5G軍事應用分析及設備研制

摘 ?要：本文介紹了無線寬帶軍事應用的現狀和遇到的問題。根據遇到的問題和第五代移動通信技術（5G）的相關特點，分析5G軍事應用，重點分析了相關的應用場景。在分析的基礎上，提出了5G軍事應用的設備研制方案。

關鍵詞：5G;軍事應用;應用分析;5G設備;

基于LTE的4G移動通信技術軍事化應用已經成熟，但是隨著應用的深入，現有技術無法滿足新的軍事應用需求。移動通信技術高速發展，已經由4G網絡邁向更高帶寬、更小時延、更大容量的5G網絡。本文討論了5G移動通信技術對新的軍事化應用需求的滿足，并進一步分析5G軍事化應用場景，提出5G設備研制的初步方案。

1.現狀和應用需求

1.1無線寬帶應用現狀

現役無線寬帶4G網絡的應用有兩種方式：一種是有中心應用，以基站為中心，形成對各個終端的覆蓋;另外一種是無中心應用，當終端脫離基站時，可以進行脫網自組網，形成局部子網應用。現役4G網絡在軍事應用中已經發揮了重要的作用。在實際應用中，4G網絡的快速靈活部署和高帶寬提升了軍事網絡水平：一方面無線寬帶網絡不需要像光纖等通信手段依靠固定設施;另一方面無線寬帶具備較高帶寬，可以傳輸更多的數據和信息，可以提升軍事作戰效能。

1.2 新的應用需求

我國地域遼闊，南北氣象、地理環境各不相同。當無線通信設備處于復雜的地理環境下，無法找到合理的部署節點，為終端提供接入服務，從而影響通信效能。因此，隨著無人機等技術的發展，通過使用升空基站、升空中繼擴展現役4G網絡的覆蓋范圍和通信效能的需求日益強烈。

將升空基站搭載于多旋翼無人機，進行升空。由無人機對復雜地形中的終端進行覆蓋增強，無人機的數據過專用鏈路回傳到基站，最終回傳到數據中心。典型的地理環境主要有：峽谷，高山、密林、跨江、沼澤等。

基于升空，可以開展多種作戰應用場景，包括前突作戰、登島作戰、多單位協同作戰、蜂群作戰、多立體廣域作戰等一系列場景。

前突作戰：

基站搭載車輛駐停在交火區域以外，無人機搭載升空基站升空，與前突作戰單元伴隨飛行，并為地面作戰終端提供無線接入服務。實現將前方作戰的態勢信息實時回傳至后方的信息中心，由信息中心向前突作戰單元下達作戰指令，實現壓制、消滅敵方力量及設施。

登島作戰：

在執行登島作戰任務時，無人機搭載升空基站升空，為登島作戰的終端車提供接入服務，同時升空基站和機載中心站（加裝于直升機）構建自組網通道，并通過衛星鏈路實現數據回傳至后方信息中心。信息中心能根據現場采集到的態勢信息，及時部署和調整兵力部署。

多單位協同作戰：

無人機搭載升空基站升空后，與地面裝配基站的車輛保持一定距離的伴隨飛行，為地面多個單位提供寬帶接入服務，實現數據信息和態勢共享，便于各單位之間協同。

蜂群作戰：

利用無人機蜂群執行作戰任務同樣也是美軍無人機應用研究的重點之一，選擇大型無人機加裝升空基站，小型無人機加裝升空中繼協同工作形成蜂群，并作為覆蓋范圍更廣的空中通信中繼平臺為地面部隊提供通信中繼服務，不同的無人機配備不同的載荷如光電、雷達、成像傳感器、武器平臺等，相互配合形成較為完備的作戰能力體系，執行復雜的察打一體化軍事作戰任務。

多立體廣域作戰：

多架無人機搭載升空基站升空飛行，構建多個空中通信節點，實現覆蓋廣、高機動、組網靈活、網絡立體化覆蓋等特點，可為地面終端提供立體式無線寬帶接入服務，實現多跳廣域立體覆蓋網絡。

