移动通信发展历程及其在战术通信中的应用

徐庆飞, 沈 杰

(上海微波技术研究所, 上海 200331)

0 引言

移动通信是指通信双方至少有一方在移动环境下所进行的信息传输和交换，包括通信双方都在移动环境下的通信和移动物体与固定点之间的通信[1]。通信的主体不仅仅局限于人，也可以是汽车、飞机、火箭等处于移动状态的物体。在过去的半个世纪中，移动通信从最初的模拟制式，先后经历了数字蜂窝通信系统、移动多媒体通信系统、高速移动通信系统、智能通信系统。战术通信是移动通信技术在战术领域的一个典型应用，移动通信技术的发展也促进了战术通信网络的发展，逐步向自动化、无人化、网络化、智能化方向发展。本文详细阐述了移动通信的发展历程以及在战术通信中的应用，分析了移动通信技术与战术通信的未来发展趋势。

1 1G到6G移动通信技术

第一代移动通信技术兴起于20世纪80年代，如今第五代移动通信技术(5G)已经在全球多个国家(中国、美国、韩国等)开始商用，关于第六代移动通信技术的研究和标准指定工作也已经展开。本节详细介绍每一代移动通信系统的特点、所采用的寻址技术、传输速率以及网络架构。

1.1 第一代移动通信系统(1G)

第一代移动通信系统(1G)诞生于20世纪80年代的美国，采用的是模拟技术和频分多址(FDMA)技术，仅能支持语音业务(传输速率为2.4 kbit/s)，无法提供数据业务，业务类型单一，系统容量有限，且使用过程中信号不稳定，音质低，安全性差，容易被窃听和易受干扰。如表1所示，由于各个国家采用不同的制式、不同的频带和信道带宽，第一代移动通信系统不支持漫游，严格来说，仅仅是一个地区性的移动通信系统。

表1 第一代移动通信技术标准

1.2 第二代移动通信系统(2G)

第二代移动通信系统(2G)兴起于20世纪90年代，采用了数字通信方式，具有更高的网络容量，可以提供数字化的语音业务和低速数据业务(平均速率为几十kbit/s，峰值可达115 kbit/s)，还可以对数字信号进行加密，安全性更高。制式方式主要有时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)。著名的全球移动通信系统(Global System for Mobile Communications，GSM)采用时分多址方式，主要由移动台(Mobile Station，MS)、基站子系统(Base Station Subsystem，BSS)、核心网(CoreNet)组成。其中，移动台包括手机等用户使用的移动通信设备；基站子系统包括基站控制器(Base Station Controller，BSC)和基站收发信号台(Base Transceiver Station，BTS)，负责移动台和网络之间的无线连接；核心网包括移动业务交换中心(Mobile Switching Center，MSC)和一些数据库，负责完成MS的电话交换功能。网络结构如图1所示。一个GSM通信网络可以有多个MSC，一个MSC可以管理多个BSC，一个BSC可以管理多个BTS，一个BTS可以和多个MS通信。

图1 GSM系统组成

第二代移动通信替代第一代移动通信系统完成模拟技术向数字技术的转变，但由于第二代采用不同的制式，移动通信标准不统一，用户只能在同一制式覆盖的范围内进行漫游，因而无法进行全球漫游。由于第二代数字移动通信系统带宽有限，限制了数据业务的应用，也无法实现高速率的业务(如移动的多媒体业务)。

1.3 第三代移动通信系统(3G)

第三代移动通信系统(3G)出现于2000年初，采用码分多址(CDMA)寻址方式，与上一代移动通信系统的主要区别是在传输语音和数据的速度上的提升，能够支持不同的数据传输速度，在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2 Mbit/s、 384 kbit/s以及144 kbit/s的传输速度。有些3G系统会更新为3.5G 系统(如HSDPA)，此时可达下传14 Mbit/s、上传5.8 Mbit/s的速度，能够在全球范围内更好地实现无线漫游，并处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，它是将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的一代移动通信系统。

