浅谈5G的军事应用（一）

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作者：秦中南、龙坤，国防科技大学

导读

近些年来，世界很多国家正在积极推进5G的应用。全世界5G基站的数量持续增长，5G应用层出不穷，享受5G服务的用户也越来越多，5G正在越来越多地影响和改变着人们的生活方式。与此同时，5G在军事领域的应用也在逐渐拉开帷幕。本文是《浅谈5G的军事应用》系列的第一篇文章，主要介绍5G在军事通信和军用无人作战平台的应用前景，供感兴趣的读者参考。

图1：美军网络中心战及未来士兵概念图

一、军事通信

军用通信系统在现代化战争中占据着重要地位，发挥着不可替代的作用。在以计算机和网络集中为核心的现代战争中，军事通信技术需要高效、稳定、可靠地分配、共享和指挥信息，同时把战场的不同平台连接到一个战斗网系统中，进而保证其正常运行；在实际的战斗过程中，每个单元需要通过使用无线通信技术进行必要的信息交换，实时监视运行情况，并灵活地改变运行计划。未来的智能化战争对战场通信的要求将会更高，主要体现在通信传播、通信保密以及能耗问题三个方面。

通信传播主要包括战斗期间的语音传输、图像传输和视频传输。在军队行进时，部队之间的通信要求是不断变化的，这就需要军事通信技术能够及时和有效地将信息快速交互。目前，4GLTE的最高频带约为2000MHz，它的可用频谱带宽是只有100MHz。而基于毫米波的5G通信带宽可以增大到10倍，延迟可以精确到毫秒级，从而能够保证其传输速度更快，战场通信的迅速高效性得以实现。通信保密指为了实现最佳的以网络为中心的操作，必须保证信息在士兵之间有效地传递，同时保持较低的被侦察和拦截率。目前，军用和民用移动通信系统由于缺乏频带资源而经常出现重复使用和相互干扰的问题。5G通信技术不仅能充分利用现有的通信资源，还能扩展到毫米波波段，使用军用的独特频段传输信息可以提高军事通信的安全性。另外，士兵之间的通信依赖于佩戴或携带的无线通信设备，而传统的网络数据传输会消耗大量的能量。5G 通信技术可以明显降低数据传输过程中的能耗，提高数据传输速度，提高无线通信设备的电池使用效 率，进而保证战场士兵的传输效率。

图2：美军宽带自组网单兵电台

除此之外，5G还将在以下几个方面影响军事通信的性能：

（1）增强的通信宽带提高了军事通信网络的稳定性。通过使用移动 5G 网络实现移动宽带增强。在当前的移动4G网络中，湍流带宽为20MHz。在这种情况下，遇到沙漠，海洋，地下等空间明显增加了信号中断和网络连接故障的可能性。在移动5G网络中，系统带宽超过100-200 MHz，因此具有更广泛的辐射和覆盖范围，更好地满足高速移动互联网接入的需求，同时可以提供稳定的军事活动。移动网络服务可以避免在恶劣条件下出现不平稳或混乱，如军事指挥混乱、军事通信混乱等。

（2）海量的机器间通信能够提高军事通信网络的运行效能。大规模的机器对机器通信具有低功耗、大规模连接和小数据分组的特性。支持的终端系统数量的增加，能够具有更广泛的覆盖范围，而且能够进一步拓展其在大型网络连接中的应用，并且提高物联网的质量，充分发挥其运作速度优势。5G网络在军事领域得到良好应用，能够打通人与机器的通信交流障碍，可以使用高速宽带将人类命令转化为行动，军事活动的速度和质量将会进一步提高。

（3）超高可靠和超低时延能够提高军事通信网络的信号质量。此外，移动5G网络在军事通信网络中还具有高可靠性和低延迟性的优点，所以它能够在军事网络等特殊领域得到应用和推广。目前，随着军事领域信息技术高科技的引入和使用，对于互联网的要求也越来越高。不仅要保证互联网网络的可靠性，而且还要尽可能的降低其延迟，来保证互联网网络能够快速、准确的处理大量数据，5G的引入必将大大提高这方面的能力。

