5G军事应用场景及专网部署研究

廖晶静，欧新建

（武汉船舶通信研究所，武汉 430205）

0 引言

现代战争是基于信息系统的体系作战，信息量呈爆炸式增长，数据体量也越来越大，对军事通信保障能力提出了越来越高的要求［1］。5G网络是指在移动通信网络发展中的第5代移动通信技术，属于当前一种新型的网络方式，具有超宽带、海量连接、高可靠、低时延的特点。其在网络带宽、峰值速率、时延、可行性、单位面积连接数等指标上较4G有跃变，同时将大量设备、终端接入网络提供服务，实现从人与人的通信向万物互联转变［2-4］。国内外各大运营商纷纷结合5G技术与前沿技术使能垂直行业，阿里达摩院于2020年3月成立X G实验室，现阶段聚焦于依托云计算开展5G技术和应用的协同研发。可见，5G与当前的云计算、大数据、人工智能、物联网等主流技术交融，将会形成全新的、开放融合的智能化网络，在诸多领域引起颠覆性变革。2018年12月，美国国际战略研究中心发布题为《5G技术将重塑创新与安全环境》的报告。报告指出，5G通信技术具有重要的军事价值，可用于机器人、人工智能和大量先进的传感设备之中，将成为新军事能力的基础技术。2019 年1 月，据《纽约时报》中文网报道，特朗普政府将5G 定性为“新军备竞赛”。可以预见，军事领域的信息系统拥有5G 的加持，将推动智能化战争的加速到来，因而关于5G 军事应用场景的研究尤为必要。

本文针对军事通信面临的系统架构优化、多应用承载、协同通信和无线局域网需求，根据军事实际需求设计不同的应用场景，开展对5G 通信中的速率、时延和连接数，以及部署效率等关键能力，大规模天线阵列、多载波技术、全双工复用、超密集网络、软件定义网络、网络功能虚拟化、网络切片和边缘计算等关键技术在军事通信中的转化应用研究，以提升5G 技术军事化应用的效能。

1 5G 应用场景及关键技术

国际电信联盟（ITU，International Telecommunications Union）在ITU-R 第22 次WP5D 会议上，确定了未来的5G 具有以下三大主要的应用场景［5］：增强移动宽带（eMBB，enhanced Mobile Broadband）、海量机器类通信（mMTC，massive Machine Type Communication）和超可靠低时延通信（uRLLC，ultra-Reliable Low Latency Communication），服务对象将20 %面向人，80 %面向物。下一代移动通信网络联盟（NGMN，Next Generation Mobile Networks） 形成的NGMN 5G 白皮书定义了5G 的8 类应用场景，分别是密集区域宽带接入、无处不在宽带接入、超高移动性、大规模物联网、超实时通信、应急通信、超高可靠性通信和广播通信，为5G 网络及应用模式的发展方向提供了参考。中国IMT-2020（5G）推进组在第二届IMT-2020（5G）峰会面向业界发布的《5G愿景与需求白皮书》［6］中提出，与以往移动通信系统相比，5G 需要满足更加多样化的场景和极致的性能挑战，从移动互联网和物联网主要应用场景、业务需求及挑战出发，提炼出连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠4 个5G 主要技术场景。

无论是哪种应用场景划分方式，均是从业务应用的实际需求出发，应用5G 的大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构等关键技术［7］，以适应不同场景的性能指标需求。同样，针对5G 军事应用场景，在考虑不同技术共存可能性的前提下，也需要合理选择5G 关键技术的组合来满足这些需求。

基于软件定义网络/网络功能虚拟化的5G 架构［8］场景下人与人、人与物、物与物之间的差异化通信业务需求；多接入边缘计算技术［9-10］可使军事业务本地化、近距离部署，按需提供低时延、高带宽的传输能力；新型宽带多跳无线自组织网络技术可实现网络在强对抗环境下的快速部署和智简构造，满足物联网、应急通信、移动承载网等军事化应用场景；D2D 通信技术［11］可用于实现编队自组网互联通信；集中式接入网（C-RAN）技术［12］能提供网络资源集中化、协作化、无线云化等能力，满足有限的军用无线网络资源高效、灵活调度的需求。

同时，还可深入挖掘5G 关键技术的具体军事应用潜力。面向军用无线通信系统的多手段协同优化、高可靠低时延组网、频谱安全共享、毫米波应用等关键技术，可用于提高军用通信系统能力水平；超大规模天线、新型信道编码、同时同频全双工、多址接入等技术，能加强军用通信系统传输速率、组网效率、抗截获等能力；借鉴5G 软件定义的网络架构，以及端到端网络切片等技术，可探索光缆、卫星、短波等各类军用通信网络资源与5G 技术融合的按需调度、灵活部署。