第三代移动通信系统采用的是基于UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)的网络架构，如图2所示。主要由用户设备UE(User Equipment)、无线接入网UTRAN(UMTS Terrest-rial Radio Access Network)和核心网CN(Core Network)组成。UTRAN由基站Node B和无线网络控制器RNC组成。Node B相当于GSM系统的BTS，RNC相当于GSM系统的BSC。核心网CN从逻辑上可分为电路交换域(CS)和分组交换域(PS)，可以通过MSC和GMSC连接传统的电话网，也可以通过GGSN和SGSN连接互联网。与上一代移动通信系统不同的是，3G可以支持多样化的应用，如视频电话、电话会议、微博等，开始了通信网络向信息网络的转变。

图2 基于UMTS的第三代移动通信系统架构

1.4 第四代移动通信系统(4G)

第四代移动通信系统(4G)诞生于2010年左右，以LTE为代表，并能够快速传输数据、高质量音频、视频和图像，理想环境下的极限传输速率可达300 Mbit/s。4G里主要部署的是TD-LTE和FDD-LTE，20M带宽下，TD-LTE的下载速度理论值是100 Mbit/s；在2×20 M带宽下，FDD-LTE可以达到150 Mbit/s的理论下载速度。LTE后续向LTE-A演进，引入了CA(载波聚合)，高阶MIMO、高阶QAM等技术，下载速度大大增加，理论最大下载速度可以在100 M带宽下达到3 Gbit/s的惊人速度，上行也可以达到1.5 Gbit/s的速度[2]。图3为第四代移动通信系统的网络架构，接入网和核心网分别为演进型通用陆面无线接入网(Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network， E-UTRAN)和演进型移动核心网(Evolved Packet Core，EPC)两个大的部分，与3G系统中的UTRAN和CN相对应但又存在着一定的差异。

图3 第四代移动通信系统(4G)网络架构

在E-UTRAN中，eNode B之间网格直连，底层采用IP传输，在逻辑上组建成一个Mesh网络，可以支持LTE-UE在整个网络内的移动性管理和无缝切换。每个eNode B和移动性管理实体/接入网关(Mobility Management Entity (MME)/Serving Gateway(S-GW))连接，一个eNode B也可以和多个MME/S-GW 互连。此外，E-UTRAN中不再含有3G网络架构中的RNC模块，而是集中在eNodeB中，使网络更加扁平化，降低了业务处理时延。

在EPC中，与CN的不同之处在于取消了通过MSC和GMSC到电话网的连接，网络全IP化，支持各类技术统一接入，实现了异构网络的融合，完成了通信网络向信息网络的转变。EPC通过MME(Mobility Management Entity)负责移动性管理、信令处理等功能，S-GW(Serving Gateway)负责媒体流处理及转发等功能，实现了业务面与控制面的完全分离。

1.5 第五代移动通信系统(5G)

早在4G系统开始应用不久便开始了第五代移动通信系统(5G)的讨论，近几年开始正式商用，主要由核心网和接入网两部分组成。原先的4G核心网EPC被拆分成5G核心网(new core, 5GC)和MEC(移动网络边缘计算平台)两部分。

5G核心网采用的是基于服务的架构(Service Based Architecture, SBA)，如图4所示。SBA架构基于云构架设计，借鉴了微服务的理念。把原来具有多个功能的整体，拆分为多个具有独自功能的个体,每个个体实现自己的微服务[3-4]。一个明显的外部表现就是网元数量增多。除了UPF之外都是控制面。网元看上去很多，实际上硬件都是在虚拟化平台里面虚拟出来的，容易扩容、缩容、升级、割接，相互之间不会造成太大影响。MEC负责为用户提供所需的服务和云端计算功能，5G网络接入的终端数量大、密度高，要求更大的带宽和更低的延迟，因此部署在靠近基站的地方，可以缩短网络延迟，增强网络实时性。

