面向5G的多任务场景军事应用研究*

胡金锁，张 迎，冷伟峰，张国华，陈 峰

（1.32180部队，北京 100072；2.中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041；3.中国电子科技集团公司第二十八研究所，江苏 南京 210000）

0 引言

5G作为新一代蜂窝移动技术，实现通信网络技术的跨越发展。在支持4G传统通话、视频和移动支付基础上，支持基于海量数据处理交互的物联网、云计算、大数据、人工智能技术融合发展，推动社会进入万物互联时代，从而引发新一轮信息革命。适应国防和军队深化改革需要，新的力量编成结构和作战体系建设给军事通信链路带来了严峻挑战[1]，要求军事通信系统能够实现更高效精准的信息传输、国土及海外利益攸关区信息可达，以及能够支撑多样化作战任务和非战争军事行动信息保障。现有以专用网络为主，通过光纤有线通信和短波、超短波、微波、散射、卫星等无线通信方式构成的军事通信网络，网络结构复杂、可靠性差、带宽低，在域外作战时保障手段有限等短板弱项突出，难以满足未来非线式、非接触、大空间的军事应用需要。按照军民融合战略指导，开展5G技术从民用向军事领域应用的突破和转化势在必行。

1 发展现状及关键技术

5G技术在用户体验、通信带宽、传输时延等方面都有显著的提高，其突出的应用特点是提供超高移动性、超高连接数密度、超高流量密度和低时延高可靠的通信服务。2013 年 2 月，我国工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技部三个部委联合推动成立了IMT-2020（5G）推进组，全面组织开展5G技术创新研究、标准制定、国际合作、产业协作、业务应用等工作，促进了5G 产业链全面发展。当前，5G发展如火如荼，2019年6月6日5G商用牌照发放以来，三大运营商正按建设和测试计划开展5G商业化应用[2]。

1.1 典型应用场景

5G是移动通信革命性的进展，前几代的移动通信只是改变了人们的通信方式，5G则是改变了网络社会。3GPP标准定义了5G的三大应用场景增强移动宽带（eMBB）、高可靠低时延通信（URLLC）、低功耗大连接（mMTC）[3]，5G应用场景与性能如图1所示。

图1 5G应用场景示意

（1）eMBB，即增强移动宽带。集中表现为超高的数据传输速率，可以体验到极致的网速，未来更多应用对移动网速的需求都将得到满足。基于5G的云VR/AR、4K/8K高清视频等都需要5G大宽带的支撑。

（2）URLLC，即高可靠低时延通信。在此场景下，连接时延要达到1 ms级别，而且支持高速移动下的高可靠性连接。这一场景主要面向车联网、工业控制、远程医疗等特殊应用，潜在价值极高。

（3）mMTC，即低功耗大连接。万物互联下，通过广泛部署的低功耗物联网设备，5G可以快速促进各行业（智慧城市、智能家居、环境监测等）的深度融合。

1.2 5G关键技术

5G网络提出来一系列新的关键技术，为5G网络的高速率、低时延、高可靠性、高安全性提供了技术基础[4]，也是建设高安全性的5G军事通信网络的核心技术支撑。

（1）大规模多输入多输出（Massive MIMO）技术[5]：对于高速发展的数据流量和用户对带宽的要求，现有的4G网络多天线技术很难满足要求。采用大规模天线阵列系统，提供了更强的定向能力和赋形能力，使得网络中的多个用户可以在同一时频资源上利用大规模MIMO提供的空间自由度与基站同时进行通信，提升了频谱效率，大幅降低了干扰。

（2）网络切片技术：网络切片技术是指通过网络虚拟化技术，将网络中的各类物理资源抽象成虚拟资源，并基于指定的网络功能和特定的接入技术，按需构建端到端的逻辑网络，提供一种或多种网络服务。网络切片技术能够根据业务和用户的动态需求，进行资源的按需调整，提升了网络的灵活性。

（3）多址接入技术：5G提供了NOMA非正交多址接入、MUSA多用户共享接入、SCMA稀疏码多址接入、PDMA图样分割多址接入等多种多址技术来满足5G对容量的需求，多址技术方案的选择需要根据不同的场景需求和接收机的处理能力来进行。