2 5G 军事应用场景研究

2.1 5G 军事应用关键性能指标体系

军事通信网络是保障军事行动高效、顺畅推进必不可少的手段，是影响作战能力的关键要素之一，对军事通信的基本要求是：迅速、准确、保密、不间断。军事通信网络具有与民用网络不同的特性，如缺少大规模固定基础设施支撑、网络拓扑动态变化、电磁环境和传播条件复杂等。具体包括：一是海域、空域及敌域的军事通信网络无法依托固定基础设施，不能像民用通信网络可布设固定基站；二是军事通信网络对海、陆、空、天广域覆盖和多域互联，提出了民用通信网络未尝考虑的要求；三是较民用网络固定核心网加接入网的模式，军事通信网络的拓扑是时刻动态变化的；四是军事通信网络需要具备抗强电磁干扰和可信安全传输的能力，保密性更好，可靠性更高；五是要满足在恶劣天候、多变地形的作战环境下的通信能力。

随着新时期军事作战样式转变以及执行任务多样化呈现，军事通信当前面临以下4 方面典型需求。一是优化体系架构。舰载/车载/机载通信系统内部、通信与其他平台系统都采用了不同的体系架构和技术体制，导致装备种类多、功能专用、兼容性差，需进一步优化。二是通信承载多应用需求。随着各种多功能一体化系统的推进，通信将面临更多不同的应用场景，对网络的时延、带宽、移动性、安全性和可靠性的要求都不一样，需要构建面向不同应用场景需求的多种类型的网络。三是协同通信困难。我军作战样式当前正从平台中心战向网络化协同作战转变，各作战平台之间协同信息对传输时延的要求极高，但由于传输数据类型复杂多样，信息量大，导致传输时延不能很好满足要求。四是无线局域网需求，在局部登陆作战或护航撤侨任务中，需要临时搭建机动性强的局域网，满足军民通信需求。在军队大规模物资管理方面，网络化和信息化可大幅提高管理效率。

《5G愿景与需求白皮书》提出，未来5G移动通信系统除关注用户体验速率、连接数密度和时延等性能需求外，还需关注频谱效率、系统能效等效率需求。性能需求和效率需求共同定义了5G的关键性能指标。而在军事化应用中，还应考虑军事任务的优先等级、执行任务的可靠性要求和军事通信网络在强对抗环境下的安全性要求，因而将5G军事化应用性能指标定义为八大类：优先级、时延、可靠性、用户速率、移动性、连接密度、安全分级、能效。如表1所示。

表1 5G军事化应用关键性能指标体系

2.2 军事应用场景分类

军事化应用场景是基于实际军事任务需求和联合作战任务特点，提取出作战指挥、作训演习、后勤保障和特装保障四大类典型应用场景，根据部队实际应用需求开展实例化设计，研究典型应用场景示例的组成要素和信息流程，有大容量接入、高机动互联和强对抗传输的能力需求。

作战指挥是指对抗激烈条件下战场实战指挥的应用场景，承载指挥信息、话音通信，要求机动性、广覆盖、加密互联互通，对接第三方应用平台。机动组网方式，包括舰/机/车动态组网、舰/机/车区域组网，以及升空平台和便携背负式5G通信装备。

作训演习是指想定条件下实施演习训练活动的应用场景，作训基地固定和机动网结合，可以承载演习导调系统，实现大用户量、海量小数据包，以及远程视频/信息采集，实现大容量、广覆盖、高可靠信息传输。固定组网加机动组网结合方式，包括作训基地固定网络、舰/机/车区域组网。

后勤保障是指部队组织实施物资经费供应、各类勤务保障的应用场景，数字化军营等固定网络，主要为园区信息化解决方案建设，系统融合。固定组网加机动组网结合方式，包括数字化营区5G网络，通信指挥舰/车。

特装保障是指特装平台内部执行各类军事任务保障的应用场景，机动式固定组网，在移动的平台内建设5G专网，解决内部通信。

未来面向海、陆、空、天、电联合的体系作战中，作战指挥、后勤保障和特装保障等场景是同步进行的，要保证机动式组网与固定组网共存的多张5G专网互联互通，考虑专网的接入和汇聚，实现层级次核心网统一管控，保证专网跨域互通。同时利用5G面向服务和云原生的架构，能保证网络重构和运维自动化，使得在强对抗战场中失效的核心网功能可敏捷部署，提升网络的可靠性和抗毁性。

