隨著5G技術開始商用，應及時開展5G軍事應用研究，充分利用5G技術和產業發展的最新成果，促進軍事通信能力的提升。通過梳理民用5G應用場景和5G關鍵技術，結合對軍事通信應用需求的分析，提出5G軍事化應用場景和相關關鍵技術，探索了5G軍事化應用的主要途徑。在此基礎上，提出了海軍5G軍事化應用的構想，為研究5G軍事化應用和推廣提供了研究方向。
引言
信息基礎設施建設是軍民融合深度發展的重點領域，當前5G發展如火如荼，三大運營商5G商業化應用已經開始，及時開展5G軍事應用研究，充分利用5G技術和產業發展的最新成果，推動軍用移動通信與國家通信基礎設施的同步協調發展，對落實國家軍民融合發展戰略、推動軍用移動通信能力躍升具有重要意義。
隨著海軍由近海防禦向近海防禦與遠海防衛結合的轉型，構建能夠提供良好傳輸質量、高效傳輸的海上信息傳輸體系已成為必然要求。傳統的海軍戰術通信系統主要依託短波、超短波、數據鏈等手段，系統較為複雜，擴展性不佳，信息傳輸能力難以滿足新型作戰應用的要求。
5G作為新一代移動通信系統，在傳統人與人通信的基礎上，將大量設備、終端接入網絡提供服務，實現「萬物互聯」，極有可能引發新的信息革命。按照軍民融合深度發展的戰略指導思想，亟需充分借鑑吸收5G的發展理念，將其關鍵技術和應用與海軍網絡信息體系建設相融合，儘早開展5G軍事應用研究，對創新發展海軍信息化作戰能力具有重要意義。
5G通信技術
1.1 5G應用場景
5G即第5代蜂窩移動通信技術，是2G、3G、4G系統之後的延伸。5G的性能目標是高數據速率、減少延遲、節省能源、降低成本、提高系統容量和大規模設備連接。目前，國際電信聯盟已經完成了5G願景研究[1]，第三代合作夥伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）在2016年啟動了5G標準研究工作，在2018年6月完成5G技術標準首個版本（Release 15）的制定，我國已於2019年6月進行了5G商用牌照的發放，三大運營商已經開始5G網絡商用。
5G不僅支持移動網際網路應用，更重要的是支持萬物互聯，支持高清視頻、車聯網、無人機、工業網際網路等行業應用，需支持異構網絡融合，具備高帶寬、高可靠、低時延、低功耗、大連接等不同特點。為此，3GPP定義了三種5G典型應用場景（如圖1所示）：增強移動寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、低功耗大連接（Massive Machine Type of Communication，mMTC）和高可靠低時延（Ultra-relaible and Low Latency Communication，uRLLC），並提出了各自場景下5G的應用模型和需達到的指標。
圖1 5G應用場景示意圖
增強移動寬帶場景主要提供更高的用戶體驗速率和更大的接入帶寬，滿足熱點高容量應用和移動網際網路需求，如8K高清視頻、虛擬實境/增強現實應用（VR/AR）。後兩類應用場景主要面向物聯網業務。
其中，低功耗大連接應用場景主要提供大規模、低成本、低能耗的物聯網設備高效接入能力，滿足傳感器網絡、可穿戴設備、智慧城市等應用需求；低時延高可靠場景主要提供高實時、高精度、高安全的設備間協作通信能力，滿足如無人駕駛、車聯網、智能工廠、智慧醫療等應用需求。5G各項關鍵能力指標較4G均有大幅提升。
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。