（4）超密集组网：通过增加单位面积内小基站的密度，在异构网络中引入超大规模低功率节点实现热点增强、消除盲点，改善网络覆盖，提高系统容量。

（5）软件定义网络（SDN）与网络功能虚拟化（NFV）技术：SDN是一种数据控制分离、软件可编程的新型网络体系结构。NFV是以软件的方式实现虚拟网络功能，从而降低专用通信网络设备成本。基于SDN和NFV技术，实现网元功能的分解与重构，提高了系统灵活度、可靠性。

（6）同时同频全双工技术：利用该技术，在相同的频谱上，通信的收发双方同时发射和接收信号，与传统的TDD和FDD双工方式相比，从理论上可使空口频谱效率提高1倍。

（7）设备直联D2D技术：D2D技术无需借助基站的帮助就能够实现通信终端之间的直接通信，拓展网络连接和接入方式。由于短距离直接通信，信道质量高，D2D能够实现较高的数据速率、较低的时延和较低的功耗；通过广泛分布的终端，改善了覆盖，实现频谱资源的高效利用；支持更灵活的网络架构和连接方法，提升链路灵活性和网络可靠性。

（8）先进编码与调制技术：5G采用低密度奇偶校验码（LDPC）和极化码（Polar code）等新型编码方式，降低了译码复杂度与时延。使用空间调制（SM）和频率正交幅度调制（FQAM）技术，提高频谱效率及通信质量，有效降低成本。

2 军事应用需求分析

2.1 5G军事化应用动因

5G军事化应用是以深刻的时代背景为前提，是多种复杂因素综合作用的必然结果，主要受作战任务、作战行动、指挥方式等影响，同时必须需要谋求突破现有存在问题的新的技术途径。

（1）作战概念升级

近年来，随着“多域战”“多域作战”到“全域作战”等作战概念推陈出新和升级演进，战场空间进一步扩大，时效性要求极高。联合作战、精确作战、非对称作战等作战理论，对军队作战任务、任务能力和作战需求提出了新需要，信息优势，是争夺战争主导权的关键，依托5G技术提供的高性能网络支撑是发挥信息优势的强力支点。

（2）作战样式转变

随着多域和全域作战概念的形成，针对分布式作战模式的生存和对抗，先后提出了分布式杀伤、分布式防御等作战理念，需要形成分布式作战行动和集中式作战能力，同时无人化作战理念正逐步应用与现代战争。5G技术展现出的大地域覆盖、多用户接入能力为适应多域化、分布式作战样式转变提供了良好途径，且其高容量低时延也为无人蜂群等大规模无人测控和无人协同能力提供有力支撑。

（3）指挥方式变革

在联合作战指挥体系下，不同军兵种作战力量指挥协同的扁平化，集中与分散指挥、逐级及越级指挥相互补充，特别是面向特种作战等战略支撑、战术行动的新的作战运用，任务式指挥方式运用越来越多。5G部署的泛在性、多址接入和直联能力为联合、越级作战指挥形式提供了有力保障。

（4）现有系统制约

当前军事通信网络为专网通信，主要针对高对抗战场环境进行设计，以卫星、微波、超短波、短波等无线通信辅以野战光纤和野战被复线远传构建野战机动通信保障网络，存在通信接入、网络控制、路由交换的异构性，指挥用户和战术末端距离网络中心较远，连通性较差，时延抖动较大，网络抗毁重组能力弱，不利于快反速决和作战能力生成。5G网络的高联通、低时延特性可以形成特定任务场景与现有系统的优势互补。

2.2 5G典型场景与军事应用的映射

着眼未来作战环境复杂化、作战任务多样化、作战过程快速化、作战行动一致化、作战保障精准化、作战评估高效化等军事特点，为适应陆军未来作战任务行动，在现有军事通信网络基础上，利用5G技术构建陆军作战指挥的“第二张网”具有天然优势，可为作战部队在境内境外遂行多样化军事任务，提供广域覆盖、灵活部署、柔性重组的“密流量”服务和新型支撑模式。

