2018年12月，美國國際戰(zhàn)略研究中心發(fā)布《5G技術(shù)將重塑創(chuàng)新與安全環(huán)境》報(bào)告，報(bào)告將當(dāng)前的國際5G通信競爭由技術(shù)層次上升至國家級(jí)戰(zhàn)略層次，認(rèn)為其關(guān)系國家安全。
基于類似的前提，世界多個(gè)國家早已提前展開5G網(wǎng)絡(luò)的部署。2017年，三星（Samsung）公司被曝與美國軍方合作建設(shè)一個(gè)高寬帶5G無線網(wǎng)絡(luò)，使用28吉赫茲毫米波系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行開發(fā)試驗(yàn)，旨在實(shí)現(xiàn)視線聯(lián)網(wǎng)（LOS）技術(shù)；2018年9月，無人機(jī)制造公司AeroVironment宣布與日本軟銀合資成立HAPSMobile公司，開發(fā)平流層無人機(jī)作為5G空中基站。AeroVironment與美國國防部合作密切，占據(jù)了美國國防部86%以上的無人機(jī)訂單。這一項(xiàng)目可視作將5G技術(shù)與無人機(jī)結(jié)合的初步探索，為未來5G在軍用無人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
5G通信技術(shù)促進(jìn)軍用無人機(jī)發(fā)展
無人機(jī)作為新一代無人化裝備，因其隱蔽、靈活、成本低、適用多種作戰(zhàn)環(huán)境的特性，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于情報(bào)偵察、跟蹤定位、戰(zhàn)場搜救、中繼通信、軍事打擊、信息對(duì)抗、戰(zhàn)斗訓(xùn)練等軍事領(lǐng)域，成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭的一支重要空中力量，發(fā)展前景十分廣闊。軍用無人機(jī)快速擴(kuò)展的應(yīng)用場景也對(duì)空中/空地通信能力提出了更高要求，特別是其應(yīng)用常與搜索、偵察、監(jiān)測相關(guān)，這意味著需要傳輸海量視頻數(shù)據(jù)?，F(xiàn)有4G/LTE網(wǎng)絡(luò)雖然能用于部分時(shí)延容忍度高的無人機(jī)應(yīng)用場景，但下行干擾、鄰區(qū)干擾等問題使其數(shù)據(jù)傳輸速率難以滿足未來無人機(jī)日益多樣化的自主飛行需求。而5G作為第五代移動(dòng)通信技術(shù)，將能有效應(yīng)對(duì)無人機(jī)的高可靠低時(shí)延需求，賦能無人機(jī)發(fā)展，從而推進(jìn)空中作戰(zhàn)平臺(tái)的革新?？梢哉f，5G通信技術(shù)具有重大戰(zhàn)略意義，將在較大程度上改變未來的空中作戰(zhàn)形態(tài)。
5G網(wǎng)絡(luò)能力
5G是新一代數(shù)字蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使用超高頻（3～30吉赫茲）頻段進(jìn)行通信以實(shí)現(xiàn)速度更高的數(shù)據(jù)傳輸，在通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)核心性能指標(biāo)上相對(duì)于4G具有較大程度的提升。
根據(jù) IMT-2020 要求，5G 的峰值數(shù)據(jù)傳輸速率預(yù)計(jì)可高達(dá) 20 吉比特/秒，比現(xiàn)有的4G LTE技術(shù)提高了100倍，使得超高清視頻的實(shí)時(shí)傳輸成為可能；此外，5G的切換及QoS的最大速度達(dá)到500千米/時(shí)，這意味著5G將能滿足高速移動(dòng)的物體（高鐵、飛行器等）間的通信；在響應(yīng)速度方面，5G的網(wǎng)絡(luò)延遲低于1毫秒，使得它能夠滿足低延時(shí)容忍度的應(yīng)用場景需求；在能量使用效率方面，5G收發(fā)每單位的數(shù)據(jù)消耗的能量同4G相當(dāng)，并不會(huì)消耗更多能源。
5G應(yīng)用于軍用無人機(jī)的優(yōu)勢