图4 5G核心网架构

图5 5G接入网架构

与4G的E-UTRAN相比，5G接入网有了很大的改进，不再由BBU、RRU、天线组成，而是被重构为3个功能实体：集中单元CU(Centralized Unit，负责处理非实时协议和服务)、分布单元DU(Distribute Unit，负责处理物理层协议和实时服务)和有源天线单元AAU(Active Antenna Unit，由基站物理层处理部分、射频单元以及无源天线组成)。在5G网络中，CU与DU分离部署，DU集中部署在基站附近，由CU统一调度，实现基带的共享，提高了资源利用率。CU运行在服务器上，经过SDN/NFV技术，支持网络切片和云化。5G网络的一个重要优势是网络切片，简单来说，就是把一张物理上的网络，按应用需求划分为多个逻辑网络。通过为不同的业务需求和通信场景创建不同的网络切片，使得网络可以根据不同的业务特征采用不同的网络架构和管理机制，从而保证通信场景中的性能需求。网络切片可以优化网络资源分配，实现最大成本效率，满足多元化要求。

1.6 第六代移动通信系统(6G)

第六代移动通信标准(6G)，目前还是一个概念性无线网络移动通信技术。它主要促进互联网的发展，是集成地面无线通信与卫星通信的全连接网络，完成海陆空天一体化，实现全球范围内无缝连接[5]。网络信号能够抵达任何一个偏远地区，可以让身处山区的病人能接受远程医疗，让孩子们能接受远程教育。6G的下载速度可以达到每秒1 TB，是5G网络的100倍，网络延迟会降到微秒级别。6G网络将会使用太赫兹(THz)频段和灵活的频谱共享技术以提高频谱利用率，且6G网络密集化程度将会更高(连接设备密度超过100个/m3)，覆盖面更广，真正做到网络无死角，信号全覆盖。6G还会引入可信机制，实现具有内生安全的网络。6G会增强IT(信息技术)+CT(通信技术)+DT(数据技术)的跨界融合，需结合人工智能、大数据、云计算、区块链与量子信息形成关键技术突破和能力储备，使设备具备通信、计算、导航、感知等多种能力[6-7]。目前具体应用方向还处在探索阶段，将来6G将会被用于空间通信、智能交互、触觉互联网、情感和触觉交流、多感官混合现实、机器间协同、全自动交通等场景。

2 发展变化与趋势分析

2.1 性能

1G主要解决语音通信问题。2G可支持窄带的分组数据通信，最高理论数据为236 kbit/s。3G在2G的基础上，发展了如图像、音乐、视频流的高宽带多媒体通信，并提高语音通话安全性，解决部分移动互联网相关网络及高速数据传输问题，最高下载理论数据为14 Mbit/s。4G是专为移动互联网设计的通信技术，从网速、容量、稳定性上相比之前的技术都有了跳跃式的提升，传输速率可达100 Mbit/s甚至更高。5G与4G相比，在容量方面，比4G实现单位面积移动数据流量增长1 000 倍；在传输速率方面，典型用户数据传输速率提高10～100倍，峰值传输速率可达10 Gbit/s，端到端时延缩短5倍。未来的6G所支持的业务类型会更多，传输速率更快，将达到1 Tbit/s。未来移动通信技术的传输速率必定会越来越高，延迟越来越低，所支持的数据业务类型也会更多样化。

2.2 频带

第三代合作计划3GPP已指定5G NR 支持的频段列表，指定了两大频率范围，如表2所示。目前3GPP已指定的5G NR频段，如表3所示。

表2 5G NR频谱范围

表3 FR1 (450～6 000 MHz)具体划分范围

可以看出，随着移动通信技术的发展，未来通信技术所使用的频带逐渐向更高频率的方向发展。移动通信频带频率越高，传播损耗越大，覆盖距离越近，覆盖增强和降低损耗必定是未来的发展趋势。5G技术主要是通过毫米波传输，6G网络将会采用太赫兹传输，多进多出(MIMO)波束赋形技术以及智能天线将会是未来移动通信的关键技术。

2.3 网络架构

2G到5G移动通信系统的架构基本保持了终端、核心网和接入网的组成方式。

终端在2G时基本上指的是手机，此时的终端仅能提供语音通话功能，在3G/4G时，手机的功能已经不仅仅局限于语音通话，可以用来浏览网页、接收邮件、刷微博等，而且这时的终端也不再专指手机，而是包括平板电脑、笔记本、车载电话等无线设备。在5G时，移动终端的范围还包括视频监控设备、不同类型(温度、高度、风速等)的传感器、天上的飞机、海里的轮船等。在未来的6G时代，终端的范围将更加广泛，一扇门、一个轮胎、一张桌子都可以是一个移动终端。由此可见，未来移动终端会变得种类多样、功能复杂，使用环境更广泛，涉及空、天、地、海洋等。

