基于频谱数据分析的电磁行为识别和网络结构挖掘/电子信息前沿技术丛书

随着无线通信的快速发展和普及，电磁频谱空间安全已经成为国家战略关注的重点问题之一。其中，对于无形的电磁信号的行为识别，是电磁频谱空间军事对抗的核心技术，是对电磁空间进行有效管控的基础保证，也是维护网络空间安全以及反恐维稳的急需。本书紧密围绕面向电磁行为识别和网络结构挖掘展开阐述。全书共8章，首先详细分析了电磁频谱空间的战略意义和电磁行为分析的重要作用、归纳了电磁频谱数据分析技术基础与研究现状，然后分别针对电磁行为识别和网络结构挖掘相关的重点技术，包括电磁通联行为识别、电磁辐射源无源定位、网络结构挖掘等进行了深入探讨，详细介绍相关的问题分析、模型建立、算法设计和实验结果，系统的归纳梳理了近年来的研究成果，并提出开放性的探讨思路。本书适合高等院校网络空间安全、无线通信及相关专业的本科生、研究生阅读，也可供从事电磁空间安全、频谱数据分析等研究的相关科技人员参考。

姚昌华，南京信息工程大学教授，硕士生导师。长期从事无线通信领域智能频谱分析、决策等方面的理论和技术研究。主持国家自然科学基金面上项目、中国博士后基金项目特别资助、中国博士后基金面上项目一等资助、江苏省自然科学基金面上项目等。获中国航空学会科学技术二等奖1项。发表SCI检索论文18篇，第一发明人授权国家发明专利4项。

马文峰，陆工程大学副教授、硕士生导师。长期从事卫星通信，无线通信方面的教学、科研工作。负责或参与主持国家863计划项目、973项目、国家重大科研专项、国家基金面上项目、江苏省自然科学基金、“十二五”军队通信装备预先研究项目等近20项。发表学术论文40篇，授权国家发明专利12项，申请国家发明专利14项。获得国家科技进步二等奖1项，教育部科技进步一等奖1项，军队科技进步二等奖2项，军队科技进步三等奖5项。

田辉，陆程大学教师。长期从事物联网、无线自组网、智能无人通信等领域的教学和科研工作。主持国家自然科学基金青年项目、江苏省博士后科研资助计划等项目，参与军委科技委重点项目、国家自然科学基金、国家530专项等重大项目近10项。发表学术论文29篇，其中SCI收录16篇，EI收录10篇，申请发明专利10项；获军队科技进步三等奖1项。

王聪，陆工程大学副教授、硕士生导师。负责或参与主持国家基金面上项目、江苏省自然科学基金、国家530专项、军委科技委重点项目等近10项；获军队科技进步奖三等奖6项。申请发明专利10项，出版教材1部。

阚常聚，陆工程大学工程师。发表SCI论文三篇，申请国家发明专利2项。

（1）聚焦技术前沿。关注电磁频谱空间主导权争夺，推动无线频谱数据分析在电磁频谱空间安全中的创新运用。

（2）思路新颖独特。基于频谱数据分析方法，挖掘其独有的潜力，对基于非内容获取的电磁行为分析问题进行探索。

（3）思维启发引导。以问题牵引下的研究性风格为主，给予读者研究问题、解决问题的思维启发和引导，并提供进一步的开放讨论空间。

（4）适合研究学习。适合高等院校网络空间安全、无线通信及相关专业的本科生、研究生阅读，也可供相关科技人员参考。

电磁频谱空间主导权争夺，是未来战场主动权掌控、反恐维稳、舆情控制、突发情况处置等重要事件处理的关键，相关技术具有广泛的应用前景。电磁频谱空间安全技术，是充满新的挑战和机遇的核心技术竞技场，是我国在非传统领域实现弯道超车、抢占战略技术制高点的希望所在。

国家对电磁行为分析的需求迅速增长，无论是国防系统、公安系统还是工业系统，尤其是军事、反恐维稳、民用发展、频谱秩序等领域，对于电磁行为的管控需求日益迫切。无线频谱数据分析在电磁频谱空间安全中的运用日益广泛和深入，是新兴的技术发展领域之一。

