5G军事通信应用研究分析

无论从技术角度，还是从社会和经济角度，5G移动通信技术都可以称为一场彻底的革命。预计从2025年起5G技术将成为最主要的无线移动通信技术。2021年，全球运行的移动设备数量为149.1亿，预计到2025年将增长至182.2亿。移动通信业务总量在2005年时还不到10EB（Exabyte，艾字节），但2020年已经超过了49EB，预计2025年将达到237EB。5G技术一方面能够应对移动通信业务指数级增长，另一方面能够提高新应用服务的速率和可靠性，并降低延迟。

5G技术于2017年开始部署，当时3GPP通过了其第一个技术规范。从2017年到2019年，全球开展了大量5G试验和试点，并开始部署首批商用5G非独立（NSA）网络。大多数技术先进国家在2020年开始商业5G系统部署。自2021年以来，全球有38个国家的超过68家移动网络运营商正在投资5G独立（SA）网络。全球移动通信系统协会（GSMA）预测，到2025年，5G将成为北美地区主流技术。

5G技术需要开展多项无线电接入网（RAN）、新空口（NR）以及核心网关键技术的研发，具体包括大规模多输入多输出（MIMO）、波束成形、网络密集化和小蜂窝、毫米波通信、载波聚合、云化RAN（分布式射频单元（RRU）和基带单元（BBU））、优化正交频分多址（OFDM）、新型非正交共享媒体接入技术（non-orthogonal shared medium access）或动态频谱共享等技术。

国际电信联盟（ITU）在UIT-R M.2803建议中确定了5G移动技术的三种主要应用场景。

需要强调的是，场景类型、所需参数和频谱可用性之间密切相关。对于某些应用，需要在参数之间进行权衡，例如，只有在可用带宽较低的低频段中才能实现较大覆盖范围，但这样就无法实现低时延或者海量移动宽带。这种权衡在军事应用中非常重要。

公共安全、国家安全以及军事领域将很可能也从5G技术中受益。北约科技组织IST-ET-096任务组进行了首次5G军事应用研究。该任务组发布了“5G技术：军事前景”技术报告，确定了五种军事应用场景：

本节重点分析了5G技术如何提高当前通信系统在战场物联网（IoBT）、指挥部（大型固定指挥部或灵活移动指挥部）通信、无人作战系统、后勤与卫星通信方面的性能。

2.1 物联网、可穿戴设备与5G

指挥控制（C2）概念在过去几年间有了很大发展，经历了从指挥控制与通信（C3）、指挥控制、通信与计算机（C4）到指挥控制、通信、计算机、情报、监视与侦察（C4ISR）的发展过程。C4ISR系统可以称为整个战场的“大脑”，而物联网（IoT）设备则是部署在战场上的“感知器官”。未来战场将由大量智能和非智能互联设备组成，它们将负责收集、整合、传输以及处理信息，形成战场物联网（IoBT）。这些设备可能包括武器系统、车辆、机器人、无人系统或人类可穿戴传感器以及其他设备。

人类可穿戴设备或士兵便携式设备可分为三大类。第一类设备与士兵健康有关，用于监控士兵身体健康状况，增强其作战能力。此类设备包括医疗传感器、带GPS定位的智能手表、活动跟踪器、智能军装以及外骨骼。第二类是视觉与监视设备，包括智能头盔或眼镜和可穿戴相机等设备，用于收集士兵所处战场环境信息，并实时发送到指挥中心，实现与该排级单位中其他士兵协同作战。最后一类是态势感知设备，包括增强现实（AR）眼镜、夜视镜或热像仪等设备，用于增强战斗人员对周围环境的理解和认识。所有由传感设备收集的信息都必须进行传输、存储和处理，以获得战场态势感知信息。

5G技术可以在满足所需带宽的情况下提供足够的连接密度，并通过部署边缘计算能力来满足延迟要求。此外，将5G应用于IoBT还需应对一些网络安全、能耗、频谱使用或专用网络与公共网络部署相关挑战性问题。如上所述，5G将能够很好地满足物联网通信需求，同时寻求与其他通信手段形成互补。5G可能满足日益增加的战术边缘服务需求。

2.2 5G用于可部署指挥部通信

可部署陆战指挥部是作战指挥官作出决策的实际场所。考虑到一项具体任务，有两种类型的指挥部：（1）大型固定指挥部，在师或集团军级单位设立，负责制定战略或战役层面决策；（2）小型机动指挥部或指挥所，在旅或团级单位设立，负责在战场上指挥战术作战行动。

大型固定指挥部通常是一栋砖混营地建筑，配备有后勤和通信设施，但并不是永久性基础设施，使用时间可能是几周、几个月甚至几年。大型固定指挥部实例如北约快速部署部队西班牙指挥部。移动指挥部是一种易于移动的基础设施，由车辆和帐篷组成，其特点是具有较高灵活性，可以快速重新部署。

