5G技术军用实现的基础与挑战

海心沙

5G技术，又被国际电信联盟定名为“IMT-2020（International Mobile Telecom-munications-2020）”，是继第四代移动通信技术4G技术后的新一代蜂窝移动通信（Cellular Mobile Communication）技术，超宽带、低时延、海量连接、低功耗是5G技术的基本特点。有专家形象地将5G技术比喻为“集高速公路、高速铁路、高速水路航线、高速空运航线于一体的综合交通网”。

5G技术数据传输速率高且时延低，其平均传输速率可以达到1Gbps，峰值速率甚至可以达到10Gbps，相当于一部超高清电影能够在一秒钟内下载完成。而且，5G技术在提高数据传输速率的同时还能大大降低功耗，可使低功率电池续航时间提高十倍以上，通信设备功耗问题的解决将有力推动智能化设备被更广泛地使用与应用。此外，5G技术支持广域大容量的高速移动终端接入，5G通信网络甚至能够支持每平方公里六百万个以上的移动终端设备接入。

5G技术的发起者国际电信联盟（ITU）在2015年6月召开的ITU-RWP5D第二十二次会议上确定了未来5G技术的三大应用场景。

一是增强型移动宽带。增强型移动宽带（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）是指在基于现有4G技术移动宽带业务场景的基础上，通过超高速的数据传输速率、更广范围覆盖的移动连接实现以人为中心的应用场景的扩展，为用户提供体验感明显提升的通信服务，给用户带来最直观的感受是网速的大幅提升，其中峰值速率能够达到10Gbps，与此相对应的应用不限于超高清视频传输、增强现实、虚拟现实及4K到8K超高清视频等多种对传输速率要求较高的任务。

二是超高可靠、低时延通信。超可靠、低时延的通信（ultra-Reliable Low Latency Communications，uRLLC）对于连接时延要求达到毫秒级，并支持百公里时速级高速移动下的高可靠性连接，而4G通信网络的端到端时延和业务中断时间为百毫秒级。uRLLC主要面向对时延、可靠性要求较高的应用，在车联网、工业控制及实现无人驾驶方面有着很大的应用潜力。

三是大规模机器类通信。大规模机器类通信（massive Machine Type Communication，mMTC）主要面向海量低功耗终端连接通信的场景。5G技术低时延、海量连接、低功耗、高可靠的特性可以服务于以实现海量传感器间通信为基础的物联网（Internet of Things，IoT）应用，在智慧城市、物流管理、智能农业、远程监测、旅游管理、智慧家庭、智慧社区、共享设备、穿戴设备、环境监测、森林防火等以传感器为基础、数据采集为目标的应用场景发挥优势，实现“物物相连”“万物相连”。

后来，3GPP（3rd Generation Partnership Project，3GPP）组织从移动互联网和物联网主要应用场景、业务需求出发，确定的未来一代国际移动通信（International Mobile Telecommunications，IMT）标准愿景IMT-2020将5G技术应用的主要场景归纳扩充为四个主要技术场景。

一是连续广域覆盖场景。连续广域覆盖场景，以保证用户的移动性和业务连续性为目标，为用户提供无缝的高速业务体验。该场景的主要挑战在于在复杂条件下随时随地为用户提供100Mbps以上的用户体验速率。

二是热点高容量场景。热点高容量场景主要面向局部热点区域，为用户提供极高的数据传输速率，达到1Gbps用户体验速率、10Gbps级的峰值速率和10Tbps/km2 false级的流量密度，满足网络极高的流量密度需求。

5G技术的eMBB、uRLLC和mMTC三大应用场景

三是低功耗大连接场景。低功耗大连接场景，主要面向智慧城市、环境监测、智能农业、森林防火等以传感和数据采集为目标的应用场景，具有小数据包、低功耗、海量连接等特点。这类终端分布范围广、数量众多，不仅要求网络具备超千亿连接的支持能力以满足每平方公里百万连接终端设备数的密度级指标要求，而且还要保证终端设备的超低功耗和超低成本。

四是低时延高可靠场景。低功耗大连接场景，主要面向车联网、工业控制等垂直行业的特殊应用需求，这类应用对时延和可靠性具有极高的指标要求，需要为用户提供达到毫秒级时延要求的端到端服务和接近百分之百的通信连接可靠性保证。