5G通信網(wǎng)絡(luò)高速率、高可靠、低時(shí)延、低功耗的特性，以及它采用的某些獨(dú)特技術(shù)，使得它能夠?qū)崿F(xiàn)軍用無人機(jī)的快速空地及空中通信，滿足無人機(jī)的多樣化業(yè)務(wù)需求，并提升其自主性，加速無人裝備的智能化演進(jìn)，大大延展無人機(jī)的應(yīng)用場景，對(duì)未來戰(zhàn)爭具有重要的推進(jìn)作用。
提升無人機(jī)通信能力，滿足多樣化業(yè)務(wù)需求。無人機(jī)空中通信網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要特點(diǎn)是其三維性質(zhì)。傳統(tǒng)地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)端可視作二維平面上的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，而無人機(jī)空中通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)是在三維空間中高速移動(dòng)，引起頻繁的拓?fù)渥兓??？紤]到這些特點(diǎn)，空中通信網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議在移動(dòng)性建模方面應(yīng)該具有更高的靈活性，并解決三維空間中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的精準(zhǔn)覆蓋問題。5G網(wǎng)絡(luò)使用大規(guī)模多入多出（Massive MIMO）技術(shù)，即基站的多天線陣列使用同一時(shí)間和頻率資源滿足空間上分離的多位用戶的需求。傳統(tǒng)的2D-MIMO只能在水平方向進(jìn)行信號(hào)覆蓋，而Massive MIMO在傳統(tǒng)的2D MIMO基礎(chǔ)上增加了垂直維度，具有豐富的空間自由度，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的立體覆蓋，吻合了無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的三維性質(zhì)，并能夠通過3D波束賦形對(duì)無人機(jī)空中通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)定位。同時(shí)，Massive MIMO為信號(hào)提供了更多的可能到達(dá)路徑，提升了無人機(jī)通信能力和可靠性。
經(jīng)過5代的發(fā)展5G將擁有更高的傳輸速度和更高的容量
此外，軍用無人機(jī)的應(yīng)用場景包括戰(zhàn)場救援搜索、追蹤監(jiān)測、中繼通信、導(dǎo)航、集群協(xié)作等，這些任務(wù)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)間、可靠性、傳輸速率具有不同要求，如集群協(xié)作、自動(dòng)飛行、導(dǎo)航需要傳輸高清視頻，需要較高數(shù)據(jù)速率和較低時(shí)延，而非高清的追蹤、搜索等場景可以容忍較高的時(shí)延，要求一定傳輸速率。
現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延一般在30-70毫秒之間，難以滿足自動(dòng)飛行、集群協(xié)作等無人機(jī)時(shí)延敏感型業(yè)務(wù)的需求，其數(shù)據(jù)傳輸速率也無法滿足導(dǎo)航等需要實(shí)時(shí)傳輸高清視頻的場景，而5G低于1毫秒的網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度和高達(dá)20吉比特/秒的峰值傳輸速率可輕松滿足以上任務(wù)需求。另外，5G通信采用網(wǎng)絡(luò)切片（Network Slicing）技術(shù)，將現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源根據(jù)特定功能或業(yè)務(wù)需求進(jìn)行劃分，組成不同的邏輯網(wǎng)絡(luò)切片。