基于5G应用，提供有基础设施支撑的通信保障，适应部队日常办公、战备执勤、军事训练、综合保障、作战指挥和应急保障等多种作战任务场景。平时，依托5G移动通信支撑的应用场景包括：①日常办公，为办公人员提供移动通信保障服务，实现办公区和远程的内部资源访问，实施业务办理、视频会商等工作；②战备执勤，为勤务保障、战备保障人员提供全天时、全天候值班值班保障，随时接收上级的任务通知和命令；③综合保障，利用5G形成有线网路覆盖的补盲，提供智慧军营、物资管控调度、远程医疗等综合保障。战时，依托5G移动通信支撑的应用场景包括：①应急处突，紧急情况下，借用民用5G基础设施接入应急网络进行通信，保障紧急情况下的通信畅通；②作战指挥，依托移动通信车、无人机等机动平台搭载5G构建移动通信专网，作为军事通信网络的补充，保障战时条件下的作战指挥。

5G军事应用场景的设立，需从使命任务和实际作战样式、行动出发，基于5G三大应用场景预设，切入5G军事应用场景。

（1）基于5G增强移动宽带的军事应用场景

在营区、综合保障基地等固定军事区域，在运营商网络覆盖范围内，依托公众5G网络基础设施为军队用户移动办公、战备执勤等应用服务。在城市作战、反恐维稳、抢险救灾等作战行动和非战争军事行动中，可将民用5G网络延伸至战术末端，借助民用5G网络实现军用通信网络的灵活扩展，大大提高作战指挥区域保障能力。训练基地基于5G利用虚拟现实（VR）的精确射击训练和基于增强现实（AR）的智慧控制训练。利用5G空口、软件定义的核心网网络架构等技术推进新一代战术无线信息系统发展建设，实现各类网络的融合组网。

（2）基于5G低功耗大连接的军事应用场景

5G强大的连接能力可以快速促进军事物联网中的万物互联，依托海量联网的传感器节点，实现人员、军用物资的精准投放、管理和调度。通过对物联网节点状态的精准感知、远程智能控制及追踪、人员及设备的出入库记录管理，保障军事人员和军用物资全服役周期的准确监管和调度。

（3）基于5G低时延高可靠的军事应用场景

面向未来作战概念和样式，需要建立“从传感器到射手”感知、决策、打击的综合信息链，实施从对敌侦察到武器协同和全面精确控制的作战过程。新式武器精确控制、多种武器协同作战、无人作战平台的运用也需要低时延高可靠，以5G技术的多接入手段协同、高可靠低时延组网、抗干扰抗截获等技术作为突破口，实现作战情报链、指控链、协同链、测控链的可靠支撑。

5G典型场景、军事应用场景、典型组织运用方式及关键技术运用的映射匹配关系如图2所示。

图2 军事应用场景映射示意

3 5G多任务场合军事应用构想

3.1 移动办公

军队领导机关及各类部队体量大、级别多、分布广，对移动办公网络需求迫切，目前，应对无线开放环境的安全威胁，解决因信息带宽不足带来的用户容量、业务容量受限，以及标准不统一带来的稳定性、可靠性、易用性、操作性方面的诸多问题，是信息系统建设的重点关注。

5G移动通信网络以其顶层设计规划的优秀特质，从研究之初就考虑了安全架构、用户容量、业务速率、时延特性等应用问题。依托5G构建陆军移动办公系统，可以突破时间、地域的限制，更好地实现各级各类业务快速处理，安全可靠地接入军事网络，敏捷处理公文流转、公文审阅、公文批示、信息查询、信息推送、邮件收发等事务，甚至是高安全、高清视频会议，提高办公文件流转和指挥决策效率、办公模式的自动化和低碳化。军用移动办公系统是基于5G专线构建，通过安全接入区安全隔离交换接入军队内网数据处理中心，为移动办公用户提供无缝、灵活、可靠、安全的移动办公接入，如图3所示。