其中，连续广域覆盖和热点高容量场景主要满足2020年及未来的移动互联网业务需求，也是传统的4G技术主要应用场景。而低功耗大连接和低时延高可靠场景主要面向物联网业务，是5G新拓展的场景，重点解决传统移动通信在过去无法很好支持物联网及垂直行业应用的不足。5G技术对海量設备进行相互连接，通过超宽带对海量数据进行低时延的超高速处理，这无疑将大大促进人工智能技术与物联网技术的深度发展。相较于4G技术，5G技术能够为使用者提供更好的服务质量（Quality of service，QoS），并带来更多更新的功能与应用选择。

根据IMT2020愿景，5G新空口（5G NR）包括五项关键特性：1.毫米波，可实现极高频谱带宽;2.小蜂窝，覆盖范围小、基站密度高;3.大规模多输入多输出（massive MIMO），利用移动通信的多径传播特性允许多个同时的数据流;4.波束成形，可实现可控数据流，改进无线电链路并减少干扰;5.全双工，同频同时收发。而5G核心网络则包括三项关键特性：网络功能虚拟化，可实现全虚拟化架构;网络切片，允许根据用户需求定制逻辑端到端网络;边缘计算，实现资源按需使用，即靠近接入网。

民用場景与战术通信应用场景对应关系

IMT-2020（5G技术）应用实现的技术基础需要关注频段、5G新空口（5G NR）、5G核心网（5G CN）、邻近服务（ProSe）、非地面网络（5G NTN）几个方面。

5G技术使用前几代通信技术的无线电频段的同时，也为对新频段作出了尝试，其中6GHz以上的频段值得关注。

6GHz以上频段，具有传播方向性强、空间相关性高、可用通信频段多等特点，而且能实现高达800MHz的连续大段频谱分配，但毫米波传播损耗大，并且容易受到雨衰和准光学行为的影响。

1.5GHz至6GHz之间的频段，能够实现高达100MHz的足够大的连续频谱分配满足支持eMBB场景实现的要求，能在抗雨衰、覆盖范围和容量之间可以取得较好的平衡，而且允许移动通信网络运营商与LTE无线电站点（Radio Sites）共址部署5G系统。

1GHz以下的低频段可以为5G提供宏覆盖能力，但带宽有限，无法支持eMBB应用场景的实现。

IMT-2020（5G通信网络）的可用频段在权衡覆盖范围和容量的基础上进行划分，中、高频段目前已经实现非常好的协调。除此以外，还将通过授权、共享和非授权等方式接入或聚合在用频段实现对频谱中不同类型频段的使用。

5G新空口（5G New Radio，5G NR）是解决核心网与用户设备之间用于实现移动性管理和其他功能的接口，是5G技术开发的重点。5G无线接入网（Radio Access Network，RAN）由LTE基站（eNodeB，eNB）和5G新空口（5G NR）基站（gNodeB，gNB）组成，有以下三个特点。

一是支持两个不同频段。5G新空口允许通过载波聚合技术或多无线电接入技术的方法实现使用达到100MHz（C-band频段）和400MHz（毫米波频段）不同频段范围的信道，能有效提升带宽为实现eMBB的场景提供支持。

二是物理层设计。4G LTE和5G新空口都使用正交频分复用调（FDM）实现多址接入和无线电资源分配，5G新空口同时提供频分双工（FDD）和时分双工（TDD）两种模式。其中，毫米波仅在时分双工模式下工作。5G新空口进一步将多输入多输出系统（MIMO）的使用扩展到大规模多输入多输出系统，并引入了有源天线概念，实现波束成形和波束控制。

三是集成接入回传（IAB）使用部分5G基站资源用于数据回传，允许5G基站通过5G新空口空中接口相互通信，而且无需将所有5G基站连接到骨干网络，这将有利于实现密集蜂窝网络的部署。

5G技术在eMBB、uRLLC、mMTC场景上的应用要求各不相同，成本、效率和可扩展性始终是推动5G技术发展的驱动力，5G核心网为此提供了一种可扩展的解决方案，以支持不同的应用要求与使用需求。其中，5G核心网最显著的技术特性包括以下三点。

一是网络功能虚拟化。网络功能虚拟化通过软硬件解耦及功能抽象，使网络设备功能不再依赖于专用硬件，资源得到充分灵活共享，新业务得到快速开发和部署，并基于业务的需求进行自动部署、弹性伸缩、故障隔离等操作。

二是网络切片。网络切片是一种网络编排技术，允许移动网络运营商定义主网络的多个子网络，其中每个切片可以针对特定服务和性能目标或特定客户进行优化。网络切片是跨层抽象，它是一种端到端技术，用于实现用户设备、无线接入网和核心网的特定功能，预计3GPP Release17的标准与规范将会涉及网络切片的使用。

