基于5G的天空地一體化戰術通信研究*

徐全盛,鄒勤宜,葛林強

(中國電子科技集團公司第五十研究所,上海 200331)

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基于5G的天空地一體化戰術通信研究*

徐全盛,鄒勤宜,葛林強

(中國電子科技集團公司第五十研究所,上海 200331)

摘要：現有戰術通信主要依靠窄帶通信技術實現，難以滿足戰場大量信息的分發需求。利用民用技術加速戰術通信的發展已經取得業界的廣泛認同，但是移動通信固有的特點使得這一進程非常緩慢。5G移動通信的提出為此提供了一次新的契機。初步探討5G軍用化的可行性，發現利用5G的關鍵技術并經過特殊設計可以消除/緩解傳統移動通信軍用化存在的一些障礙；并基于5G提出了一種天空地一體化戰術通信網絡，為戰術通信的未來發展提供了一種新思路。

關鍵詞：5G移動通信；戰術通信；天空地一體化網絡；軍事應用

0引言

當前，與信息化作戰相適應的指揮、控制、通信、計算機與情報、監視、偵察(C4ISR)系統在戰爭中的地位和作用變得越來越重要[1]。然而，現有戰術通信系統發展緩慢，仍主要依靠短波、超短波等窄帶通信技術，無法有效滿足C4ISR系統對戰場大量信息實時高效可靠傳輸的需求[1-2]，迫切需要引進一批新技術以加快實現戰術通信系統的高速化、寬帶化與網絡化發展。

與戰術通信發展緩慢相反，民用移動通信發展迅猛，在短短30年時間里，移動通信實現了從1G到4G的華麗演進，系統各方面性能不斷增強，網絡容量越來越大、承載的業務越來越豐富、可靠性與安全性越來越高、應用場景及范圍不斷拓展。目前，為應對未來爆炸性的數據流量增長、海量的設備連接、不斷涌現的各類新業務和新場景，第五代移動通信(5G)系統的研究正在全球如火如荼的展開[3]。5G將引入一大批新技術，實現更加靈活的網絡部署，獲得更高的傳輸速率、頻譜效率以及能量效率，支持更加豐富的業務類型，大大降低業務傳輸的端到端時延與網絡運營維護成本[3-4]。

鑒于此，借用民用移動通信先進技術實現軍用戰術通信的跨越式發展已取得人們的廣泛共識[2,5]。民用通信軍用化很早之前就已受到人們的廣泛關注。在設備研制方面，通過引進民用通信先進技術，如正交頻分復用(OFDM)、多輸入多輸出(MIMO)、認知無線電等，大大提升了軍用通信設備的性能[1]。在系統建設方面，基于民用移動通信的2G、3G和4G標準，研究人員也先后提出了一系列的戰術通信網絡架構[2,5,6-11]。然而，戰術通信環境與民用移動通信的應用場景存在很大差別，現有民用移動通信網絡所固有的一些特性，使得民用移動通信軍用化的進展比較緩慢。

民用移動通信軍用化存在的關鍵障礙主要包括[2,5-7]：1)民用移動通信的電磁環境與網絡環境相對良好，系統對電子攻擊和安全保密要求考慮的相對欠缺，抗干擾、抗毀及安全保密性差；2)通信系統嚴重依賴于有線網絡及固定部署的基站，網元設備繁多且復雜，機動性差，不適用于大規模移動環境；3)網絡覆蓋能力有限，不能實現對復雜地形(山區、丘陵以及森林)的無縫覆蓋。

5G技術的提出為民用通信系統軍用化提供了一個新的契機。5G將采用一大批全新的技術以有效增強移動通信系統的靈活性與有效性，這些技術的使用也為5G軍用化奠定了很好的基礎。此外，尤為重要的是通過分析發現利用5G的先進技術并經過特殊的設計，5G可以消除/弱化現有移動通信軍用化所存在的上述障礙，極大提升現有戰術通信系統的傳輸性能。為此，本文將基于5G移動通信設計一種新的寬帶戰術通信網絡，以為戰術通信的研究提供一個新的思路。

