美国防部“创新后5G（IB5G）”计划简介

美国防部已经认识到5G/B5G可能大幅提高美国军队指挥控制、快速远程火力目标定位以及鲁棒安全的通信能力。为此，2022年4月，美国国防部负责研究与工程的副部长办公室（OUSD R&E）发布了“创新后B5G （IB5G）计划”方案征询书（RFS）。IB5G计划瞄准后5G时代各种新颖网络概念和组件的构思、设计、原型和集成，意图发展新能力，使美军能够主导未来网络战场。以下简要介绍该计划内容。

1 概述和背景

第五代无线网络技术（5G）通过增强移动宽带服务，指数级提升了传统网络指标（峰值和平均数据速率/吞吐量以及容量），已经展示出强大的商用驱动力

美国防部认为，5G以及后5G（B5G）网络带来了一种符合美军网络现代化需求的新能力，具备更多人-机器和机器-机器（M2M）通信所需的特质，并可扩展到物联网（IoT）。为这种网络提供服务在很大程度上依赖于网络扩展和服务优先分级、实现任务关键服务所需的更低延迟（毫秒级）和超高可靠性，以及未来全域网络化战场作战中的每用户吞吐量等。而除了强调新的组件和特点，在敌对行动中管理战术网络的模式同样重要。这种模式能够利用新5G独立网络架构以及智能、自主行动的集成带来的优势。

为此，IB5G计划将主要关注如何将商业5G技术的各种新进展和工程解决方案集成到美军战术网络运行中，重点关注两个领域：

（1）B5G移动分布式MIMO网络：主要关注多输入多输出（MIMO）天线系统的适应性与自组织移动网络的运行架构，以及支持端到端韧性网络性能的协议设计。

（2）B5G综合战术通信网络：主要关注商业和军事5G应用中固有的设备到设备（D2D）或Sidelink（直通链路）能力，为未来战术网络系统提供更多新架构选项和系统设计，如点对点模式下5G网络中的Direct D2D或Sidelink、集成接入和回传（IAB），以及软件化和模块化5G RAN等。

2 B5G移动分布式MIMO网络

2.1 研究内容

美国防部强调，使用商用5G概念和组件作为切入点，存在许多创新机会，可以解决美国防部作战概念方面存在的一些潜在差距。B5G移动分布式MIMO网络的工作强调两方面关键内容：

（1）自组织移动网络运行的MIMO天线系统和架构的适应性。

（2）支持端到端韧性网络性能的相关协议工程。

目前，MIMO扩展（增加天线数量）已成功展示用于地面蜂窝运行，但还存在一些局限性，如需要基础设施（基站）、还需要位于理想位置以便用于温和信道带宽（不大于100 MHz）和中频段射频——通常称为集中式MIMO（C-MIMO）。而战术网络往往由部署在各种移动平台上的节点组成，包括徒步士兵（停止或移动中）加上地面装甲车辆和机载资产，如无人机系统（UAS）或低地球轨道卫星。5G独立（SA）网络具备潜力将此类节点配置为客户端或网络中继，并支持节点之间的合作，以实现各种MIMO配置，从而引出了分布式MIMO（D-MIMO）运行概念。

5G用户设备（UE）之间的直接D2D或Sidelink通信潜力——在没有gNB或基站基础设施的情况下——是基于5G的战术网络的一个重要特征。而控制和数据平面分离是5G网络设计的一个基本特征，它为通过增强的控制通道实现网络韧性提供了新可能性。以上只是代表基于5G的众多选项中的一些示例。他们可以作为组件，支持5G用于军事（MIL）网络。这些军事网络一直在寻求集成分布式MIMO运行能力，后者本质上具有一种固有的自组织（ad hoc）属性。

美国防部将该项研究设定在“MIL网络”的最低两级：班内和班-班，以及班-指挥所（指挥所）通信，如表1所示。表中指标（班直径、班-班距离和班-指挥所距离）旨在表示所需的子网大小。这里最关注的是班内、班-班以及班-指挥所的无线网络设计，其中所有链路都假定为无线链路，指挥所所有功能都映射到车辆 ，从而以一种分布式方式运行。

出于此目的，表1和表2中提供的以下条件可用作研究基线。

表1 基线网络拓扑

表2 关键目标

美国防部希望寻求用于班内、班-班以及班-指挥所的组网解决方案与可靠设计，其焦点在于利用由MIMO节点提供的潜力，实现通信韧性和隐蔽通信。较长距离通信（班-班或班-指挥所）主要利用定向波束（考虑使用中继进行多跳操作）实现D-MIMO。其中，来自单一源的信息通过相干RF相控阵发送，使用多个节点的阵列单元集合（见图1），旨在实现视距场景中的距离扩展，以及非视距场景中的分集或多路复用增益。然而，最底层的扩展和性能仍受制与各电池供电节点的SWAP（尺寸、重量和功率）以及相干D-MIMO运行可实现的同步精度。

