徐全盛,鄒勤宜,葛林強(qiáng)

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十研究所,上海 200331)

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基于5G的天空地一體化戰(zhàn)術(shù)通信研究*

徐全盛,鄒勤宜,葛林強(qiáng)

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十研究所,上海 200331)

摘要：現(xiàn)有戰(zhàn)術(shù)通信主要依靠窄帶通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)，難以滿足戰(zhàn)場大量信息的分發(fā)需求。利用民用技術(shù)加速戰(zhàn)術(shù)通信的發(fā)展已經(jīng)取得業(yè)界的廣泛認(rèn)同，但是移動通信固有的特點(diǎn)使得這一進(jìn)程非常緩慢。5G移動通信的提出為此提供了一次新的契機(jī)。初步探討5G軍用化的可行性，發(fā)現(xiàn)利用5G的關(guān)鍵技術(shù)并經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)可以消除/緩解傳統(tǒng)移動通信軍用化存在的一些障礙；并基于5G提出了一種天空地一體化戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)，為戰(zhàn)術(shù)通信的未來發(fā)展提供了一種新思路。

關(guān)鍵詞：5G移動通信；戰(zhàn)術(shù)通信；天空地一體化網(wǎng)絡(luò)；軍事應(yīng)用

0引言

當(dāng)前，與信息化作戰(zhàn)相適應(yīng)的指揮、控制、通信、計(jì)算機(jī)與情報(bào)、監(jiān)視、偵察(C4ISR)系統(tǒng)在戰(zhàn)爭中的地位和作用變得越來越重要[1]。然而，現(xiàn)有戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)發(fā)展緩慢，仍主要依靠短波、超短波等窄帶通信技術(shù)，無法有效滿足C4ISR系統(tǒng)對戰(zhàn)場大量信息實(shí)時高效可靠傳輸?shù)男枨骩1-2]，迫切需要引進(jìn)一批新技術(shù)以加快實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)的高速化、寬帶化與網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。

與戰(zhàn)術(shù)通信發(fā)展緩慢相反，民用移動通信發(fā)展迅猛，在短短30年時間里，移動通信實(shí)現(xiàn)了從1G到4G的華麗演進(jìn)，系統(tǒng)各方面性能不斷增強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)容量越來越大、承載的業(yè)務(wù)越來越豐富、可靠性與安全性越來越高、應(yīng)用場景及范圍不斷拓展。目前，為應(yīng)對未來爆炸性的數(shù)據(jù)流量增長、海量的設(shè)備連接、不斷涌現(xiàn)的各類新業(yè)務(wù)和新場景，第五代移動通信(5G)系統(tǒng)的研究正在全球如火如荼的展開[3]。5G將引入一大批新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更加靈活的網(wǎng)絡(luò)部署，獲得更高的傳輸速率、頻譜效率以及能量效率，支持更加豐富的業(yè)務(wù)類型，大大降低業(yè)務(wù)傳輸?shù)亩说蕉藭r延與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營維護(hù)成本[3-4]。

鑒于此，借用民用移動通信先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)軍用戰(zhàn)術(shù)通信的跨越式發(fā)展已取得人們的廣泛共識[2,5]。民用通信軍用化很早之前就已受到人們的廣泛關(guān)注。在設(shè)備研制方面，通過引進(jìn)民用通信先進(jìn)技術(shù)，如正交頻分復(fù)用(OFDM)、多輸入多輸出(MIMO)、認(rèn)知無線電等，大大提升了軍用通信設(shè)備的性能[1]。在系統(tǒng)建設(shè)方面，基于民用移動通信的2G、3G和4G標(biāo)準(zhǔn)，研究人員也先后提出了一系列的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[2,5,6-11]。然而，戰(zhàn)術(shù)通信環(huán)境與民用移動通信的應(yīng)用場景存在很大差別，現(xiàn)有民用移動通信網(wǎng)絡(luò)所固有的一些特性，使得民用移動通信軍用化的進(jìn)展比較緩慢。

