莎莉·科尔
美国军事频谱管理目前正在经历许多变化 - 从频谱共享到量子传感器和人工智能（AI）的技术进步。
电磁频谱（EMS）支持全球各种民用和军事行动;它也恰好是一个无形的战场，对美国国防部（DoD）的所有领域都至关重要。中断频谱接入可能很快成为美国的军事噩梦。
美国GAO（政府问责局）最近的一份报告发现，A国和俄罗斯正在采取GAO所谓的重大步骤来提高其电磁战能力，以挑战美国，这意味着美国不能再保证在频谱内（GAO的报告参见：https://www.gao.gov/products/gao-21-440t）的优势。
根据GAO的说法，美国国防部非常清楚影响频谱军事使用的挑战和机遇，该部门同意GAO的建议，即它应该确定流程和程序，改革治理结构，为战略实施分配领导，发布实施计划，并在频谱领域制定监督流程。
在推动重新获得美国在电磁频谱优势的过程中，随着美国国防部开始进行频谱共享，新的量子技术以及人工智能（AI）速度的提高，新的变化正在发生。
电磁频谱共享
为了帮助解决日益严重的频谱稀缺问题，美国联邦通信委员会（FCC）决定开放无线电频谱的公民宽带无线电服务（CBRS）频段（3.5至3.7 GHz），该频段未得到充分利用，用于共享，此举将使多个类别的用户能够安全地占据相同的频段。2020年，许可证被拍卖给出价最高的人，即无线运营商，以访问该频段的频谱;即便如此，美国海军仍保留了作为现有用户的优先权。
'为了让电磁频谱共享成为可能，必须投入大量工作和技术，它终于实现了，'Xilinx（加利福尼亚州圣何塞）硅营销总监Manuel Uhm说，他也是无线创新论坛的董事会主席，该论坛为公民宽带无线电服务（CBRS）设定了所有技术标准。'频谱共享非常有意义，因为我们的独家许可频谱已经用完了。未来，这种情况将变得更加普遍。
EMS和频谱优势的问题是美国国防部的一个重大优先事项。'这对他们来说是一个非常高的优先事项 - 让作战人员不被敌方发射器干扰，阻止他们执行命令，实时发送和接收数据，'Uhm补充道。多年来，商业策略是'在拍卖会上开放频谱，我们将购买并拥有它，没有其他人可以使用它。但美国国防部的策略是保持其专用于其目的的频谱，然后在未充分利用时将其共享用于商业目的。'如果你将美国国防部战略充分了解，你可以看到美国国防部也希望能够在未充分利用的情况下开放商业宽带频谱应用，'Uhm说。'把鞋子放在另一只脚上，美国国防部说'你在拍卖会上买了这个频谱，但它没有得到充分利用，所以我们希望当你不将其用于商业目的时能够使用它。商业部门也会开放吗？他们会说他们在拍卖会上购买了它，并为此支付了数十亿美元，但如果他们没有充分利用它，他们会对频谱共享持开放态度吗？只要他们的商业用户有优先权，并受到保护免受其他用户的干扰，那么为什么不向美国国防部开放呢？'
虽然CBRS已经成功推出，但可以进行改进：'现在革命已经发生，这是关于进化变化的，'Uhm继续说道。因此，人们正在研究CBRS以及简化或改进未来频谱共享模型的方法。一个例子是ESC，环境传感能力 - 这是CBRS用来确保商业宽带用户在使用时不会干扰海军雷达的系统。目前的系统涉及一组安装在海岸线和内陆几个选定地点的RF传感器。'如果[传感器]检测到正在运行的海军雷达，它们会通知附近的所有CBRS设备，并迫使它们在五分钟内离开频谱，'Uhm解释说。'当前的模型有效，但部署成本高昂，并且可能会出现错误。传感器可能会脱机或错过海军雷达ping，然后您就会受到干扰。海军雷达应该优先并受到保护。
另一种提议的方法称为现任通知能力，这是'一种更积极主动的方法，其中频谱协调系统使用现有者提供的信息，说明他们何时将使用某些频率以避免来自其他低优先级用户的干扰，'Uhm补充道。
量子传感器
一项有望撼动电磁频谱管理的技术进步属于量子传感器/接收器领域。2021年年中，美国陆军报告称使用陆军制造的量子'Rydberg'传感器 - 一种超宽带无线电接收器 - 可以分析RF和现实世界信号的全频谱。
美国陆军的Rydberg传感器使用激光束在微波电路正上方产生高激发的Rydberg原子，以增强并直接聚焦在被测量的光谱部分。这些原子对电路的电压敏感，因此该器件可用作RF频谱内各种信号的敏感探头。'以前Rydberg原子传感器的演示只能感知RF频谱的小型和特定区域，但是我们的传感器在很宽的频率范围内连续工作，'美国陆军研究实验室美国陆军作战能力发展司令部（DEVCOM）的研究员Kevin Cox说，'这是证明量子传感器可以提供新的， 我们的士兵在日益复杂的电磁战场上作战。
该实验室的Rydberg频谱分析仪和其他量子传感器显示出潜力，可以打开美国陆军传感器的新前沿，用于频谱感知，电子战（EW），传感和通信 - 所有这些都是陆军现代化战略的一部分。（见图 1）