图3：陆海空联动的5G军事通信网络

二、军用无人作战平台

（一）无人车

在战场上，地面无人车可以代替人类完成高危、繁重的工作，如侦察、扫雷、工程建设等，从而减少士兵伤亡。同时，无人车也可以运输军用物资，提高军队作战效率，是未来作战系统中重要的组成部分。各国很早就开始了无人车的研究，2004年，美国国防高级研究计划局（DARPA）就发起了名为“DARPA Grand Challenge”的沙漠无人车竞赛，旨在推进无人车在军事领域方面的应用；以色列也是军用无人车开发和应用的先驱者，其研制的多用途无人车“守护者”可对军事基地、重要管线、边境线等执行巡逻任务；俄罗斯在2015年也推出了三款新型乌兰系列无人车；英、 法、德等也在积极发展多款地面无人车。无人车系统通过不同的输入，如传感器、摄像机等传输的数据做出决策，从而进一步采取适当的行动。无人车的性能则取决于诸多因素，包括处理速度、能耗、电池寿命和运行时间等，5G通信技术将使得无人车在这些方面有显著的提升。

图4：美国海军陆战队“角斗士”无人车

首先，低延时的通信技术将极大提高无人车的处理速度。当士兵使用触觉或力传感器来维持对机器人运动的控制时，要求达到毫秒级的延迟。一些视觉反馈的场景则需要达到10毫秒的往返延迟，这样的响应时间意味着对高带宽的需求。虽然WiFi和4G也能进行传输，但各有其缺陷。WiFi不支持快速切换，在WiFi 热点覆盖范围出入的无人车可能会受到不同程度的损坏，比如发生应用程序重启，需要时间重新建立连接。虽然可以通过让无人车同时接收更多WiFi通道来解决切换问题，但随之而来的是成本的增加和复杂性的提高。而4G虽然能较好地控制干扰和切换， 但其带宽和频谱有限，无法很好地满足无人车的需求。而5G通信技术具有大容量和低延迟的特点，它将LTE接入与新的空中接口结合在一起，提供更广的覆盖范围、更大的带宽以及毫秒级的延迟，能够更好地满足无人车在战场上的通信需求。

其次，5G通信技术的应用也将降低无人车的能耗，延长其电池寿命。一些战场无人车是士兵通过远程控制器进行操控的，远程控制器是一个固定的基站，接收来自无人车的数据，进行数据处理，做出决策，再把决策传递给无人车。在这个过程中，数据传输（通常使用WiFi或蜂窝网络）和控制器都会对无人车的能耗产生影响。相比之下，使用5G通信技术的无人车能耗最低，决策速度最快。比如，传递4K画质的图像时，比起4G网络，5G比其少消耗约41焦耳的能量，但决策速度却快了约1.7秒。

最后，5G网络对无人车实现完全自主导航也将起到关键作用。无人车要在路况复杂的战场上自主完成任务，需要依赖其系统中的智能导航系统通过车身上的传感器和摄像头采集周围环境的图像进行建图，从而规划行车路线。与传统的导航系统相比，智能导航系统所建立的地图包含更多的信息，除了道路形状、通行方向、车道等信息，还包含障碍物的类别，道路标志识别等。在行进过程中，无人车之间还能通过车载通信设备实时通信，以控制方向盘，调整速度，避免碰撞，实现任务之间的相互配合。这些功能都必须依靠5G网络的超大带宽和超低延时特点得以实现。

（二）无人机

无人机作为新一代无人化装备，因其隐蔽、灵活、成本低、适用多种作战环境的特性，已经广泛应用于情报侦察、跟踪定位、战场搜救、中继通信、军事打击、信息对抗、战斗训练等军事领域，成为现代战争的一支重要空中力量，发展前景十分广阔。军用无人机快速扩展的应用场景也对空中/空地通信能力提出了更高要求，特别是其应用常与搜索、侦察、监测相关，这意味着需要传输海量视频数据。现有4G/LTE 网络虽然能用于部分时延容忍度高的无人机应用场景，但下行干扰、邻区干扰等问题使其数据传输速率难以满足未来无人机日益多样化的自主飞行需求。而5G将能有效应对无人机的高可靠低时延需求，赋能无人机发展，从而推进空中作战平台的革新。可以说，5G对军用无人机具有重大战略意义，将在较大程度上改变未来的空中作战形态。