各網(wǎng)絡(luò)切片互不干涉，能為用戶提供特定的網(wǎng)絡(luò)能力和網(wǎng)絡(luò)特性。由于無人機(jī)的上述應(yīng)用場景對(duì)于帶寬、時(shí)延等需求各不相同，因此網(wǎng)絡(luò)切片能夠發(fā)揮靈活應(yīng)變能力，使無人機(jī)可根據(jù)具體業(yè)務(wù)需求定制網(wǎng)絡(luò)切片，滿足無人機(jī)多種業(yè)務(wù)的差異化應(yīng)用需求，達(dá)到優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)、降低成本、提高資源利用效率的目的。
改善信息傳輸保密性，增強(qiáng)戰(zhàn)場信息對(duì)抗能力。對(duì)于軍用無人機(jī)而言，通信系統(tǒng)的加密一直是關(guān)鍵技術(shù)之一，直接關(guān)系到作戰(zhàn)成敗。2009年美軍在伊拉克的行動(dòng)中，其無人機(jī)信號(hào)遭到伊拉克方截獲，使得他們能夠及時(shí)撤離，令美軍多次軍事行動(dòng)落空。2016年的舊金山RSA信息安全大會(huì)上，安全研究專家尼爾斯·羅德（Nils Rodday）宣布已經(jīng)開發(fā)出高端專用無人機(jī)的遠(yuǎn)程劫持技術(shù)，他發(fā)現(xiàn)荷蘭警方使用的無人機(jī)與飛行控制模塊的通信數(shù)據(jù)并未得到加密，因此能夠通過無人機(jī)的無線連接系統(tǒng)漏洞，獲取無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的控制權(quán)，甚至能讓無人機(jī)直接墜毀。
無人機(jī)的安全問題正受到軍方的日益重視。2017年12月，通信公司Viasat宣布與美國空軍合作，完成“迷你加密”項(xiàng)目的生產(chǎn)準(zhǔn)備審查，該項(xiàng)目可實(shí)現(xiàn)軍用無人系統(tǒng)的敏感數(shù)據(jù)通信加密。然而通信系統(tǒng)的加密將對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸速率產(chǎn)生影響，導(dǎo)致通信延遲。上述尼爾斯·羅德發(fā)現(xiàn)的無人機(jī)漏洞便是遙測模塊芯片為了減少指令延時(shí)而取消了加密功能所致。因此安全性與通信效率之間的矛盾也一直是亟待解決的問題之一。
5G通信網(wǎng)絡(luò)由于其出色的數(shù)據(jù)傳輸速率表現(xiàn)，能夠在保證通信效率的前提下，進(jìn)行更高級(jí)別的數(shù)據(jù)加密。前美國國防部首席信息官特里·哈沃森在2017年的一次采訪中表示，5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高速率和低延時(shí)，由于擁有了更高的帶寬，所以能使用更高級(jí)別的加密技術(shù)而不會(huì)影響連接速度。5G通信技術(shù)將提高軍用信息傳輸?shù)谋Ｃ苄?，增?qiáng)戰(zhàn)場的信息保護(hù)和信息對(duì)抗能力。
5G蜂窩傳輸路徑效果圖
加速空中作戰(zhàn)平臺(tái)智能化轉(zhuǎn)變，推動(dòng)無人機(jī)集群作戰(zhàn)。目前，武器裝備的智能化改造和軍隊(duì)的智能化建設(shè)已成為趨勢，在此過程中，5G通信技術(shù)將扮演“催化劑”的角色。這一賦能作用的原因在于隨著計(jì)算重心從云端向邊緣漂移，人工智能的推理與執(zhí)行也開始向移動(dòng)終端拓展，使邊緣智能成為新的發(fā)展趨勢，而5G高速率、低延時(shí)的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)智能化所需的數(shù)據(jù)高效連接，消除云端與邊緣通信時(shí)網(wǎng)絡(luò)延遲的問題，提供穩(wěn)健全新的URLLC和eM兆服務(wù)，從而極大程度地豐富邊緣智能的應(yīng)用場景，助力指揮控制平臺(tái)、空中作戰(zhàn)平臺(tái)等由“精確化”向“智能化”轉(zhuǎn)變。這一趨勢在無人機(jī)領(lǐng)域已經(jīng)產(chǎn)生了直接映射。2017年12月，美國國防部的算法戰(zhàn)跨職能小組（AWCFT）使用人工智能技術(shù)處理美軍掃描鷹（ScanEagle）無人機(jī)的拍攝影像，提升其對(duì)視頻中人類、建筑等對(duì)象的識(shí)別正確率。試驗(yàn)開始一周后計(jì)算機(jī)的識(shí)別正確率達(dá)到了80%。