民用移動通信軍用化存在的關(guān)鍵障礙主要包括[2,5-7]：1)民用移動通信的電磁環(huán)境與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境相對良好，系統(tǒng)對電子攻擊和安全保密要求考慮的相對欠缺，抗干擾、抗毀及安全保密性差；2)通信系統(tǒng)嚴(yán)重依賴于有線網(wǎng)絡(luò)及固定部署的基站，網(wǎng)元設(shè)備繁多且復(fù)雜，機(jī)動性差，不適用于大規(guī)模移動環(huán)境；3)網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力有限，不能實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜地形(山區(qū)、丘陵以及森林)的無縫覆蓋。

5G技術(shù)的提出為民用通信系統(tǒng)軍用化提供了一個新的契機(jī)。5G將采用一大批全新的技術(shù)以有效增強(qiáng)移動通信系統(tǒng)的靈活性與有效性，這些技術(shù)的使用也為5G軍用化奠定了很好的基礎(chǔ)。此外，尤為重要的是通過分析發(fā)現(xiàn)利用5G的先進(jìn)技術(shù)并經(jīng)過特殊的設(shè)計(jì)，5G可以消除/弱化現(xiàn)有移動通信軍用化所存在的上述障礙，極大提升現(xiàn)有戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)的傳輸性能。為此，本文將基于5G移動通信設(shè)計(jì)一種新的寬帶戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)，以為戰(zhàn)術(shù)通信的研究提供一個新的思路。

15G移動通信技術(shù)

雖然5G的標(biāo)準(zhǔn)化工作預(yù)計(jì)在2016年才啟動[3]，但是在全球業(yè)界的共同努力下，5G需求及關(guān)鍵能力已達(dá)成共識，技術(shù)路線也已逐漸清晰[3,4,12,13]。

1.15G需求及能力

IMT-2020(5G)推進(jìn)組(5G標(biāo)準(zhǔn)制定的國家隊(duì))根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，通過對5G主要應(yīng)用領(lǐng)域、業(yè)務(wù)需求及技術(shù)挑戰(zhàn)的分析，制定了連續(xù)廣域覆蓋、熱點(diǎn)高容量、低功耗大連接和低時延高可靠四種主要技術(shù)場景的關(guān)鍵指標(biāo)[3-4]。

連續(xù)廣域覆蓋和熱點(diǎn)高容量是傳統(tǒng)移動通信的主要技術(shù)場景。連續(xù)廣域覆蓋場景是移動通信實(shí)現(xiàn)無縫切換與連續(xù)通信的根本保障，該場景的主要技術(shù)需求是能夠隨時隨地為用戶提供不小于100 Mb/s的用戶體驗(yàn)速率；熱點(diǎn)高容量場景主要針對局部熱點(diǎn)區(qū)域，該場景具有傳輸速率要求高、網(wǎng)絡(luò)流量密度大等特點(diǎn)，該場景的主要技術(shù)需求是為用戶提供1 Gb/s的用戶體驗(yàn)速率、數(shù)十Gb/s的峰值速率和數(shù)十Tbps/km2的流量密度。

低功耗大連接和低時延高可靠場景是5G新拓展的技術(shù)場景，主要針對物聯(lián)網(wǎng)及垂直行業(yè)應(yīng)用。低功耗大連接場景主要面向以環(huán)境監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的應(yīng)用場景，具有終端分布范圍廣、數(shù)量多，業(yè)務(wù)量小、功耗低等特點(diǎn)，該場景的主要技術(shù)需求是提供超千億的連接能力(不小于106/km2連接密度)，同時兼顧終端超低成本和超低功耗的要求。低時延高可靠場景主要面向工業(yè)控制、車聯(lián)網(wǎng)等垂直行業(yè)應(yīng)用，具有超低時延、極高可靠性的特點(diǎn)，該場景的主要技術(shù)需求是為用戶提供1 ms級的空口時延、ms級的端到端時延和接近100%的可靠性。

1.25G關(guān)鍵技術(shù)

為滿足上述不同技術(shù)場景對5G的差異化需求，5G采用了一大批關(guān)鍵技術(shù)。在無線技術(shù)領(lǐng)域主要包括大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、新型多址、全頻譜接入、新型多載波等[12-13]。