2.3 5G军事应用内涵与外延

图1 4种典型5G军事应用场景

5G军事应用包括5个层次，第1个层次是基于商用网络，即直接从运营商的5G公网中划分专用的军事网络切片资源；第2个层次是基于商用系统，即采购目前成熟的商用5G系统搭建5G网络；第3个层次是基于商用标准，即采用5G商用标准开发军事5G系统和设备，搭建5G专网；第4个层次和第5个层次是采用5G理念和技术研制适合军事应用的专网系统。对标这5个层次，可以分阶段、分步骤指导5G军事应用的推进，牵引5G在军事领域的创新方向。

5G军事应用是结合5G技术特点和军事化应用场景通信网络能力需求，一方面将5G关键技术用于军事化应用场景，直接提升战场通信能力，赋能军事信息系统。包括大规模天线（Massive MIMO）、超密集组网、全频谱接入等5G无线空口技术大幅提升传速率，核心网面向服务的体系架构（SBA）、网络功能虚拟化（NFV）、软件定义网络（SDN）等5G网络架构技术及端到端切片编排管理技术，为战场提供按需差异化服务，提升作战效能。另一方面赋能新兴技术融入军事化应用场景，间接促进新型军事能力生成，变革战场作战模式。5G不仅仅是通信技术本质的飞跃，更重要的是能够整合人工智能、云计算、物联网等新兴技术，促进智能化作战，推动海量战场资源高速共享，加速释放其战争潜能。

图2 5G军事应用内涵与外延

3 5G军事应用专网部署

军事通信网络在利用5G大带宽、低时延、高可靠、多连接的网络能力和边缘计算的同时，更需要保证信息传输的安全可信和运行维护的可管易控，因而要应用5G技术提升军事效能，就必须构建军事5G专网提供差异化的定制网络，来满足多元化的军事应用场景，其本质是希望建设一张可独享、安全可靠、低成本的定制网络。

目前业界针对2B垂直行业的5G专网有7种部署方案，面向不同业务需求和安全隔离需求可选取不同的专网部署方案。5G核心网架构最大变革是将其分为控制面与用户面，从控制面与用户面的共建和分离情况，可以大致将专网分为如下4种：

1）核心网、承载网和5G基站都与公网共建，包括网络的控制面和用户面，5G专网与公网端到端共享。实际运作过程就是端到端网络切片，即基于5G公网，为5G专网端到端切出一个“切片子网络”。在这种部署方式下，用户信息和数据流量的安全性取决于网络切片能力，可用于安全要求相对较低、地理位置固定的后勤保障类场景。如果运营商的边缘云的位置离数字化营区很近，那么网络时延就很低，也就能实现例如营区内无人巡逻车的低时延保障。而且由于与运营商公网共建，该部署方式运维成本较低。

图3 与公网端到端网络切片的5G军事应用专网

2）基于公网频段或专网频段建设独立专网，网络的控制面和用户面与公网完全隔离。所谓5G专网频段，指决策者为垂直行业专门分配的5G频段。有了5G专网频段，意味着垂直行业在频谱资源上不再受制于运营商，而可以自建专网。由于工信部给各运营商分配的频谱资源有限，在后续专网标准出来后，应该会具备专门分配的军事通信频谱资源。这种部署方式由于与公网完全隔离，可保障军事应用数据的绝对安全。而且可将核心网到无线接入网都部署于作战平台上，数据来回传输距离短，网络时延低。即使公网发生光缆被挖掘机挖断、拥塞等情况，也不会影响专网，可靠性高。适合部署于机动性、安全性和可靠性要求较高的作战指挥和特装保障场景。但该种方案由于是独立成网，部署成本高，运维专业性要求高。

图4 与公网完全隔离的5G军事应用专网

3）控制面与5G公网共享，用户面单独部署，专网和公网的控制面功能（身份验证、移动性管理等）均由公网相关网元实现。在这种部署下，信令需要经过公网的控制面，而数据可以在专网内部流通。相较于第2种方式，其在数据安全性和隐私保护方面可能会差一点，适用于安全隔离要求不是特别高的作训演习和后勤保障等场景，但随之网络运维成本会低一些。

图5 与公网控制面共享、用户面隔离的5G军事应用专网

4）控制面、用户面均与5G公网共享，但在专网边缘侧部署了边缘计算MEC的数据面，负责在无线接入网及核心网之间提供数据转发通路，实现数据流量的本地卸载。MEC的数据面对来自基站的分组数据包的目标IP地址进行解析，如果IP数据包是本地流量，则将其路由到内部专网。因此，可将公网流量和专网流量分开，从而保障专网数据的安全。这种部署较第3种方案而言，由于不用在专网部署用户面，成本大幅降低，而且可实现在一定安全保证下的公网日常通信和专网专用通信。适用于智慧军港等后勤保障类场景，将装备物资信息限于专网内传输，而日常通话、短消息等非密信息可在公网传输。

