基于5G的天空地一体化战术通信研究*

徐全盛,邹勤宜,葛林强

(中国电子科技集团公司第五十研究所,上海 200331)



基于5G的天空地一体化战术通信研究*

徐全盛,邹勤宜,葛林强

(中国电子科技集团公司第五十研究所,上海 200331)

摘要：现有战术通信主要依靠窄带通信技术实现，难以满足战场大量信息的分发需求。利用民用技术加速战术通信的发展已经取得业界的广泛认同，但是移动通信固有的特点使得这一进程非常缓慢。5G移动通信的提出为此提供了一次新的契机。初步探讨5G军用化的可行性，发现利用5G的关键技术并经过特殊设计可以消除/缓解传统移动通信军用化存在的一些障碍；并基于5G提出了一种天空地一体化战术通信网络，为战术通信的未来发展提供了一种新思路。

关键词：5G移动通信；战术通信；天空地一体化网络；军事应用

0引言

当前，与信息化作战相适应的指挥、控制、通信、计算机与情报、监视、侦察(C4ISR)系统在战争中的地位和作用变得越来越重要[1]。然而，现有战术通信系统发展缓慢，仍主要依靠短波、超短波等窄带通信技术，无法有效满足C4ISR系统对战场大量信息实时高效可靠传输的需求[1-2]，迫切需要引进一批新技术以加快实现战术通信系统的高速化、宽带化与网络化发展。

与战术通信发展缓慢相反，民用移动通信发展迅猛，在短短30年时间里，移动通信实现了从1G到4G的华丽演进，系统各方面性能不断增强，网络容量越来越大、承载的业务越来越丰富、可靠性与安全性越来越高、应用场景及范围不断拓展。目前，为应对未来爆炸性的数据流量增长、海量的设备连接、不断涌现的各类新业务和新场景，第五代移动通信(5G)系统的研究正在全球如火如荼的展开[3]。5G将引入一大批新技术，实现更加灵活的网络部署，获得更高的传输速率、频谱效率以及能量效率，支持更加丰富的业务类型，大大降低业务传输的端到端时延与网络运营维护成本[3-4]。

鉴于此，借用民用移动通信先进技术实现军用战术通信的跨越式发展已取得人们的广泛共识[2,5]。民用通信军用化很早之前就已受到人们的广泛关注。在设备研制方面，通过引进民用通信先进技术，如正交频分复用(OFDM)、多输入多输出(MIMO)、认知无线电等，大大提升了军用通信设备的性能[1]。在系统建设方面，基于民用移动通信的2G、3G和4G标准，研究人员也先后提出了一系列的战术通信网络架构[2,5,6-11]。然而，战术通信环境与民用移动通信的应用场景存在很大差别，现有民用移动通信网络所固有的一些特性，使得民用移动通信军用化的进展比较缓慢。

民用移动通信军用化存在的关键障碍主要包括[2,5-7]：1)民用移动通信的电磁环境与网络环境相对良好，系统对电子攻击和安全保密要求考虑的相对欠缺，抗干扰、抗毁及安全保密性差；2)通信系统严重依赖于有线网络及固定部署的基站，网元设备繁多且复杂，机动性差，不适用于大规模移动环境；3)网络覆盖能力有限，不能实现对复杂地形(山区、丘陵以及森林)的无缝覆盖。

5G技术的提出为民用通信系统军用化提供了一个新的契机。5G将采用一大批全新的技术以有效增强移动通信系统的灵活性与有效性，这些技术的使用也为5G军用化奠定了很好的基础。此外，尤为重要的是通过分析发现利用5G的先进技术并经过特殊的设计，5G可以消除/弱化现有移动通信军用化所存在的上述障碍，极大提升现有战术通信系统的传输性能。为此，本文将基于5G移动通信设计一种新的宽带战术通信网络，以为战术通信的研究提供一个新的思路。

15G移动通信技术

虽然5G的标准化工作预计在2016年才启动[3]，但是在全球业界的共同努力下，5G需求及关键能力已达成共识，技术路线也已逐渐清晰[3,4,12,13]。

1.15G需求及能力

IMT-2020(5G)推进组(5G标准制定的国家队)根据国内外研究现状，通过对5G主要应用领域、业务需求及技术挑战的分析，制定了连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠四种主要技术场景的关键指标[3-4]。

