBRS設(shè)備，并迫使它們在五分鐘內(nèi)離開頻譜，'Uhm解釋說。'當(dāng)前的模型有效，但部署成本高昂，并且可能會出現(xiàn)錯誤。傳感器可能會脫機(jī)或錯過海軍雷達(dá)ping，然后您就會受到干擾。海軍雷達(dá)應(yīng)該優(yōu)先并受到保護(hù)。

另一種提議的方法稱為現(xiàn)任通知能力，這是'一種更積極主動的方法，其中頻譜協(xié)調(diào)系統(tǒng)使用現(xiàn)有者提供的信息，說明他們何時將使用某些頻率以避免來自其他低優(yōu)先級用戶的干擾，'Uhm補(bǔ)充道。

量子傳感器

一項有望撼動電磁頻譜管理的技術(shù)進(jìn)步屬于量子傳感器/接收器領(lǐng)域。2021年年中，美國陸軍報告稱使用陸軍制造的量子'Rydberg'傳感器 - 一種超寬帶無線電接收器 - 可以分析RF和現(xiàn)實世界信號的全頻譜。

美國陸軍的Rydberg傳感器使用激光束在微波電路正上方產(chǎn)生高激發(fā)的Rydberg原子，以增強(qiáng)并直接聚焦在被測量的光譜部分。這些原子對電路的電壓敏感，因此該器件可用作RF頻譜內(nèi)各種信號的敏感探頭。'以前Rydberg原子傳感器的演示只能感知RF頻譜的小型和特定區(qū)域，但是我們的傳感器在很寬的頻率范圍內(nèi)連續(xù)工作，'美國陸軍研究實驗室美國陸軍作戰(zhàn)能力發(fā)展司令部（DEVCOM）的研究員Kevin Cox說，'這是證明量子傳感器可以提供新的， 我們的士兵在日益復(fù)雜的電磁戰(zhàn)場上作戰(zhàn)。

該實驗室的Rydberg頻譜分析儀和其他量子傳感器顯示出潛力，可以打開美國陸軍傳感器的新前沿，用于頻譜感知，電子戰(zhàn)（EW），傳感和通信 - 所有這些都是陸軍現(xiàn)代化戰(zhàn)略的一部分。（見圖 1）

[圖1|激發(fā)銣原子到高能里德伯狀態(tài)。原子與電路的電場強(qiáng)烈相互作用，能夠檢測和解調(diào)接收到電路中的任何信號。美國陸軍插圖。

在這方面，DARPA（國防高級研究計劃局）啟動了所謂的量子孔徑（QA）計劃，試圖開發(fā)一種全新的接收射頻波形的方法，以提高國防應(yīng)用的靈敏度和頻率敏捷性。DARPA的前量子輔助傳感和讀出計劃（從2010年到2018年運行）認(rèn)識到使用高激發(fā)的Rydberg量子態(tài)感知電子場的潛力。

新推出的QA計劃預(yù)計將運行56個月;研究預(yù)計將于2021年底開始，研究團(tuán)隊成員霍尼韋爾，諾斯羅普格魯曼公司，ColdQuanta和SRI International將加入。

QA的目標(biāo)是通過量子技術(shù)開發(fā)RF天線或孔徑，以改變RF頻譜的訪問方式。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，便攜式和定向RF接收器需要比當(dāng)今任何經(jīng)典接收器具有更高的靈敏度，帶寬和動態(tài)范圍。'商業(yè)無線基礎(chǔ)設(shè)施，頻譜使用的構(gòu)建以及更多的東西都是由一百年的天線理論決定的，該理論最初由德國物理學(xué)家Heinrich Hertz開發(fā)，'領(lǐng)導(dǎo)QA計劃的項目經(jīng)理John Burke說。'隨著量子的引入，我們有能力用一套全新的規(guī)則取代對天線技術(shù)的現(xiàn)有基本限制。Quantum Apertures試圖在我們處理和使用頻譜的方式上創(chuàng)造范式轉(zhuǎn)變。

與傳統(tǒng)的基于天線的接收器相比，Rydberg 傳感器具有顯著的優(yōu)勢。首先，這些傳感器不會受到靈敏度挑戰(zhàn)的困擾，因為它們不需要與熱噪聲作斗爭。此外，Rydberg傳感器在接收的RF頻率波長方面沒有尺寸或形狀限制?？讖叫螤詈蜕漕l頻率的這種去耦使Rydberg傳感器能夠在從MHz到太赫茲的大頻率范圍內(nèi)進(jìn)行編程。QA程序的目標(biāo)系統(tǒng)是定向接收低強(qiáng)度、調(diào)制的RF信號，并在10 MHz至40 GHz或更高的大頻譜范圍內(nèi)工作。該跨度將使用戶能夠通過一根天線看到大片頻譜，特別是與軍事應(yīng)用相關(guān)的部分。

