天地一體化生態電磁環境的構建

摘要：提出了生態電磁環境新概念，即和諧、高效、綠色、安全電磁環境的總和，同時提出了構建天地一體生態電磁環境的基本機理、模型與方法以及需突破的關鍵技術。認為構建和諧、高效、綠色和安全的天地一體化生態電磁環境研究是一項關系到中國未來信息網絡健康發展的重大課題，對于國家利益拓展、國防建設等具有戰略意義。需要拓展研究思路，樹立生態電磁環境科學發展的理念。

關鍵詞：天地一體化信息網絡；電磁環境；抗干擾；電磁頻譜安全；電磁頻譜管理

中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編號：1009-6868 （2016） 04-0029-005

類比自然環境，電磁環境是指影響各類無線電業務系統運行效果的各種自然要素和人為要素及其相互作用關系的總和。自然環境具有地域及環境資源的不可分割性，電磁環境同樣具有地域和頻譜資源的不可分割性，尤其是遠程傳輸系統所處的電磁環境更是如此。所有無線電業務系統都工作于電磁環境中，電磁環境的好壞成為一個國家電磁制衡能力的重要組成部分。

不幸的是，與自然環境產生霧霾現象類似，當今電磁環境也持續惡化，出現了“電磁霧霾”現象[1-2]。例如：幾十年前，幾瓦、十幾瓦的短波電臺可通幾百、幾千千米，而在通信技術、頻率預報技術和器件技術等高度發達的今天，由于相同頻段、不同系統間非合作頻率競爭伴隨功率競爭形成無意干擾，造成短波電磁環境人為背景噪聲逐年上升[1-2]，短波業務系統與電磁環境之間形成惡性循環，使得幾百瓦甚至數千瓦的短波電臺反而通不好，教訓極為深刻。其他頻段和場合可能也有類似問題，但遠程傳輸系統的影響范圍更大，問題更突出，比如：有些衛星通信系統與地面寬帶移動通信系統[3]處于相同或相鄰頻段，其用頻必然造成沖突和人為背景噪聲上升，如果不提前規劃和采取有效措施，地面和近空的電磁環境污染會向空間擴展，猶如自然環境中的“人到哪污染到哪”，將嚴重影響天地一體化信息網絡的正常運行和效能發揮。同時，隨著“網絡電子戰”態勢的形成，“網絡電磁行動”[4-5]由軍隊行動向國家行為擴展，中國電磁環境還存在嚴峻的人為惡意破壞等的安全威脅。

全球已建設電磁環境無線電噪聲監測網絡，也頒布了相應的測試標準，但對于電磁環境惡化的原因和如何改善電磁環境等問題一直未見研究報道。

1 電磁環境惡化的原因

在擁有所需頻譜資源前提下，影響無線電業務系統性能的主要要素有無線電技術和電磁環境。電磁環境主要由自然因素和人為要素構成。自然要素是難以改變或抗拒的，但人為要素是人類自己產生的，也是可以改變和控制的。人為要素主要與頻譜管理模式和人類用頻的方法有關。

（1）現行頻譜管理模式與電磁環境的關系

頻譜管理經歷了“先占先得”的登記式管理到國際《無線電規則》框架下協調式管理的發展歷程[6]。傳統或現有頻譜管理模式主要內容有：在充分協商的前提下，通過平衡各方利益，制定和修訂《無線電規則》，工作重點是按業務進行固定頻率劃分，以此維護無線電頻率使用秩序。所謂固定頻譜劃分[6]，就是將大部分頻段作為授權頻段，讓授權用戶在給定區域內對該頻段具有長期的絕對排他使用權；同時，保留一些非授權頻段允許非授權競爭使用。

固定頻譜劃分存在的主要問題是：難以適應各種軍民無線電設備對頻譜爆炸式增長的需求。例如，對某種業務進行固定頻譜劃分后，由于頻譜資源有限，在某些區域甚至全球又難免與其他業務系統的頻譜存在重疊。又由于不同系統的用戶數量在不斷增加且缺乏系統間的頻譜協調機制，勢必造成工作頻率非合作競爭沖突。所以，固定頻譜劃分限制了頻譜機動自由，使得有些遠程業務系統實際上被迫采用非合作競爭用頻方式，可能成為電磁環境主要互擾噪聲來源。