连续广域覆盖和热点高容量是传统移动通信的主要技术场景。连续广域覆盖场景是移动通信实现无缝切换与连续通信的根本保障，该场景的主要技术需求是能够随时随地为用户提供不小于100 Mb/s的用户体验速率；热点高容量场景主要针对局部热点区域，该场景具有传输速率要求高、网络流量密度大等特点，该场景的主要技术需求是为用户提供1 Gb/s的用户体验速率、数十Gb/s的峰值速率和数十Tbps/km2的流量密度。

低功耗大连接和低时延高可靠场景是5G新拓展的技术场景，主要针对物联网及垂直行业应用。低功耗大连接场景主要面向以环境监测和数据采集为目标的应用场景，具有终端分布范围广、数量多，业务量小、功耗低等特点，该场景的主要技术需求是提供超千亿的连接能力(不小于106/km2连接密度)，同时兼顾终端超低成本和超低功耗的要求。低时延高可靠场景主要面向工业控制、车联网等垂直行业应用，具有超低时延、极高可靠性的特点，该场景的主要技术需求是为用户提供1 ms级的空口时延、ms级的端到端时延和接近100%的可靠性。

1.25G关键技术

为满足上述不同技术场景对5G的差异化需求，5G采用了一大批关键技术。在无线技术领域主要包括大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入、新型多载波等[12-13]。

1)大规模天线通过增加天线数目(可配置上百根天线)增加系统的空间自由度，可支持数十个独立的空间数据流，成倍提升系统的频谱效率，有效支撑5G系统对大量业务的传输需求。此外，大规模天线还可以应用于高频段，通过自适应波束赋形以增强电波传播的方向性，显著提升系统的广域覆盖能力。

2)异构超密集组网通过增加各种基站的部署密度，实现小区结构的微型化与分布化，最终在局部热点区域实现百倍量级的容量提升。为适应5G差异化的接入环境，5G接入网将可以支持无线网状网、动态自组织网络(Ad-hoc)、统一多无线接入技术(RAT)等新型接入手段，并适应各种类型的回传链路，实现异构网络的有效融合[13]。

3)新型多址技术可实现信号在空/时/频/码域的叠加传输来充分利用系统的多维资源，显著提高5G系统的频谱效率和接入能力。同时，新型多址技术还可有力支持系统的免调度传输，以降低系统调度传输的信令开销，缩短业务接入时延。

4)全频谱接入技术涉及6 GHz以下低频段和6～100 GHz高频频段，通过载波聚合、认知无线电等技术，有效利用各类无线电频谱资源(包含高低频段、对称与非对称频谱、授权与非授权频谱、连续与非连续频谱等)来提高数据传输速率，增大5G系统容量。

5)新型多载波基于先进的滤波技术可以减少子带或子载波的频谱泄露，降低系统对时频同步的要求，同时增加频域资源粒度划分的灵活度，增强系统对各种业务的支持能力。目前，业界已经提出多种新型多载波技术，如基于滤波的正交频分复用(FOFDM)、基于滤波器组的多载波(FBMC)等。

除上述技术之外，终端直通(D2D)、新型双工方式(全双工、灵活双工)、多元低密度奇偶检验码、网络编码等也被认为是5G重要的潜在无线关键技术[13]。网络技术领域的关键技术主要包括软件定义网络(SDN)和网络功能虚拟化(NFV)[14]。

1)NFV技术通过软件与硬件的解耦及功能抽象，可以使网络设备功能不再依赖于专用的硬件，为5G网络提供更具弹性的、更低成本的基础设施平台[14]。通过采用通用硬件取代专用硬件，并对通用硬件资源进行按需分配和动态伸缩，NFV可以方便快捷的把网元功能部署在网络中的任意位置，有效解决现有基础设施平台成本高、部署不灵活、资源配置能力弱等问题。

2)SDN技术可以实现网络控制功能和转发功能的解耦，支持控制功能的集中化与转发功能的分布化[14]。控制功能的抽离和聚合，有利于网络从全局视角感知网络环境，调度系统资源，实现局部和全局的网络控制，并构建面向业务的网络能力开放接口，从而满足业务的差异化需求。在高效的网络控制下，转发平面的分布式部署与下沉，可以实现海量数据流的低时延、高可靠、均负载地传输。