1)大規(guī)模天線通過增加天線數(shù)目(可配置上百根天線)增加系統(tǒng)的空間自由度，可支持?jǐn)?shù)十個獨(dú)立的空間數(shù)據(jù)流，成倍提升系統(tǒng)的頻譜效率，有效支撐5G系統(tǒng)對大量業(yè)務(wù)的傳輸需求。此外，大規(guī)模天線還可以應(yīng)用于高頻段，通過自適應(yīng)波束賦形以增強(qiáng)電波傳播的方向性，顯著提升系統(tǒng)的廣域覆蓋能力。

2)異構(gòu)超密集組網(wǎng)通過增加各種基站的部署密度，實(shí)現(xiàn)小區(qū)結(jié)構(gòu)的微型化與分布化，最終在局部熱點(diǎn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)百倍量級的容量提升。為適應(yīng)5G差異化的接入環(huán)境，5G接入網(wǎng)將可以支持無線網(wǎng)狀網(wǎng)、動態(tài)自組織網(wǎng)絡(luò)(Ad-hoc)、統(tǒng)一多無線接入技術(shù)(RAT)等新型接入手段，并適應(yīng)各種類型的回傳鏈路，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的有效融合[13]。

3)新型多址技術(shù)可實(shí)現(xiàn)信號在空/時/頻/碼域的疊加傳輸來充分利用系統(tǒng)的多維資源，顯著提高5G系統(tǒng)的頻譜效率和接入能力。同時，新型多址技術(shù)還可有力支持系統(tǒng)的免調(diào)度傳輸，以降低系統(tǒng)調(diào)度傳輸?shù)男帕铋_銷，縮短業(yè)務(wù)接入時延。

4)全頻譜接入技術(shù)涉及6 GHz以下低頻段和6～100 GHz高頻頻段，通過載波聚合、認(rèn)知無線電等技術(shù)，有效利用各類無線電頻譜資源(包含高低頻段、對稱與非對稱頻譜、授權(quán)與非授權(quán)頻譜、連續(xù)與非連續(xù)頻譜等)來提高數(shù)據(jù)傳輸速率，增大5G系統(tǒng)容量。

5)新型多載波基于先進(jìn)的濾波技術(shù)可以減少子帶或子載波的頻譜泄露，降低系統(tǒng)對時頻同步的要求，同時增加頻域資源粒度劃分的靈活度，增強(qiáng)系統(tǒng)對各種業(yè)務(wù)的支持能力。目前，業(yè)界已經(jīng)提出多種新型多載波技術(shù)，如基于濾波的正交頻分復(fù)用(FOFDM)、基于濾波器組的多載波(FBMC)等。

除上述技術(shù)之外，終端直通(D2D)、新型雙工方式(全雙工、靈活雙工)、多元低密度奇偶檢驗(yàn)碼、網(wǎng)絡(luò)編碼等也被認(rèn)為是5G重要的潛在無線關(guān)鍵技術(shù)[13]。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)主要包括軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)[14]。

1)NFV技術(shù)通過軟件與硬件的解耦及功能抽象，可以使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能不再依賴于專用的硬件，為5G網(wǎng)絡(luò)提供更具彈性的、更低成本的基礎(chǔ)設(shè)施平臺[14]。通過采用通用硬件取代專用硬件，并對通用硬件資源進(jìn)行按需分配和動態(tài)伸縮，NFV可以方便快捷的把網(wǎng)元功能部署在網(wǎng)絡(luò)中的任意位置，有效解決現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施平臺成本高、部署不靈活、資源配置能力弱等問題。

2)SDN技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制功能和轉(zhuǎn)發(fā)功能的解耦，支持控制功能的集中化與轉(zhuǎn)發(fā)功能的分布化[14]?？刂乒δ艿某殡x和聚合，有利于網(wǎng)絡(luò)從全局視角感知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，調(diào)度系統(tǒng)資源，實(shí)現(xiàn)局部和全局的網(wǎng)絡(luò)控制，并構(gòu)建面向業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)能力開放接口，從而滿足業(yè)務(wù)的差異化需求。在高效的網(wǎng)絡(luò)控制下，轉(zhuǎn)發(fā)平面的分布式部署與下沉，可以實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)流的低時延、高可靠、均負(fù)載地傳輸。