15G移動通信技術

雖然5G的標準化工作預計在2016年才啟動[3]，但是在全球業界的共同努力下，5G需求及關鍵能力已達成共識，技術路線也已逐漸清晰[3,4,12,13]。

1.15G需求及能力

IMT-2020(5G)推進組(5G標準制定的國家隊)根據國內外研究現狀，通過對5G主要應用領域、業務需求及技術挑戰的分析，制定了連續廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和低時延高可靠四種主要技術場景的關鍵指標[3-4]。

連續廣域覆蓋和熱點高容量是傳統移動通信的主要技術場景。連續廣域覆蓋場景是移動通信實現無縫切換與連續通信的根本保障，該場景的主要技術需求是能夠隨時隨地為用戶提供不小于100 Mb/s的用戶體驗速率；熱點高容量場景主要針對局部熱點區域，該場景具有傳輸速率要求高、網絡流量密度大等特點，該場景的主要技術需求是為用戶提供1 Gb/s的用戶體驗速率、數十Gb/s的峰值速率和數十Tbps/km2的流量密度。

低功耗大連接和低時延高可靠場景是5G新拓展的技術場景，主要針對物聯網及垂直行業應用。低功耗大連接場景主要面向以環境監測和數據采集為目標的應用場景，具有終端分布范圍廣、數量多，業務量小、功耗低等特點，該場景的主要技術需求是提供超千億的連接能力(不小于106/km2連接密度)，同時兼顧終端超低成本和超低功耗的要求。低時延高可靠場景主要面向工業控制、車聯網等垂直行業應用，具有超低時延、極高可靠性的特點，該場景的主要技術需求是為用戶提供1 ms級的空口時延、ms級的端到端時延和接近100%的可靠性。

1.25G關鍵技術

為滿足上述不同技術場景對5G的差異化需求，5G采用了一大批關鍵技術。在無線技術領域主要包括大規模天線陣列、超密集組網、新型多址、全頻譜接入、新型多載波等[12-13]。

1)大規模天線通過增加天線數目(可配置上百根天線)增加系統的空間自由度，可支持數十個獨立的空間數據流，成倍提升系統的頻譜效率，有效支撐5G系統對大量業務的傳輸需求。此外，大規模天線還可以應用于高頻段，通過自適應波束賦形以增強電波傳播的方向性，顯著提升系統的廣域覆蓋能力。

2)異構超密集組網通過增加各種基站的部署密度，實現小區結構的微型化與分布化，最終在局部熱點區域實現百倍量級的容量提升。為適應5G差異化的接入環境，5G接入網將可以支持無線網狀網、動態自組織網絡(Ad-hoc)、統一多無線接入技術(RAT)等新型接入手段，并適應各種類型的回傳鏈路，實現異構網絡的有效融合[13]。

3)新型多址技術可實現信號在空/時/頻/碼域的疊加傳輸來充分利用系統的多維資源，顯著提高5G系統的頻譜效率和接入能力。同時，新型多址技術還可有力支持系統的免調度傳輸，以降低系統調度傳輸的信令開銷，縮短業務接入時延。

4)全頻譜接入技術涉及6 GHz以下低頻段和6～100 GHz高頻頻段，通過載波聚合、認知無線電等技術，有效利用各類無線電頻譜資源(包含高低頻段、對稱與非對稱頻譜、授權與非授權頻譜、連續與非連續頻譜等)來提高數據傳輸速率，增大5G系統容量。

5)新型多載波基于先進的濾波技術可以減少子帶或子載波的頻譜泄露，降低系統對時頻同步的要求，同時增加頻域資源粒度劃分的靈活度，增強系統對各種業務的支持能力。目前，業界已經提出多種新型多載波技術，如基于濾波的正交頻分復用(FOFDM)、基于濾波器組的多載波(FBMC)等。

除上述技術之外，終端直通(D2D)、新型雙工方式(全雙工、靈活雙工)、多元低密度奇偶檢驗碼、網絡編碼等也被認為是5G重要的潛在無線關鍵技術[13]。網絡技術領域的關鍵技術主要包括軟件定義網絡(SDN)和網絡功能虛擬化(NFV)[14]。