25G军用化可行性分析

2.15G与战术通信契合度分析

当前，军用战术通信与民用移动通信都正朝着高速化、宽带化和网络化的方向发展，两张网络也表现出了某些相似性。具体地，战术通信中的一些典型通信场景都可以在5G的四种主要技术场景中找到相似的影子。

战术通信中的指挥所局域网与5G中的连续广域覆盖与热点高容量场景类似，可以用5G充当战术通信的宽带无线接入网，通过将基站部署在空中无人机平台上提供对战场环境的广域覆盖，将微基站部署在各地面车载分队中提供小区域的热点覆盖，利用5G的异构组网能力实现空地分层网络的一体化组网与互联互通；利用5G具有的高带宽、高传输速率、全IP架构以及支持综合业务的特点，使整个战术通信网络变为多媒体网络，且能兼容各种战略和商业网络接口，形成一个未来战场所需的无缝的通信体系。此外，在部队机动作战中也可以利用5G设计相应的集群调度系统，提供包括话音、数据、图像以及高清视频在内的各种通信服务。

战术通信中的情报侦察可以利用5G图形技术实现：1)针对利用大量传感器节点实现战场环境态势感知的需求，可以依托5G中的低功耗大连接场景完成大量传感器节点的组网与互通，实现战场数据的自动采集、融合与上报；2)针对利用无人机、侦察兵实现的战场情报侦察需求，可以充分利用5G连续广域覆盖与热点高容量场景所具备的大带宽、高传输速率能力，实现图片、视频监控、虚拟现实等业务的有效传输，提供实时的战场情报消息。

战术通信中的数据链可以依托5G所具备的低时延、高可靠传输能力实现。数据链所要求的格式化信息、低时延特性与5G中的低时延高可靠场景可以很好的对应。可以充分利用5G中的D2D、机器类型通信(M2M)、灵活的传输时间间隔(TTI)、可变帧格式、免调度传输等技术所带来的ms级端到端时延和接近100%的业务可靠性[13]，有效实现传感器、指挥控制机构与武器平台的紧密铰链，实现战场数据信息的实时交换。

2.25G军用化的关键障碍与对策

5G技术作为民用移动通信技术，其抗干扰、抗毁、保密性、机动性、有效覆盖等方面的考虑仍然不足，如将5G应用于战术通信环境仍然需要进行一些特殊的设计。所幸5G的优良基因使得这些设计非常容易实现，本小节将对5G应用于战术通信存在的问题进行总结，并给出一些解决方案。

1)“扰中通”——抗干扰与抗截获能力

5G的关键技术具备增强系统抗干扰能力的潜能，通过特殊设计可以极大提升5G的扰中通能力。a)在未受干扰时，由于大规模天线提供了额外的空间自由度，可以极大降低系统的发射功率[12-13]，增强信号的指向性(利用波束赋形能力)，有效降低系统抗截获的能力；在受到干扰时，大规模天线可以极大的提升接收信干噪比(SINR)，增强系统的抗干扰能力。b)全频谱接入技术的使用极大地扩展了5G可以使用的频段，基于载波聚合技术，通过资源映射算法将发送信号散布于非常宽广的频谱(如将信号散布在0.03～6 GHz的部分频段内)，以增强频率分集增益，提升系统抗干扰能力。c)设计高效灵活的资源分配与调度算法，缩短调度周期(ms级别)，实现类似于跳频通信的功能(信号调度前后的载频不同)。d)利用认知无线电技术，基于频谱检测结果，通过系统参数自适应调整以有效对抗压制式干扰与瞄准式干扰。e)充分利用5G具备的高传输速率，实现数据的猝发传输，提升信号的抗截获与反侦察能力。f)利用5G的异构融合能力，实现微波、短波、超短波、卫星通信的有效集成与融合，为终端提供多种接入技术。甚至实现军用5G通信与民用5G通信的有效融合，在某些时刻允许军用5G终端单向接入民用5G网络，将军用信号隐藏于民用信号中，实现“大隐隐于市”的目的。

2)抗毁顽存能力

与传统移动通信相比，5G极大增强了系统的抗毁顽存能力，能够有效支持多接入和多连接、分布式和集中式、自回传和自组织的复杂网络拓扑[14]。此外，为进一步增强5G系统的抗毁顽存能力，基于5G开放性、兼容性强的网络架构，可将短波、超短波、卫星通信手段一起融合到基于5G设计的战术通信网络中，开发支持多种接入手段的多模终端，实现多接入手段的冗余备份与战场环境的无缝立体覆盖。

