海军5G军事化应用研究
发布时间：2020-11-22 20:20:56来源：全球技术地图
随着5G技术开始商用，应及时开展5G军事应用研究，充分利用5G技术和产业发展的最新成果，促进军事通信能力的提升。通过梳理民用5G应用场景和5G关键技术，结合对军事通信应用需求的分析，提出5G军事化应用场景和相关关键技术，探索了5G军事化应用的主要途径。在此基础上，提出了海军5G军事化应用的构想，为研究5G军事化应用和推广提供了研究方向。
引言
信息基础设施建设是军民融合深度发展的重点领域，当前5G发展如火如荼，三大运营商5G商业化应用已经开始，及时开展5G军事应用研究，充分利用5G技术和产业发展的最新成果，推动军用移动通信与国家通信基础设施的同步协调发展，对落实国家军民融合发展战略、推动军用移动通信能力跃升具有重要意义。
随着海军由近海防御向近海防御与远海防卫结合的转型，构建能够提供良好传输质量、高效传输的海上信息传输体系已成为必然要求。传统的海军战术通信系统主要依托短波、超短波、数据链等手段，系统较为复杂，扩展性不佳，信息传输能力难以满足新型作战应用的要求。
5G作为新一代移动通信系统，在传统人与人通信的基础上，将大量设备、终端接入网络提供服务，实现“万物互联”，极有可能引发新的信息革命。按照军民融合深度发展的战略指导思想，亟需充分借鉴吸收5G的发展理念，将其关键技术和应用与海军网络信息体系建设相融合，尽早开展5G军事应用研究，对创新发展海军信息化作战能力具有重要意义。
5G通信技术
1.1 5G应用场景
5G即第5代蜂窝移动通信技术，是2G、3G、4G系统之后的延伸。5G的性能目标是高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接。目前，国际电信联盟已经完成了5G愿景研究[1]，第三代合作伙伴计划（3rdGenerationPartnershipProject，3GPP）在2016年启动了5G标准研究工作，在2018年6月完成5G技术标准首个版本（Release15）的制定，我国已于2019年6月进行了5G商用牌照的发放，三大运营商已经开始5G网络商用。
5G不仅支持移动互联网应用，更重要的是支持万物互联，支持高清视频、车联网、无人机、工业互联网等行业应用，需支持异构网络融合，具备高带宽、高可靠、低时延、低功耗、大连接等不同特点。为此，3GPP定义了三种5G典型应用场景（如图1所示）：增强移动宽带（EnhancedMobileBroadband，eMBB）、低功耗大连接（MassiveMachineTypeofCommunication，mMTC）和高可靠低时延（Ultra-relaibleandLowLatencyCommunication，uRLLC），并提出了各自场景下5G的应用模型和需达到的指标。
图1 5G应用场景示意图
增强移动宽带场景主要提供更高的用户体验速率和更大的接入带宽，满足热点高容量应用和移动互联网需求，如8K高清视频、虚拟现实/增强现实应用（VR/AR）。后两类应用场景主要面向物联网业务。
其中，低功耗大连接应用场景主要提供大规模、低成本、低能耗的物联网设备高效接入能力，满足传感器网络、可穿戴设备、智慧城市等应用需求；低时延高可靠场景主要提供高实时、高精度、高安全的设备间协作通信能力，满足如无人驾驶、车联网、智能工厂、智慧医疗等应用需求。5G各项关键能力指标较4G均有大幅提升。
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。
为满足不同应用场景下的差异化需求，产业界和学术界提出了全新的无线技术和组网技术[3-5]，为实现5G网络能力提供了基础。相关5G关键技术无疑具有重要的军事化应用潜力，对军事网络信息系统建设具有重大借鉴意义。
1.2.1 无线技术类
（1）大规模多输入多输出技术（MassiveMIMO）：在基站收发信机上采用超大规模天线阵列实现更大的无线数据流量和连接可靠性，综合利用空域、时域、频域提升频谱效率和能量的利用效率。
（2）新型调制编码技术：采用新型调制方式降低小区间干扰，如频率正交幅度调制（FrequencyandQuadratureAmplitudeModulation，FQAM），采用新型编码方式降低译码复杂度与时延，如低密度奇偶校验码（LowDensityParityCheckCode，LDPC）和极化码（PolarCode）。
（3）非正交多址技术：通过多用户信息的叠加传输，在相同的时频资源上可以支持更多的用户连接，可以有效满足物联网海量设备连接，简化信令流程，大幅度降低空口传输时延。
