海军5G技术用例

第五代（5G）技术目前正在移动网络中发展。民用的第三代合作伙伴计划（3GPP）标准是实现这一技术的基础。与长期演进（LTE）和旧标准相比，更高的吞吐量、网络容量、用户密度和更低的延迟是 5G 的主要优势。因此，这些优势在关键任务和军事解决方案中得到越来越多的认可。然而，在军事设备中使用 5G 技术需要对 3GPP 标准进行深入分析，特别是在技术差距、安全性和用例方面。这对于在武装冲突中使用通信设备尤为重要。与民用设备相比，这类设备必须具有更高的安全性和可靠性。目前，欧洲防务局（EDA）、北大西洋公约组织（NATO）通信和信息局（NCIA）、盟军指挥转型（ACT）以及北约科技组织（STO）都在开展这方面的工作和分析。北约科技组织信息系统技术（IST）小组的研究任务组（RTG）：IST-187-RTG on 5G Technologies Application to NATO Operationsʺ正在研究这一课题。本文介绍了海军中的 5G 示例用例。本文指出了在海军系统中实施 5G 技术之前应解决的潜在优势、问题和技术差距。

1 引言

与之前的第二代（2G）和第三代（3G）标准（即全球移动通信系统（GSM）和通用移动通信系统（UMTS））相比，作为第四代（4G）标准的长期演进（LTE）大大提高了移动网络的服务质量（QoS）。然而，传输速度的提高和使用互联网协议（IP）的数据传输服务的普及对其产生了重大影响。因此，新服务开始流行，而语音和视频传输等旧服务则采用优化技术实现，即 LTE 语音（VoLTE）和 LTE 视频（ViLTE）[1,2]。

目前，LTE 已成为全球移动网络广泛使用的标准。同时，几年来，我们一直在观察最近开发的第五代（5G）标准--新无线电（NR）--的传播情况，该标准也被称为 IMT-2020，即 2020 年及以后的国际移动通信（IMT）[3]。因此，大多数移动网络运营商（MNOs）也开始停止对老式 2G 和 3G 技术的支持，将释放的无线电资源用于满足 4G 和 5G 标准的需求。正因为如此，更新、频谱效率更高的无线电和网络技术不仅能提高吞吐量和用户数量，还能改善 QoS [4,5]。

5G NR 是数字移动网络的下一代演进。对于 5G，人们经常谈论的是一场电信革命，因为 5G 不仅指移动网络，还包括其他通信标准，如有线、光纤、卫星、无线电链路、无线 Wi-Fi 网络等。为了强调 5G 引入的变革的重要性，人们提到了许多无线电和网络技术，以确保新标准的高性能。5G 标准与前几代标准一样，由第三代合作伙伴计划（3GPP）制定。3GPP 是一项国际倡议，汇集了许多标准化组织、国家电信监管机构、移动网络运营商、电信设备供应商、大学和研发中心。开发新的电信标准，特别是协议，是 3GPP 的目标和使命。目前，3GPP 正在制定第六代（6G）标准[6]。

5G NR 是一种民用标准，考虑到了和平时期电信系统运行的特殊性。根据设计，移动网络运营商和通信系统用户要遵守特定国家在和平时期适用的电信法。这些法规，特别是有关无线电频谱的法规，考虑了世界无线电通信大会期间做出的安排。

由于几个前提条件，军事系统不可能直接使用民用标准。首先，军用通信系统顾名思义是战时专用的，在战时可能会违反电信法。这主要与使用无线电系统干扰有关，而这在和平时期是被禁止的。因此，军事通信系统必须高度可靠，并能抵御有意干扰。另一方面，敏感信息的传输要求提高系统的安全性。