3)安全性

民用移动通信技术一直在加强系统的安全性，如2G只能实现对终端的鉴权而3G可以实现终端与基站的双向鉴权。然而，出于商用成本的考虑，民用通信技术还存在一些安全漏洞，5G作为未来的民用通信技术也很难满足战术条件下的安全，必须重新设计专用的密码体系及加密方案，增强系统的安全防护等级。所幸自4G以来，我国已逐渐成为移动通信技术的引领者，4G以及未来的5G技术都将拥有自主的知识产权，无论是基站还是终端都能够实现芯片级的国产化[5]。因此，实现5G通信军用化的安全性改造并非不可实现。

4)网络机动性

民用移动通信一般基于固定基站进行集中式组网，核心网与接入网之间的连接、核心网之间的互联严重依赖于有线基础设施，网络机动性差，很难满足战术通信的需求。然而，这种局面在5G中将得到慢慢的改变。大规模天线的广泛使用带来了额外的空间自由度，这使得无线组网的技术可行性得到极大的提高。5G超密集组网时也将大量采用无线回传技术来降低有线部网的成本，提高网络的灵活性[13-14]。此外，5G所支持的核心网与基站一体化融合设计、微基站的即插即用[13-14]，设备小型化、网元功能集中化，也将便于基站设备的移动。因此，在损失一定网络性能的前提下，相信基于5G的战术通信网络可以实现全无线互联的体系架构，从而满足战术通信对网络机动性的要求。

5)“山中通、动中通”能力——有效覆盖、无缝漫游

民用移动通信技术对山区、丘陵以及森林等复杂地形的覆盖能力较弱，迫切需要对覆盖能力进行扩展。所幸5G的关键技术也提供扩展网络覆盖方面的能力。a)大规模天线的采用，可以有效增强信号的方向性，扩大网络的覆盖范围。b)全频谱的接入能力，可以利用低频段实现对战场的广域覆盖。已有实验表明通过下变频技术，可以极大提升TD-LTE的通信距离[15]。相信经过下变频，5G也将能够实现覆盖能力的极大提升。c)借助5G所支持的小微基站、无线中继、D2D、局部自组织等技术，可以进一步实现网络覆盖的扩展和完善。d)为更好地增强网络覆盖能力，可进一步将5G节点搬迁至空中平台，甚至是通信卫星，并实现与地面5G网络的无缝漫游。e)充分利用5G的异构网络融合能力，实现5G网络与短波、超短波、卫星通信等接入手段的有效融合，为终端设备提供多种无线接入手段，保证网络的山中通与动中通能力。

3基于5G的一体化战术通信网络

随着各种高精尖武器的广泛使用，武器装备的打击力度越来越强、范围越来越广、距离越来越远，作战空间逐步向天、空、地一体化的方向发展[1]。战术通信必须利用升空平台与通信卫星来支持超远距离、大纵深的信息传输。为此，本节将基于5G通信技术，联合卫星通信、升空平台通信设计一种天空地一体化的网络架构，以适应战术通信高速化、宽带化、网络化和天空地一体化的发展需求。

3.1宽带战术通信网络架构设计

基于5G移动通信的天空地一体化战术通信采用分层的网络结构，如图1 所示，网络包括接入层、骨干层和中继层。接入层主要由5G终端、车载5G小基站等节点构成，支持5G终端的集中式/分布式接入，实现战术末端用户的随遇接入与漫游。此外，借助于5G的异构网络融合能力，通过引入多模终端与设备，接入网也能够实现与短波、超短波、卫星等通信网络的互联互通。骨干层主要由陆基5G宏基站及搭载在无人机/热气球上的5G升空基站组成，基站之间采用Mesh组网机制，以无线(5G中大规模天线技术提供的大容量数据通道)、卫星和部分有线的方式覆盖整个作战区域。中继层由通信卫星组成，当受到地形、气候等因素影响而使骨干网布设受限时，可以利用通信卫星实现基站间的互联和部分广域用户的接入，甚至利用5G中信令承载与数据承载分离的思想，实现信令信息的卫星广域传输和通信业务的本地微基站承载，以扩大网络覆盖范围，提升地面接入网络的业务承载能力。