1)NFV技術通過軟件與硬件的解耦及功能抽象，可以使網絡設備功能不再依賴于專用的硬件，為5G網絡提供更具彈性的、更低成本的基礎設施平臺[14]。通過采用通用硬件取代專用硬件，并對通用硬件資源進行按需分配和動態伸縮，NFV可以方便快捷的把網元功能部署在網絡中的任意位置，有效解決現有基礎設施平臺成本高、部署不靈活、資源配置能力弱等問題。

2)SDN技術可以實現網絡控制功能和轉發功能的解耦，支持控制功能的集中化與轉發功能的分布化[14]。控制功能的抽離和聚合，有利于網絡從全局視角感知網絡環境，調度系統資源，實現局部和全局的網絡控制，并構建面向業務的網絡能力開放接口，從而滿足業務的差異化需求。在高效的網絡控制下，轉發平面的分布式部署與下沉，可以實現海量數據流的低時延、高可靠、均負載地傳輸。

25G軍用化可行性分析

2.15G與戰術通信契合度分析

當前，軍用戰術通信與民用移動通信都正朝著高速化、寬帶化和網絡化的方向發展，兩張網絡也表現出了某些相似性。具體地，戰術通信中的一些典型通信場景都可以在5G的四種主要技術場景中找到相似的影子。

戰術通信中的指揮所局域網與5G中的連續廣域覆蓋與熱點高容量場景類似，可以用5G充當戰術通信的寬帶無線接入網，通過將基站部署在空中無人機平臺上提供對戰場環境的廣域覆蓋，將微基站部署在各地面車載分隊中提供小區域的熱點覆蓋，利用5G的異構組網能力實現空地分層網絡的一體化組網與互聯互通；利用5G具有的高帶寬、高傳輸速率、全IP架構以及支持綜合業務的特點，使整個戰術通信網絡變為多媒體網絡，且能兼容各種戰略和商業網絡接口，形成一個未來戰場所需的無縫的通信體系。此外，在部隊機動作戰中也可以利用5G設計相應的集群調度系統，提供包括話音、數據、圖像以及高清視頻在內的各種通信服務。

戰術通信中的情報偵察可以利用5G圖形技術實現：1)針對利用大量傳感器節點實現戰場環境態勢感知的需求，可以依托5G中的低功耗大連接場景完成大量傳感器節點的組網與互通，實現戰場數據的自動采集、融合與上報；2)針對利用無人機、偵察兵實現的戰場情報偵察需求，可以充分利用5G連續廣域覆蓋與熱點高容量場景所具備的大帶寬、高傳輸速率能力，實現圖片、視頻監控、虛擬現實等業務的有效傳輸，提供實時的戰場情報消息。

戰術通信中的數據鏈可以依托5G所具備的低時延、高可靠傳輸能力實現。數據鏈所要求的格式化信息、低時延特性與5G中的低時延高可靠場景可以很好的對應。可以充分利用5G中的D2D、機器類型通信(M2M)、靈活的傳輸時間間隔(TTI)、可變幀格式、免調度傳輸等技術所帶來的ms級端到端時延和接近100%的業務可靠性[13]，有效實現傳感器、指揮控制機構與武器平臺的緊密鉸鏈，實現戰場數據信息的實時交換。

2.25G軍用化的關鍵障礙與對策

5G技術作為民用移動通信技術，其抗干擾、抗毀、保密性、機動性、有效覆蓋等方面的考慮仍然不足，如將5G應用于戰術通信環境仍然需要進行一些特殊的設計。所幸5G的優良基因使得這些設計非常容易實現，本小節將對5G應用于戰術通信存在的問題進行總結，并給出一些解決方案。