对于军用无人机而言，通信系统的加密一直是关键技术之一，直接关系到作战成败。2009年美军在伊拉克的行动中，其无人机信号遭到伊拉克方截获，使得他们能够及时撤离，美军多次军事行动落空。2016年的旧金山RSA信息安全大会上，安全研究专家尼尔斯·罗德（Nils Rodday）宣布已经开发出高端专用无人机的远程劫持技术，他发现荷兰警方使用的无人机与飞行控制模块的通信数据并未得到加密，因此能够通过无人机的无线连接系统漏洞，获取无人机飞行控制系统的控制权，甚至能让无人机直接坠毁。无人机的安全问题正受到军方的日益重视。2017年12月，通信公司Viasat宣布与美国空军合作，完成“迷你加密”项目的生产准备审查，该项目可实现军用无人系统的敏感数据通信加密。然而通信系统的加密将对数据的传输速率产生影响，导致通信延迟。上述尼尔斯·罗德发现的无人机漏洞便是遥测模块芯片为了减少指令延时而取消了加密功能所致。因此安全性与通信效率之间的矛盾也一直是亟待解决的问题之一。5G通信网络由于其出色的数据传输速率表现，能够在保证通信效率的前提下，进行更高级别的数据加密。前美国国防部首席信息官特里·哈沃森在2017年的一次采访中表示，5G技术实现了高速率和低延时，由于拥有了更高的 带宽，所以能使用更高级别的加密技术而不会影响连接速度。5G通信技术将提高军用信息传输的保密性，增强战场的信息保护和信息对抗能力。

图5：美军全球鹰无人机

5G能够加速空中作战平台智能化转变，推动无人机集群作战。目前，武器装备的智能化改造和军队的智能化建设已成为趋势，在此过程中，5G通信技术将扮演“催化剂” 的角色。这一赋能作用的原因在于随着计算重心从云端向边缘漂移，人工智能的推理与执行也开始向移动终端拓展，使边缘智能成为新的发展趋势，而5G高速率、低延时的特性，能够实现智能化所需的数据高效连接，消除云端与边缘通信时网络延迟的问题，提供稳健全新的URLLC服务，从而极大程度地丰富边缘智能的应用场景，助力指挥控制平台、空中作战平台等由“精确化”向“智能化”转变。这一趋势在无人机领域已经产生了直接映射。2017年12 月，美国国防部的算法战跨职能小 组（AWCFT）使用人工智能技术处理美军扫描鹰（ScanEagle）无人机的拍摄影像，提升其对视频中人类、建筑等对象的识别正确率。试验开始一周后计算机的识别正确率达到了80%。

5G赋能边缘智能技术之后，将使无人机的蜂群技术产生突破，实现大规模协同作战。2018 年1月，美国国防部高级研究计划局（DARPA）赞助在匹兹堡卡内基梅隆大学建立了网络基础设施计算研究中心CONIX，其研究目标之一便是借助边缘智能，为大规模协作无人机集群提供按需实 时感知信息，在快速演进的战术环境中支持人机协作。由于无人机集群协作需要将时延控制在1 毫秒左右，此前网络响应速度一直是这项技术需要努力解决的挑战之一，也因此现有无人机集群多为小规模编队，缺乏大规模集群节点之间的信息交换能力。而5G的端到端通信时延低于1毫秒，这足以支撑无人机大规模集群协作的需求。未来随着5G通信网络的覆盖逐渐完善，无人机集群的自主性也将随之进一步提高，完成复杂度更高的作战任务，甚至刷新空中战场形态。