（4）全频谱利用技术：充分利用不同频谱资源的电磁特性挖掘可用频谱满足广覆盖高速率和低延时等通信需求。
（5）灵活双工技术：利用半双工与全双工的灵活切换机制，可实现时域和频域的双工资源动态分配，根据上下行业务变化情况动态分配上下行资源，有效提高系统资源利用率。
根据上下行业务变化情况动态分配上下行资源，有效提高系统资源利用率。
1.2.2 网络技术类
（1）超密集异构组网技术：提高单位面积内的基站数量，增加网络中的小区密度，从而提升频谱效率和满足热点高容量场景中流量需求。
（2）软件定义网络（SoftwareDefinedNetwork，SDN）与网络功能虚拟化（NetworkFunctionsVirtualization，NFV）技术：SDN技术分离路由转发和控制功能，NFV技术利用软件在通用基础平台上实现不同网元功能，大大降低网络设备成本，将SDN技术和NFV技术进行组合，从而实现网络层面从基础设施到控制功能的灵活管理。
（3）自组织网络技术：可实现多子网用户随遇接入，支持网络部署阶段的自规划和自配置，网络维护阶段的自优化和自愈合。
（4）设备直联D2D技术：通过建立设备与设备、设备与微型小型基站的网络，降低设备与基站间的时延并减少设备功耗。
5G军事化应用
2.1 军事应用需求分析
军用通信系统要充分吸收民用通信系统的先进技术和发展理念，必须着眼军事通信系统的特点和应用要求，分析5G技术军事应用的着力点和发展途径。
军事通信系统按照建设和运用模式区分，可分为有基础设施的通信系统和无基础设施的战术通信系统，其主要特点如下：
（1）有基础设施的通信系统：通常用于保障军队营区、机场、港口等固定军事设施，其建设和运用与民用通信系统相似度较高，易于利用民用通信系统的技术和设备，但需要在网络安全方面进行功能扩展或增强，满足高安全性需求。
（2）战术通信系统：通常用于保障军队作战行动，受到作战环境的影响，基本无基础设施可利用，以短波、超短波、微波、卫星等无线通信为主，手段多且差异大，子网数量和接入方式多，网络结构复杂；受到战场环境影响，无线通信传输时延、误码率等指标抖动较大，通信质量不佳；各类通信节点机动性差异较大，随作战进程和作战任务变化网络动态变化剧烈；在对抗条件下，网络极易遭到毁伤或受到干扰，对抗毁抗扰要求高。
5G技术的军事化应用必须面向实际需求，通过对比分析5G民用应用场景和军事应用场景，可以明确5G军事化应用的切入点和技术需求，探索5G技术军事化应用的具体途径。
2.2.1增强移动宽带应用场景
在军队营区、军用港口等固定军事设施可依托基础设施建设移动通信系统，利用SDN/NFV实现通信资源虚拟化，提供灵活可定制的网络服务。此外，在战术通信网络中也可利用5G空口技术提高无线链路接入能力，并利用全频谱接入、MassiveMIMO、SDN/NFV等技术，实现广域覆盖的骨干网或增强接入能力，实现各类异构通信网络的融合组网，为机动用户提供高质量的信息传输链路。
2.2.2低功耗大连接应用场景
在军事物联网应用中，可依托固定基础设施和各类传感器，利用5G网络实现军事人员、武器装备、保障物资的互联互通，实现保障需求的实时精确感知、保障资源智能化指挥调度、保障行动的实时控制。
2.2.3低时延高可靠应用场景
在对实时性要求很高的作战场景下，通常需要使用数据链通信系统提供低时延、高可靠的战术信息链路，保障各类高机动作战平台；未来无人作战平台也将大量应用于战场，各类无人平台间的智能感知、协同控制也可应用新型调制编码、D2D、自组织网络等相关关键技术，利用低时延高可靠5G网络提供支撑。
综合上述分析，5G军事应用场景与相关技术需求如表1所示。
表1 5G军事应用场景和技术需求
5G军事化应用途径
由于军事需求的特殊性，不能简单地将5G技术直接应用于军事通信系统，必须根据应用场景、保障对象、保障模式的特点采用不同的应用途径，具体主要有以下几种。
3.1军民融合建设
针对有基础设施依托的军事通信系统，可以直接依托民用5G网络，或应用5G相关技术、设备和产业资源，如数字化营区、军事后勤、科研基地应用场景，实现5G军事化应用快速实现。
3.25G关键技术直接应用
对于民用5G标准和关键技术已实现产品化，可直接应用于军事的技术，应尽快吸收借鉴并应用于战术通信系统，如新型调制编码、SDN/NFV等；也可将5G的先进技术和理念引入其他军用通信系统，实现能力提升；对于民用5G标准尚未确定或仍在研究中的关键技术，应分析其军用价值并开展跟踪研究。
3.35G军事化应用增强和扩展
