5G通信技术促进军用无人机发展

2019 年 3 月 25 日 未来产业促进会

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来源：军事文摘2019年第4期

作者：卞颖颖

2018年12月，美国国际战略研究中心发布《5G技术将重塑创新与安全环境》报告，报告将当前的国际5G通信竞争由技术层次上升至国家级战略层次，认为其关系国家安全。

基于类似的前提，世界多个国家早已提前展开5G网络的部署。2017年，三星（Samsung）公司被曝与美国军方合作建设一个高宽带5G无线网络，使用28吉赫兹毫米波系统和设备进行开发试验，旨在实现视线联网（LOS）技术；2018年9月，无人机制造公司AeroVironment宣布与日本软银合资成立HAPSMobile公司，开发平流层无人机作为5G空中基站。AeroVironment与美国国防部合作密切，占据了美国国防部86%以上的无人机订单。这一项目可视作将5G技术与无人机结合的初步探索，为未来5G在军用无人机领域的应用奠定了基础。

无人机作为新一代无人化装备，因其隐蔽、灵活、成本低、适用多种作战环境的特性，已经广泛应用于情报侦察、跟踪定位、战场搜救、中继通信、军事打击、信息对抗、战斗训练等军事领域，成为现代战争的一支重要空中力量，发展前景十分广阔。军用无人机快速扩展的应用场景也对空中/空地通信能力提出了更高要求，特别是其应用常与搜索、侦察、监测相关，这意味着需要传输海量视频数据。现有4G/LTE网络虽然能用于部分时延容忍度高的无人机应用场景，但下行干扰、邻区干扰等问题使其数据传输速率难以满足未来无人机日益多样化的自主飞行需求。而5G作为第五代移动通信技术，将能有效应对无人机的高可靠低时延需求，赋能无人机发展，从而推进空中作战平台的革新。可以说，5G通信技术具有重大战略意义，将在较大程度上改变未来的空中作战形态。

5G网络能力

5G是新一代数字蜂窝网络技术，使用超高频（3～30吉赫兹）频段进行通信以实现速度更高的数据传输，在通信技术标准核心性能指标上相对于4G具有较大程度的提升。

根据 IMT-2020 要求，5G 的峰值数据传输速率预计可高达 20 吉比特/秒，比现有的4G LTE技术提高了100倍，使得超高清视频的实时传输成为可能；此外，5G的切换及QoS的最大速度达到500千米/时，这意味着5G将能满足高速移动的物体（高铁、飞行器等）间的通信；在响应速度方面，5G的网络延迟低于1毫秒，使得它能够满足低延时容忍度的应用场景需求；在能量使用效率方面，5G收发每单位的数据消耗的能量同4G相当，并不会消耗更多能源。

5G应用于军用无人机的优势

5G通信网络高速率、高可靠、低时延、低功耗的特性，以及它采用的某些独特技术，使得它能够实现军用无人机的快速空地及空中通信，满足无人机的多样化业务需求，并提升其自主性，加速无人装备的智能化演进，大大延展无人机的应用场景，对未来战争具有重要的推进作用。

提升无人机通信能力，满足多样化业务需求。无人机空中通信网络的一个重要特点是其三维性质。传统地面移动通信网络中，移动端可视作二维平面上的移动节点，而无人机空中通信网络的节点是在三维空间中高速移动，引起频繁的拓扑变化。考虑到这些特点，空中通信网络的通信协议在移动性建模方面应该具有更高的灵活性，并解决三维空间中网络节点的精准覆盖问题。5G网络使用大规模多入多出（Massive MIMO）技术，即基站的多天线阵列使用同一时间和频率资源满足空间上分离的多位用户的需求。传统的2D-MIMO只能在水平方向进行信号覆盖，而Massive MIMO在传统的2D MIMO基础上增加了垂直维度，具有丰富的空间自由度，可以实现信号的立体覆盖，吻合了无人机通信网络的三维性质，并能够通过3D波束赋形对无人机空中通信网络节点进行精准定位。同时，Massive MIMO为信号提供了更多的可能到达路径，提升了无人机通信能力和可靠性。