扩展D-MIMO运行的一个潜在应用是实现班和指挥所之间的连接。这类似于“无蜂窝（Cell-Free）MIMO”概念，其中一组网络接入点在相同的时间/频率资源上同时服务多个用户，而无需用户和单个网络接入点之间的先验关联。相对于传统的小蜂窝（small-cell）方案，无蜂窝MIMO具有显著提高吞吐量性能的潜力，其中每个用户由专用网络接入点服务，而且还需要一种实际可行的方式将信道状态信息用于支持各种优化操作。

图1 具有MIMO能力节点的自组织分布式战术网络

网络关键性能指标（KPI）将包括常规指标（链路速率、网络吞吐量、、控制和信令资源开销等），以及韧性指标（抗干扰和LPI/LPD能力）。网络运行还必须同时应对窃听和干扰。此外，美国防部还要求解决方案能够展现增强网络性能的各方面权衡。

2.2 性能需求

美国防部列出了一些重点关注的系统性能，包括：

• 完整性：端到端吞吐量、消耗的总时间-频率资源，以及功耗；

• 可访问性：班和/或单个UE在不断变化的移动性条件下（静止和移动）获得并使用无线通信服务的能力；

• 保持性：一旦获得服务，班和/或UE在不断变化的移动条件下一定时间保持服务的能力。

• 延迟：无线通信的端到端延迟；

• 容量：在高无线网络负载条件下整个系统的容量；

• 韧性：在各种敌意攻击下的所有上述性能；

• SWaP：相对于以前技术的SWaP需求开销。

另一方面，美国防部也列出了一些典型研究、开发和拓展（RD&E）方向，包括：

• 新颖的3D共形宽带相控阵架构设计：具有理想的SWaP特性，包括通过使用智能表面作为中继来控制（附近）无线电传播环境，以克服物理障碍并扩展网络覆盖范围。

• 实现相干D-MIMO组网的新颖系统概念：充分认识到所需的额外开销，例如位置/授时和信道/网络状态信息的分发（处理移动性）。相干分布式波束形成/MIMO带来的好处包括增强多用户通信效率——具有空间干扰抑制/抗干扰能力，以及利用D-MIMO自然分集能力。运行回退到非相干操作模式也在考虑中。

• 用于波束空间管理的新型定向组网协议——利用毫米波分布式节点（可提供固有的低截获概率/抗干扰特性和鲁棒链路性能）的机会式定向波束形成，同时权衡数据速率和单跳距离。定向协议能够利用不同级别的网络栈分集实现鲁棒的端到端性能。

• 基于商用现货（COTS）软件定义无线电（SDR）的节点：实现上述系统概念，同时满足期望的SWaP目标、抗干扰/截获、传输安全（TRANSEC）特征、多信道发射/接收（Tx/Rx）操作，以及动态信道访问能力。

表3列出了美国防部期望的研发与原型目标。

表3 理想研发与原型化目标

2.3 计划进度

美国防部计划按照三个阶段开发项目原型。

（1）第一阶段：初步研究、概念研究与开发

此阶段主要关注表3所示场景的B5G战术组网1/2层（第1层和第2层协议）的初始设计，包括潜在的D-MIMO集成。美国防部希望揭示主要关键性能参数之间的潜在关系，实现性能权衡，并突出当前技术的可能性和局限性，以及如何通过不同程度的节点移动性来扩展网络规模。

基础模型的一个关键是在考虑必要运行开销的情况下探索D-MIMO扩展，特别是如何更好地理解预期收益（增强通信效率）与开销的关系。此外，如何量化节点移动性对分布式运行的影响也是一个重要关注点。其他重要系统运行特征还包括干扰机/干扰源的引入，以及抗干扰/干扰消除的一些设计自由度的分配。

（2）第二阶段：完成初始原型设计、构建和演示：

第二阶段主要致力于最终设计迭代，在受控环境下完成实验室规模测试平台的原型化、实施以及演示。美国防部公告显示，第一阶段和第二阶段工作的主要目的是制定解决方案，概述典型场景的完整网络设计方法，以及确定所有相关系统参数（发射功率、频带和信道带宽、信道数量、用户与控制平面分离、接收机灵敏度、波束形成方法等）。

（3）第三阶段：大规模演示和验证：

此阶段将在美国防部或其他联邦试验台基础设施进行典型室外环境原型性能演示和评估。

3 B5G综合战术通信网络

3.1 研究内容

美国防部表示，B5G集成战术通信网络领域的主要研究内容包括各种新兴5G特点对下一代美国防部战术网络的影响，以及将商用地面5G网络与机载网段相集成。其中特别感兴趣的有以下几点：

• Ad-hoc模式（在任何传统gNB提供的网络覆盖范围之外）下5G网络中的Direct D2D（直接设备到设备）或Sidelink；

• 集成接入和回传（IAB）；

• 开放式无线接入网络（O-RAN）联盟提出的软件化和模块化5G RAN的实现。

上述组合方案（包括一些尚待开发的概念）承诺提供多种新颖的架构选项和系统设计机会，这是此次方案征询的重点。例如，终端用户接入可以通过连接地面和机载基础设施的商用5G支持设备来实现，或者通过那些具有5G和非5G（专有）无线电接口的设备来实现。这些接口可以通过网关进行通信用于必要的物理层（PHY）联网（inter-networking）。

