5G军事应用分析及设备研制

摘  要：本文介绍了无线宽带军事应用的现状和遇到的问题。根据遇到的问题和第五代移动通信技术（5G）的相关特点，分析5G军事应用，重点分析了相关的应用场景。在分析的基础上，提出了5G军事应用的设备研制方案。

关键词：5G;军事应用;应用分析;5G设备;

基于LTE的4G移动通信技术军事化应用已经成熟，但是随着应用的深入，现有技术无法满足新的军事应用需求。移动通信技术高速发展，已经由4G网络迈向更高带宽、更小时延、更大容量的5G网络。本文讨论了5G移动通信技术对新的军事化应用需求的满足，并进一步分析5G军事化应用场景，提出5G设备研制的初步方案。

1.现状和应用需求

1.1无线宽带应用现状

现役无线宽带4G网络的应用有两种方式：一种是有中心应用，以基站为中心，形成对各个终端的覆盖;另外一种是无中心应用，当终端脱离基站时，可以进行脱网自组网，形成局部子網应用。现役4G网络在军事应用中已经发挥了重要的作用。在实际应用中，4G网络的快速灵活部署和高带宽提升了军事网络水平：一方面无线宽带网络不需要像光纤等通信手段依靠固定设施;另一方面无线宽带具备较高带宽，可以传输更多的数据和信息，可以提升军事作战效能。

1.2 新的应用需求

我国地域辽阔，南北气象、地理环境各不相同。当无线通信设备处于复杂的地理环境下，无法找到合理的部署节点，为终端提供接入服务，从而影响通信效能。因此，随着无人机等技术的发展，通过使用升空基站、升空中继扩展现役4G网络的覆盖范围和通信效能的需求日益强烈。

将升空基站搭载于多旋翼无人机，进行升空。由无人机对复杂地形中的终端进行覆盖增强，无人机的数据过专用链路回传到基站，最终回传到数据中心。典型的地理环境主要有：峡谷，高山、密林、跨江、沼泽等。

基于升空，可以开展多种作战应用场景，包括前突作战、登岛作战、多单位协同作战、蜂群作战、多立体广域作战等一系列场景。

前突作战：

基站搭载车辆驻停在交火区域以外，无人机搭载升空基站升空，与前突作战单元伴随飞行，并为地面作战终端提供无线接入服务。实现将前方作战的态势信息实时回传至后方的信息中心，由信息中心向前突作战单元下达作战指令，实现压制、消灭敌方力量及设施。

登岛作战：

在执行登岛作战任务时，无人机搭载升空基站升空，为登岛作战的终端车提供接入服务，同时升空基站和机载中心站（加装于直升机）构建自组网通道，并通过卫星链路实现数据回传至后方信息中心。信息中心能根据现场采集到的态势信息，及时部署和调整兵力部署。

多单位协同作战：

无人机搭载升空基站升空后，与地面装配基站的车辆保持一定距离的伴随飞行，为地面多个单位提供宽带接入服务，实现数据信息和态势共享，便于各单位之间协同。

蜂群作战：

利用无人机蜂群执行作战任务同样也是美军无人机应用研究的重点之一，选择大型无人机加装升空基站，小型无人机加装升空中继协同工作形成蜂群，并作为覆盖范围更广的空中通信中继平台为地面部队提供通信中继服务，不同的无人机配备不同的载荷如光电、雷达、成像传感器、武器平台等，相互配合形成较为完备的作战能力体系，执行复杂的察打一体化军事作战任务。

多立体广域作战：

多架无人机搭载升空基站升空飞行，构建多个空中通信节点，实现覆盖广、高机动、组网灵活、网络立体化覆盖等特点，可为地面终端提供立体式无线宽带接入服务，实现多跳广域立体覆盖网络。

战场孪生：

升空基站具有带宽大，支持用户数多的特点。终端用户通过大量的摄像头、传感器、热成像仪等将作战区域的数据进行采集，并接入部署的升空基站，将战场采集到的数据实时回传，为信息中心构建虚拟孪生战场，重构态势数据。

边缘计算：

无人机搭载升空基站，与地面终端车和单兵伴随飞行，提供无线宽带接入服务。形成分布式中心节点，并与地面中心站构建节点，快速响应作战力量业务需求。

升空中继：

升空中继具有产品重量轻，能较好适装性，支持多种无人机平台安装;解决因外部环境造成的跨越遮挡，提升通信性能;满足超远距离的中继通信功能。

1.3 现役4G网络存在的问题

通信容量受限：现役4G接入网络的传输速率为100Mbps左右，无法满足日益增长的传输带宽需求和网络规模的要求;

无小型化产品：现役4G网络滤波器和功放体积和重量相对较大，较难满足小型化无人平台的轻量化要求。

2.应用分析

2.1 5G网络的特点

第五代移动通信系统（5G）是新一代宽带无线移动通信系统，能极大增强无线通信能力，并正在与人工智能、大数据等信息技术紧密融合，以“5G+”的形式与工业、交通、医疗、金融、建筑等垂直领域相结合，催生“改变社会”的新移动互联模式。5G不仅在国民经济与社会发展中扮演着关键角色，还对军事安全至关重要。

与以往移动通信系统相比 ，5G是一种技术和运用上的革命性变革，各项关键能力指标相比4 G均有大幅提升，5G和4G网络的性能对比如下图所示。

从图中可以看出，相对于4G网络，5G网络用户体验速率提升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，连接数密度提升10倍，时延缩短到之前的1/10，频谱效率提升3倍，移动性提高近1倍。