5G 技术的吸引力和 5G NR 移动系统的高效率使得有必要考虑在军事系统中实施民用标准 [7-10]。因此，考虑到上述条件，目前正在分析民用 5G 标准在军事应用中的实用性。几年来，欧洲防务局（EDA）和北大西洋公约组织（NATO）的多个机构，如北约通信和信息局（NCIA）、北约工业咨询小组（NIAG）、北约盟军指挥转型（ACT）、北约科技组织（STO）、北约网络防御合作卓越中心（CCDCOE）和北约总部 C3 参谋部（NHQC3S），都开展了这一领域的工作。此外，在北约 STO 的信息系统技术（IST）小组中，关于 "5G 技术在北约行动中的应用 "的研究任务组（RTG）IST-187-RTG 正在研究这一主题。

本文旨在介绍 EDA、北约 STO 和 NCIA 所开展工作的各个方面。我们主要关注海军中潜在的 5G 用例。我们以 IST-187-RTG 和 NCIA 的工作为基础。同时，我们强调了波兰有关民用和军用 5G 的背景。

本文其余部分安排如下。第 2 节介绍了 5G NR 的优势、5G 技术和使用场景。第 3 节概述了 EDA 和北约 STO 的工作。第 4 节介绍了海军中的 5G 使用案例。最后，第 5 节给出了结论。

3 5G 的军事方面

与 LTE 和老一代移动网络相比，5G 的高潜力和高效率促使我们对 5G 技术在军事通信系统中的应用进行分析。军事行动的特殊性，尤其是武装冲突期间的特殊性，迫使军事通信系统必须确保高可靠性和抗故意干扰（即干扰）的能力。民用电信标准和系统不具备这些功能。因此，不可能将民用 3GPP 标准直接应用于军事通信系统。因此，分析主要集中在两个方面。首先，指出民用标准中存在的技术差距，这些差距应在军用系统实施前予以消除。在这种情况下，有必要寻找适当的方法来弥补这些漏洞。其次，一个重要问题是指定 5G 技术的具体使用案例。值得注意的是，军事使用场景可能不同于民用场景。

3.1 EDA 5G 国防研讨会

2019-2020年，EDA能力技术（CapTech）通信信息系统和网络（简称CapTech信息）小组组织了四次关于ʹ5G用于国防ʹ的研讨会。通常情况下，此类研讨会旨在启动特定主题领域的未来 EDA 项目。在这种情况下，研讨会有助于编写 "5G 国防技术 "文件 [21]。

在这份文件中，定义了 5G 在国防领域的应用和益处，包括提升士兵体验、改善政府共享使用以及 5G 在部署设施、支持和战区领域的应用。

文献[21]的作者认为，军用通信设备的生产存在一个问题，由于接收者群体有限，与民用电信市场的商用系统和组件相比，军用通信设备相对昂贵且数量较少。

不过，他们指出，现成的 5G 技术构件，如 SON、SDN、NFV、MEC 和 MIMO，可用于军事系统。另一方面，毫米波、波束成形、D2D 和 IAB 技术的使用可以减少无线电辐射和隐蔽传输。因此，在军事系统中实施 5G 技术的许多好处是显而易见的。

此外，在民用标准 3GPP 中，白皮书[21]的作者诊断出以下领域存在技术差距：

• 云支持
• 安全性；
• 集中化；
• 恢复能力
• 网络集成与互操作性
• 身份管理；
• 大规模多输入多输出
• 毫米波；
• 多普勒效应；
• IAB；
• 战场上的 D2D 通信；
• 整合卫星技术。

未来的 5G 军事项目也将在欧盟委员会（EC）的支持下，由欧洲国防基金（EDF）实施，例如 5G COMPAD [22]。

3.2 北约 STO RTG：5G 技术在北约行动中的应用

2020 年，"5G 技术在北约行动中的应用 "IST-187-RTG 开始工作，由北约 STO 的 IST 小组主持成立。该 RTG 将工作到 2024 年，其工作成果将是 "第五代国际移动通信（5G）技术在北约行动中的应用 "报告以及技术试验和测试。RTG 的工作分四个目标小组（OBJ）进行：