核心网在移动通信技术的发展过程中其功能和组成也发生了变化。在2G系统中，MSC是核心网的最主要设备，只能完成电路交换。在3G系统中，网线、光纤开始大量投入使用，设备的外部接口和内部通信都开始围绕IP地址和端口号进行，3G核心网在2G的基础上增加了服务GPRS支持节点SGSN(Server GPRS Support Node)和网关GPRS支持节点GGSN(Gateway GPRS Support Node)以支持数据业务。4G核心网去掉了3G核心网中用于电路交换的MSC，实现了全IP化，增加了MME，提高了对终端的移动性管理；此外，4G核心网实现了业务面与控制面的分离。5G核心网则采用了基于服务的架构，功能更加细化，网元数量更多(网元都是在虚拟化平台里面虚拟产生，并非真正的物理硬件)。5G核心网在控制面与数据面分离的基础上，数据面下沉本地数据流，控制面集中实现本地分流、灵活路由，进一步强化MEC的功能，还可以用一种特定方式处理控制面和用户面来实现特定类型的通信业务，网络切片更加简洁、灵活和高效。结合云技术，利用通用硬件平台实现软硬件解耦，使用SDN/NFV技术提供更自由的可编程能力。未来的移动通信系统核心网架构更加细化，可以提供按需服务，以用户为中心，按需生成网络，而且网随人动[8]。网络功能去中心化管理，支持独立的网元和服务的伸缩、演进和灵活的部署，实现端到端的微服务化网络。网络还将具有对行为、业务、意图的感知能力，达到智慧内生，根据用户业务需求配置网络资源，引入数据收集面和智能面，通过数据收集面对网络全域数据进行收集；智能面使这些数据按需调用，根据不同的场景提供不同的支持，实现网络自身演进。安全内生也是未来移动通信系统核心网的一个重要特点，通过实时监测，智能预判，减少受攻击的可能性。

表4 FR2 (24.25～52.6 GHz)具体划分范围

接入网在移动通信技术的发展过程中其功能和组成也发生了变化。基站作为接入网的主要组成部分，也发生了一定的变化。在2G、3G系统中，接入网仍有基站和控制单元组成，基站通常包括BBU(主要负责信号调制)、RRU(主要负责射频处理)、馈线(连接RRU和天线)、天线(主要负责线缆上导行波和空气中空间波之间的转换)。最初，基站为一体化，BBU和RRU放在机房内；后来，RRU被放到天线身边，所谓RRU拉远，也就是分布式基站，好处是大大缩短了RRU和天线之间馈线的长度，可以减少信号损耗。到4G时， BBU开始集中存放，变成了BBU基带池，实体基站变成了虚拟基站，便于统一管理和调度，资源调配也更加灵活。到了5G时代，接入网不再是由BBU、RRU、天线组成，而是被重构为CU、DU和AAU，且具有计算能力的MEC部署在基站附近，可以进一步降低时延。未来的接入网将会支持更多类型的终端接入，且基站功能将会虚拟化，实现无线资源“云”化，在“池”层面分配平台资源和无线网络资源，动态调整基带处理单元(BBU)，按需加载，实现面向服务的基站。

2.4 天线

在移动通信最早期的1G时代，基站使用的几乎是全向天线。当时的用户数量很少，传输的速率也比较低。到了2G时代，天线逐渐演变成了定向天线，比如天线覆盖角度为120°，一个小区会有3个扇区，演变为蜂窝通信。3G时代，智能天线诞生，单一的天线发展成多入多出(Multiple-Input Multiple-Output， MIMO)多天线技术。MIMO增加了天线个数，也就增加了信号传输的通道数量。通过传输分集把相同的内容通过不同的天线发送出去，可以缓解信道质量不稳定带来的性能下降，从而增强覆盖。4G时代，MIMO又发展空间复用模式，将要传送的数据分成几个数据流，然后在不同的天线上进行传输，从而提高系统的传输速率。到了5G时代，随着频率的增加，天线尺寸进一步缩小，天线数量进一步增加，MIMO就变成了大规模多进多出(Massive MIMO)，可以控制每一个天线单元发射或接收信号的相位和信号幅度，通过对多个天线单元进行调节，产生具有指向性的波束(波束赋型)，让能量向指定方向集中，不仅可以增强覆盖距离，还可以降低相邻波束间的干扰。未来的天线阵列数量更大，抗干扰能力更强，不仅可以提供水平维度的2D 波束赋型，还可以实现水平和垂直方向上的3D 波束赋型。