25G軍用化可行性分析

2.15G與戰(zhàn)術(shù)通信契合度分析

當(dāng)前，軍用戰(zhàn)術(shù)通信與民用移動通信都正朝著高速化、寬帶化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，兩張網(wǎng)絡(luò)也表現(xiàn)出了某些相似性。具體地，戰(zhàn)術(shù)通信中的一些典型通信場景都可以在5G的四種主要技術(shù)場景中找到相似的影子。

戰(zhàn)術(shù)通信中的指揮所局域網(wǎng)與5G中的連續(xù)廣域覆蓋與熱點(diǎn)高容量場景類似，可以用5G充當(dāng)戰(zhàn)術(shù)通信的寬帶無線接入網(wǎng)，通過將基站部署在空中無人機(jī)平臺上提供對戰(zhàn)場環(huán)境的廣域覆蓋，將微基站部署在各地面車載分隊(duì)中提供小區(qū)域的熱點(diǎn)覆蓋，利用5G的異構(gòu)組網(wǎng)能力實(shí)現(xiàn)空地分層網(wǎng)絡(luò)的一體化組網(wǎng)與互聯(lián)互通；利用5G具有的高帶寬、高傳輸速率、全I(xiàn)P架構(gòu)以及支持綜合業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，使整個戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)變?yōu)槎嗝襟w網(wǎng)絡(luò)，且能兼容各種戰(zhàn)略和商業(yè)網(wǎng)絡(luò)接口，形成一個未來戰(zhàn)場所需的無縫的通信體系。此外，在部隊(duì)機(jī)動作戰(zhàn)中也可以利用5G設(shè)計(jì)相應(yīng)的集群調(diào)度系統(tǒng)，提供包括話音、數(shù)據(jù)、圖像以及高清視頻在內(nèi)的各種通信服務(wù)。

戰(zhàn)術(shù)通信中的情報(bào)偵察可以利用5G圖形技術(shù)實(shí)現(xiàn)：1)針對利用大量傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場環(huán)境態(tài)勢感知的需求，可以依托5G中的低功耗大連接場景完成大量傳感器節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)與互通，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場數(shù)據(jù)的自動采集、融合與上報(bào)；2)針對利用無人機(jī)、偵察兵實(shí)現(xiàn)的戰(zhàn)場情報(bào)偵察需求，可以充分利用5G連續(xù)廣域覆蓋與熱點(diǎn)高容量場景所具備的大帶寬、高傳輸速率能力，實(shí)現(xiàn)圖片、視頻監(jiān)控、虛擬現(xiàn)實(shí)等業(yè)務(wù)的有效傳輸，提供實(shí)時的戰(zhàn)場情報(bào)消息。

戰(zhàn)術(shù)通信中的數(shù)據(jù)鏈可以依托5G所具備的低時延、高可靠傳輸能力實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)鏈所要求的格式化信息、低時延特性與5G中的低時延高可靠場景可以很好的對應(yīng)?？梢猿浞掷?G中的D2D、機(jī)器類型通信(M2M)、靈活的傳輸時間間隔(TTI)、可變幀格式、免調(diào)度傳輸?shù)燃夹g(shù)所帶來的ms級端到端時延和接近100%的業(yè)務(wù)可靠性[13]，有效實(shí)現(xiàn)傳感器、指揮控制機(jī)構(gòu)與武器平臺的緊密鉸鏈，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場數(shù)據(jù)信息的實(shí)時交換。

2.25G軍用化的關(guān)鍵障礙與對策

5G技術(shù)作為民用移動通信技術(shù)，其抗干擾、抗毀、保密性、機(jī)動性、有效覆蓋等方面的考慮仍然不足，如將5G應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)通信環(huán)境仍然需要進(jìn)行一些特殊的設(shè)計(jì)。所幸5G的優(yōu)良基因使得這些設(shè)計(jì)非常容易實(shí)現(xiàn)，本小節(jié)將對5G應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)通信存在的問題進(jìn)行總結(jié)，并給出一些解決方案。