三是移动边缘计算。5G技术可以借助移动云计算等技术，通过运行完全独立的5G核心网和使用移动云计算集群的小型5G无线接入网，实现无回传连接的低时延与5G集群的自主运行，数据资源和计算任务也可以因此实现去中心化，并拓展到边缘。

在3GPP中，邻近服务（Proximity Services，ProSe）主要针对用户设备之间（D2D）的通信，无须5G无线接入网或5G核心网支持。其中，D2D最早是在3GPP Release 12的标准与规范中被作为LTE技术引入，但最终未被推广。在5G中，3GPP将D2D技术称为5G直通链路，该技术可应用于小区覆盖扩展、应急/公共安全以及物联网设备之间的连接与交互。

非地面网络（Non-Terrestrial Networks，NTN）将5G新空口技术范围和相关优势通过非地面平台实现扩展，机载5G新空口架构允许移动网络运营商在地面网络不可用位置通过5G新空口空中接口，提供基于5G技术的服务。5G非地面网络可以由卫星、高空平台或任何其他能够搭载5G非地面网络有效载荷的空中载具提供，其中低地球轨道（LEO）卫星和飞机由于传播延迟相对较低而成为最有竞争力的搭载平台。5G非地面通信网络的相关标准和规范预计将会在3GPP Release 17中公布。

由于IMT-2020愿景中确定的许多技术在3GPP Release 15的标准和规范中尚不可用，R15协议仅能实现eMBB以及部分uRLLC，因此目前还不具备实现“5G应用蓝图”的可能，条件还不完全成熟和充分。

5G技术是一项复杂且快速发展的技术，应用生态仍未实现。5G技术的标准化和開发工作进展目前非常迅速，大量研发和测试工作正在进行和准备，而其中的许多关键技术标准仍有待规范，包括基础通信网络建设与应用使用在内的5G技术应用生态还没有形成的条件与基础。

目前关于5G技术应用的落地与实现存在许多误导信息。3GPP Release 15标准和规范仅针对eMBB的应用场景，仅能提供增强型的移动宽带服务，相当于改进增强版本的高速4G数据服务，而物联网、机器类通信、远程控制、5G网络远程医疗等应用的实现还有赖于在3GPP Release 17标准中对uRLLC和mMTC进一步规范的支持。

“IMT-2020”标准化进程

基于5G的天空地一体化通信网络

5G技术的实现和部署仍处于早期阶段，但大量研发工作仍未完成。基于5G技术的通信系统的早期部署实际上仍然是对基于4G LTE的通信网络的扩展，并仅针对eMBB的应用场景，而技术层面、垂直行业领域应用层面的大量必要的研发与准备工作仍未完成。

5G技术发展仍存在许多不确定性。5G技术在规范、开发和实现方面推动了许多技术的发展，但仍存在许多不确定性。例如，将毫米波用于移动通信需要大规模部署5G基站，而毫米波在移动通信环境中的实际传播特性、应用效果仍然有待进一步验证。

民用成果与军事领域应用的实现存在差异。军用装备需要考虑在海洋、沙漠、山地、丛林等无人区与极端恶劣环境下与作战条件下全域全天候的部署与使用，对抗干扰、抗毁性、可靠性、信息安全等方面特殊要求比较高，特定的技术指标与民用设备存在巨大差异。5G技术在民用领域特别是在城市局部区域成功应用的成果未必能移植到军用领域满足军用装备的使用要求，5G技术的民用应用成果转化为军用装备实现军事领域的应用需要进行全方位的评估与验证。

缺乏现成的基于5G技术实现的军事应用成果与产品。尽管5G技术在军事领域的应用有很多设想，但目前现成的基于5G技术的军事应用成果与产品还比较少，无法全面对基于5G技术的应用成果与产品进行比较与评估。

作为新一代通信技术，5G技术应用实现的复杂性和标准化工作目前仍在不断变化中，一些技术特性尚不成熟，应用的实际情况也存在诸多不确定性，从理论到应用落地还面临着许多挑战，最终实现军事领域的应用还有许多问题需要重视与解决。目前，我国在5G技术领域具有先发技术优势和相对超前的建设基础，努力实现5G技术在军事领域的应用，对于推动军事装备发展、打赢未来的智能化战争，意义重大。

责任编辑：刘靖鑫

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