3 在战术通信系统中的应用

3.1 应用研究

第一代和第二代移动通信技术业务相对单一，且提高的功能也不够丰富，在战术通信中的应用较少。因此，本节重点介绍第三代至第五代移动通信技术在战术通信领域中的应用。

3G移动通信技术除了支持传统的话音业务外，还对业务进行分类以实现新的实时业务，如视频会议、实时图像显示等。当时战术通信系统在业务类型上仍以电话业务为主，数据通信业务虽然有一定的发展，但总体规模较小，只是在战略级和级别较高的战术级单位的系统中有所使用，图形、图像业务的使用更是少之又少。3G技术引入到战术通信中，极大地促进了数据通信的发展。战略网建设已经取得一定成效，在战术通信中，3G 技术提供了更高的无线接口速率和更灵活的用户速率，最大传输速率是电路交换和分组交换的3倍，可以满足战场环境下对系统容量和传输速率的要求。其次，3G网络的蜂窝结构提高了战术通信的距离，在战场中使用移动战术终端充当远距离基站的中继，延伸了网络覆盖范围。最后，由于战术通信网络的高机动性和抗毁性要求，在进行网络设计时可以借鉴无需预先设置的Ad Hoc网络，通过对协议栈进行改造，建立具有多层协议栈的无线分组网络，提高战术通信网络的安全性和高效性。美国海军研制的移动目标用户系统由5颗卫星和遍布全球的4个地面站组成。地面站负责对卫星进行测控、指令传输。移动用户目标系统(MUOS)卫星网络主要为移动作战部队提供类似民用手机的3G网络服务,极大地增强作战人员动中通的能力，包括增强的同步语音、视频和数据能力，能够在战时移动并在不对准卫星的情况下通信，美军士兵不论身处移动的车辆、潜艇还是飞机内，都可以自由通信。F-35战斗机上也使用了该系统。

LTE和WiMAX作为4G宽带无线通信系统标准，采用了大量的创新传输技术，例如OFDM和MIMO，传输性能相比3G技术得到了大幅度提升。同一时期的战术通信仍是以窄带、低速为主，且存在智能化水平低、业务能力不足等问题，与用户需求和信息战的要求还相差甚远。将4G移动通信中的先进技术通过适当改造后，应用到战术通信领域，可以改善当前战术通信系统的传输能力。正交频分复用技术OFDM通过子载波正交特性，极大地提高了频谱利用率，同时，降低了单独子载波的符号速率，具有抗多径特征。OFDM是一个优良的适用于宽带系统的传输技术，通过对子载波间隔进行调整，克服动中通时的多普勒效应，可应用在需求高速传输的战术通信系统中。MIMO属于多天线范畴，可以在不增加无线资源的情况下提高系统传输容量，在战术通信系统的收发端部署多天线，可以实现空间复用、空间分集和波束赋形等多种类型的传输模式。改造后的OFDM和MIMO技术可以使4G在战术通信中应用。美国LGS公司将OFDM技术和MiMO技术应用到军事通信中，研制出一种加固型便携式箱式4G网络设备，具有较高的频谱利用率和较广的覆盖范围，可在偏远地区自动建立4G网络，并能无缝接入大型网络。快速部署网络设备的接口能够连接卫星网络，如战术作战人员信息网。此外，快速部署网络的网状网络结构能够测量覆盖整个作战区域所需的快速部署网络设备的数量。快速部署网络设备解决方案意味着士兵和战术作战中心之间能够建立无缝话音、视频和数据通信链路，提高了指挥控制、态势感知和前方士兵的作战能力。当作战士兵的传统通信设备被摧毁或失效时，可利用智能电话、平板电脑和其他设备连接4G网络，发送和接收重要信息。美国海军在舰船上部署了基于4G LTE的无线广域网(WWAN)，该系统是一种加固LTE网络，可在海洋移动环境中运行，让海员和陆战队员能与覆盖区内使用安卓蜂窝电话的其他用户、附近的巡逻艇、舰船、无人机和直升机进行话音和数据通信。WWAN可提供大量所需的通信容量，同时释放了本地需求连接，而以前只能通过容量有限的卫星连接提供广域通信。例如，可接收直升机馈送视频，可在打击海盗行动中增强态势感知能力。