图1 北约大型固定指挥部构成示意图

由于大型固定指挥部和移动指挥部的用途不同，通信要求也不同。大型固定指挥部内部通信通常需要稳定的固定通信实现增强移动宽带。另一方面，由于指挥部可能位于公共电信基础设施附近，或者能够使用具有全球覆盖能力的适当军事电信基础设施，例如卫星通信，大型固定指挥部的全球连通能力通常能够得到保证。因此，在大型固定指挥部内部，5G可以通过专网实现固定无线接入，并通过5G网络切片（NS）连接到公共5G基础设施特有的安全服务切片。网络切片是最具潜力的5G技术之一，可提供通信基础设施即服务（IaaS），共享所有物理服务，为不同垂直应用创建QoS参数和安全级别不同的不同独立虚拟网络。网络切片技术可满足公共网络上运行的军事通信服务在隔离、可用性、安全性和其他性能方面的特定要求。在5G服务实施方面，6 GHz中频段将是大型固定指挥部内部通信的首选，这一频段可实现覆盖范围和容量之间的合理平衡，26 GHz频段用于热点地区的特定应用，如使用虚拟现实或自主后勤车辆进行部队训练。

移动指挥部可以部署在任何地方，但出于可用性、技术水平以及安全性等方面的考虑，公共基础设施并不可信，因此必须使用适当的5G基础设施。鉴于此，应将整个系统分为连级单位内部通信和连级单位到移动指挥部通信。连级单位内部通信应由搭载在车辆上的具有一定边缘/雾计算能力的移动5G站提供。由于部署单位之间共享实时信息，延迟将是一个需要考虑的重要参数。此外，连级单位的覆盖范围通常在几百米以内，因此26 GHz毫米波频段非常适合此场景。

连级单位到移动指挥部之间的通信需要在覆盖范围和容量之间进行综合考量，应使用中频段（Sub 6 GHz），并结合波束成形技术实现所需的千米级覆盖范围。利用波束形成（模拟或数字）可实现将给定发射天线阵列信号向接收终端方向发送。在接收端对信号进行组合，以实现最大接收信噪比（SNR）。天线阵列系统中的这种SNR增益称为波束成形增益。波束成形技术目前已经应用到4G-LTE，在5G系统中它要与大规模MIMO相结合使用以获得最优性能。采用波束成形技术有诸多优点，如实现更大网络容量、更广覆盖范围以及更高QoS。

挪威国防装备局近期在Rygga空军基地进行了5G试点，部署了一个覆盖800 MHz、sub 6 GHz以及毫米波频段（64×64 MIMO）整个频率范围的固定基站（gNB），通过特定切片连接到公共网络，并部署一个称为车载蜂窝（cell on wheels）的移动5G专用网络。后者是一个全自治车载5G专用网络（FUDGE），为军事垂直领域提供边缘计算能力。

图2 挪威国防装备局FUDGE-5G测试 

2.3 无人机-5G生态系统

无人机可以自主或者遥控模式执行包括情报、监视与侦察（ISR）在内的多种军事任务。随着技术（尤其是移动技术）的不断发展，新型无人机应用模式正在不断涌现，包括：

无人机用作临时空中5G基站是最具创新性的应用。在此模式中，无人机用作5G gNB，补充了由指挥部提供的连接能力，为战场士兵提供无线覆盖和连接能力。此外，根据无人机的飞行高度和续航时间，可以考虑以下分类方式：

蜂群无人机由多架小型、近程、低成本、低空飞行无人机组成，它们可单独或成组操控。蜂群无人机可用于多种任务。当蜂群无人机执行协同任务时，必须使其具备一定的人工智能，以应对快速变化的战场环境。这一能力可以通过具有多接入边缘计算能力的低空无人机实现。这些低空平台无人机还将负责实现相应的5G切片。

综合上述应用模式，本文提出一种针对战场作战应用的5G-无人作战系统（UCS）多层架构。

图3 5G-无人作战系统（UCS）架构

图3给出了5G-无人作战系统（UCS）的示意图。图中蓝线代表终端（士兵、用户、车辆中的可穿戴设备等）与接入点之间的无线连接。红线代表具有URLLC服务所需MEC功能的接入点（5G gNB）之间的连接。绿线代表到最近指挥中心的回传连接，根据具体服务，指挥中心可以是移动指挥部，也可以是大型指挥部。

使用无人机作为临时gNB还存在一些挑战，如无人机能量有限制、对紧张资源和终端分配问题以及多架无人机同时执行作战任务时的相互干扰、物理安全（无人机可能被击落）以及网络韧性、鲁棒性和网络安全问题。此外，从通信的角度来看，上行回传链路需要特殊考虑。战场中的回传链路肯定会通过无线链路来实现，但是路由对每项服务的性能有重要影响，例如在延迟方面。在L1层的直接无线回传，可能是最短路径，但它要求机动指挥部与车载gNB之间视距可见。在L3层中，视距可见可能可以实现，但是在一架或多架低空平台无人机实现回传能力可能会由于消耗更多能量而影响系统续航时间。在L5层中，视距可见条件肯定能够满足，并且高空平台有足够能量，但是此解决方案可能无法应用到某些URLLC业务。一些研究表明，为了达到1 ms的延迟，数据处理中心与gNB的距离不应超过21千米。除了频段分配之外，所有这些问题都必须在无人作战系统（UCS）的设计中加以考虑。