1)“擾中通”——抗干擾與抗截獲能力

5G的關(guān)鍵技術(shù)具備增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力的潛能，通過特殊設(shè)計(jì)可以極大提升5G的擾中通能力。a)在未受干擾時，由于大規(guī)模天線提供了額外的空間自由度，可以極大降低系統(tǒng)的發(fā)射功率[12-13]，增強(qiáng)信號的指向性(利用波束賦形能力)，有效降低系統(tǒng)抗截獲的能力；在受到干擾時，大規(guī)模天線可以極大的提升接收信干噪比(SINR)，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。b)全頻譜接入技術(shù)的使用極大地?cái)U(kuò)展了5G可以使用的頻段，基于載波聚合技術(shù)，通過資源映射算法將發(fā)送信號散布于非常寬廣的頻譜(如將信號散布在0.03～6 GHz的部分頻段內(nèi))，以增強(qiáng)頻率分集增益，提升系統(tǒng)抗干擾能力。c)設(shè)計(jì)高效靈活的資源分配與調(diào)度算法，縮短調(diào)度周期(ms級別)，實(shí)現(xiàn)類似于跳頻通信的功能(信號調(diào)度前后的載頻不同)。d)利用認(rèn)知無線電技術(shù)，基于頻譜檢測結(jié)果，通過系統(tǒng)參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整以有效對抗壓制式干擾與瞄準(zhǔn)式干擾。e)充分利用5G具備的高傳輸速率，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的猝發(fā)傳輸，提升信號的抗截獲與反偵察能力。f)利用5G的異構(gòu)融合能力，實(shí)現(xiàn)微波、短波、超短波、衛(wèi)星通信的有效集成與融合，為終端提供多種接入技術(shù)。甚至實(shí)現(xiàn)軍用5G通信與民用5G通信的有效融合，在某些時刻允許軍用5G終端單向接入民用5G網(wǎng)絡(luò)，將軍用信號隱藏于民用信號中，實(shí)現(xiàn)“大隱隱于市”的目的。

2)抗毀頑存能力

與傳統(tǒng)移動通信相比，5G極大增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗毀頑存能力，能夠有效支持多接入和多連接、分布式和集中式、自回傳和自組織的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋄14]。此外，為進(jìn)一步增強(qiáng)5G系統(tǒng)的抗毀頑存能力，基于5G開放性、兼容性強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可將短波、超短波、衛(wèi)星通信手段一起融合到基于5G設(shè)計(jì)的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)中，開發(fā)支持多種接入手段的多模終端，實(shí)現(xiàn)多接入手段的冗余備份與戰(zhàn)場環(huán)境的無縫立體覆蓋。

3)安全性

民用移動通信技術(shù)一直在加強(qiáng)系統(tǒng)的安全性，如2G只能實(shí)現(xiàn)對終端的鑒權(quán)而3G可以實(shí)現(xiàn)終端與基站的雙向鑒權(quán)。然而，出于商用成本的考慮，民用通信技術(shù)還存在一些安全漏洞，5G作為未來的民用通信技術(shù)也很難滿足戰(zhàn)術(shù)條件下的安全，必須重新設(shè)計(jì)專用的密碼體系及加密方案，增強(qiáng)系統(tǒng)的安全防護(hù)等級。所幸自4G以來，我國已逐漸成為移動通信技術(shù)的引領(lǐng)者，4G以及未來的5G技術(shù)都將擁有自主的知識產(chǎn)權(quán)，無論是基站還是終端都能夠?qū)崿F(xiàn)芯片級的國產(chǎn)化[5]。因此，實(shí)現(xiàn)5G通信軍用化的安全性改造并非不可實(shí)現(xiàn)。