2.1 5G网络军事化应用现状

2018年12月，美国际战略研究中心发布《5G技术将重塑创新与安全环境》报告。在报告中，将当前的国际5G通信竞争由技术层次上升至国家级战略层次，认为其关系国家安全。美多个部门密集发布5G相关研究报告，将我国列为主要竞争对象，并明确美军5G发展实施方案，已累计投入6亿美元用于开展运用测试验证，21年计划投入14.92亿美元，用于5G军事应用相关建设。

2019 年 6月，美国国防部国防科学委员会也发布《5G网络技术的国防应用》报告，认为5G最大的应用潜力在于对未来战争或军事网络的潜在影响，并对5G国防应用前景及潜在风险进行了评估。该报告认为，5G网络技术在国防领域具有巨大应用前景：其大容量、高速率、低功耗、低延时等优势可强化美国国防部当前任务能力，并实现能力创新，网络功能虚拟化、安全增强、新型无线电技术能满足多样化的应用场景和通信需求。

我过的十四五规划中，将5G技术军事化应用作为一个重要的部分，将大量投入人力物力，以共同探索5G网络以及云计算等技术在军事化领域的应用。

2.2 5G军事化应用分析

5G网络具备高速率、大容量、低时延、广连接等特点，具备与现役无线宽带通信系统形成融合互补的能力，5G信息系统可在不改变现役军用通信系统架构的情况下，增强无线宽带系统能力，也可作为一种新型无线宽带传输链路使用，提升无线宽带传输速率和容量，作为现役网络的补充。

5G采用毫米波或者Sub6频段进行通信，配合多天线MIMO技术，可以降低功放、天线等尺寸，同时提升抗干扰能力。相对于现役的4G无线宽带网络，更适合升空使用。

5G网络可以提升覆盖范围内的吞吐量，降低时延，形成覆盖范围内的战场感知、通信指挥和武器平台控制一体化系统应用（如下图所示）。

基于5G网络，可以构建基于5G的无人化作战体系，在空中构建覆盖区域，形成无人作战覆盖和回传的一体化网络。

在5G无线宽带通信链路具备的基础上，与分布式云平台、边缘计算平台、异构网络融合、软件定义网络、网络切片算等技术构建新一代通信应用服务系统。

2.3 设备研制

根据5G的应用需求，开展5G设备的研制工作。5G设备的研制范围如下图所示。

机固一体核心网采用高性能服务器，并做相应的军事化改造。可以部署于固定站点，也可以部署于机动通信节点;机固一体核心网主要针对大量用户接入需求。

背负基站作为背负使用，可以满足小范围内的覆盖要求;背负基站由可以部署轻量化核心网的边缘计算模组、高集成5G模组和功放组成（如下图）。升空基站满足相关的升空应用场景，升空基站与背负基站的内部架构基本相同，只是外部形态上改为适应升空安装的形态;

分体基站：主要适配通信节点车，作为地面覆盖的基站类设备;可以外接车载形态的RRU或者AAU，也可以通过系留的方式连接升空RRU，以提升覆盖范围;分体基站由可以部署轻量化核心网的边缘计算模组和基站模组组成。

终端：终端包括车载、背负、CPE和数据卡形态，均由终端模组匹配不同的功放，根据不同使用的场景，形成不同的设备形态。

根据实际使用的场景，匹配不同的定向或者全向天线，其中适用于无人机装配时，一般选用刀片天线。

2.4 模组设计

5G设备的研制，关键在于几个通用化模组的设计。模组包括边缘计算模组、基站高集成模组、基站模组和终端模组，其中终端模组直接选用民用模组做军事化改造使用。以下分别介绍边缘计算模组、基站高集成模组、基站模组的设计方案。

轻量化边缘计算模组主要包含1片通用处理器及附属硬盘和DDR、智能控制模块、健康管理模块、时钟处理模块和电源模块等。通用处理器主要实现5G核心网功能。智能控制主要实现无人机自主智能控制。健康管理模块主要实现机箱健康管理（CHMC）功能。

5G基站基带模组主要包含通用处理器、基带处理单元、MCU健康管理模块、时钟处理模块和电源。其中，通用处理器和基带处理单元为基带模组的核心模块，共同实现5G中的L1、L2、L3协议及各种关键算法，并提供操作维护管理。

5G基站高集成基带模组，是在5G基站基带模组的基础上，进一步集成了射频收发单元，实现了5G CU（集中单元）+DU（分布单元）+RF（射频单元）的高度集成。对上提供回传接口到5G核心网，对下为射频口直接连接天线或外接功放进一步放大。同时，为了考虑板卡的尺寸和功耗，在保证单扇区和100M带宽基本资源需求下，选用了较低功耗的数字基带芯片，相对于分體基站，使用场景更加灵活方便。

5G基站高集成模组主要包含通用处理器、基带处理单元、射频收发单元、MCU健康管理模块、时钟处理模块和电源。高集成模组方案在合并边缘计算模组和基带模组功能的基础上，进一步集成了射频收发单元，实现了协议-基带-射频的一体化设计，可用于小型化、低功耗微站场景布设。

3 总结

本文介绍了当前4G网络的军事化应用情况和遇到的问题，分析了新的军事化应用需求。在分析需求的基础上，探索5G技术的军事化应用，并给出了5G军事化应用的设备框架和对应的设备研制方案。

参考文献：

[1] 方芳. 5G军事应用前景分析. 2021年 .

[2] 王鹏.5G通讯技术的军事应用，2019年 .

作者简介：

郝慧峰，1984年1月，男，籍贯：内蒙古鄂尔多斯市，汉族，博士，工程师，研究方向：无线宽带通信系统、5G专网通信。