5G賦能邊緣智能技術(shù)之后，將使無人機(jī)的蜂群技術(shù)產(chǎn)生突破，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模協(xié)同作戰(zhàn)。2018年1月，美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）贊助在匹茲堡卡內(nèi)基梅隆大學(xué)建立了網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施計(jì)算研究中心CONIX，其研究目標(biāo)之一便是借助邊緣智能，為大規(guī)模協(xié)作無人機(jī)集群提供按需實(shí)時(shí)感知信息，在快速演進(jìn)的戰(zhàn)術(shù)環(huán)境中支持人機(jī)協(xié)作。由于無人機(jī)集群協(xié)作需要將時(shí)延控制在1毫秒左右，此前網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度一直是這項(xiàng)技術(shù)需要努力解決的挑戰(zhàn)之一，也因此現(xiàn)有無人機(jī)集群多為小規(guī)模編隊(duì)，缺乏大規(guī)模集群節(jié)點(diǎn)之間的信息交換能力。而5G的端到端通信時(shí)延低于1毫秒，這足以支撐無人機(jī)大規(guī)模集群協(xié)作的需求。未來隨著5G通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋逐漸完善，無人機(jī)集群的自主性也將隨之進(jìn)一步提高，完成復(fù)雜度更高的作戰(zhàn)任務(wù)，甚至刷新空中戰(zhàn)場形態(tài)。
無人機(jī)對(duì)5G通信的反哺
在受到5G通信技術(shù)助力的同時(shí)，無人機(jī)本身也可以作為信息節(jié)點(diǎn)，以空中平臺(tái)的身份為5G網(wǎng)絡(luò)提供持久的數(shù)據(jù)中繼和通信服務(wù)，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)連接范圍，對(duì)5G進(jìn)行“反哺”。相對(duì)于傳統(tǒng)通信基站，無人機(jī)基站的優(yōu)點(diǎn)在于其巨大的靈活性，能夠任意指定基站位置，覆蓋范圍廣，并可根據(jù)用戶需求隨時(shí)遷移，降低基站建設(shè)成本，優(yōu)化資源配置。2016年2月，谷歌被曝正在開展名為“Skybender”的計(jì)劃，在美國新墨西哥州的美國太空港試驗(yàn)將無人機(jī)作為高空基站，傳送5G信號(hào)，從而達(dá)到向偏遠(yuǎn)地區(qū)提供網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)的目的。
美國國際戰(zhàn)略研究中心發(fā)布《5G技術(shù)將重塑創(chuàng)新與安全環(huán)境》報(bào)告
無人機(jī)5G基站在軍事領(lǐng)域也有巨大的應(yīng)用前景。利用無人機(jī)作為中繼通信節(jié)點(diǎn)，軍隊(duì)將能在無任何支持性基礎(chǔ)設(shè)施的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)5G級(jí)別的戰(zhàn)場信息終端的互聯(lián)互通，而無需頻繁調(diào)動(dòng)軍用通信衛(wèi)星等資源，顯著降低行動(dòng)成本，這對(duì)需要在海上/自然災(zāi)害/極端條件環(huán)境下作戰(zhàn)的機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)部隊(duì)來說尤為重要，從而極大程度地提升戰(zhàn)術(shù)通信保障能力。