部分5G标准、技术和产品已经成熟，具有较高军事应用价值，但还不能满足军事应用需求，应从政策层面推动相关军用标准制定，面向军事应用对相关关键技术进行定制和增强，培育相关产业链。对于民用5G尚未覆盖的军事需求，如5G军用系统安全防护、抗干扰技术等，应瞄准典型军事应用需求展开科研攻关，实现功能扩展。
海军5G军事化应用构想
面向未来海军参与联合作战，着眼以网络信息体系为支撑的体系作战，充分考虑上述军事化应用需求和5G军事化应用途径，借鉴5G网络和战术通信系统的架构，可将5G技术应用于海空联合作战中的多种应用场景，构建覆盖多种作战要素的5G军事通信网络。
4.1军用港口和军事后勤系统
基于5G的军用港口和军事后勤网络如图2所示。通过部署5G网络和安全防护机制，在军用港口、后勤基地部署各类传感器和物联网应用，将传感器及传感器网络、物联网服务平台、应用系统安全地连接起来，构建统一的物联网基础服务和公共服务，实现后勤保障应用场景中人、装、物及设施的联网，支撑各类军事后勤应用。同时，根据需要部署边缘计算（MobileEdgeComputing，MEC）设备，将部分服务和功能下沉至网络边缘，提高服务效率。
图2 基于5G的军用港口和军事后勤网络示意图
4.2海面大型作战舰艇及舰艇编队
在海军大型作战舰艇内部部署5G宏基站和室内分布系统，将舰上各类作战人员、传感器以及各类保障资源、设备、系统融合互联，构建舰上高速信息网络，支持侦察感知、智能综合保障等高速宽带应用，同时满足指挥控制、侦察情报、火力打击、综合保障等业务需求，提高舰艇系统作战效能。在舰艇编队之间，也可利用5G空口技术实现高速信息传输链路，作为现有战术无线通信手段的重要补充和加强。
4.3空中作战编队
可通过在预警机或长航时空中平台上部署5G节点，引入天线阵列、毫米波空口技术、非正交多址、新型多载波技术、先进调制编码等5G关键技术，提供高可靠、低时延的实时战术信息链路，相较数据链系统可大大提高网络效能，满足各类空中作战平台对高速信息传输、高动态随机接入、高可靠低时延通信的需求。同时可接入舰上5G基站，实现海空战术协同通信。综合上述两种应用场景，基于5G的海空联合战术通信网络如图3所示。
图3 基于5G的海空联合战术通信网示意图
4.4机动式5G网络
海军陆战队在陆上作战中，可利用机动式基站和中继接入设备构建5G机动、边缘拓展网络，实现无基础设施依托的局部高速通信能力，为指挥所、单兵、可穿戴设备或战场传感器提供宽带接入网络，构建满足小范围无线覆盖的高安全小型边缘专网。海军陆战队陆上5G机动通信网如图4所示。
图4 陆上5G机动通信网示意图
4.5低轨卫星星座5G网络
为解决5G全球覆盖和永远在线，已经有研究提出了一种卫星网络与地面网络融合的5G网络架构[6]。为满足海军联合作战需求，构建立体覆盖战场的5G网络，可在若干近地低轨道平面部署小型卫星星座，形成一体化卫星服务平台，通过引入5G毫米波技术标准，利用多天线、新型多载波技术、先进调制编码等关键技术，结合5G标准在工作频段、组网方式、环境适应性、设备形态、体系架构等方面进行联合设计，在海空战场形成蜂窝状服务小区，用户可随时接入系统，实现空、天、海立体组网。基于5G低轨卫星星座的海空天一体化网络如图5所示。
图5 基于5G低轨卫星星座的海空天一体化网络示意图
结语
国际格局和国际体系正在深刻调整，我国国家安全和发展面临更多挑战，局部战争威胁日益增多。面向未来军事需求，按照军民融合发展的思路充分吸收民用通信技术和相关产业资源，是提高通信保障水平、促进网络信息体系建设、提升我军战斗力的有效方式。本文研究了５Ｇ应用场景和相关关键技术在军事应用中的特点，提出了5G军事化应用的主要途径，并结合海军军事应用提出了海军5G军事化应用的网络架构和应用场景，为5G技术军事化应用的发展、体系设计、技术研发提供了研究方向。
免责声明：本文转自信息安全与通信保密杂志社，原作者林丽娜、宋越明。文章内容系原作者个人观点，本公众号转载仅为分享、传达不同观点，如有任何异议，欢迎联系我们！
转自丨信息安全与通信保密杂志社
作者丨林丽娜、宋越明
编辑丨翟丽影
研究所简介
国际技术经济研究所（IITE）成立于1985年11月，是隶属于国务院发展研究中心的非营利性研究机构，主要职能是研究我国经济、科技社会发展中的重大政策性、战略性、前瞻性问题，跟踪和分析世界科技、经济发展态势，为中央和有关部委提供决策咨询服务。“全球技术地图”为国际技术经济研究所官方微信账号，致力于向公众传递前沿技术资讯和科技创新洞见。
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