戰場孿生：

升空基站具有帶寬大，支持用戶數多的特點。終端用戶通過大量的攝像頭、傳感器、熱成像儀等將作戰區域的數據進行采集，并接入部署的升空基站，將戰場采集到的數據實時回傳，為信息中心構建虛擬孿生戰場，重構態勢數據。

邊緣計算：

無人機搭載升空基站，與地面終端車和單兵伴隨飛行，提供無線寬帶接入服務。形成分布式中心節點，并與地面中心站構建節點，快速響應作戰力量業務需求。

升空中繼：

升空中繼具有產品重量輕，能較好適裝性，支持多種無人機平臺安裝;解決因外部環境造成的跨越遮擋，提升通信性能;滿足超遠距離的中繼通信功能。

1.3 現役4G網絡存在的問題

通信容量受限：現役4G接入網絡的傳輸速率為100Mbps左右，無法滿足日益增長的傳輸帶寬需求和網絡規模的要求;

無小型化產品：現役4G網絡濾波器和功放體積和重量相對較大，較難滿足小型化無人平臺的輕量化要求。

2.應用分析

2.1 5G網絡的特點

第五代移動通信系統（5G）是新一代寬帶無線移動通信系統，能極大增強無線通信能力，并正在與人工智能、大數據等信息技術緊密融合，以“5G+”的形式與工業、交通、醫療、金融、建筑等垂直領域相結合，催生“改變社會”的新移動互聯模式。5G不僅在國民經濟與社會發展中扮演著關鍵角色，還對軍事安全至關重要。

與以往移動通信系統相比 ，5G是一種技術和運用上的革命性變革，各項關鍵能力指標相比4 G均有大幅提升，5G和4G網絡的性能對比如下圖所示。

從圖中可以看出，相對于4G網絡，5G網絡用戶體驗速率提升10倍，峰值速率提升20倍，流量密度提升100倍，能量效率提升100倍，連接數密度提升10倍，時延縮短到之前的1/10，頻譜效率提升3倍，移動性提高近1倍。

2.1 5G網絡軍事化應用現狀

2018年12月，美國際戰略研究中心發布《5G技術將重塑創新與安全環境》報告。在報告中，將當前的國際5G通信競爭由技術層次上升至國家級戰略層次，認為其關系國家安全。美多個部門密集發布5G相關研究報告，將我國列為主要競爭對象，并明確美軍5G發展實施方案，已累計投入6億美元用于開展運用測試驗證，21年計劃投入14.92億美元，用于5G軍事應用相關建設。

2019 年 6月，美國國防部國防科學委員會也發布《5G網絡技術的國防應用》報告，認為5G最大的應用潛力在于對未來戰爭或軍事網絡的潛在影響，并對5G國防應用前景及潛在風險進行了評估。該報告認為，5G網絡技術在國防領域具有巨大應用前景：其大容量、高速率、低功耗、低延時等優勢可強化美國國防部當前任務能力，并實現能力創新，網絡功能虛擬化、安全增強、新型無線電技術能滿足多樣化的應用場景和通信需求。

我過的十四五規劃中，將5G技術軍事化應用作為一個重要的部分，將大量投入人力物力，以共同探索5G網絡以及云計算等技術在軍事化領域的應用。

2.2 5G軍事化應用分析

5G網絡具備高速率、大容量、低時延、廣連接等特點，具備與現役無線寬帶通信系統形成融合互補的能力，5G信息系統可在不改變現役軍用通信系統架構的情況下，增強無線寬帶系統能力，也可作為一種新型無線寬帶傳輸鏈路使用，提升無線寬帶傳輸速率和容量，作為現役網絡的補充。