1.2 5G關鍵技術
為滿足不同應用場景下的差異化需求，產業界和學術界提出了全新的無線技術和組網技術[3-5]，為實現5G網絡能力提供了基礎。相關5G關鍵技術無疑具有重要的軍事化應用潛力，對軍事網絡信息系統建設具有重大借鑑意義。
1.2.1 無線技術類
（1）大規模多輸入多輸出技術（Massive MIMO）：在基站收發信機上採用超大規模天線陣列實現更大的無線數據流量和連接可靠性，綜合利用空域、時域、頻域提升頻譜效率和能量的利用效率。
（2）新型調製編碼技術：採用新型調製方式降低小區間幹擾，如頻率正交幅度調製（Frequency and Quadrature Amplitude Modulation，FQAM），採用新型編碼方式降低解碼複雜度與時延，如低密度奇偶校驗碼（Low Density Parity Check Code，LDPC）和極化碼（Polar Code）。
（3）非正交多址技術：通過多用戶信息的疊加傳輸，在相同的時頻資源上可以支持更多的用戶連接，可以有效滿足物聯網海量設備連接，簡化信令流程，大幅度降低空口傳輸時延。
（4）全頻譜利用技術：充分利用不同頻譜資源的電磁特性挖掘可用頻譜滿足廣覆蓋高速率和低延時等通信需求。
（5）靈活雙工技術：利用半雙工與全雙工的靈活切換機制，可實現時域和頻域的雙工資源動態分配，根據上下行業務變化情況動態分配上下行資源，有效提高系統資源利用率。
根據上下行業務變化情況動態分配上下行資源，有效提高系統資源利用率。
1.2.2 網絡技術類
（1）超密集異構組網技術：提高單位面積內的基站數量，增加網絡中的小區密度，從而提升頻譜效率和滿足熱點高容量場景中流量需求。
（2）軟體定義網絡（Software Defined Network，SDN）與網絡功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）技術：SDN技術分離路由轉發和控制功能，NFV技術利用軟體在通用基礎平臺上實現不同網元功能，大大降低網絡設備成本，將SDN技術和NFV技術進行組合，從而實現網絡層面從基礎設施到控制功能的靈活管理。
（3）自組織網絡技術：可實現多子網用戶隨遇接入，支持網絡部署階段的自規劃和自配置，網絡維護階段的自優化和自癒合。
（4）設備直聯D2D技術：通過建立設備與設備、設備與微型小型基站的網絡，降低設備與基站間的時延並減少設備功耗。
5G軍事化應用
2.1 軍事應用需求分析
軍用通信系統要充分吸收民用通信系統的先進技術和發展理念，必須著眼軍事通信系統的特點和應用要求，分析5G技術軍事應用的著力點和發展途徑。
軍事通信系統按照建設和運用模式區分，可分為有基礎設施的通信系統和無基礎設施的戰術通信系統，其主要特點如下：
（1）有基礎設施的通信系統：通常用於保障軍隊營區、機場、港口等固定軍事設施，其建設和運用與民用通信系統相似度較高，易於利用民用通信系統的技術和設備，但需要在網絡安全方面進行功能擴展或增強，滿足高安全性需求。
（2）戰術通信系統：通常用於保障軍隊作戰行動，受到作戰環境的影響，基本無基礎設施可利用，以短波、超短波、微波、衛星等無線通信為主，手段多且差異大，子網數量和接入方式多，網絡結構複雜；受到戰場環境影響，無線通信傳輸時延、誤碼率等指標抖動較大，通信質量不佳；各類通信節點機動性差異較大，隨作戰進程和作戰任務變化網絡動態變化劇烈；在對抗條件下，網絡極易遭到毀傷或受到幹擾，對抗毀抗擾要求高。