1)“擾中通”——抗干擾與抗截獲能力

5G的關鍵技術具備增強系統抗干擾能力的潛能，通過特殊設計可以極大提升5G的擾中通能力。a)在未受干擾時，由于大規模天線提供了額外的空間自由度，可以極大降低系統的發射功率[12-13]，增強信號的指向性(利用波束賦形能力)，有效降低系統抗截獲的能力；在受到干擾時，大規模天線可以極大的提升接收信干噪比(SINR)，增強系統的抗干擾能力。b)全頻譜接入技術的使用極大地擴展了5G可以使用的頻段，基于載波聚合技術，通過資源映射算法將發送信號散布于非常寬廣的頻譜(如將信號散布在0.03～6 GHz的部分頻段內)，以增強頻率分集增益，提升系統抗干擾能力。c)設計高效靈活的資源分配與調度算法，縮短調度周期(ms級別)，實現類似于跳頻通信的功能(信號調度前后的載頻不同)。d)利用認知無線電技術，基于頻譜檢測結果，通過系統參數自適應調整以有效對抗壓制式干擾與瞄準式干擾。e)充分利用5G具備的高傳輸速率，實現數據的猝發傳輸，提升信號的抗截獲與反偵察能力。f)利用5G的異構融合能力，實現微波、短波、超短波、衛星通信的有效集成與融合，為終端提供多種接入技術。甚至實現軍用5G通信與民用5G通信的有效融合，在某些時刻允許軍用5G終端單向接入民用5G網絡，將軍用信號隱藏于民用信號中，實現“大隱隱于市”的目的。

2)抗毀頑存能力

與傳統移動通信相比，5G極大增強了系統的抗毀頑存能力，能夠有效支持多接入和多連接、分布式和集中式、自回傳和自組織的復雜網絡拓撲[14]。此外，為進一步增強5G系統的抗毀頑存能力，基于5G開放性、兼容性強的網絡架構，可將短波、超短波、衛星通信手段一起融合到基于5G設計的戰術通信網絡中，開發支持多種接入手段的多模終端，實現多接入手段的冗余備份與戰場環境的無縫立體覆蓋。

3)安全性

民用移動通信技術一直在加強系統的安全性，如2G只能實現對終端的鑒權而3G可以實現終端與基站的雙向鑒權。然而，出于商用成本的考慮，民用通信技術還存在一些安全漏洞，5G作為未來的民用通信技術也很難滿足戰術條件下的安全，必須重新設計專用的密碼體系及加密方案，增強系統的安全防護等級。所幸自4G以來，我國已逐漸成為移動通信技術的引領者，4G以及未來的5G技術都將擁有自主的知識產權，無論是基站還是終端都能夠實現芯片級的國產化[5]。因此，實現5G通信軍用化的安全性改造并非不可實現。

4)網絡機動性

民用移動通信一般基于固定基站進行集中式組網，核心網與接入網之間的連接、核心網之間的互聯嚴重依賴于有線基礎設施，網絡機動性差，很難滿足戰術通信的需求。然而，這種局面在5G中將得到慢慢的改變。大規模天線的廣泛使用帶來了額外的空間自由度，這使得無線組網的技術可行性得到極大的提高。5G超密集組網時也將大量采用無線回傳技術來降低有線部網的成本，提高網絡的靈活性[13-14]。此外，5G所支持的核心網與基站一體化融合設計、微基站的即插即用[13-14]，設備小型化、網元功能集中化，也將便于基站設備的移動。因此，在損失一定網絡性能的前提下，相信基于5G的戰術通信網絡可以實現全無線互聯的體系架構，從而滿足戰術通信對網絡機動性的要求。