本书聚焦电磁频谱空间安全这一新兴关键领域的核心技术，重点关注基于非内容的通联行为识别和网络拓扑分析，不依赖于信号波形、通信协议等先验知识以及通信内容的解析，主要采用信号统计分析的方法，从频谱数据的宏观规律出发，从频谱数据中挖掘行为特征，避免传统技术基于内容分析所面临的信息获取难、隐私保护利益冲突、伪装数据难甄别等一系列技术和非技术困难，充分利用最新的大数据技术，从行为画像的角度提取有用信息，适应大数据时代的频谱分析和监管要求，减少对先验信息的依赖，增强方法的适用性。

本书基于作者在相关领域的研究和思考，系统梳理电磁行为识别和网络结构挖掘的特点，基于频谱数据分析方法挖掘其独有的潜力，选择合理的技术路线，对基于非内容获取的电磁行为分析问题进行探索。按行为分析的关键要素，从电磁通联行为识别、电磁辐射源无源定位、理想和非理想情况下的网络拓扑挖掘以及利用深度学习进行行为分析等几个方面，进行主题式的讨论和研究，给出问题、模型、方法以及实验结果，希望对读者的相关学术研究起到启发作用。本书写作以问题牵引的研究性风格为主，给予读者研究问题、解决问题的思维启发和技术引导，并提供进一步的开放讨论空间。

本书的主要内容包括: 第1章，绪论; 第2章，电磁频谱数据分析技术基础与研究现状; 第3章，基于频谱数据分析的通联行为识别; 第4章，基于分布式频谱监测的电磁辐射源无源定位; 第5章，基于频谱数据分析的网络拓扑挖掘; 第6章，非理想环境下的网络拓扑挖掘; 第7章，基于时间特征的深度学习电磁通联行为识别; 第8章，基于模型压缩快速学习的电磁通联行为识别。读者可以根据自身需要，按顺序或者选择性地阅读。本书面向的对象是高等院校网络空间安全、无线通信及相关专业的本科生、研究生，也可供相关科技人员参考。当然，本书只是作者在该领域研究的梳理和思考总结，如需更为全面地了解相关研究，可以仔细阅读本书所列参考文献以及更多的专业书籍和学术论文。

感谢本书全体作者的辛勤工作和通力协作。十分感谢韩贵真、刘昌坤、潘婷、张海波、王文宇等同志的大力支持，感谢朱磊、倪明放、俞璐、武欣嵘、王磊等老师的指导。本书的写作过程离不开很多人的帮助，无法在此一一列出进行感谢。感谢在写书的过程中我的家人对我的鼓励和信任。最后，感谢清华大学出版社以及文怡编辑全程对我的帮助。由于本人水平有限，书中难免存在纰漏，欢迎读者批评指正，不胜感激。

姚昌华

南京信息工程大学

2022年5月

第1章 绪论
1.1 电磁频谱空间的战略意义
1.1.1 军事领域的重要意义
1.1.2 民用领域的重要意义
1.1.3 电磁空间主权的激烈争夺
1.2 电磁频谱数据分析的重要作用
1.2.1 电磁频谱资源的管理地位日益凸显
1.2.2 电磁频谱空间的安全问题日益突出
1.2.3 电磁频谱空间的态势获取日益重要
1.3 电磁行为分析的应用需求日益迫切
1.3.1 军事领域的需要
1.3.2 反恐维稳的需要
1.3.3 维护电磁秩序的需要
1.4 基于非内容获取的电磁行为分析
1.4.1 电磁行为分析面临的挑战
1.4.2 电磁行为分析的新思路
1.4.3 本书研究的技术途径
参考文献
第2章 电磁频谱数据分析技术基础与研究现状
2.1 研究现状简介
2.1.1 电磁频谱感知研究
2.1.2 电磁信号监测处理研究
2.1.3 电磁辐射源定位研究
2.1.4 网络结构分析研究
2.1.5 电磁通联行为分析研究
2.1.6 频谱分析中的机器学习
2.2 本书相关技术基础
2.2.1 频谱感知技术
2.2.2 聚类算法简介
2.2.3 定位技术
2.2.4 基于搜索的优化算法简介
2.2.5 深度学习简介
参考文献
第3章 基于频谱数据分析的通联行为识别
第4章 基于分布式频谱监测的电磁辐射源无源定位
第5章 基于频谱数据分析的网络拓扑挖掘
第6章 非理想环境下的网络拓扑挖掘
第7章 基于时间特征的深度学习电磁通联行为识别
第8章 基于模型压缩快速学习的电磁通联行为识别