电磁频谱安全与控制

姚富强 张余 柳永祥

1.南京电讯技术研究所江苏南京210007

电磁频谱作为电磁空间和指挥控制的重要媒质,广泛应用于国家经济、国防建设和社会生活的各个领域,是国家发展不可再生的重要战略资源.但电磁频谱无形无界,具有开放、共享特性,在当前时代背景下,极易形成单向透明不对称态势,使得电磁频谱成为双刃剑:既要传输指挥控制所需的信息流,同时电磁频谱安全问题又日益凸显.如:以色列利用“舒特”系统在频谱域与网络域的综合诱骗能力,其战机成功突破叙利亚防空网并轰炸其核设施[1];伊朗通过射频链路干扰和欺骗等手段,成功俘获美军“RQ-170”无人侦察机.

1 问题的提出

随着信息技术的进步,网络空间作战[1]正由有线网络向无线网络扩展,从而向电磁空间延伸;电磁空间的电子战正由点目标向网络目标扩展[2],从而向网络空间延伸;频谱管理正由战前频管向战时频谱控制扩展,从而向频谱管理作战延伸.3种作战行动相互共存、支撑和使能,其交集产生了全新的“网络电磁行动”概念[3],亦可称为网络电子战[4].美军在2014年2月新发布的陆军野战手册FM 3−38《网络电磁行动》[3]中对网络电磁行动进行了定义:“在网络空间和电磁频谱上夺取、保持并利用对敌人的优势,同时阻止敌人进行上述行动,或降低敌人上述行动的效果,保护任务指挥系统”.该手册还明确指出:网络电磁行动包含网络空间作战、电子战和频谱管理作战,其核心是通过3种作战行动的集成和同步,实施一体化的网络电磁行动.FM 3−38是国际上该领域首个形成条令的野战手册,具有很好的代表性和示范性,进一步明确了网络空间、电磁空间和频谱管理三者之间的关系和军民用频系统面临威胁的变化.在外部威胁不断加剧的背景下,应该如何理性地看待、研究和控制电磁频谱安全问题,以适应我国经济与安全用频同步发展的需求,是当前我们面临的重大现实问题.

2 电磁频谱安全与控制有关概念内涵

电磁频谱安全是指各类电磁活动不仅能够正常拥有和使用电磁频谱,而且秘密电磁频谱信息不被窃取和利用的状态.根据电磁频谱存在的威胁,电磁频谱安全主要包括3个方面:应对频谱资源争夺与占用威胁的电磁频谱战略性安全、应对电磁干扰与限制威胁的电磁频谱可用性安全和应对侦察监视与利用威胁的电磁频谱保密性安全.

电磁频谱安全风险是指在频谱资源争夺、规划与使用等过程中,产生电磁频谱安全事件的可能性及其后果.与网络安全类似,电磁频谱安全风险的本源是电磁频谱安全漏洞,即:由于人的惰性和认知的局限性而产生的可被对手利用的缺陷.

电磁频谱参数是指各类用频设备与频谱使用有关的参数或标识,如同用频设备的“指纹”,主要包括:频谱特征、使用规律、作用空间、地理位置、工作方式等,携带了用户意图、部署位置、设备性能等信息,成为电磁频谱保密性安全关注的核心问题,亦即电磁频谱保密性安全就是电磁频谱参数安全[5].

电磁频谱安全控制是指规避或降低电磁频谱安全风险所需的频谱规划、使用、预测、监测、评估和处置等控制活动,其内涵主要包括电磁频谱战略性安全控制、电磁频谱可用性安全控制和电磁频谱保密性安全控制等.将电磁频谱安全控制的逆向行为称为电磁频谱安全反控制,是电磁频谱安全的主动防御手段.

电磁频谱安全与控制的主要任务是通过对电磁频谱资源的合理协调与调配、对合法电磁频谱有效使用和安全使用的有效控制,确保频谱资源不被争夺和占用、合法频谱使用不受干扰和限制、电磁频谱参数不被窃取和利用.

电磁频谱安全与控制涉及到电磁科学、信息科学和控制科学等诸多学科,是无线电应用、电子防御、电磁频谱管理和电磁环境效应等领域交叉融合的一种新兴学科领域,如图1所示.