同時，國際《無線電規則》中對無線電設備帶外域和雜散域無用發射的規定[8-9]，也直接影響到電磁環境。例如，《無線電規則》對于無線電設備的無用發射主要規定了相對或固定衰減限值，沒有針對遠程中、大功率無線電傳輸特性，做出無用發射功率限值的專門規定，使得無用發射隨著用頻發射的增大而增大，可能成為電磁環境重要互擾來源，從而干擾其他短波用戶的工作頻率。

（2）當前主要用頻方式與電磁環境的關系

在國際《無線電規則》框架下，當前無線電業務系統主要用頻方法有：頻率自適應、認知無線電、分集和增大發射功率等。存在的主要問題有：頻率自適應技術只考慮系統自身選頻，不顧及其他同頻段用戶；認知無線電技術仍存在不同系統間的同頻競爭和二次頻率競爭[7]；分集技術在同時采用多個天線分集發射時，會增加額外頻譜污染；增大發射功率的使用方法除了在競爭頻率上直接形成干擾外，發射機帶外域、雜散域無用發射隨之增大[8-9]，在提高自身主頻信噪比的同時，背景噪聲升高，使更多用戶遭受影響，即業務系統與電磁環境之間形成惡性循環。

分析表明：現行頻譜管理模式和人類用頻方法均對電磁環境產生不同程度的負面影響，主要表現在非合作頻率競爭伴隨功率競爭和無用發射均增加人為噪聲干擾。以上主要分析結論已在短波電磁環境實際測試中得到驗證[1-2]，[8-9]。

2 電磁環境面臨的挑戰

根據以上分析和驗證，在新的歷史時期，尤其在構建天地一體化和地面遠程信息網絡背景下，中國電磁環境面臨如下嚴重挑戰：

（1）電磁環境不和諧。在固定頻率劃分框架下，頻譜需求與頻譜資源矛盾愈加突出，造成越來越多的同頻段合法用戶用頻沖突不斷發生和性能下降。

（2）電磁頻譜不高效。頻率沖突引起頻譜資源低效利用，且固定頻率劃分又造成部分可用頻率閑置，同時業務與頻率固定難以做到電磁環境自適應。

（3）電磁環境不綠色。為提高自身信噪比，大量業務系統增大發射功率，無用發射隨之增大，電磁環境背景噪聲和系統功耗升高、環境信噪比下降。

（4）電磁環境不安全。在網絡電子戰威脅下，智能干擾、靈巧干擾、誘騙干擾和網絡入侵等人為惡意攻擊以及偵察、監視等手段技術水平不斷提高。

當前的固定頻譜管理模式和“只顧自己不顧別人”的用頻方式，不能從根本上解決以上問題。面對挑戰，需要跳出傳統發展思路的框框，樹立大環境、大管理、大服務的理念，構建和諧、高效、綠色和安全的生態電磁環境的新理論、新思路和新方法，逐步明確發展之路。

3 生態電磁環境的基本概念

如同人類需要生態自然環境一樣，無線電業務系統同樣需要生態電磁環境。以前的無線電業務系統設計與使用主要考慮自身的業務種類和抗干擾等需求以及基于業務的固定頻譜管理模式等，很少考慮頻譜使用和單系統性能、功能設置等要素與所處電磁環境相互作用的關系。