4)網(wǎng)絡(luò)機(jī)動性

民用移動通信一般基于固定基站進(jìn)行集中式組網(wǎng)，核心網(wǎng)與接入網(wǎng)之間的連接、核心網(wǎng)之間的互聯(lián)嚴(yán)重依賴于有線基礎(chǔ)設(shè)施，網(wǎng)絡(luò)機(jī)動性差，很難滿足戰(zhàn)術(shù)通信的需求。然而，這種局面在5G中將得到慢慢的改變。大規(guī)模天線的廣泛使用帶來了額外的空間自由度，這使得無線組網(wǎng)的技術(shù)可行性得到極大的提高。5G超密集組網(wǎng)時也將大量采用無線回傳技術(shù)來降低有線部網(wǎng)的成本，提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性[13-14]。此外，5G所支持的核心網(wǎng)與基站一體化融合設(shè)計(jì)、微基站的即插即用[13-14]，設(shè)備小型化、網(wǎng)元功能集中化，也將便于基站設(shè)備的移動。因此，在損失一定網(wǎng)絡(luò)性能的前提下，相信基于5G的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)全無線互聯(lián)的體系架構(gòu)，從而滿足戰(zhàn)術(shù)通信對網(wǎng)絡(luò)機(jī)動性的要求。

5)“山中通、動中通”能力——有效覆蓋、無縫漫游

民用移動通信技術(shù)對山區(qū)、丘陵以及森林等復(fù)雜地形的覆蓋能力較弱，迫切需要對覆蓋能力進(jìn)行擴(kuò)展。所幸5G的關(guān)鍵技術(shù)也提供擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋方面的能力。a)大規(guī)模天線的采用，可以有效增強(qiáng)信號的方向性，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。b)全頻譜的接入能力，可以利用低頻段實(shí)現(xiàn)對戰(zhàn)場的廣域覆蓋。已有實(shí)驗(yàn)表明通過下變頻技術(shù)，可以極大提升TD-LTE的通信距離[15]。相信經(jīng)過下變頻，5G也將能夠?qū)崿F(xiàn)覆蓋能力的極大提升。c)借助5G所支持的小微基站、無線中繼、D2D、局部自組織等技術(shù)，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的擴(kuò)展和完善。d)為更好地增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力，可進(jìn)一步將5G節(jié)點(diǎn)搬遷至空中平臺，甚至是通信衛(wèi)星，并實(shí)現(xiàn)與地面5G網(wǎng)絡(luò)的無縫漫游。e)充分利用5G的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合能力，實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)與短波、超短波、衛(wèi)星通信等接入手段的有效融合，為終端設(shè)備提供多種無線接入手段，保證網(wǎng)絡(luò)的山中通與動中通能力。

3基于5G的一體化戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)

隨著各種高精尖武器的廣泛使用，武器裝備的打擊力度越來越強(qiáng)、范圍越來越廣、距離越來越遠(yuǎn)，作戰(zhàn)空間逐步向天、空、地一體化的方向發(fā)展[1]。戰(zhàn)術(shù)通信必須利用升空平臺與通信衛(wèi)星來支持超遠(yuǎn)距離、大縱深的信息傳輸。為此，本節(jié)將基于5G通信技術(shù)，聯(lián)合衛(wèi)星通信、升空平臺通信設(shè)計(jì)一種天空地一體化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以適應(yīng)戰(zhàn)術(shù)通信高速化、寬帶化、網(wǎng)絡(luò)化和天空地一體化的發(fā)展需求。

3.1寬帶戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于5G移動通信的天空地一體化戰(zhàn)術(shù)通信采用分層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖1 所示，網(wǎng)絡(luò)包括接入層、骨干層和中繼層。接入層主要由5G終端、車載5G小基站等節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，支持5G終端的集中式/分布式接入，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)末端用戶的隨遇接入與漫游。此外，借助于5G的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合能力，通過引入多模終端與設(shè)備，接入網(wǎng)也能夠?qū)崿F(xiàn)與短波、超短波、衛(wèi)星等通信網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。骨干層主要由陸基5G宏基站及搭載在無人機(jī)/熱氣球上的5G升空基站組成，基站之間采用Mesh組網(wǎng)機(jī)制，以無線(5G中大規(guī)模天線技術(shù)提供的大容量數(shù)據(jù)通道)、衛(wèi)星和部分有線的方式覆蓋整個作戰(zhàn)區(qū)域。中繼層由通信衛(wèi)星組成，當(dāng)受到地形、氣候等因素影響而使骨干網(wǎng)布設(shè)受限時，可以利用通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)基站間的互聯(lián)和部分廣域用戶的接入，甚至利用5G中信令承載與數(shù)據(jù)承載分離的思想，實(shí)現(xiàn)信令信息的衛(wèi)星廣域傳輸和通信業(yè)務(wù)的本地微基站承載，以擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，提升地面接入網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)承載能力。