5)“山中通、動中通”能力——有效覆蓋、無縫漫游

民用移動通信技術對山區、丘陵以及森林等復雜地形的覆蓋能力較弱，迫切需要對覆蓋能力進行擴展。所幸5G的關鍵技術也提供擴展網絡覆蓋方面的能力。a)大規模天線的采用，可以有效增強信號的方向性，擴大網絡的覆蓋范圍。b)全頻譜的接入能力，可以利用低頻段實現對戰場的廣域覆蓋。已有實驗表明通過下變頻技術，可以極大提升TD-LTE的通信距離[15]。相信經過下變頻，5G也將能夠實現覆蓋能力的極大提升。c)借助5G所支持的小微基站、無線中繼、D2D、局部自組織等技術，可以進一步實現網絡覆蓋的擴展和完善。d)為更好地增強網絡覆蓋能力，可進一步將5G節點搬遷至空中平臺，甚至是通信衛星，并實現與地面5G網絡的無縫漫游。e)充分利用5G的異構網絡融合能力，實現5G網絡與短波、超短波、衛星通信等接入手段的有效融合，為終端設備提供多種無線接入手段，保證網絡的山中通與動中通能力。

3基于5G的一體化戰術通信網絡

隨著各種高精尖武器的廣泛使用，武器裝備的打擊力度越來越強、范圍越來越廣、距離越來越遠，作戰空間逐步向天、空、地一體化的方向發展[1]。戰術通信必須利用升空平臺與通信衛星來支持超遠距離、大縱深的信息傳輸。為此，本節將基于5G通信技術，聯合衛星通信、升空平臺通信設計一種天空地一體化的網絡架構，以適應戰術通信高速化、寬帶化、網絡化和天空地一體化的發展需求。

3.1寬帶戰術通信網絡架構設計

基于5G移動通信的天空地一體化戰術通信采用分層的網絡結構，如圖1 所示，網絡包括接入層、骨干層和中繼層。接入層主要由5G終端、車載5G小基站等節點構成，支持5G終端的集中式/分布式接入，實現戰術末端用戶的隨遇接入與漫游。此外，借助于5G的異構網絡融合能力，通過引入多模終端與設備，接入網也能夠實現與短波、超短波、衛星等通信網絡的互聯互通。骨干層主要由陸基5G宏基站及搭載在無人機/熱氣球上的5G升空基站組成，基站之間采用Mesh組網機制，以無線(5G中大規模天線技術提供的大容量數據通道)、衛星和部分有線的方式覆蓋整個作戰區域。中繼層由通信衛星組成，當受到地形、氣候等因素影響而使骨干網布設受限時，可以利用通信衛星實現基站間的互聯和部分廣域用戶的接入，甚至利用5G中信令承載與數據承載分離的思想，實現信令信息的衛星廣域傳輸和通信業務的本地微基站承載，以擴大網絡覆蓋范圍，提升地面接入網絡的業務承載能力。

圖1　基于5G的天空地一體化戰術通信網絡

上述構建的空天地一體化戰術通信網絡符合未來戰術通信的發展方向：1)天空地一體化組網，網絡具有廣域立體覆蓋的能力，能夠有效支撐遠程火力打擊需求；2)骨干網利用大規模天線提供的無線傳輸通道實現Mesh組網，接入網支持集中式、分布式以及多手段的接入能力，具有抗毀性強、可靠性高、移動性好的優點；3)充分發揮5G的高速率、大帶寬、低時延優勢，能夠有效支持作戰條令、話音、數據、圖像和視頻等綜合業務的按需傳輸；4)立體化組網、深度覆蓋，能夠實現戰術末端用戶的隨遇接入和無縫切換；5)基于5G開放式、兼容性強的網絡特性便于實現與現有戰術通信網的有效融合與互聯互通。

3.2關鍵技術方向

目前，5G的關鍵技術還在進一步完善，一些技術難關仍在攻克，如大規模天線中的信道測量與反饋、參考信號設計，全頻譜接入中的信道測量與建模、低頻和高頻統一設計，以及超密集組網中的干擾管理與抑制、小區虛擬化、接入與回傳聯合設計等[12-13]。為適應戰術通信的實際需求，除需要實時跟蹤5G關鍵技術發展與標準化工作之外，基于5G移動通信的天空地一體化戰術通信網絡還需重點研究如下一些關鍵技術：

1)抗干擾與抗截獲能力的提升：抗干擾能力弱一直是民用通信軍用化的一大障礙，第2.2節總結了5G中潛在的可以提升系統抗干擾能力的一些技術方向，未來需要對這些技術方向進行逐一研究與驗證，以切實提高5G通信的抗干擾能力。