（1）和諧電磁環境

和諧電磁環境是指各無線電業務系統的頻率、功率等要素之間相互合作的電磁環境，個體與環境之間形成良性的循環，而非只顧自己、不顧別人。

（2）高效電磁環境

高效電磁環境是指頻譜利用率高的電磁環境[10]，實現“頻譜無處不在”、“泛在頻譜”和電磁環境自適應，不僅僅是追求用戶個體頻譜利用率高。

（3）綠色電磁環境

綠色電磁環境是指信噪比高、背景噪聲低的電磁環境，這要求各種無線電業務系統無用發射功率低，且能耗低。和諧、高效均有利于形成綠色電磁環境。

（4）安全電磁環境

安全電磁環境是指各類電磁活動能夠正常擁有和使用電磁頻譜，而且其秘密電磁頻譜信息不被竊取和利用的電磁環境[11-12]。安全電磁環境屬于對抗范疇。

（5）幾個基本概念之間的關系

和諧、高效、綠色電磁環境之間不是獨立的，是相互聯系的，側重點各有不同，和諧、高效、綠色電磁環境的構建有利于安全電磁環境的形成。基于此，文章將和諧、高效、綠色、安全電磁環境的總和稱為生態電磁環境，其目的是用戶個體與電磁環境形成良性循環，具有自調節、自恢復等能力。

4 電磁環境“外部不經濟”現象建模

自然環境是指與人類密切相關的，影響人類生活和生產的各種自然要素和人為要素及其相互作用的總和。影響自然環境的自然要素主要有天象（宇宙、太陽、月球等）、氣象（雨、雪、霧、風、雷電、云層、水汽等）、地理（地質、地形、地貌、植被、河流、建筑物等）；影響自然環境的人為要素主要有工業污染和生活污染等。某一區域自然環境的評價指標主要包括生物豐度、植被覆蓋、水網密度、土地脅迫、污染負荷等，其整體狀況可由各評價指標加權后的綜合指數描述。

類比自然環境，影響電磁環境的自然要素主要有天象（太陽、天電、電離層等）、氣象（雨、雪、霧、風、雷電、云層、水汽等）、地理（地質、地形、地貌、植被、地物、建筑物等）；影響電磁環境的人為要素主要有工業噪聲干擾、集合無意輻射、用頻活動（如天地一體和短波等遠程傳輸系統間同頻競爭、中大功率臺（站）無用發射形成的無意干擾）等。電磁環境的評價指標主要包括污染負荷類指標（噪聲電平或噪聲系數、頻率-時間占用度等）和環境利用類指標（頻譜利用率、誤碼率、可通率、目標檢測概率等），電磁環境整體狀況可由各評價指標加權后的綜合指數描述。

在經濟學中，“外部不經濟”主要指某些經濟主體因其他經濟主體的行為而受到不利影響且又不能從造成不利影響的經濟主體獲得應有補償的經濟現象[7]，[13]，其根源在于地域及環境資源的不可分割性。某些國家和地區的經濟發展、行業發展與自然環境惡化之間的矛盾屬于典型的“外部不經濟”問題。顯然，經濟活動中的外部不經濟行為破壞了自然環境。與此類似，在相同或相鄰頻段時，遠程傳輸電磁環境具有典型的地域和頻譜資源不可分割性，在頻譜資源有限和業務用戶不斷增加的情況下，加上人為要素的負面影響，也同樣受到外部不經濟現象的困擾，使得所處電磁環境持續惡化。

運用外部不經濟原理，遠程傳輸電磁環境的外部不經濟現象可以建模為[7]，[13]：

公式（1）中，表示某單一遠程傳輸系統A利用頻率f運行的效用函數，它受制于一系列的自然要素，以及可能對其造成影響的一系列人為要素，這些人為要素也稱為用頻活動中的外部不經濟行為，它們對所處電磁環境產生了負面影響，降低了遠程傳輸系統A的效用函數，系統A是“外部不經濟”結果的接受者，即

類比自然環境外部不經濟現象，結合以上模型，遠程傳輸電磁環境的外部不經濟現象具有非市場調節性、非故意破壞性、強迫性、累積性、相互性等特征。

與外部不經濟相反，“外部經濟”是指某些經濟主體因其他經濟主體的良好行為而受到有利影響且又無需付出額外成本的經濟現象。因此，將外部經濟的自然環境稱為生態自然環境，即有利于人類和各種生物及其種群之間和諧相處的各種人為要素及其相互作用關系的總和，可由自然環境綜合指數判定是否滿足生態自然環境要求。與生態自然環境概念類比，可進一步將生態電磁環境理解為外部經濟的電磁環境，即有利于各種無線電業務系統運行的各種人為要素及其相互作用關系的總和，可由電磁環境綜合指數判定是否滿足生態電磁環境要求。