圖1　基于5G的天空地一體化戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)

上述構(gòu)建的空天地一體化戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)符合未來戰(zhàn)術(shù)通信的發(fā)展方向：1)天空地一體化組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)具有廣域立體覆蓋的能力，能夠有效支撐遠(yuǎn)程火力打擊需求；2)骨干網(wǎng)利用大規(guī)模天線提供的無線傳輸通道實(shí)現(xiàn)Mesh組網(wǎng)，接入網(wǎng)支持集中式、分布式以及多手段的接入能力，具有抗毀性強(qiáng)、可靠性高、移動性好的優(yōu)點(diǎn)；3)充分發(fā)揮5G的高速率、大帶寬、低時延優(yōu)勢，能夠有效支持作戰(zhàn)條令、話音、數(shù)據(jù)、圖像和視頻等綜合業(yè)務(wù)的按需傳輸；4)立體化組網(wǎng)、深度覆蓋，能夠?qū)崿F(xiàn)戰(zhàn)術(shù)末端用戶的隨遇接入和無縫切換；5)基于5G開放式、兼容性強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)特性便于實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)的有效融合與互聯(lián)互通。

3.2關(guān)鍵技術(shù)方向

目前，5G的關(guān)鍵技術(shù)還在進(jìn)一步完善，一些技術(shù)難關(guān)仍在攻克，如大規(guī)模天線中的信道測量與反饋、參考信號設(shè)計(jì)，全頻譜接入中的信道測量與建模、低頻和高頻統(tǒng)一設(shè)計(jì)，以及超密集組網(wǎng)中的干擾管理與抑制、小區(qū)虛擬化、接入與回傳聯(lián)合設(shè)計(jì)等[12-13]。為適應(yīng)戰(zhàn)術(shù)通信的實(shí)際需求，除需要實(shí)時跟蹤5G關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展與標(biāo)準(zhǔn)化工作之外，基于5G移動通信的天空地一體化戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)還需重點(diǎn)研究如下一些關(guān)鍵技術(shù)：

1)抗干擾與抗截獲能力的提升：抗干擾能力弱一直是民用通信軍用化的一大障礙，第2.2節(jié)總結(jié)了5G中潛在的可以提升系統(tǒng)抗干擾能力的一些技術(shù)方向，未來需要對這些技術(shù)方向進(jìn)行逐一研究與驗(yàn)證，以切實(shí)提高5G通信的抗干擾能力。

2)基站/核心網(wǎng)設(shè)備一體化小型化設(shè)計(jì)：民用移動通信的基站與核心網(wǎng)設(shè)備普遍存在體積大、重量重、功耗高的特點(diǎn)，無法滿足戰(zhàn)術(shù)通信機(jī)動性與靈活性的需求[2,5-7]。因此，需要對核心網(wǎng)與基站進(jìn)行小型化與一體化設(shè)計(jì)，開發(fā)小型化的融合核心網(wǎng)功能的移動機(jī)載/車載基站/機(jī)載基站，大幅降低設(shè)備的體積、重量與功耗。

3)一體化組網(wǎng)與路由設(shè)計(jì)：組網(wǎng)與路由是網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)高效信息傳輸?shù)年P(guān)鍵。因此，有必要利用SDN技術(shù)優(yōu)化天空地一體化組網(wǎng)與路由，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制面與轉(zhuǎn)發(fā)面的有效分離，提升系統(tǒng)路由尋址的高效性與可靠性，降低網(wǎng)絡(luò)端到端時延。