图6 与公网共享、部署边缘计算的5G军事应用专网

目前我海军正处于远海防卫战略转型阶段，登岛作战，远洋护航以及多军兵种协同作战等未来战争行动将远离本土作战，特装平台上的5G专网可采用第2种部署方案。但5G覆盖范围有限，可考虑融合卫星、微波等通信手段，用无线手段延伸承载网，或联通各自核心网，满足广域作战的要求。

4 与现有信息基础网络的融合

我军现有信息基础网络包括基地、军营、特装平台的光纤有线网络，单兵、车、机、船及岸基指挥所间的短波、超短波、微波、卫星等无线通信网络，以及部分军兵种已部署的4G LTE专网。

5G军用专网部署上，应充分利用现有基础设施，如改造光纤有线网络使其具备切片功能，作为5G专网的承载网，在架构上实现固移融合。在具备4G LTE专网的军事基地，可采用NSA架构，将5G接入4G核心网，待商用标准成熟后，可进行加改装，逐步向SA专网架构演变，除保证大带宽能力外，还可发挥5G低时延、高可靠和广连接的能力，利用5G端到端切片的特性，满足不同军事场景下的差异化网络需求。

对于短波、超短波、微波、卫星等无线通信基础设施，近期考虑快速接入的情况下，可通过网关实现原有无线通信与5G专网通信业务互通，实现功能融合；远期在商用标准成熟及军用5G专网具备固移融合的研究基础下，可基于5G核心网，实现上述军用无线通信网络接入无感知，保证上述无线网络作为接入网，实现接入网业务在5G网络架构上的融合。

5 5G军事应用发展趋势

根据典型5G军事应用场景的专网构建中拟突破的关键技术，并结合未来战场的智能化、无人化、扁平化，参照目前技术发展状态，5G 军事化应用技术发展趋势可推测如下。

5.1 5G 敏捷服务军事赋能技术向软件定义云服务方向发展

现代信息化战争对信息有海量需求的同时，还需要能够实现极高的变更响应需求。为了满足这一需求，软件定义云服务将会是下一阶段可预测的发展方向，在5G 微服务、切片编排的基础上，结合软件定义云服务技术，提供自主可控和软件敏捷配置的信息服务，响应瞬息万变的军事需求。

5.2 5G 军事安全运营设计技术向网络内生安全发展

基于安全分级策略，进一步通过大数据、人工智能驱动的分析引擎构建的军事安全运营设计技术，在军事应用数据中发现、定位、分析网络异常行为，实时阻拦，利用5G 网络功能模块系统构建策略以及用户面下沉的技术发展趋势，落实5G 新型网络架构下的内生安全机制，其安全策略是通过安全措施5G 网络叠加构建的。

5.3 数字化5G 军事智联技术向万物、数字孪生5G 赋能发展

数字孪生技术是将物理设备的各种属性映射到虚拟空间中，数字化5G 军事智联技术将依赖5G 物联网和大数据技术，通过采集有限的战场传感器指标直接数据，通过机器学习推测出一些战场环境无法测量的指标，实现对当前战场状态的评估、对过去发生问题的诊断，以及对未来趋势的预测。

5.4 5G 移动战术边缘服务分布式智能架构向无人武器装备方向发展

5G 大带宽、低时延、广联接的特性，可以促进在有智能需求的军事化应用场景，将弱人工智能升级为满足强人工智能，比如无人机、无人车和无人艇的应用，未来通过“5G 分布式网络+分布式智能节点”，提升单智能体的边缘决策，进一步推动无人作战。

5.5 5G 无线信号抗自扰组网接入技术向广域覆盖发展

利用5G 新空口NR，结合无线信号抗自扰组网接入，可以解决高速平台特装保障移动通信网络覆盖的问题，但是编队乃至海、陆、空、天协同联合作战的高速移动通信网络基础仍然难以构建。未来支持广域覆盖的高速移动组网技术将是下一步的发展方向，为建海、陆、空、天、电五位一体的联合作战体系提供具有更高带宽、更低时延，更高可靠性的广域无线网络基础。

6 结论

5G 作为一种集最新技术和理念的移动信息化服务解决方案，具有重要的军事价值，一方面可极大提升通信能力，直接推动军事信息系统变革；另一方面，为战场构建开放的弹性信息服务体系，间接促进新型军事能力生成，加速智能化军事变革进程。5G 要在未来战争中真正发挥其军事应用潜力，须全面开展5G 军事化应用场景设计研究，深入研究分析5G 关键技术和专网适用性，探索将5G 技术应用于战争各环节各领域的可行性，并摸清能力边界，带动作战能力全面提升。