5 構建生態電磁環境基本機理與方法

5.1 數學模型

科學界在研究生態環境的過程中，為從不同角度刻畫生態系統及其變化規律，建立了數學生態學，產生了諸多數學模型[14]，如Lotka-Volterra模型和生態平衡方程、競爭系統模型、互利系統模型、隨機動力學模型等，其中的隨機動力學模型可以用于研究刻畫生物種群（群落）生滅、平衡的變化規律、制約關系、改良和控制等。生態系統及生態環境研究的數學成果[14-15]已在其他領域得到廣泛應用，如金融生態環境、生態經濟學等。也可以通過移植和映射等方法，研究電磁環境中的類生態特性，刻畫無線電業務系統用頻與電磁環境之間的相互作用關系。

設為原模型，其中，為系統初始外部環境，為原系統內部組成，為原系統內部結構，為原系統功能。為一新模型，其中為系統外部環境，為系統內部組成，為系統內部結構；表示系統功能。原模型通過映射變換成新模型，表示為：

上述模型映射可以分解為近似映射、同態映射乘積。

生態數學模型作為一種重要的生態學研究方法，在解釋生態現象，描述生態系統物質、能量、信息、價值流向等生態變化過程，揭示生態系統內在規律，預測生態變化趨勢，定向調控和優化管理生態系統等諸多問題中，都發揮了巨大作用。研究生物發展變化的常用數學生物學模型是生物群落動力學模型方程[14]：

公式（4）中表示群落中相互作用各種群大小構成的向量，其中為種群數量；是偏差函數向量，對應于各種群大小的確定性成分；是隨機波動強度向量；是白噪聲向量，是簡單擴散Wiener過程的導數。

研究物種退化問題時，公式（4）可以變化為Volterra群落退化問題[14]：

公式（5）中，是正平衡狀態的對角矩陣，為群落矩陣， 為噪聲項。

在研究生態平衡時，有生態平衡方程。通常，生物群落有3種基本變量[14]：

·生產者，其生物量為

（ ；為生產者總數）；

·消費者，其密度為

（ ；為消費者總數）；

·分解者，其濃度為

（ ；為分解者總數）。

反映質量守恒定律的生態平衡方程可以寫為[14] ：

公式（6）中，和分別是生產者和消費者的出生率和死亡率；為第類生物消費第類生物的消費函數；為第類生產者吸收類養分的消費函數；為第類消費者被分解為類養分的生產強度，、、分別是與3種組分相對應的出入流量的總和。

以上這些數學生態學模型，已經從生態學抽象成數學，可以應用于各種類生態模型中。由于電磁環境惡化主要是由人為造成的，是可逆的，電磁環境也是一種類生態環境，因此可利用上述模型，通過公式（3）的映射關系，映射到生態電磁環境中，用于研究不同無線電業務系統的發展變化，包括電磁環境控制與還原措施。

5.2 生態電磁環境的穩定性

生態系統中穩定性的定義有多種，普遍采用的定義是以俄國數學家A. M. Lyapunov的名字命名的Lyapunov穩定性[15]。假設微分系統為：

是它的平衡點或穩定狀態，即滿足方程。

對一切成立，則稱是局部Lyapunov穩定的，這里是相應于初值的解。進一步，如果當時，有成立，則是漸進穩定的；如果對于任何初值函數都成立，則是全局漸近穩定的。反之，如果不是局部穩定的，則稱是不穩定的。通過上述定義和公式（3）的映射關系，公式（8）也可以用于研究遠程傳輸電磁環境的穩定性及其判斷。