图2 集成地面和机载5G部分的战术组网

此外，机载节点可以在不同配置中实现，或者作为两个地面UE节点之间的中继或网桥，或者作为一种移动机载“全系统”gNB，抑或是某个符合O-RAN联盟的“分离（split）”gNB实现的一部分。这些用于机载网段集成的不同架构选项将推动无线电、媒体访问控制（MAC）和无线电链路控制（RLC）层的创新。同时，利用软件化5G无线电接入网络（RAN）实现还可以提供新接口，这对于动态运行至关重要。此外，鉴于5G网络将越来越多地在战术行动中将非人类端点（传感器）和与人类用户端点集成，实现符合新水准的自动化和智能将是支持关键性能指标（特别是端到端延迟与可靠性）的基础，以支持关键任务运行或从因干扰造成的服务中断中恢复。参见图2，集成地面和机载5G部分的战术组网。

3.2 性能需求

美国防部指出，此领域的解决方案将在着眼于联合全域作战的未来战术网络作战概念的基础上：1）开发新的系统架构和相关系统集成；2）研究所提出解决方案的性能权衡，参见表4。第一阶段和第二阶段工作主要是综合战术网络运行的设计路线，包括地面和机载部分。协议栈设计应包括所有相关无线电级参数（频带、信道带宽、发射功率、PHY层波形/调制/编码）的完整描述，并应扩展建议的设计迭代和后续演示如何实现所需的综合战术网络性能。

表4 主要主题

一些典型的研究、开发和拓展（RD&E）方向包括：

• 空-地链路的PHY层；

• 增强的多普勒和同步挑战，MAC/RLC（无线链路控制）设计；

• 混合自动重复请求（HARQ）和切换管理；

- 相关覆盖范围和容量；

• 用于自组织通信的Sidelink D2D模式（无网络覆盖）的成熟化，包括设备发现、对等（P2P）认证和网络形成；

• 使用Sidelink形成网状网；

- 具有延迟约束的韧性运行（抗干扰和LPI/LPD）；

- 集成接入和回传（IAB）；

• 利用接入流量控制服务（ATSS）在多无线电接入技术（multi-RAT）中集成非5G接口；

• 地面/机载一体化网络体系结构的比较分析；

- 用于管理端到端延迟变化的路由和传输层；

• 对于兼容Open-RAN的5G SA网络：RAN智能控制器（RIC）算法设计，用于移动性管理和干扰缓解/抗干扰。

出于此目的，以下概念和相关网络拓扑可用作示例基线。

表5 综合网络与通信目标

表6 关键性能参数和设计目标

3.3 计划进度

该领域研究也将按照三阶段开展。

（1）第一阶段：初始研究和设计迭代：

第一阶段将实现以下技术目标：

• 最终确定Sidelink的增强功能，以实现地面/机载网络集成；

• 通过全面网络仿真量化网络性能，。

（2）第二阶段：完成初始原型设计、构建和演示：

第二阶段将实现以下技术目标：

• 利用5G Open-RAN split兼容核心构建战术网络实验室原型；

• 综合考虑到性能、实施复杂性和网络韧性，为战术网络场景构建一套RT-RIC算法。

• 评估受控实验室环境性能

阶段3：大规模演示和验证：

（3）第三阶段：大规模演示和验证：

第三阶段将在美国防部或其他联邦试验基础设施中，在接近作战的情况下进行软件和硬件部署和评估。

美国防部已在2021、2022财年广泛开展实施IB5G计划的多项工作，包括射频（RF）和大规模MIMO技术、基于新型机器学习概念的频谱重用/网络资源利用，以及在竞争/拥挤场景中使用多自由度的高度动态频谱共享、强大可重构和安全的软件定义网络以及面向超可靠、低延迟应用的边缘计算等。

4 结 语

美国军方认为，5G在战术边缘引入更多的态势感知、位置、地点和信息，可以创建真正意义的通用作战图，创造全面的态势感知和可视性，可以看到自己、看到敌人和看到目标。这些能力对于发展联合全域指挥控制（JADC2）至关重要。而另一方面，让5G为战术通信服务需要克服一个重要问题，即如何让5G兼容现有战术通信。毕竟，要改变那些已经存在了20多年的互操作性规范，如Link 16，是不现实的。关键在于如何整合5G信息传输，以增加和增强现有系统，而不是创建所谓的“转椅数据交换”。

“创新后5G计划（IB5G）”将建立在5G系统技术基础之上，作为创建下一代无线蜂窝网络和军事应用安全技术的基础。美国防部希望该计划能通过与其他政府科技机构合作，使美国能够重新获得新兴无线技术标准的领导地位，包括6G乃至更高标准。

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本文转载自“电科小氙”，原标题《美国防部“创新后5G（IB5G）”计划简介》。

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