此外，军用无人机的应用场景包括战场救援搜索、追踪监测、中继通信、导航、集群协作等，这些任务对于网络响应时间、可靠性、传输速率具有不同要求，如集群协作、自动飞行、导航需要传输高清视频，需要较高数据速率和较低时延，而非高清的追踪、搜索等场景可以容忍较高的时延，要求一定传输速率。

现有4G网络的时延一般在30-70毫秒之间，难以满足自动飞行、集群协作等无人机时延敏感型业务的需求，其数据传输速率也无法满足导航等需要实时传输高清视频的场景，而5G低于1毫秒的网络响应速度和高达20吉比特/秒的峰值传输速率可轻松满足以上任务需求。另外，5G通信采用网络切片（Network Slicing）技术，将现有网络资源根据特定功能或业务需求进行划分，组成不同的逻辑网络切片。各网络切片互不干涉，能为用户提供特定的网络能力和网络特性。由于无人机的上述应用场景对于带宽、时延等需求各不相同，因此网络切片能够发挥灵活应变能力，使无人机可根据具体业务需求定制网络切片，满足无人机多种业务的差异化应用需求，达到优化网络、降低成本、提高资源利用效率的目的。

改善信息传输保密性，增强战场信息对抗能力。对于军用无人机而言，通信系统的加密一直是关键技术之一，直接关系到作战成败。2009年美军在伊拉克的行动中，其无人机信号遭到伊拉克方截获，使得他们能够及时撤离，令美军多次军事行动落空。2016年的旧金山RSA信息安全大会上，安全研究专家尼尔斯·罗德（NilsRodday）宣布已经开发出高端专用无人机的远程劫持技术，他发现荷兰警方使用的无人机与飞行控制模块的通信数据并未得到加密，因此能够通过无人机的无线连接系统漏洞，获取无人机飞行控制系统的控制权，甚至能让无人机直接坠毁。

无人机的安全问题正受到军方的日益重视。2017年12月，通信公司Viasat宣布与美国空军合作，完成“迷你加密”项目的生产准备审查，该项目可实现军用无人系统的敏感数据通信加密。然而通信系统的加密将对数据的传输速率产生影响，导致通信延迟。上述尼尔斯·罗德发现的无人机漏洞便是遥测模块芯片为了减少指令延时而取消了加密功能所致。因此安全性与通信效率之间的矛盾也一直是亟待解决的问题之一。

5G通信网络由于其出色的数据传输速率表现，能够在保证通信效率的前提下，进行更高级别的数据加密。前美国国防部首席信息官特里·哈沃森在2017年的一次采访中表示，5G技术实现了高速率和低延时，由于拥有了更高的带宽，所以能使用更高级别的加密技术而不会影响连接速度。5G通信技术将提高军用信息传输的保密性，增强战场的信息保护和信息对抗能力。

加速空中作战平台智能化转变，推动无人机集群作战。目前，武器装备的智能化改造和军队的智能化建设已成为趋势，在此过程中，5G通信技术将扮演“催化剂”的角色。这一赋能作用的原因在于随着计算重心从云端向边缘漂移，人工智能的推理与执行也开始向移动终端拓展，使边缘智能成为新的发展趋势，而5G高速率、低延时的特性，能够实现智能化所需的数据高效连接，消除云端与边缘通信时网络延迟的问题，提供稳健全新的URLLC和eM兆服务，从而极大程度地丰富边缘智能的应用场景，助力指挥控制平台、空中作战平台等由“精确化”向“智能化”转变。这一趋势在无人机领域已经产生了直接映射。2017年12月，美国国防部的算法战跨职能小组（AWCFT）使用人工智能技术处理美军扫描鹰（ScanEagle）无人机的拍摄影像，提升其对视频中人类、建筑等对象的识别正确率。试验开始一周后计算机的识别正确率达到了80%。