4)移動性管理：移動性管理是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合與互通的關(guān)鍵。在天空地一體化戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性、差異性和移動性增加了終端無縫切換、位置管理的難度，現(xiàn)有移動性管理方案很難適應(yīng)戰(zhàn)術(shù)通信環(huán)境，需要對天空地一體化網(wǎng)絡(luò)的移動性管理方案進(jìn)行有針對性的設(shè)計(jì)。

5)多接入手段的融合：雖然5G已經(jīng)考慮實(shí)現(xiàn)多制式蜂窩通信技術(shù)(GSM、UMTS、CDMA2000、LTE)，WLAN間的融合與互操作，但是，這仍然不足以滿足戰(zhàn)術(shù)通信的需求，需要進(jìn)一步考慮5G與短波、超短波、流星余跡、衛(wèi)星通信等手段的融合。

6)挖掘5G四種主要技術(shù)場景，尤其是5G新開拓的低功耗大連接場景、低時延高可靠場景對戰(zhàn)術(shù)通信的應(yīng)用價值，結(jié)合具體的軍事應(yīng)用需求，改進(jìn)5G中不符合軍事應(yīng)用的一些特性。

此外，2.2節(jié)提到的安全性、抗毀頑存性等問題也需要進(jìn)行有針對性的研究。

4結(jié)語

戰(zhàn)術(shù)通信由于其抗干擾、抗摧毀、機(jī)動性以及安全性等方面的需求，發(fā)展相對緩慢。在信息化作戰(zhàn)的迫切需求與軍民融合發(fā)展的思想影響下，利用民用通信先進(jìn)技術(shù)加快軍用戰(zhàn)術(shù)通信的發(fā)展已經(jīng)取得廣泛共識。本文初步探討了5G移動通信軍用化的可行性，指出利用5G通信關(guān)鍵技術(shù)并經(jīng)過特殊的設(shè)計(jì)可以消除/緩解傳統(tǒng)民用通信軍用化存在的一些障礙；之后，結(jié)合戰(zhàn)術(shù)通信的未來發(fā)展方向與需求，提出了一種基于5G移動通信的天空地一體化戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)，為戰(zhàn)術(shù)通信的未來發(fā)展與研究提供了一種新的思路。未來我們將進(jìn)一步深入研究5G移動通信軍用化存在的關(guān)鍵障礙，并設(shè)計(jì)提出相應(yīng)的解決方案。

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Integrated Space-Air-Ground Tactical Communication based on 5G Mobile Communication

XU Quan-sheng,ZOU Qin-yi,GE Lin-qiang

(No.50 Institute of CETC,Shanghai 200331,China)

Abstract：The existing tactical communications mainly rely on narrow-band communication technology,which are difficult to satisfy the distribution demand of large-amount battlefield information.To accelerate the development of tactical communication by using the civil mobile communication technology is widely accepted,however,the intrinsic characteristics of mobile communications make this progress slowly.The proposal of the fifth generation mobile communication (5G) provides a novel chance for mobile communications applied to tactical environment.In this paper,the feasibility to develop tactical communications by using 5G is discussed,and it is found that by using the key technologies of 5G and with specific design,the obstacles in military application of the mobile communications could be eliminated or relieved.In addition,based on 5G,a novel integrated space-air-ground tactical communication is proposed,this could provide a new idea for future development of tactical communications.

Key words：5G mobile communication; tactical communications; integrated space-air-ground network; military application

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2016.02.016

* 收稿日期：2015-09-07；修回日期：2015-12-15Received date:2015-09-07；Revised date：2015-12-15

中圖分類號：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-0802(2016)02-0205-06

作者簡介：

徐全盛(1988—)，男，博士，工程師，主要研究方向?yàn)閼?zhàn)術(shù)通信、移動通信；

鄒勤宜(1965—)，男，碩士，研究員，主要研究方向?yàn)閼?zhàn)術(shù)通信；

葛林強(qiáng)(1980—)，男，碩士，高工，主要研究方向?yàn)閼?zhàn)術(shù)通信。