图3 移动办公5G应用示意

3.2 战备执勤

着眼防区驻地固定目标的警卫执勤、重要活动及人员现场警卫执勤任务需要，围绕解决“通不好”、“看不清”、“防不住”等问题，即：由于固定基础设施网络机动布设和可扩展性差，军用移动通信系统存在带宽低、接入不可靠、孤岛性使用等通联差问题；由于网络视频线路对带宽容量有线，对高清视频、多路视频支持能力有限，导致布设的监控报警系统标准落后、数量偏少、成像和感知质量差问题，由于“人防”“物防”“技防”三防中技防手段欠缺，对人车验证识别、防护阻拦、智慧监管、安检筛查、遇袭报警以及对人员和枪支的离位管理缺乏相应技术装备或技术手段落后问题，分析研究不依赖固定基础设施网络和军用移动通信系统的技术实现途径和建设模式。

依托5G移动通信网络构建战备执勤信息保障系统，能够充分利用大容量、高带宽、低时延能力，为遂行任务提供态势实时准确感知、指挥控制指令快速下达、人/物资源高效智能调度以及全域技防装备管控支撑，提供覆盖各级部队以及传达室、固定和移动岗哨的信息全面覆盖和全级贯通链路，实现数据采集、视频监控、信息传输、执勤调度等信息全程贯通、业务无缝融合、调度快捷高效。战备执勤5G应用如图4所示。

3.3 应急保障

随着国外局势日益复杂化，国内和国际、自然和社会矛盾风险交织并存，国内自然灾害和周边武装冲突频频发生。应急事件发生后，任务准备时间仓促、平战转换时间短，应急保障任务一旦受领，即要求迅疾出动，任务保障要求精准，任务行动要求迅捷高效，如何增强应急事件的处置效率和处理能力成为应急保障系统的重点工作。并且，应急事件发生后，大型聚集性事件容易引起通信网络的局部饱和，重大自然灾害容易形成通信设施损毁，突发恐怖事件需要实时通过视频监控掌握骚乱现场情况，加之目前应急通信保障系统存在网络带宽窄、通信覆盖不全、业务能力支持有限等问题，在保障应急指挥调度、现场视频监管、信息收集传递等应急业务服务方面需要全面提升。

图4 执勤5G应用示意

5G技术深刻影响通信应急保障方式创新，能够广泛化部署规划甚至延伸到珠峰5 800米营地，其泛在化、宽带化、多用户特征，可以有效针对解决应急任务时间、地点、事件的不确定性和地域广泛性、突发性带来的网络拥塞、应急保障高密度用户网络承载量问题，有很强的接入即服务、移动性、柔性组网和快速重构能力，并支持手机终端、平板、便携机的灵活接入和即插即用，可以应用于全国地域甚至海外应急突发事件的敏捷、精准、高效保障的军事任务场景。利用5G宏基站或车载小基站构建应急现场的通信覆盖网络，通过卫星或基站横联至指挥机构，实现任务现场的远程指挥调度和与上级指挥机构的应急联动。应急保障5G应用如图5所示。

3.4 军事训练

军事训练是军事应用的一个重要方面，通过设置高逼真度的战场环境实战化演训条件，开展大规模、多要素的军事训练，提高实战对抗条件下兵力、火力、综合保障等能力。由于训练环境条件受限、参训力量规模不足、要素不够全面，以及难以组织异地同步训练等制约，导调方式主要按照计划进行文书导调和导调员现场导调，导调方式单一，难以与演训过程密切结合，不能实现随机导调，演练数据采集手段薄弱，导致无法实现精确化的训练成果检验评估。