2.2 5G軍事化應用場景分析
5G技術的軍事化應用必須面向實際需求，通過對比分析5G民用應用場景和軍事應用場景，可以明確5G軍事化應用的切入點和技術需求，探索5G技術軍事化應用的具體途徑。
2.2.1 增強移動寬帶應用場景
在軍隊營區、軍用港口等固定軍事設施可依託基礎設施建設移動通信系統，利用SDN/NFV實現通信資源虛擬化，提供靈活可定製的網絡服務。此外，在戰術通信網絡中也可利用5G空口技術提高無線鏈路接入能力，並利用全頻譜接入、Massive MIMO、SDN/NFV等技術，實現廣域覆蓋的骨幹網或增強接入能力，實現各類異構通信網絡的融合組網，為機動用戶提供高質量的信息傳輸鏈路。
2.2.2 低功耗大連接應用場景
在軍事物聯網應用中，可依託固定基礎設施和各類傳感器，利用5G網絡實現軍事人員、武器裝備、保障物資的互聯互通，實現保障需求的實時精確感知、保障資源智能化指揮調度、保障行動的實時控制。
2.2.3 低時延高可靠應用場景
在對實時性要求很高的作戰場景下，通常需要使用數據鏈通信系統提供低時延、高可靠的戰術信息鏈路，保障各類高機動作戰平臺；未來無人作戰平臺也將大量應用於戰場，各類無人平臺間的智能感知、協同控制也可應用新型調製編碼、D2D、自組織網絡等相關關鍵技術，利用低時延高可靠5G網絡提供支撐。
綜合上述分析，5G軍事應用場景與相關技術需求如表1所示。
表1 5G軍事應用場景和技術需求
5G軍事化應用途徑
由於軍事需求的特殊性，不能簡單地將5G技術直接應用於軍事通信系統，必須根據應用場景、保障對象、保障模式的特點採用不同的應用途徑，具體主要有以下幾種。
3.1 軍民融合建設
針對有基礎設施依託的軍事通信系統，可以直接依託民用5G網絡，或應用5G相關技術、設備和產業資源，如數位化營區、軍事後勤、科研基地應用場景，實現5G軍事化應用快速實現。
3.2 5G關鍵技術直接應用
對於民用5G標準和關鍵技術已實現產品化，可直接應用於軍事的技術，應儘快吸收借鑑並應用於戰術通信系統，如新型調製編碼、SDN/NFV等；也可將5G的先進技術和理念引入其他軍用通信系統，實現能力提升；對於民用5G標準尚未確定或仍在研究中的關鍵技術，應分析其軍用價值並開展跟蹤研究。
3.3 5G軍事化應用增強和擴展
部分5G標準、技術和產品已經成熟，具有較高軍事應用價值，但還不能滿足軍事應用需求，應從政策層面推動相關軍用標準制定，面向軍事應用對相關關鍵技術進行定製和增強，培育相關產業鏈。對於民用5G尚未覆蓋的軍事需求，如5G軍用系統安全防護、抗幹擾技術等，應瞄準典型軍事應用需求展開科研攻關，實現功能擴展。
海軍5G軍事化應用構想
面向未來海軍參與聯合作戰，著眼以網絡信息體系為支撐的體系作戰，充分考慮上述軍事化應用需求和5G軍事化應用途徑，借鑑5G網絡和戰術通信系統的架構，可將5G技術應用於海空聯合作戰中的多種應用場景，構建覆蓋多種作戰要素的5G軍事通信網絡。
4.1 軍用港口和軍事後勤系統
基於5G的軍用港口和軍事後勤網絡如圖2所示。通過部署5G網絡和安全防護機制，在軍用港口、後勤基地部署各類傳感器和物聯網應用，將傳感器及傳感器網絡、物聯網服務平臺、應用系統安全地連接起來，構建統一的物聯網基礎服務和公共服務，實現後勤保障應用場景中人、裝、物及設施的聯網，支撐各類軍事後勤應用。同時，根據需要部署邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）設備，將部分服務和功能下沉至網絡邊緣，提高服務效率。