图2给出了一种基于多径多环的无线电应用电磁频谱安全与控制概念模型,描述了电磁频谱安全与控制和无线电应用领域的关系,其中,多径表述无线电应用的业务类别,多环表述各业务类别的技术演进.表1给出了电磁频谱安全控制与传统电磁频谱管理的区别及联系.

表1 电磁频谱安全控制与传统电磁频谱管理的区别及联系

综上所述,电磁频谱安全与控制的概念内涵超越了传统电磁频谱管理的范围,具有典型的多学科、多领域交叉和军民融合、攻防结合等特征,已成为新形势下国家安全战略的重要组成部分,是国家和军队信息化建设面临的重大现实问题.作为底层手段,电磁频谱安全与控制可为无线网络安全和信息安全提供重要支撑.

图1 电磁频谱安全与控制涉及的主要交叉领域

图2 一种基于多径多环的无线电应用电磁频谱安全与控制概念模型

3 电磁频谱安全与控制的发展需求

随着国家和军队信息化建设的逐步深入,尤其是新的中国军事战略方针确定后[6],国家经济、国防建设和社会生活等活动对电磁频谱的依赖越来越大,对电磁频谱安全与控制的发展需求也越来越迫切.

3.1 确保电磁频谱资源公平使用和开发

用频系统必须拥有足够的频谱资源才能运行.世界各国在国际电信联盟(ITU)无线电规则[7]框架下,遵循“先占先得”的原则确定频谱划分和使用权利.西方发达国家借助技术优势,较早开发利用频谱资源,主导了无线电规则制订,成为必须执行的国际法规.由于电磁频谱具有地域不可分割性[8]和不可再生性,需要采取有力措施,提高电磁频谱资源规划前瞻性和国际竞争力,维护我国电磁频谱战略性安全.

3.2 确保合法电磁频谱不受干扰和限制

用频系统拥有合法使用电磁频谱的权利,不等于能正常使用.如何在有意电磁干扰与欺骗以及己方互扰情况下,有效和高效使用电磁频谱,有很多基础理论和关键技术需要突破,多数关系到一个国家的原始创新能力和国家秘密,公开资料看不到.需要采取有力措施,引领抗干扰、频谱管理、频谱服务、电磁兼容、高效调制、高效射频和新频段开发等核心技术原始创新,不断向深层次发展,维护我国电磁频谱可用性安全.

3.3 确保电磁频谱信息不被窃取和利用

用频系统能正常使用电磁频谱,不等于电磁频谱信息不被窃取和利用.面对严峻的侦察监视与利用威胁以及电磁频谱信息泄漏渠道不易发现的现实,需要采取有力措施,深入研究电磁频谱信息泄露机理以及电磁频谱安全边界、安全风险识别和安全控制等理论和技术,构建电磁频谱防泄露控制评价标准和安全防护体系,规范境内外电磁频谱安全使用秩序,规避电磁频谱信息泄露风险,维护我国电磁频谱保密性安全.

3.4 完善现代指挥与控制学科体系建设

指挥与控制学科综合利用自然科学和社会科学领域多学科的理论、方法和手段,研究国民经济建设和国防建设等各项实践活动中存在的指挥与控制活动,揭示指挥与控制的普遍规律[9].电磁频谱安全与控制是指挥与控制学科的重要范畴,是现代指挥与控制的重要环节.需要采取有力措施,加强指挥与控制和电磁频谱安全与控制及相关学科领域的结合,完善我国指挥与控制学科建设,推动指挥与控制学科群的繁荣和发展.

4 电磁频谱安全与控制主要关键问题及发展动态

根据电磁频谱安全与控制的内涵,电磁频谱安全各个方向都有不少关键问题需要成体系研究.

4.1 电磁频谱战略性安全与控制方向主要关键问题及发展动态

电磁频谱战略性安全与控制方向关键问题主要是电磁频谱资源安全发展战略研究,主要内容有频谱和卫星轨道资源的规划、策略、政策,国际、国内无线电规则等.

随着国际社会信息化程度的提高,各国在确保其电磁频谱资源使用优先地位的同时,还在不断推动电磁频谱用途的重新划分,如:无人机系统、国际移动通信和短波业余电台等增加频率[10−11],将改变相应频段划分的国际格局.近年来,国内在国际无线电规则研究方面投入了大量人力物力,在有些领域迈开了从“话语权”到“主导权”转变的步伐,如:改善短波天波通信环境的技术与规则课题提案[8,12]、地面视距链路雨衰模型[11]、高速铁路电波传播模型[11]和5G信道模型[11]等.但与国际水平相比,国内在电磁频谱资源安全发展需求论证、研究水平、新频段开发和所需人才队伍建设等方面,还存在差距[13].