5G赋能边缘智能技术之后，将使无人机的蜂群技术产生突破，实现大规模协同作战。2018年1月，美国国防部高级研究计划局（DARPA）赞助在匹兹堡卡内基梅隆大学建立了网络基础设施计算研究中心CONIX，其研究目标之一便是借助边缘智能，为大规模协作无人机集群提供按需实时感知信息，在快速演进的战术环境中支持人机协作。由于无人机集群协作需要将时延控制在1毫秒左右，此前网络响应速度一直是这项技术需要努力解决的挑战之一，也因此现有无人机集群多为小规模编队，缺乏大规模集群节点之间的信息交换能力。而5G的端到端通信时延低于1毫秒，这足以支撑无人机大规模集群协作的需求。未来随着5G通信网络的覆盖逐渐完善，无人机集群的自主性也将随之进一步提高，完成复杂度更高的作战任务，甚至刷新空中战场形态。

无人机对5G通信的反哺

在受到5G通信技术助力的同时，无人机本身也可以作为信息节点，以空中平台的身份为5G网络提供持久的数据中继和通信服务，扩展网络连接范围，对5G进行“反哺”。相对于传统通信基站，无人机基站的优点在于其巨大的灵活性，能够任意指定基站位置，覆盖范围广，并可根据用户需求随时迁移，降低基站建设成本，优化资源配置。2016年2月，谷歌被曝正在开展名为“Skybender”的计划，在美国新墨西哥州的美国太空港试验将无人机作为高空基站，传送5G信号，从而达到向偏远地区提供网络接入服务的目的。

无人机5G基站在军事领域也有巨大的应用前景。利用无人机作为中继通信节点，军队将能在无任何支持性基础设施的环境下实现5G级别的战场信息终端的互联互通，而无需频繁调动军用通信卫星等资源，显著降低行动成本，这对需要在海上/自然灾害/极端条件环境下作战的机动作战部队来说尤为重要，从而极大程度地提升战术通信保障能力。

5G之于军用无人机的挑战

尽管5G技术之于军用无人机有着巨大的应用前景，但成熟落地之前仍然存在诸多痛点。其一是覆盖范围较小。军用无人机因其侦察、搜救、打击等用途，不可避免地会在基站分布稀疏的偏远地区执行任务。而5G相较4G传输距离更短，信号覆盖能力较弱，使得无人机将更容易面对5G有用信号过差的问题。其二是5G网络规划难度较高。5GMassive MIMO增加了垂直维度，这固然使得它有利于为无人机建立三维的空中通信网络，但也意味着无人机的网络规划工作将变得更加复杂。同时，5G网络相对4G所需的通信基站密度上升，增加了传输节点数量上升的问题，也大大提高了网络的复杂性，加重了运维负担。

尽管可以使用上文提到的无人机作为中继通信节点来部分改善这些问题，但由于续航能力的考虑，无人机较难长时间滞空工作。目前连续飞行时间最长的无人机之一是空客公司的Zephyr S无人机，曾在测试中成功飞行了25天23小时57分钟，但大部分无人机仍然无法进行长时间作业。此外，无人机基站面临的共同问题还包括地面保障系统复杂、维护保养复杂等。因此在很长时间内，无人机5G基站只能作为应急方案。另一个解决手段是边缘计算技术。边缘计算中心部署于终端设备附近后，能够在数据源头进行实时处理，使得无人装备能够根据反馈进行实时行动，降低数据传输距离与延迟时间，减轻对与终端技术源的通信的依赖。目前Axellio公司已开发出无人机能够搭载的轻量级边缘计算平台FabricXpress。云计算公司NUTANIX曾使用英特尔公司的NUC服务器和自研的NutanixEnterprise云平台构建一个基于边缘的计算范式，提升无人机的数据吞吐量和处理能力。但边缘计算仍旧处于发展初期，要适应不断发展的无人机通信需求，仍然需要更多解决手段应对5G的痛点。

未来展望

目前来看，5G通信技术尚未完全成熟，在军用无人机上的应用还有相当大的进步空间，需要多方的全面合作和持续投入，突破数个技术难关才能最终落地，发展之路任重而道远。但随着5G技术发展完善，“万物互联”将逐渐化为现实。当除了军用无人机之外，其他武器装备也配备5G通信能力之后，将推动战场全域信息终端和平台的互联，形成覆盖空天的信息网络，实现高度一体化战场控制。同时5G将与人工智能技术进一步融合，加速军队的智能化建设，大幅增强空天力量，形成智能化的军事新体系，从而以现在或许难以想象的程度极大改变未来作战的模式。