研究人員還將嘗試在一立方厘米的封裝中開發(fā)一種傳感器元件及其相關(guān)電子設(shè)備，該封裝可以在各種頻率下成功運行，DARPA表示，這一壯舉將打破傳統(tǒng)天線存在的頻率范圍和尺寸之間的權(quán)衡。這種設(shè)置還意味著QA傳感器將依靠激光而不是電纜進(jìn)行布線，從而實現(xiàn)對高功率效應(yīng)的更好適應(yīng)能力和更高的微波輻射耐受性。'最近Rydberg原子傳感器的演示表明，可以訪問大部分RF頻譜，但QA旨在通過不斷連接這些演示來超越這些努力，'Burke說。'我們正在從一種功能的簡單演示轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢跃幊虨閹缀踝鋈魏问虑榈脑O(shè)備，并且比經(jīng)典接收器做得更好。這包括加快調(diào)整傳感器的時間 - 提高對小信號的靈敏度，增強(qiáng)動態(tài)范圍，并擴(kuò)大與現(xiàn)代信號的兼容性。

人工智能與邊緣

目前使用的系統(tǒng)掃描大范圍的頻譜以識別感興趣的信號，并根據(jù)數(shù)據(jù)庫對其進(jìn)行檢查，以確定是否需要采取行動。'人工智能的進(jìn)步提供了更好的選擇，可以更快地做出響應(yīng)，更智能，'Xilinx的Uhm說。'它可以幫助識別特定頻段內(nèi)的外國或干擾信號。它可以用來幫助識別那些本來會被歸類為未知信號的信號，因為它們不一定在被引用的數(shù)據(jù)庫中。因此，提出了許多人工智能技術(shù)來管理國防方的頻譜和EMS頻譜優(yōu)勢。

毫無疑問，人工智能正在改變頻譜管理，但邊緣的概念也是如此，這對不同的人來說可能意味著很多事情。'從防御的角度來看，'邊緣'指的是戰(zhàn)術(shù)邊緣，其范圍可以從尖頭噴氣式飛機(jī)到悍馬再到遠(yuǎn)程傳感器，但從商業(yè)角度來看，邊緣的趨勢也有助于戰(zhàn)術(shù)邊緣，一切都需要變得更小，并且在散熱和熱管理方面有嚴(yán)格的限制?；旧鲜浅叽?，重量和功率，'Uhm解釋說。'邊緣'是一個被過度使用的術(shù)語，Uhm指出。'在商業(yè)空間內(nèi)，在計算性能、重量和功耗方面都存在許多要求，因此，當(dāng)人們不定義邊緣時，它就會變成一個模糊的概念，就像'云'一樣，'他說。將半導(dǎo)體技術(shù)和系統(tǒng)都集中在邊緣通常意味著更小、更堅固的外形尺寸，不會消耗那么多的功率，可以在現(xiàn)場存活更長時間，并且不會過熱得那么快。'如果你需要回到云端，這樣做會有延遲，你的響應(yīng)能力也會受到影響，'Uhm說。'邊緣的目標(biāo)是分發(fā)智能，因此它不是全部分布在一個地方，而是實際上更接近收集的信息，以便您更快地采取行動。

Uhm指出，這一現(xiàn)實對于自動駕駛汽車或機(jī)器人手術(shù)等商業(yè)場景非常重要，但從國防和軍事角度來看，這實際上是巨大的，因為你需要非常迅速地對情報采取行動，并在必要時縮短殺傷鏈。'在現(xiàn)場擁有情報對于保持敏捷和敏捷至關(guān)重要 - 而不是不得不回去等待中央指揮部的指示，'他補(bǔ)充道。'戰(zhàn)士們沒有時間這樣做。安全性是頻譜中經(jīng)常被忽視的一個方面。但它現(xiàn)在在商業(yè)領(lǐng)域引起了更多的關(guān)注，因為更多的黑客攻擊和惡意攻擊被公開。

'如果你破解一個系統(tǒng)，你可以控制它。安全性至關(guān)重要 - 所有系統(tǒng)都需要安全并具有多個安全級別，'Uhm指出。從波形'一直到單個芯片級別，每個關(guān)鍵組件都需要是安全的，因為黑客攻擊可能以多種不同的方式發(fā)生，包括通過頻譜。