[图1|激发铷原子到高能里德伯状态。原子与电路的电场强烈相互作用，能够检测和解调接收到电路中的任何信号。美国陆军插图。
在这方面，DARPA（国防高级研究计划局）启动了所谓的量子孔径（QA）计划，试图开发一种全新的接收射频波形的方法，以提高国防应用的灵敏度和频率敏捷性。DARPA的前量子辅助传感和读出计划（从2010年到2018年运行）认识到使用高激发的Rydberg量子态感知电子场的潜力。
新推出的QA计划预计将运行56个月;研究预计将于2021年底开始，研究团队成员霍尼韦尔，诺斯罗普格鲁曼公司，ColdQuanta和SRI International将加入。
QA的目标是通过量子技术开发RF天线或孔径，以改变RF频谱的访问方式。为了实现这一目标，便携式和定向RF接收器需要比当今任何经典接收器具有更高的灵敏度，带宽和动态范围。'商业无线基础设施，频谱使用的构建以及更多的东西都是由一百年的天线理论决定的，该理论最初由德国物理学家Heinrich Hertz开发，'领导QA计划的项目经理John Burke说。'随着量子的引入，我们有能力用一套全新的规则取代对天线技术的现有基本限制。Quantum Apertures试图在我们处理和使用频谱的方式上创造范式转变。
与传统的基于天线的接收器相比，Rydberg 传感器具有显著的优势。首先，这些传感器不会受到灵敏度挑战的困扰，因为它们不需要与热噪声作斗争。此外，Rydberg传感器在接收的RF频率波长方面没有尺寸或形状限制。孔径形状和射频频率的这种去耦使Rydberg传感器能够在从MHz到太赫兹的大频率范围内进行编程。QA程序的目标系统是定向接收低强度、调制的RF信号，并在10 MHz至40 GHz或更高的大频谱范围内工作。该跨度将使用户能够通过一根天线看到大片频谱，特别是与军事应用相关的部分。
研究人员还将尝试在一立方厘米的封装中开发一种传感器元件及其相关电子设备，该封装可以在各种频率下成功运行，DARPA表示，这一壮举将打破传统天线存在的频率范围和尺寸之间的权衡。这种设置还意味着QA传感器将依靠激光而不是电缆进行布线，从而实现对高功率效应的更好适应能力和更高的微波辐射耐受性。'最近Rydberg原子传感器的演示表明，可以访问大部分RF频谱，但QA旨在通过不断连接这些演示来超越这些努力，'Burke说。'我们正在从一种功能的简单演示转变为可以编程为几乎做任何事情的设备，并且比经典接收器做得更好。这包括加快调整传感器的时间 - 提高对小信号的灵敏度，增强动态范围，并扩大与现代信号的兼容性。
人工智能与边缘
目前使用的系统扫描大范围的频谱以识别感兴趣的信号，并根据数据库对其进行检查，以确定是否需要采取行动。'人工智能的进步提供了更好的选择，可以更快地做出响应，更智能，'Xilinx的Uhm说。'它可以帮助识别特定频段内的外国或干扰信号。它可以用来帮助识别那些本来会被归类为未知信号的信号，因为它们不一定在被引用的数据库中。因此，提出了许多人工智能技术来管理国防方的频谱和EMS频谱优势。
毫无疑问，人工智能正在改变频谱管理，但边缘的概念也是如此，这对不同的人来说可能意味着很多事情。'从防御的角度来看，'边缘'指的是战术边缘，其范围可以从尖头喷气式飞机到悍马再到远程传感器，但从商业角度来看，边缘的趋势也有助于战术边缘，一切都需要变得更小，并且在散热和热管理方面有严格的限制。基本上是尺寸，重量和功率，'Uhm解释说。'边缘'是一个被过度使用的术语，Uhm指出。'在商业空间内，在计算性能、重量和功耗方面都存在许多要求，因此，当人们不定义边缘时，它就会变成一个模糊的概念，就像'云'一样，'他说。将半导体技术和系统都集中在边缘通常意味着更小、更坚固的外形尺寸，不会消耗那么多的功率，可以在现场存活更长时间，并且不会过热得那么快。'如果你需要回到云端，这样做会有延迟，你的响应能力也会受到影响，'Uhm说。'边缘的目标是分发智能，因此它不是全部分布在一个地方，而是实际上更接近收集的信息，以便您更快地采取行动。
Uhm指出，这一现实对于自动驾驶汽车或机器人手术等商业场景非常重要，但从国防和军事角度来看，这实际上是巨大的，因为你需要非常迅速地对情报采取行动，并在必要时缩短杀伤链。'在现场拥有情报对于保持敏捷和敏捷至关重要 - 而不是不得不回去等待中央指挥部的指示，'他补充道。'战士们没有时间这样做。安全性是频谱中经常被忽视的一个方面。但它现在在商业领域引起了更多的关注，因为更多的黑客攻击和恶意攻击被公开。
'如果你破解一个系统，你可以控制它。安全性至关重要 - 所有系统都需要安全并具有多个安全级别，'Uhm指出。从波形'一直到单个芯片级别，每个关键组件都需要是安全的，因为黑客攻击可能以多种不同的方式发生，包括通过频谱。
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