5G采用毫米波或者Sub6頻段進行通信，配合多天線MIMO技術，可以降低功放、天線等尺寸，同時提升抗干擾能力。相對于現役的4G無線寬帶網絡，更適合升空使用。

5G網絡可以提升覆蓋范圍內的吞吐量，降低時延，形成覆蓋范圍內的戰場感知、通信指揮和武器平臺控制一體化系統應用（如下圖所示）。

基于5G網絡，可以構建基于5G的無人化作戰體系，在空中構建覆蓋區域，形成無人作戰覆蓋和回傳的一體化網絡。

在5G無線寬帶通信鏈路具備的基礎上，與分布式云平臺、邊緣計算平臺、異構網絡融合、軟件定義網絡、網絡切片算等技術構建新一代通信應用服務系統。

2.3 設備研制

根據5G的應用需求，開展5G設備的研制工作。5G設備的研制范圍如下圖所示。

機固一體核心網采用高性能服務器，并做相應的軍事化改造。可以部署于固定站點，也可以部署于機動通信節點;機固一體核心網主要針對大量用戶接入需求。

背負基站作為背負使用，可以滿足小范圍內的覆蓋要求;背負基站由可以部署輕量化核心網的邊緣計算模組、高集成5G模組和功放組成（如下圖）。升空基站滿足相關的升空應用場景，升空基站與背負基站的內部架構基本相同，只是外部形態上改為適應升空安裝的形態;

分體基站：主要適配通信節點車，作為地面覆蓋的基站類設備;可以外接車載形態的RRU或者AAU，也可以通過系留的方式連接升空RRU，以提升覆蓋范圍;分體基站由可以部署輕量化核心網的邊緣計算模組和基站模組組成。

終端：終端包括車載、背負、CPE和數據卡形態，均由終端模組匹配不同的功放，根據不同使用的場景，形成不同的設備形態。

根據實際使用的場景，匹配不同的定向或者全向天線，其中適用于無人機裝配時，一般選用刀片天線。

2.4 模組設計

5G設備的研制，關鍵在于幾個通用化模組的設計。模組包括邊緣計算模組、基站高集成模組、基站模組和終端模組，其中終端模組直接選用民用模組做軍事化改造使用。以下分別介紹邊緣計算模組、基站高集成模組、基站模組的設計方案。

輕量化邊緣計算模組主要包含1片通用處理器及附屬硬盤和DDR、智能控制模塊、健康管理模塊、時鐘處理模塊和電源模塊等。通用處理器主要實現5G核心網功能。智能控制主要實現無人機自主智能控制。健康管理模塊主要實現機箱健康管理（CHMC）功能。

5G基站基帶模組主要包含通用處理器、基帶處理單元、MCU健康管理模塊、時鐘處理模塊和電源。其中，通用處理器和基帶處理單元為基帶模組的核心模塊，共同實現5G中的L1、L2、L3協議及各種關鍵算法，并提供操作維護管理。

5G基站高集成基帶模組，是在5G基站基帶模組的基礎上，進一步集成了射頻收發單元，實現了5G CU（集中單元）+DU（分布單元）+RF（射頻單元）的高度集成。對上提供回傳接口到5G核心網，對下為射頻口直接連接天線或外接功放進一步放大。同時，為了考慮板卡的尺寸和功耗，在保證單扇區和100M帶寬基本資源需求下，選用了較低功耗的數字基帶芯片，相對于分體基站，使用場景更加靈活方便。

5G基站高集成模組主要包含通用處理器、基帶處理單元、射頻收發單元、MCU健康管理模塊、時鐘處理模塊和電源。高集成模組方案在合并邊緣計算模組和基帶模組功能的基礎上，進一步集成了射頻收發單元，實現了協議-基帶-射頻的一體化設計，可用于小型化、低功耗微站場景布設。

3 總結

本文介紹了當前4G網絡的軍事化應用情況和遇到的問題，分析了新的軍事化應用需求。在分析需求的基礎上，探索5G技術的軍事化應用，并給出了5G軍事化應用的設備框架和對應的設備研制方案。

參考文獻：

[1] 方芳. 5G軍事應用前景分析. 2021年 .

[2] 王鵬.5G通訊技術的軍事應用，2019年 .

作者簡介：

郝慧峰，1984年1月，男，籍貫：內蒙古鄂爾多斯市，漢族，博士，工程師，研究方向：無線寬帶通信系統、5G專網通信。