5G之于軍用無人機(jī)的挑戰(zhàn)
盡管5G技術(shù)之于軍用無人機(jī)有著巨大的應(yīng)用前景，但成熟落地之前仍然存在諸多痛點(diǎn)。其一是覆蓋范圍較小。軍用無人機(jī)因其偵察、搜救、打擊等用途，不可避免地會(huì)在基站分布稀疏的偏遠(yuǎn)地區(qū)執(zhí)行任務(wù)。而5G相較4G傳輸距離更短，信號(hào)覆蓋能力較弱，使得無人機(jī)將更容易面對(duì)5G有用信號(hào)過差的問題。其二是5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃難度較高。5G Massive MIMO增加了垂直維度，這固然使得它有利于為無人機(jī)建立三維的空中通信網(wǎng)絡(luò)，但也意味著無人機(jī)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工作將變得更加復(fù)雜。同時(shí)，5G網(wǎng)絡(luò)相對(duì)4G所需的通信基站密度上升，增加了傳輸節(jié)點(diǎn)數(shù)量上升的問題，也大大提高了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，加重了運(yùn)維負(fù)擔(dān)。
盡管可以使用上文提到的無人機(jī)作為中繼通信節(jié)點(diǎn)來部分改善這些問題，但由于續(xù)航能力的考慮，無人機(jī)較難長時(shí)間滯空工作。目前連續(xù)飛行時(shí)間最長的無人機(jī)之一是空客公司的Zephyr S無人機(jī)，曾在測試中成功飛行了25天23小時(shí)57分鐘，但大部分無人機(jī)仍然無法進(jìn)行長時(shí)間作業(yè)。此外，無人機(jī)基站面臨的共同問題還包括地面保障系統(tǒng)復(fù)雜、維護(hù)保養(yǎng)復(fù)雜等。因此在很長時(shí)間內(nèi)，無人機(jī)5G基站只能作為應(yīng)急方案。另一個(gè)解決手段是邊緣計(jì)算技術(shù)。邊緣計(jì)算中心部署于終端設(shè)備附近后，能夠在數(shù)據(jù)源頭進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，使得無人裝備能夠根據(jù)反饋進(jìn)行實(shí)時(shí)行動(dòng)，降低數(shù)據(jù)傳輸距離與延遲時(shí)間，減輕對(duì)與終端技術(shù)源的通信的依賴。目前Axellio公司已開發(fā)出無人機(jī)能夠搭載的輕量級(jí)邊緣計(jì)算平臺(tái)FabricXpress。云計(jì)算公司NUTANIX曾使用英特爾公司的NUC服務(wù)器和自研的NutanixEnterprise云平臺(tái)構(gòu)建一個(gè)基于邊緣的計(jì)算范式，提升無人機(jī)的數(shù)據(jù)吞吐量和處理能力。但邊緣計(jì)算仍舊處于發(fā)展初期，要適應(yīng)不斷發(fā)展的無人機(jī)通信需求，仍然需要更多解決手段應(yīng)對(duì)5G的痛點(diǎn)。
未來展望
目前來看，5G通信技術(shù)尚未完全成熟，在軍用無人機(jī)上的應(yīng)用還有相當(dāng)大的進(jìn)步空間，需要多方的全面合作和持續(xù)投入，突破數(shù)個(gè)技術(shù)難關(guān)才能最終落地，發(fā)展之路任重而道遠(yuǎn)。但隨著5G技術(shù)發(fā)展完善，“萬物互聯(lián)”將逐漸化為現(xiàn)實(shí)。當(dāng)除了軍用無人機(jī)之外，其他武器裝備也配備5G通信能力之后，將推動(dòng)戰(zhàn)場全域信息終端和平臺(tái)的互聯(lián)，形成覆蓋空天的信息網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)高度一體化戰(zhàn)場控制。同時(shí)5G將與人工智能技術(shù)進(jìn)一步融合，加速軍隊(duì)的智能化建設(shè)，大幅增強(qiáng)空天力量，形成智能化的軍事新體系，從而以現(xiàn)在或許難以想象的程度極大改變未來作戰(zhàn)的模式。
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