• OBJ 1 - 切片和 MEC；
• OBJ 2 - 大规模 MIMO 和全双工；
• OBJ 3 - 极远距离覆盖；
• OBJ 3 - 安全机制；

OBJ 3 - 安全机制 每个 OBJ 的工作重点是分析 3GPP 标准的技术差距，并评估在各种使用场景中使用特定 5G 技术的潜力（见图 6）。

IST-187-RTG工作的起点是探索小组(ET) IST-ET-096关于“远征5G技术”的技术报告，题为“5G技术：防御视角”[23]，以及NCIA员工编写的题为“5G技术用于军事应用的潜力”的文件[24]。

图 6. IST-187-RTG 定义的 5G 军事用例（来源：IST-187-RTG）。

其他国际组织，包括北约机构： NCIA、NIAG、ACT、CCDCOE 和 NHQC3S 也在分析 5G 技术在军事行动中的应用。由 ACT 和 CCDCOE 主办的 2021 年第一届北约军事 5G 网络安全研讨会[25]、上述报告[24]以及其中一些机构的员工参与 IST-187-RTG 的工作就是这方面的例子。

3.3 5G 在波兰陆军中的应用

波兰武装部队也注意到了使用 5G 技术的潜力。然而，"波兰 5G 战略"[14] 文件并未涉及军事方面。因此，波兰陆军总参谋长任命了一个专家组，其任务是制定 "根据波兰武装部队的需求使用 5G 技术的概念"[26]。

波兰的大学和公司也参与了 EDA CapTech Information 和 NATO STO 的国际活动。军事技术大学（Military University of Technology）和 ISN 公司（IS-Wireless）的代表参加了 EDA 组织的 5G 研讨班，并协助开发 [21]。波兰也积极参与了 IST-187-RTG 的工作。军事技术大学、格但斯克技术大学、华沙技术大学、诺基亚解决方案和网络公司波兰分公司以及 ISN 都有代表参加该 RTG。

4 海军使用案例

文献[24]定义了三种海事场景：

• 场景 1. 海军特遣部队（见图 7）；
• 场景 2. 沿海或港口通信（见图 8）；
• 场景 3. 两栖通信（见图 9）。

在海事场景中，高效的 5G 系统将主要用于视距（LOS）短程通信，这种通信将在多艘舰船、舰船与其他漂浮物（如两栖车辆）或舰船与沿海陆地基础设施之间实施。图 6 还显示了其中的两个场景，即场景 1 和场景 2，分别为 ⑥ 和 ⑤。会议期间介绍了这些场景的特点：

• 2020 第三届第一响应者和战术网络 5G 技术研讨会[27]；
• 2021 国际军事通信与信息系统会议 [28,29]；
• 2022 年第 18 届控制和通信系统自动化与利用会议（ASMOR）[30]。

前面的工作是描述分析场景的基础。在第 4 节的最后部分，我们还讨论了在海军中使用 5G 技术的其他方面。

4.1 场景1. 海军特遣部队

由于海上行动的特殊性，海军通信系统主要基于远距离通信，即卫星通信（SATCOM）和视距外高频通信（BLOS）。图 7 展示了执行共同作战任务（即海上行动）的舰艇编队[24]。

图 7. 海军特遣部队场景（资料来源：[24]）。

如果舰艇之间的距离提供了 LOS 条件，那么 5G 系统就能在舰艇之间进行有效通信。为此，需要在每艘舰艇上安装一个 5G 基站，即下一代节点 B（gNB）。以这种方式排列的 gNB 构成一个网状 LOS 网络。在这种情况下，建议使用 IAB 技术和 6 GHz 以下频段。这种 5G 连接将通过波束成形回传技术提供高吞吐量和低延迟 [24,28,29]。