圖2 基於5G的軍用港口和軍事後勤網絡示意圖
4.2 海面大型作戰艦艇及艦艇編隊
在海軍大型作戰艦艇內部部署5G宏基站和室內分布系統，將艦上各類作戰人員、傳感器以及各類保障資源、設備、系統融合互聯，構建艦上高速信息網絡，支持偵察感知、智能綜合保障等高速寬帶應用，同時滿足指揮控制、偵察情報、火力打擊、綜合保障等業務需求，提高艦艇系統作戰效能。在艦艇編隊之間，也可利用5G空口技術實現高速信息傳輸鏈路，作為現有戰術無線通信手段的重要補充和加強。
4.3 空中作戰編隊
可通過在預警機或長航時空中平臺上部署5G節點，引入天線陣列、毫米波空口技術、非正交多址、新型多載波技術、先進調製編碼等5G關鍵技術，提供高可靠、低時延的實時戰術信息鏈路，相較數據鏈系統可大大提高網絡效能，滿足各類空中作戰平臺對高速信息傳輸、高動態隨機接入、高可靠低時延通信的需求。同時可接入艦上5G基站，實現海空戰術協同通信。綜合上述兩種應用場景，基於5G的海空聯合戰術通信網絡如圖3所示。
圖3 基於5G的海空聯合戰術通信網示意圖
4.4 機動式5G網絡
海軍陸戰隊在陸上作戰中，可利用機動式基站和中繼接入設備構建5G機動、邊緣拓展網絡，實現無基礎設施依託的局部高速通信能力，為指揮所、單兵、可穿戴設備或戰場傳感器提供寬帶接入網絡，構建滿足小範圍無線覆蓋的高安全小型邊緣專網。海軍陸戰隊陸上5G機動通信網如圖4所示。
圖4 陸上5G機動通信網示意圖
4.5 低軌衛星星座5G網絡
為解決5G全球覆蓋和永遠在線，已經有研究提出了一種衛星網絡與地面網絡融合的5G網絡架構[6]。為滿足海軍聯合作戰需求，構建立體覆蓋戰場的5G網絡，可在若干近地低軌道平面部署小型衛星星座，形成一體化衛星服務平臺，通過引入5G毫米波技術標準，利用多天線、新型多載波技術、先進調製編碼等關鍵技術，結合5G標準在工作頻段、組網方式、環境適應性、設備形態、體系架構等方面進行聯合設計，在海空戰場形成蜂窩狀服務小區，用戶可隨時接入系統，實現空、天、海立體組網。基於5G低軌衛星星座的海空天一體化網絡如圖5所示。
圖5 基於5G低軌衛星星座的海空天一體化網絡示意圖
結語
國際格局和國際體系正在深刻調整，我國國家安全和發展面臨更多挑戰，局部戰爭威脅日益增多。面向未來軍事需求，按照軍民融合發展的思路充分吸收民用通信技術和相關產業資源，是提高通信保障水平、促進網絡信息體系建設、提升我軍戰鬥力的有效方式。本文研究了５Ｇ應用場景和相關關鍵技術在軍事應用中的特點，提出了5G軍事化應用的主要途徑，並結合海軍軍事應用提出了海軍5G軍事化應用的網絡架構和應用場景，為5G技術軍事化應用的發展、體系設計、技術研發提供了研究方向。
免責聲明：本文轉自信息安全與通信保密雜誌社，原作者林麗娜、宋越明。文章內容系原作者個人觀點，本公眾號轉載僅為分享、傳達不同觀點，如有任何異議，歡迎聯繫我們！
轉自丨信息安全與通信保密雜誌社
作者丨林麗娜、宋越明
編輯丨翟麗影
研究所簡介
國際技術經濟研究所（IITE）成立於1985年11月，是隸屬於國務院發展研究中心的非營利性研究機構，主要職能是研究我國經濟、科技社會發展中的重大政策性、戰略性、前瞻性問題，跟蹤和分析世界科技、經濟發展態勢，為中央和有關部委提供決策諮詢服務。「全球技術地圖」為國際技術經濟研究所官方微信帳號，致力於向公眾傳遞前沿技術資訊和科技創新洞見。
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