图1　基于5G的天空地一体化战术通信网络

上述构建的空天地一体化战术通信网络符合未来战术通信的发展方向：1)天空地一体化组网，网络具有广域立体覆盖的能力，能够有效支撑远程火力打击需求；2)骨干网利用大规模天线提供的无线传输通道实现Mesh组网，接入网支持集中式、分布式以及多手段的接入能力，具有抗毁性强、可靠性高、移动性好的优点；3)充分发挥5G的高速率、大带宽、低时延优势，能够有效支持作战条令、话音、数据、图像和视频等综合业务的按需传输；4)立体化组网、深度覆盖，能够实现战术末端用户的随遇接入和无缝切换；5)基于5G开放式、兼容性强的网络特性便于实现与现有战术通信网的有效融合与互联互通。

3.2关键技术方向

目前，5G的关键技术还在进一步完善，一些技术难关仍在攻克，如大规模天线中的信道测量与反馈、参考信号设计，全频谱接入中的信道测量与建模、低频和高频统一设计，以及超密集组网中的干扰管理与抑制、小区虚拟化、接入与回传联合设计等[12-13]。为适应战术通信的实际需求，除需要实时跟踪5G关键技术发展与标准化工作之外，基于5G移动通信的天空地一体化战术通信网络还需重点研究如下一些关键技术：

1)抗干扰与抗截获能力的提升：抗干扰能力弱一直是民用通信军用化的一大障碍，第2.2节总结了5G中潜在的可以提升系统抗干扰能力的一些技术方向，未来需要对这些技术方向进行逐一研究与验证，以切实提高5G通信的抗干扰能力。

2)基站/核心网设备一体化小型化设计：民用移动通信的基站与核心网设备普遍存在体积大、重量重、功耗高的特点，无法满足战术通信机动性与灵活性的需求[2,5-7]。因此，需要对核心网与基站进行小型化与一体化设计，开发小型化的融合核心网功能的移动机载/车载基站/机载基站，大幅降低设备的体积、重量与功耗。

3)一体化组网与路由设计：组网与路由是网络实现高效信息传输的关键。因此，有必要利用SDN技术优化天空地一体化组网与路由，实现网络控制面与转发面的有效分离，提升系统路由寻址的高效性与可靠性，降低网络端到端时延。

4)移动性管理：移动性管理是异构网络融合与互通的关键。在天空地一体化战术通信网络中，网络的异构性、差异性和移动性增加了终端无缝切换、位置管理的难度，现有移动性管理方案很难适应战术通信环境，需要对天空地一体化网络的移动性管理方案进行有针对性的设计。

5)多接入手段的融合：虽然5G已经考虑实现多制式蜂窝通信技术(GSM、UMTS、CDMA2000、LTE)，WLAN间的融合与互操作，但是，这仍然不足以满足战术通信的需求，需要进一步考虑5G与短波、超短波、流星余迹、卫星通信等手段的融合。

6)挖掘5G四种主要技术场景，尤其是5G新开拓的低功耗大连接场景、低时延高可靠场景对战术通信的应用价值，结合具体的军事应用需求，改进5G中不符合军事应用的一些特性。

此外，2.2节提到的安全性、抗毁顽存性等问题也需要进行有针对性的研究。

4结语

战术通信由于其抗干扰、抗摧毁、机动性以及安全性等方面的需求，发展相对缓慢。在信息化作战的迫切需求与军民融合发展的思想影响下，利用民用通信先进技术加快军用战术通信的发展已经取得广泛共识。本文初步探讨了5G移动通信军用化的可行性，指出利用5G通信关键技术并经过特殊的设计可以消除/缓解传统民用通信军用化存在的一些障碍；之后，结合战术通信的未来发展方向与需求，提出了一种基于5G移动通信的天空地一体化战术通信网络，为战术通信的未来发展与研究提供了一种新的思路。未来我们将进一步深入研究5G移动通信军用化存在的关键障碍，并设计提出相应的解决方案。

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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

中图分类号：TN929.5

文献标志码：A

文章编号：1002-0802(2016)02-0205-06

作者简介：

徐全盛(1988—)，男，博士，工程师，主要研究方向为战术通信、移动通信；

邹勤宜(1965—)，男，硕士，研究员，主要研究方向为战术通信；

葛林强(1980—)，男，硕士，高工，主要研究方向为战术通信。