4.2 电磁频谱可用性安全与控制方向主要关键问题及发展动态

电磁频谱可用性安全与控制方向关键问题主要有电磁抗干扰、电磁兼容、频谱优化使用等.

4.2.1 电磁抗干扰

电磁抗干扰主要用于应对人为有意干扰、无意干扰、工业干扰和自然干扰.典型的电磁抗干扰主要有通信抗干扰和雷达抗干扰等.

在通信抗干扰方面,美国高度重视,在已有技术水平基础上,近年又资助了极端频谱条件下通信等项目[14],其目标是开发能够最佳利用信号所有可用域的自适应技术,以实现恶劣干扰环境下的可靠通信.近些年来,国内在自适应扩展频谱、智能抗干扰、抗智能干扰、抗全压制干扰和高效编码研究等方面,取得了不少理论和实用成果[13,15−18].但与国际水平相比,国内在基础研究和物理层与网络层综合防御等方面,还存在差距[13].

在雷达抗干扰方面,美国处于该领域的前沿,正在加紧开展新型机载雷达相控阵天线、S和UHF双波段和数字波束形成等技术研究[13],以进一步提高雷达抗干扰能力.近些年来,国内在雷达智能抗干扰体系和雷达抗干扰技术研究等方面,取得了不少新的成果[13,19−21],推动了雷达抗干扰理论和技术的发展.但与国际水平相比,国内在雷达体系对抗研究、雷达低截获概率信号设计和应对强对抗复杂电磁环境等方面,还存在差距[13].

4.2.2 电磁兼容

电磁兼容(EMC)主要用于减小电子设备、系统内部或之间的互扰,关键是EMC测试和EMC设计,是确保电子设备可用性的重要环节.

西方发达国家的EMC理论与设计及其测试技术发展迅速,无论在顶层总体设计、预测、标准、测试,还是在应用方面都已十分成熟,并向自动化、集成化、便携式方向发展[13].近些年来,国内在EMC试验室硬件设施建设、EMC规范化认证、EMC预测试和EMC集成化、自动化测试研究等方面取得了长足进步.但与国际水平相比,国内在EMC软设施建设、标准制订、认证话语权和复杂系统EMC设计等方面,还存在差距[13].

4.2.3 电磁频谱高效利用

电磁频谱高效利用技术主要用于提高用频装备对授权频谱的使用效率.当今,人们已不再将频谱资源紧缺问题归咎于有限的频谱资源,而是寻求频谱管理策略和频谱高效利用技术的突破.

西方发达国家对该领域的研究较为深入,在动态频谱接入[22]、轨道角动量复用[23]和同频全双工[24]等频谱高效利用技术方面取得了很多理论成果,并向实用化发展.近些年来,国内对以上方面的研究也取得了积极进展[13,25−29],并研究提出了一种新的基于高频谱效率波形编码理论的多域重叠复用技术[13,29].但与国际水平相比,国内在标准制定、技术指标和实用化等方面,还存在差距[13].

4.3 电磁频谱保密性安全与控制方向主要关键问题及发展动态

电磁频谱保密性安全与控制方向关键问题主要有电磁频谱信号识别与处理、电磁频谱参数安全风险评估与控制、电磁干扰以及电磁频谱保密性安全技术措施等.

4.3.1 电磁频谱信号识别与处理

电磁频谱信号识别与处理技术是对电磁频谱信号进行逆向分析的主动防御手段,其结果可为电磁频谱参数安全风险评估与控制提供支持,也可用于反控制.

国外在电磁频谱信号的检测、识别及处理方面具有长期的积累和实践[13],如:法国ZDS公司CSI/CSA产品,具备多种类型信号的宽带检测、调制识别及编码识别能力;美国从20世纪80年代起,开始整合“射频测量与特征情报”项目及组织机构,将辐射源识别等系统广泛应用于电子侦察卫星、电子侦察飞机、反潜机、各种指挥舰和地面固定侦察站.近些年来,国内在盲信号处理和多目标信号检测与识别研究等方面取得了积极的进展和不少理论成果[13,30−32].但与国际先进水平相比,国内在实用手段和体系建设等方面,还存在差距[13].