依托5G技术，基于计算机模拟和宽带移动通信系统的模拟战场训练，可实现军事训练的同步化、真实化、实战化。按照“数字孪生”思想，利用传感器实时采集物理战场环境信息，基于AR/VR技术可构建高精度、高逼真的虚拟战场环境，并通过训练终端、导调机构、训练服务器共同构建虚拟训练平台，能够开展半实兵、半仿真的对抗性训练，为特战、侦察、精确火力打击等行动提供更多战场细节和真实的作战感受，显著提高训练效果；基于5G网络，可实现参训部队、训练终端、导调机构、战场传感器等要素高效互联，实时传输战场环境信息和参训部队演练数据，实现虚拟战场环境、作战行动、评估数据的异地同步复现；利用基于5G的AR/VR训练终端，实现异地多用户、多要素、多平台之间海量信息交互，在训练过程中实现战场态势、作战行动、作战交互、打击效果等训练数据的精确同步和时空统一，分布式呈现统一战场环境和作战进程；通过训练导调系统、数据采集和评估系统对模拟作战进程进行实时精准调控。依托虚拟战场环境，可实现导调事件的随机化、实时化，同侦察、决策、指控、行动等活动实现无缝铰链和互动。利用实时采集的大量训练评估数据，还可实现作战进程的全程记录和随机回放，通过对数据精确计算评估，对作战态势、行动控制、行动过程、打击效果、作战协同等训练过程各方面进行精准分析，提供“观影式”复盘、“外科手术式”的评估分析实现的技术途径。军事训练应用场景如图6所示。

图6 军事训练5G应用示意

3.5 综合保障

面向数字军营、智慧军营建设需要，针对营区管理、物资仓库管理、资料库管理、维修保障管理以及重点区域技防管控等综合保障工作，应对大量物资、繁多业务的作业需求，通过信息系统综合建设提升军队营区业务、生活和服务管理水平。

通过利用5G技术与物联网、高清视频等技术的有效融合应用，可以实现人和物管理的自动化、精确化、智能化，提供行动和业务管控的可追溯，全面提升业务流程运转速度、物资管控调度精确度、管理控制工作效率以及营区重点区域技防能力。

基于5G技术构建的军用综合保障系统，能够支撑全要素管理数据收集、融合、存储。基于5G，构建军营管理系统，通过军人标识牌、单兵腕表实现其行动和管理信息自动扫描录入，达成部队人员日常和行动管理；构建物资信息管理系统，对物资嵌入采集传感设备，并通过其读写器实现物资设备信息、入库出库、信息更新、维修次数、使用次数等记录，达成物资信息数字化智能管控；构建军用重点技防管控区系统，通过重点管控区域的全时摄录监控和声光报警，实现重点管控区域的全时全维监管控制；构建维修器材管理系统，实现装备零件电子扫描、二维码扫描、器材出入库、维修记录；构建资料库管理系统，实现数据资料条码管控、扫码记录；构建医院管理系统，实现视频会诊、远程诊断、远程治疗。综合保障5G应用场景如图7所示。

3.6 作战指挥保障

战时通信保障是军事应用的重中之重，基于作战环境电磁适应性、攻击适应性、安保适应性更加严苛的现实需要，可以依托5G技术构建军队战术通信的“第二张网”，作为战术通信网战场环境应用的补充。在边界上实施信息的单向安全隔离，以5G 的高速率、大容量、低时延、高安全特性，解决军事通信用户众多、网络规模庞大、交互信息海量、业务种类繁多、服务保障要求高的问题，构建态势感知、指挥决策、行动控制、综合保障和综合评估的全面综合性信息链路，更好的集合情报、侦察、监视、预警、通信、指挥、对抗等武器装备功能的一体，为遂行军事作战行动提供有力保障。

为解决5G全球覆盖和永远在线，满足全域作战、联合作战需求，可将卫星网络与5G基站升空、地基5G基站融合，实现天、空、地立体组网，构建全域覆盖、立体组网的战场5G网络[6]，应用于作战各个关键环节。通过构建宽带情报数据链路，实现战场环境的精确化获取、掌握、共享、处理；通过构建敏捷响应指控链路，支撑快速决策和精准控制；通过构建指控系统和武器平台之间的协同链路，可以为未来无人作战群、有/无人协同提供有效支撑，提升“发现即摧毁”效能；通过构建精准监管、快速调度、迅速配发能力的综合保障信息链路，支持战保一体化、持续远程保障；通过构建海量作战数据汇集和融合共享处理的通信传输链路，支持作战过程及效能的动态评估。作战指挥保障5G应用如图8所示。