2)基站/核心網設備一體化小型化設計：民用移動通信的基站與核心網設備普遍存在體積大、重量重、功耗高的特點，無法滿足戰術通信機動性與靈活性的需求[2,5-7]。因此，需要對核心網與基站進行小型化與一體化設計，開發小型化的融合核心網功能的移動機載/車載基站/機載基站，大幅降低設備的體積、重量與功耗。

3)一體化組網與路由設計：組網與路由是網絡實現高效信息傳輸的關鍵。因此，有必要利用SDN技術優化天空地一體化組網與路由，實現網絡控制面與轉發面的有效分離，提升系統路由尋址的高效性與可靠性，降低網絡端到端時延。

4)移動性管理：移動性管理是異構網絡融合與互通的關鍵。在天空地一體化戰術通信網絡中，網絡的異構性、差異性和移動性增加了終端無縫切換、位置管理的難度，現有移動性管理方案很難適應戰術通信環境，需要對天空地一體化網絡的移動性管理方案進行有針對性的設計。

5)多接入手段的融合：雖然5G已經考慮實現多制式蜂窩通信技術(GSM、UMTS、CDMA2000、LTE)，WLAN間的融合與互操作，但是，這仍然不足以滿足戰術通信的需求，需要進一步考慮5G與短波、超短波、流星余跡、衛星通信等手段的融合。

6)挖掘5G四種主要技術場景，尤其是5G新開拓的低功耗大連接場景、低時延高可靠場景對戰術通信的應用價值，結合具體的軍事應用需求，改進5G中不符合軍事應用的一些特性。

此外，2.2節提到的安全性、抗毀頑存性等問題也需要進行有針對性的研究。

4結語

戰術通信由于其抗干擾、抗摧毀、機動性以及安全性等方面的需求，發展相對緩慢。在信息化作戰的迫切需求與軍民融合發展的思想影響下，利用民用通信先進技術加快軍用戰術通信的發展已經取得廣泛共識。本文初步探討了5G移動通信軍用化的可行性，指出利用5G通信關鍵技術并經過特殊的設計可以消除/緩解傳統民用通信軍用化存在的一些障礙；之后，結合戰術通信的未來發展方向與需求，提出了一種基于5G移動通信的天空地一體化戰術通信網絡，為戰術通信的未來發展與研究提供了一種新的思路。未來我們將進一步深入研究5G移動通信軍用化存在的關鍵障礙，并設計提出相應的解決方案。

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Integrated Space-Air-Ground Tactical Communication based on 5G Mobile Communication

XU Quan-sheng,ZOU Qin-yi,GE Lin-qiang

(No.50 Institute of CETC,Shanghai 200331,China)

Abstract：The existing tactical communications mainly rely on narrow-band communication technology,which are difficult to satisfy the distribution demand of large-amount battlefield information.To accelerate the development of tactical communication by using the civil mobile communication technology is widely accepted,however,the intrinsic characteristics of mobile communications make this progress slowly.The proposal of the fifth generation mobile communication (5G) provides a novel chance for mobile communications applied to tactical environment.In this paper,the feasibility to develop tactical communications by using 5G is discussed,and it is found that by using the key technologies of 5G and with specific design,the obstacles in military application of the mobile communications could be eliminated or relieved.In addition,based on 5G,a novel integrated space-air-ground tactical communication is proposed,this could provide a new idea for future development of tactical communications.

Key words：5G mobile communication; tactical communications; integrated space-air-ground network; military application

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2016.02.016

* 收稿日期：2015-09-07；修回日期：2015-12-15Received date:2015-09-07；Revised date：2015-12-15

中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A

文章編號：1002-0802(2016)02-0205-06

作者簡介：

徐全盛(1988—)，男，博士，工程師，主要研究方向為戰術通信、移動通信；

鄒勤宜(1965—)，男，碩士，研究員，主要研究方向為戰術通信；

葛林強(1980—)，男，碩士，高工，主要研究方向為戰術通信。