【远望防务映像】DARPA“频谱协同挑战赛”

战略前沿技术

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DARPA“频谱协同挑战赛”（翻译&字幕 by 防务菌）

视频简介：

当今世界，无线革命正在推动人们对射频（RF）频谱的强烈需求。在民用领域，从智能手机到、可穿戴健身记录器到智能厨房设备的消费设备都在争夺带宽。在军用领域，部队越来越依赖无人驾驶平台，从水下传感器到卫星，以及为每个军队的每个成员推进宽带连接。管理这些日益增长的需求，同时与看似迫在眉睫的RF频谱稀缺进行战斗，对全球任何一个国家特别是美国这种频谱使用需求大国来说都是一个严重的问题。

当前使用的频谱管理方法已有近一个世纪的历史，它通过将频谱划分为严格的专有许可频段来隔离无线系统，这些频段被分配在大的地理定义区域。通过这种方法可以访问频谱，以换取无干扰通信的保证。然而，它是人为驱动的，不适应供需动态。在很多时候，被许可人并没有充分使用分配的频段，而其他频段则不堪重负，从而浪费了频谱的巨大容量，并不必要地创造了稀缺条件。

为了解决这一问题，美国国防高级研究计划局（DARPA）搞起了“频谱协同挑战赛”（Spectrum Collaboration Challenge，SC2），旨在确保指数级增长的军用和民用无线设备能够完全访问日益拥挤的电磁频谱。在挑战赛中，参赛的竞争团队将重新构想频谱接入策略并开发新的无线使用样式，其中无线电网络将自主协同并推理如何共享RF频谱，避免干扰并共同利用机会以最有效地利用可用频谱。参赛团队将利用人工智能（AI）和机器学习的最新进展以及软件定义无线电的扩展能力，开发这些突破性的能力。SC2的终极目的不仅是挑战学术界和企业界的创新者，以便在协同AI方面取得突破，而且还要推动一种新的频谱样式，以帮助开创频谱充裕的时代。

频谱协同挑战赛开发的两套技术

频谱协同挑战赛正在开发两套创新技术：

协同智能无线电网络
频谱协同研发工具

一、协同智能无线电网络（CIRN）

协同智能无线电网络是一种能够与其他CIRN自主协同的无线电网络。CIRN进行推理和协同，以便使目前效率低下、劳动密集的频谱管理过程自动化。具体而言，CIRN计算出在不使用相同无线电通信标准的独立系统之间共享拥塞无线电频率的最佳方式，并随着情况的变化动态适应。

近年来，无线电网络变得越来越自我控制。其中最先进的是认知无线电网络。CIRN技术是一种超越以往设计的认知无线电。在现有方法中，每个独立网络仅使用通过感测其他频谱用户而获得的隐含信息来独立操作。利用CIRN技术，独立的无线电网络可以交换明确的信息并达成协议，以解决互利共赢的问题。

过去由DARPA赞助的大挑战集中于单个系统（如汽车）的自主控制。频谱协同挑战赛通过要求独立的，单独开发的系统协同来解决联合问题，并开辟了新的领域。独立的无线电网络需要合作以最小化彼此的干扰，例如通过商定哪个网络将在哪个信道上传输。它们还必须协同，为具有高优先级数据的网络提供更多频谱，并防止对附近受保护接收器的干扰。

CIRN无需通过无线方式相互通话。它们通过任何可用的数据链路（如卫星或公共互联网）交换必要的信息和协同信息。为了相互理解，CIRN被编程为使用公共协议，通过数据链路进行通信。在SC2结束时，DARPA发布其称为CIRN交互语言的协议，作为进一步开发和标准化的基础。

二、频谱协同研发工具

开发CIRN技术还需要创新研发工具。

DARPA建立了名为“斗兽场”的世界上最大的可重复无线电实验测试平台。这就像收音机的全息甲板。实验者可以连接多达256个无线电，这些无线电可以像在现实世界中那样相互传输、接收和干扰。除了它们的动作和他们周围的世界完全由测试脚本控制。

研究人员可以从互联网上的任何地方登录目前位于马里兰州一个设施里的“斗兽场”进行实验。2019年10月，“斗兽场”搬到洛杉矶的美国世界移动大会的展示厅。它在那里公开展出，同时举办SC2的现场决赛。

“斗兽场”如此之大，其输入和输出数据流也很庞大。DARPA必须构建新工具来自动生成输入并使输出数据使之易于理解。

对于输入，测试开发工程师指定环境和所有无线电运动的三维模型。由此，工具链自动生成数TB的数据，这些数据描述了每对无线电在移动时无线电波传播的变化特征。该数据实时流入“斗兽场”以推动实验。

对于输出，DARPA开发了新的可视化工具。这些工具可以理解重要的行为，例如CIRN如何使用无线电频谱以及它们如何相互干扰。研究人员可以快速地来回扫描，同时关注无线电及其相互作用的不同3D视图。可视化还为SC2竞赛的观众提供了一种有价值的方式来了解正在发生的事情，以便他们可以参与新的CIRN技术。