当前战术通信系统的目标是一体化联合作战，要求战场内人、车、武器末端等相互连接，能够适应瞬息万变的战场环境，战场资源可以灵活调度。而战术通信系统的接入节点种类多、接入方式多，终端机动性强，且容易受到毁伤或者干扰，统一接入和组网难度较大；且不同作战样式下业务类型也不尽相同，对通信的差异化服务要求较高。随着移动互联网业务的发展，单纯提供速率、扩大覆盖范围已经无法满足需求，5G应运而生。它既要解决底层异构网络的统一接入问题，又要保障上层不同应用的服务水平，同时要求支持节点的高速移动性和网络的快速重组，这与当前战术通信系统的发展要求相一致。目前，基于5G的战术通信网络架构主要有骨干网和接入网组成，采用分布式SDN控制与传统路由交换相结合策略，既能实现多用户的随遇接入以及多种传输手段的综合组网，又能实现通信资源的按需调度与灵活组合。联合战术无线电系统(JTRS)使用5G的统一接入技术和高低频融合技术，实现了多频多信道网络互联，在复杂的战场环境下不仅能做到相互之间兼容互通，而且还可通过其跨频段跨时空的横向和纵向网络为分布在广阔战区内不同地域的美国陆、海、空和海军陆战队提供远程超视距且安全可靠的语音、数据、图像和视频通信。2020年5月2日，美国国防部长批准了《国防部5G战略》。同年5月20日，美国国防部发布了公开版《5G战略》，包括5G面临的挑战、美国防部5G目标、美国防部5G 工作路线。这是美军方第一份公开发布的5G战略性指导文件，此战略将支持国家层面努力推进美国及其合作伙伴的5G能力，提高对5G带来的国家安全风险的认识，并提出保护5G技术和基础设施从而取得关键成果的方法。2020年12月15日，美国国防部发布《5G技术实施方案》报告，该报告作为《国防部5G战略》的附录，描述了国防部5G战略的实施细节。此外，报告还为《国防部5G战略》提供了路线图，以解决5G的技术、安全、标准、政策、应用与合作的问题。美国国防部国防创新委员会2021年4月3日发布的《5G生态系统：对美国国防部的风险与机遇》，旨在把5G网络整合到美国军事行动中的长期计划，该报告分析了 5G 的发展历程、目前的全球竞争态势以及 5G 技术对国防部的影响与挑战。

3.2 发展趋势

战术通信从最初的单一话音业务，到现在可以支持话音、图像、视频等多种业务，且能够根据业务类型提供相应的服务质量，这与移动通信技术的发展是密切相关的。目前，正在发展的战术通信系统以云架构为基础，能够提供多种态势信息，且具有较高的智能化、网络化程度，可以根据态势信息进行智能化决策，已经不再是单一的传输网，而是数据网、智能网。未来战术通信系统将会实现万物互联，全网态势共享，并具有极高的智能化，可以及时做出智能决策，实现全过程无人化，不再需要指挥员参与。

4 结论

移动通信技术经过几十年的发展，从最初仅能支持语音通话，到现在支持视频会议、高清图像等多媒体业务，从最初采用电路交换到如今支持全IP传输，未来智能化程度更高，网络架构更加扁平化、云化和智能化，同时具备内生安全能力，支持多种接入手段。战术通信的发展也从最初仅仅为指挥者做决策提供一些简单的战场信息，到后来可以多目标跟踪、辅助决策等，目前正在向基于云架构的智能化全军联合战术通信系统发展。移动通信技术为战术通信系统的发展提供了技术基础，战术通信系统的发展又促进了移动通信技术的革新。