4.3.2 电磁频谱参数安全风险评估与控制

电磁频谱参数安全风险评估与控制主要解决如何评估电磁频谱参数安全风险的大小、风险产生后的危害程度以及如何降低风险等问题.

西方发达国家关于电磁频谱参数安全领域的研究已经涉及陆基、海基和天基等领域,但未见具体成果的公开报道.近些年来,国内在电磁频谱参数安全及其风险的基本概念、评估与控制方法和分布式信号协同监测技术研究等方面取得了初步的成果[5,33−35].但由于起步较晚,国内在重视程度、标准体系、研究深度和手段建设等方面仍存在诸多不足[13].

4.3.3 电磁干扰

电磁干扰,亦称为电子干扰,主要通过干扰对手侦察接收机,阻止对手侦察截获我电磁频谱参数,是具有进攻性的主动防御手段,属于反控制的范围.

西方发达国家电磁干扰技术非常先进,尤其是美国在已有技术水平基础上,近年还在资助和发展认知电子战[36],以提高对抗自适应用频系统的能力.迫于面临的严峻威胁,近些年来,国内在分布式干扰、灵巧干扰、智能干扰和基于混沌的干扰等电子干扰“手段多样性”研究方面取得了较大发展[13].但与国际水平相比,国内在技术研究深度和系统综合效能等方面,还存在差距[13].

5 电磁频谱安全与控制发展对策建议

电磁频谱安全与控制涉及面广,系统性强,需要在抗干扰、电子防御、电磁频谱安全与控制递进发展技术路线的框架下[13],把握好电磁频谱安全与控制的发展对策和重点方向.

5.1 进一步提高电磁频谱安全意识,树立大安全观念

高度重视电磁频谱安全在国家安全和用频系统建设中的地位,强化电磁频谱安全发展的理念.根据新的需求,结合国家“十三五”和中长期发展规划,做好顶层设计,制定我国电磁频谱安全的发展战略规划.在大安全观念指导下,建立健全我国电磁频谱安全与控制的理论体系、管理体系和技术体系,理清用频装备与电磁频谱安全的关系,做到两者同步发展.

5.2 加大频谱资源战略研究的力度,增强国际主导权

根据国家新时期电磁频谱安全和用频的战略需求,加强电磁频谱国际提案研究的顶层设计,制定近、中、远期研究规划,高度重视频谱资源战略研究与电磁频谱安全的结合,明确要求和目标,争取战略主动.同时,建立健全适合我国国情的国际提案研究的激励机制,培养专家队伍,设立专项经费,鼓励自主提交和深入研究提案的积极性,提高研究层次和水平.

5.3 强化频谱可用性安全原始创新,推进成体系发展

虽然我国在自适应扩展频谱和信道编解码抗干扰以及克服互扰的频谱管理和电磁兼容等方面,取得了不少实用性成果,但原始创新不多,还存在抗干扰与频谱资源的突出矛盾,系统间电磁兼容与末端用频管理等还需要加强,这些也是当前国际上共同面对的重要问题.需要深化电磁频谱可用性安全研究,寻找新的频谱共用策略,完善相应技术体系和理论体系.

5.4 加强安全用频手段和法规建设,提高防泄露水平

将电磁频谱保密性安全摆在突出位置,建立电磁频谱保密性安全联控机制;在相关保密规定中增加电磁频谱保密性安全内容;高度重视电磁频谱保密性安全发展的体系建设、手段建设及其整体规划,制定和完善电磁频谱参数防泄露和电磁频谱安全风险防范规则;对重点目标和重点用频装备采取有效的电磁频谱安全防护措施,以降低频谱参数泄漏的安全风险.

6 结论

电磁频谱安全与控制是一个涉及多学科、多领域交叉复杂的重大课题,其焦点是电磁频谱为谁所用、被谁控制等.本文对其进行了初步研究,介绍了概念内涵,分析了发展需求,阐述了发展动态,提出了发展建议等.根据新时期我国用频系统发展和安全用频的双重需求,应高度重视电磁频谱战略性、可用性和保密性安全与控制理论与方法的体系研究,从管理、技术、手段等方面寻找有效措施;推动电磁频谱安全反控制向深层次发展,提高用频系统电磁频谱安全主动防御能力.