2.4 后勤和训练应用

5G技术还可能会增强一些与民用应用相类似的军事领域相关应用的性能。工业4.0是最早采用5G技术的领域之一，5G技术一项有前途的垂直应用是“智能后勤”。5G技术在该领域的应用涉及目标跟踪、自主地面车辆和空中载具运行、通过增强现实（AR）为员工提供远程协助、机器人监控、视频监控或用于预测性维护的环境传感器。

目前有一些国家的军方正在进行5G技术试点。例如，美国海军陆战队在奥尔巴尼海军陆战队后勤基地正在试验用于车辆存储和维护的5G智能仓库技术，并于2021年7月成功进行了为期两天的系统演示。此次试点项目侧重用于库存管理的自动驾驶汽车的超高速和超低延迟操作，用于库存跟踪的机器学习，以及用于提高工作效率的增强/虚拟现实应用。

另一个军民融合应用的成功案例是5GENESIS项目。该项目旨在评估移动视频在警察执法行动中的应用情况。此项目由西班牙马拉加大学、马拉加市警察局以及一家西班牙商业运营商合作实施。警察局是此项目的最终用户，将使用商用电话在已部署的5G网络覆盖区域内接收和发送实时视频。在此试点中，安全问题由商用5G网络的相应切片解决。

5G技术的另一应用领域是增强（AR）和虚拟现实（VR）。AR/VR可用于不同目的，包括工业生产、预测性维护、安全以及沉浸式部队训练，甚至远程支持士兵安全等关键操作（远程诊断和手术）。美国陆军正在Lewis-McChord联合基地和Yakima战术训练基地利用5G技术和AR/VR进行战术训练，美国空军廷克空军基地也在使用5G进行沉浸式教育培训。

2.5 卫星通信——5G非地面网络（NTN）用例

5G非地面网络（NTN）是3GPP 5G NR Release 17标准中的新特性，实现了对5G地面连接的扩展。此项技术目前正在探索当中，以验证卫星作为放大器和转发中继的5G连接的可行性。这种卫星通信架构是将NTN集成到未来B5G架构中的首次尝试。

考虑到新兴巨型卫星星座和未来空间卫星能力联网需求，值得一提的是美国防高级研究计划局开发的天基自适应通信节点（Space-BACN）项目。Space-BACN项目目标是开发一种低成本、可重新配置的光通信终端，它可适配大多数星间光链路标准，并可在不同的卫星星座之间进行切换。BACN将打造一种低轨卫星“互联网”，使目前无法互操作的军用/政府和商用/民用卫星星座之间实现无缝通信。Space-BACN项目还将测试一种顶层卫星网络，其测试结果可能会为思考第六代移动无线通信（6G）的未来特征提供有用信息。预计3GPP Release 18标准将继续讨论NTN，并提出NTN频率建议。正在讨论两个频率范围：FR1（sub 6 GHz）和FR2（高于10 GHz）。

本文建议NTN技术可以根据欧盟“天基安全连接计划”进行开发。卫星通信将在没有地面网络的地区提供无处不在的覆盖，包括执行军事任务和没有可用数字基础设施的地区。此外，现有数字通信服务也存在中断或不可靠的风险。地球静止轨道（GEO）或非地球静止轨道（NGSO）卫星可以搭载5G/UHF通信有效载荷，提供关键安全通信和服务，实现高速数据速率和低延迟机制。5G NTN在增强卫星通信方面任重道远。

5GPPP定义了一组关键性能指标（KPI），用于描述作为5G主要用例（汽车、娱乐、能源、工业以及健康）的5个垂直行业应用的技术指标要求。这些指标包括：

西班牙5G国家观察站（5GNO）对上述指标进行了以下定性分类:

根据5GPPP报告详细给出的5G试点和试验结果，5GNO确定了不同垂直行业中一组特定应用或服务与KPI的定性分类之间的关系，并生成了一份表格。西班牙瓦伦西亚理工大学的5G/B5G观察站也进行了一项类似研究，重点是将不同应用/服务按照eMBB、URLLC和MMTC场景进行分类。从上述研究中，可以推断出前面章节中描述的5G军事应用要求，如表1所示。

表1 5G移动网络军事应用要求

本文提出了5G移动通信在军事领域的潜在应用，包括战场、连级单位内部、移动指挥部、大型固定指挥部和后勤等多种区域，并提出了一种基于无人机的五层无人作战生态系统架构。此外，5G在军事领域的应用仍面临多项挑战。其中最主要的问题是网络安全。随着网络数字接入点数量的增加，潜在风险也相应增加。网络切片能够在最大程度上解决此问题，但问题仍无法避免。技术鲁棒性、互通、频谱共享也需要考虑。回传问题可能也是5G实施面临的一项挑战。由于数据速率和延迟方面的要求，可用技术较少。当然首选技术是采用光纤，但它只能用于大型固定指挥部，而不适用于移动指挥部或战场上的移动gNB。