4.2 场景2. 沿海或港口通信

图 8 所示的另一种情况与使用 5G 技术实现船舶与陆地之间的连接有关 [24]。

图 8. 沿海或港口通信场景（来源：[24]）。

场景 2 涉及船舶位于港口或海岸附近的情况，这确保了船舶与 5G 陆地基础设施之间的 LOS 条件。在这种情况下，5G 技术可以与总部（HQ）、港口指挥部等进行通信。此外，陆地基础设施元件与船舶之间的通信（5G NR 船岸链路）可通过陆地公共或私有宏蜂窝 5G gNB（如多频段海事接入点）和另一艘船舶的 gNB（即 5G 侧向链路船-船）（考虑多跳情况）进行。通过这种方式，船舶的 5G 网络与陆地上的 5G 网络连接起来，从而可以减轻 SATCOM 的负担，并快速交换信息，例如与总部交换信息 [24,28,29]。

4.3 场景3. 两栖通信

图 9 描述了舰艇、两栖部队和陆地单元之间使用 5G 通信的情况 [24]。

图 9. 两栖通信场景（资料来源：[24]）。

在方案 3 中，建议在船上的 5G gNB 使用较低的频率范围（如 700 MHz）。这样，gNB 的范围就扩大了（例如，相对于 C 波段或北约波段 IV：4.4÷5.0 GHz），并有可能确保与陆上分区（即与欧盟）的连接，这在登陆作战中至关重要。在这种情况下，通常无法使用离岸 5G 网络。另一方面，有可能出现非 LOS（NLOS）情况。这样，战术卫星（TACSAT）和战术地面通信就可以得到缓解 [24,29]。

4.4 其他场景

文献[28]提出了海岸通信场景的其他概念验证要求，其中考虑了以下方面：

• 两层、点对多点（PTMP）和网状结构；
• 多频段支持；
• 从岸站到海上平台以及船舶之间的最小覆盖范围为 15 公里；
• 超过 10 Mbit/s 的总信道容量，支持 IP 数据流量；
• 适用于欧盟和 gNB 船载设备；
• 5G 网络边缘应用的低延迟接入；
• 主动缓解电磁（EM）干扰；
• 可提供高度集成且易于操作的系统，非熟练人员也能轻松操作；
• 借助侧联和基于 IAB 的 NR 通信，提供动态灵活的网络拓扑结构；
• 针对电磁约束和传播条件优化选择工作频段（和载波聚合模式）；
• 在有意干扰情况下的连续可靠运行；
• 主动减少电磁特征；
• 完全自主的移动网络。

在分析 5G 技术的可能性时，值得注意的还有使用更高的无线电频率范围（即 EHF，尤其是毫米波）和光通信（即 VLC）的好处。利用 EHF 和光波段可以显著减少电磁信号。VLC 是在船舶之间或船舶与近海基础设施之间提供隐蔽通信的理想解决方案，即适用于情景 1 和情景 2。在这种情况下，必须具备良好的能见度和平静的海面。船上的连接可以使用毫米波来实现。

鉴于军事行动的性质，侦察和电子战 (EW) 系统总是与通信系统一起分析。电子战系统用于破坏敌方的通信。目前，针对民用和未来军用 5G 系统开发有效干扰方法的工作正在进行中 [10,31-35]。从电子战舰艇的角度来看，干扰系统是必不可少的。

文献[36,37]介绍了在海上通信中使用 5G 和 6G 技术以及使用无人飞行器（UAV）的其他方面。海上运输的发展方向表明，现代民用船只和军用舰艇使用越来越多的传感器，也采用自主无人水面（USV）或无人水下航行器（UUV）的形式。从 5G 系统的角度来看，现代船舶可被视为智能船舶，必须为大规模物联网提供连接[38]。

5 结论

目前，我们正目睹民用电信市场发生的一场革命。这与在移动网络中引入 5G 标准有关。几种新电信技术（5G 技术）的使用大大提高了电信服务的效率。因此，计划在未来的军事通信系统中利用这些优势。在本文中，我们分析了 5G 标准和技术在军事解决方案中的应用，特别是在海军用例中的应用。我们介绍了在几个海洋场景中使用 5G 的潜在可能性。此外，我们还介绍了负责确定未来军事系统发展方向的国际和国家机构所开展的工作。