频谱协同挑战赛历程

2018年12月12日，DARPA举办了频谱协作挑战赛（SC2）的第二轮初赛。来自学术界、商业界和国防领域的15支队伍聚集在约翰霍普金斯大学应用物理实验室（APL），在面对面的比赛中，他们的智能无线电设计进行了充分的相互竞争。比赛结束时，八支队伍中得分最高的六支分别拿走了750000美元的奖金。虽然并非所有参赛者都获得了临时奖金，但所有15支队伍都有机会进入下一阶段并参加2019年SC2大决赛。决赛于2019年10月23日与美国无线协会（CTIA）合作，与洛杉矶世界移动大会（MWC）联合举办。

初赛第二轮的六个获奖团队是：

Zylinium，一个独立研究团队
来自范德比尔特大学的MarmotE团队
来自东北大学的“精灵”团队
Erebus，一个独立研究团队
来自佛罗里达大学的Gator Wings团队
IDLab，根特大学和安特卫普大学的imec研究小组以及罗格斯大学的SCATTER

“在第二轮初赛期间，我们目睹了技术转化，”DARP信息创新办公室（I2O）负责SC2的项目经理Paul Tilghman介绍，“我们第一次看到自主协同超越了频谱管理的现状。”

从2018年12月初开始，每个团队参加了与“斗兽场”对手的105场比赛。这些比赛是以循环方式举行的，每个无线电网络——以三人、四人或五人为一组，都有多个机会在比赛中与其他无线电设计者竞争。SC2共举行大约400场竞赛，以确定最终的队伍排名和获奖者。

在第二轮初赛期间，参赛团队通过了六种不同的RF场景，这些场景旨在模拟协同自主无线电将在现实世界中面临的挑战。这些场景要求无线电设备协同减轻对现有无线电系统的干扰，感知并适应高流量环境的频谱需求，处理未来及以后的联系士兵的数据需求。每个场景都旨在对团队方法的各个要素进行压力测试，特别是测试它们与在相同环境中操作的其他无线电设备成功协作的能力。

DARPA“频谱协同挑战赛”初赛场景——“奥斯丁小巷”（翻译&字幕 by 防务菌）

据Tilghman介绍：“六种不同的情景与我们的国防和商业系统在该领域面临的实际情况密切相关。例如，“野火”（Wildfire）场景复制了围绕紧急响应情况的复杂通信环境，而“奥斯汀小巷”（Alleys of Austin）场景旨在模仿需要帮助的下车士兵在城市环境中进行导航和通信。这种真实世界的相关性对我们至关重要，因为我们希望确保这些技术能够在事件发生后继续发展，并可以过渡到商业或军事应用。”

DARPA“频谱协同挑战赛”初赛场景——“野火”（翻译&字幕 by 防务菌）

比赛的第六个场景用于确定六个获奖团队。这些场景探讨了SC2竞争的基本问题：顶级团队的协同SC2无线电能否超越静态分配的现状？在第二轮初赛获得奖项的六个团队中的每一个都表明，他们的无线电能够在没有手工编制频谱规划的情况下承载更多的无线应用，同时确保在同一地区运行的其他四个无线电网络的性能得到改善。简而言之，这六个无线电网络中的每一个都展示了频谱的自主未来。

为了辅助决策，参赛团队以各种方式应用AI和机器学习技术。有些团队利用当前新一代的人工智能技术，如深度学习，而其团队使用更传统的优化方法。还有一些团队使用了第一波基于规则的AI技术。

“我们在第二轮初赛上看到的结果让我们非常鼓舞。这些团队的无线电面临着新的和意想不到的情况，但它们仍然能够展示智能、协同的决策。第二轮初赛向我们展示了人工智能和机器学习在无线频谱管理中的应用，创造了一个非常真实的机会来重新思考我们百年来设计的方法，“Tilghman表示。

SC2决赛在美国最大的年度技术和电信展之一——洛杉矶世界移动大会（MWC）19举行。来自广泛的移动生态系统和相邻行业的22,000多名与会者在为期三天的活动中召开会议，讨论塑造行业的当前机遇和未来趋势。SC2冠军赛于2019年10月23日在洛杉矶MWC19的主题舞台上举行。

SC2结束时，获得第一、第二和第三名名的队伍分别获得200万美元、100万美元和750,000美元的奖励。然而，真正的奖励将是更有效的无线样式的承诺，其中无线电网络自主地协同以确定频谱应该如何被即时使用，从而有助于开创频谱富余的时代。

我们是谁

为满足国防科技领域对产品业务展示宣传的需求，实现咨询工作多元化发展，远望防务影像中心于2019年11月21日正式成立。支撑团队由从业多年的项目经理、编导、设计师、动画师、包装师、录音师等构成，熟悉军工行业多媒体业务制作流程需求，能在较短时间快速响应，且规范可靠。

我们的使命是：以影像的力量推介国内外防务科技前沿动态。

远望防务影像中心具备《军工涉密业务咨询服务安全保密条件备案证书》，可提供从前期整体策划、脚本撰写、高清拍摄到后期二\三维动画制作、包装剪辑、配音配乐、成品光盘制作的全流程服务，服务范围包括但不限于产品竞标宣传片、定型录像片、总结汇报片等。

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