图7 综合保障5G应用示意

图8 作战指挥保障5G应用示意

4 军事应用安全挑战

5G新技术、新架构、新能力将带动军事信息系统作战效能的大幅度提高，但挑战和机遇并存，新的技术应用也将引入新的安全风险，其泛在性、开放性、分散性和应用的多样化，均为军事应用带来安全风险问题。在万物互联的网络空间，任一武器装备都可能暴露在公共环境中而被敌方感知，一旦遭受攻击，都有可能带来致命损失。任何任务过程的安全事件发生，均会带来5G网络高性能应用福利的“一失万无”。如何防止军事信息被敌方窃取利用、防止武器装备和网络遭受敌方攻击，是5G军事化应用的首当其冲问题，要作为重中之重进行认真对待。

综合分析5G技术和应用的特点，前瞻预测5G军事化应用可能引入的安全挑战主要包括以下三个方面：

（1）新技术架构带来的安全风险

作为一下代创新性技术，5G无疑在原生安全性上更胜以往，在用户的数据完整性、漫游认证、信息保护等方面都有所增强。但5G在军事应用系统构建的异构特性，使军队指挥和作战用户在接入5G网络存在属性和防护程度要求的差异性，这将导致指挥和作战用户数据在异网域的穿越和散布。5G军事应用网络需要基于异构化网络架构构建通用的安全机制，按需制定隐私保护策略，实现异网用户安全保护。另一方面，网络软件化和网络切片部署方式，在增加5G军事应用网络部署灵活性的同时，对安全架构也提出了不同要求，以保证根据作战部队规模进行网络扩展时能及时启动增量安全功能满足安全功能延伸，并在作战部队规模收缩或战损重组时终止相关安全功能实现网络绿色节能。

（2）新业务及新应用带来的安全风险

5G将服务于军事应用的多个场景，网络开放性和不同应用场景业务差异性，需要差异化、防泄漏的隐私防护能力。未来，云计算、边缘计算、物联网、区块链等前沿技术引入到军队信息化建设领域，也将带来5G军事应用场景的多维度安全攻击危机。依据下一代军事网络的网络云化、资源虚拟化特点，做好5G接入、处理、控制“三朵云”的防护，同时针对不同的应用和服务，严控重要数据获取、传输、存储、处理的访问可见、可管、可控，并根据用户特性需要灵活设定隐私保护范围和强度，提供不同用户数据的差异化防护能力。

（3）网络泛在化带来的安全风险

5G开启的万物互联新时代，在军事应用各个场景下，综合保障连接的设备和作战指挥保障的用户成几何倍数增长，增加了对手的潜在攻击面，导致防护安全攻击的多维、多点特性难度加大。针对海量物联网应用特点，构建连接群组用户的入网认证机制，利用空口和NSA信令的加密和完整性保护，通过网络边缘认证节点分布式密钥分发认证机制，缓解网络中心的用户管理认证节点的信令爆发冲击压力和全网核心攻击瘫痪风险，实现用户数据的分域保护。

5G新技术架构需采用的新型安全机理机制，输出新型安全能力，以及这些安全新特性将改变传统的网络对抗方式。由于对 5G 提出的高速率、低时延、处理海量终端等要求，5G安全架构需要优化保护节点和密钥架构等方面。此外，5G 需要开发轻量级的密钥算法，使 5G 场景下海量的低成本、低处理能力的物联网设备能够进行安全通信[7]。

5 结语

面向未来战争需要，基于5G技术的多样化军事应用显得十分迫切，需要大力加强军事应用对新技术成果的需求牵引。本文结合当前5G典型应用场景及关键技术，坚持军事通信系统建设问题导向，按照军民融合战略要求，分析提出了5G军事应用需求，并详细阐明了基于5G的移动办公、战备执勤、应急保障、军事训练、综合保障、作战指挥保障六大多任务场景的军事应用构想，为后续深化开展5G技术创新，加快5G军事通信系统建设提供指导。