6 需突破的關鍵技術

要實現文中提出的構建天地一體化生態電磁環境的思路和模型，在利用有關已有技術基礎上，需突破一些具有原始創新的關鍵技術。

（1）天地頻率共享技術

天地頻率共享是構建和諧、高效電磁環境的基本要求。由于天地一體化信息網絡具有地域不可分割性，在天地頻段相同或相臨條件下，還具有頻譜資源不可分割性。因此，不僅單個用戶的發射可能對大范圍內的其他用戶接收機形成干擾，而且隨著用戶數量的不斷增加，處于相同頻率、不同地理位置的用戶相互作用，共同影響電磁環境。因此，要實現天地頻率共享，需要將非合作競爭轉化為合作競爭，建立相應的數學模型，分析不同用戶之間頻率、功率、節點和范圍等多元要素的關聯性，并研究其實現技術。

（2）降低無用發射技術

降低無用發射功率是構建綠色電磁環境的內在要求和必由之路。在當時無線電技術水平和器件工藝制約條件下，現行國際《無線電規則》有關條款[8，9]對無線電設備無用發射主要做出了相對衰減或固定衰減的限值規定。根據新的發展需求，首先要根據必要帶寬、帶外域和雜散域的定義和計算方法，建立無用發射功率分布模型，解決無用發射是否合理的評判問題；其次，利用全數字發信機的最新成果[16]，發揮數字射頻功放在高效率和高線性等方面的優勢，進一步降低無用發射功率限值。

（3）天地頻譜服務技術

頻譜服務技術作為構建和諧、高效、綠色電磁環境的紐帶，需要在天地一體化系統中開發和應用。所謂頻譜服務，是一種基于Web的分布式決策的、新的頻譜管理模式[7]，也是一種頻譜接入模式。用頻決策權在用戶，用戶能實時獲取所需頻率和接入等服務，用戶數量幾乎不受限制，響應速度也幾乎不受用戶數量的影響。預示著頻譜資源從預先劃分、沖突協調的靜態管理模式，走向政策推動、按需接入、自主決策的動態資源共享與服務模式，頻譜使用從單網獨占模式，走向多網共用開放式模式。

（4）頻譜安全控制技術

電磁頻譜安全與控制是構建安全電磁環境的核心，主要在對抗條件下使用。電磁頻譜安全是指應對頻譜資源爭奪與占用威脅的電磁頻譜戰略性安全，應對電磁干擾與限制威脅的電磁頻譜可用性安全和應對偵察監視與利用威脅的電磁頻譜保密性安全等[11-12]。電磁頻譜安全控制是指規避或降低電磁頻譜安全風險所需的預測、監測、評估、協調和處置等控制活動[11-12]。面對網絡電子戰的新威脅，該項內容對于建設大型遠程信息系統尤為重要，以確保天地一體化信息網絡在對抗條件下的電磁環境安全。

7 發展建議

（1）構建軍民融合天地一體化信息網絡體系

未來天地一體化信息網絡是一個復雜系統工程，為使其正常運行和發揮更大的使用效益，從需求論證、總體設計到技術開發、系統運行，都需要貫徹軍民融合、軍民共用和資源整合的指導思想，避免軍民各自建設。美國的全球定位系統（GPS）和“銥”系統等就是很好的例證。

（2）加強天地一體化信息網絡的完整性設計

理論和實踐表明，一種巨型信息系統的設計，除了業務類型和服務范圍等基本要素外，需提前考慮所需的頻譜和軌道資源？如何做到頻譜可用？如何降低頻譜信息被竊取的風險？即電磁頻譜戰略性安全、可用性安全和保密性安全[11-12]，從而構建生態電磁環境。

（3）推動天地一體化生態電磁環境專項研究

構建天地一體化生態電磁環境是一項探索性、理論性和先導性很強的研究工作，涉及范圍廣，需求迫切，難度很大，要做好長期打攻堅戰的準備。建議相關主管部門引起高度重視，盡快開展立項論證和研究工作，以破解電磁環境惡化的難題，爭取戰略主動權。

8 結束語

構建和諧、高效、綠色和安全的天地一體化生態電磁環境研究是一項關系到中國未來信息網絡健康發展的重大課題，對于國家利益拓展和國防建設具有戰略意義，涉及的關鍵技術可能具有顛覆性、前沿性和廣域性。我們要拓展研究思路，樹立生態電磁環境科學發展的理念。

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