《5G和超5G专用军事通信：趋势、要求、挑战和推动因素》万字长文

通信网络在军事行动中的重要性与日俱增，时间紧迫的目标定位、秘密特种作战、指挥与控制、训练和后勤等任务领域都在很大程度上依赖于通信网络及其服务。另一方面，商业通信也极大地改变了我们的社会和通信方式。目前最新的网络模式--5G 及超5G（5GB），具有高速度、低延迟、高可靠性和高通信密度的特点。虽然国防机构使用 5GB 商业网络可以提供更大的灵活性和效率，但也面临着新的挑战，即需要高标准的网络保护和苛刻的工作条件和环境。在本文中，我们将讨论通信网络在几种潜在军事应用中的重要性，特别是在战争、训练、后勤和特殊任务站中的应用。我们介绍了军事应用中采用的通信趋势。然后，我们介绍了各种 5GB 关键性能指标及其在军事通信系统中的使用案例。我们还阐述了军事通信网络所面临的独特挑战，这些挑战不太可能通过商业5GB 研究来解决。我们还讨论了用于军事通信系统的各种 5GB 使能技术。最后，我们介绍并分析了用于 C 波段专用军事通信的 5GB 新型无线电。

引言

当今世界，及时获取信息已成为实现军事目标的关键环节。无线通信网络是及时传递准确无误信息、促进军事行动高效顺利进行的重要手段，也是影响作战能力的主要组成部分之一[1]。通信系统和网络应用在军事行动中发挥着越来越重要的作用，时间紧迫的目标定位、隐蔽的特种作战、指挥与控制（C2）、训练和后勤等任务式领域都非常依赖于它们的大容量接入、高机动性互联和稳健传输。典型的军事通信使用异构无线通信技术，如图 1 所示，可分为四种场景[2]。

• 第一种场景是战争场景，描述的是进攻/防御环境下的实际作战指挥情况。C2 信息和语音通信在营、旅和部队各级之间不断消散。该场景包括舰船、飞机和车辆的动态联网，以及发射平台和移动/便携式通信设备，这些设备需要移动性、广覆盖、安全性、互联性以及与第三方应用平台的连接。

• 第二种场景是训练/演习场景，通过作战、舰船、飞机和车辆开展演习训练活动。它由配备真实或虚拟/增强现实应用的固定和移动训练基地组成，为战斗提供演习指导。在这一场景中，需要大容量、广覆盖和更高数据传输速率的固定和移动网络相结合，以支持每平方米大量用户、大量小尺寸数据包，并帮助收集远程数据/视频/语音。

• 第三种场景是后勤保障，由军队组织实施物资、装备、资源和资金的分配，以及包括数字军营固定网络在内的各种服务。它主要包括固定或移动通信网络上的数据、语音和视频等基本通信。数字军营的商业网络和车辆/船舶的一般连接也属于这一类。

• 第四种场景是特殊安装场景，即执行各种军事任务的特定网络安装平台。联网方式包括固定和移动综合连接，需要在现有平台上建立一个特殊网络，以解决通信问题。它包括中继站、作为基站的无人驾驶飞行器（UAV），以及任何其他可利用现有商业通信提升网络性能的接入点。

图 1. 军事无线通信场景。

基于上述四种情况，军事领域的通信可根据通信类型、组件、应用、最终用户和国家进一步划分为各种类型，如表 1 所示[3]。军事应用对通信的基本要求是在固定和移动网络平台上建立快速、准确、保密和不间断的通信网络。新兴的 5GB 网络技术在支持国防网络方面大有可为，其增强的通信和网络功能可大大提高吞吐量、降低延迟、提高能效并降低成本，从而满足许多军事应用场合的需求。互联或自动化设备，包括智能军事基地/总部、自动驾驶车辆、精确训练/演习系统、战争机器和精密机器人，都可能受益于 5GB 技术。此外，军事领域的 5GB 技术可能会促进情报、监视和侦察系统及处理，并允许采用新的 C2 方法和简化后勤系统以提高效率[4]。然而，商用 5GB 通信系统与国防 5GB 通信系统之间存在着重大差异。国防网络缺乏广域固定基础设施，包括集中的资源和干扰管理设计，无法在网络拓扑不断变化、电磁环境复杂、传播条件具有挑战性的环境下支持服务。

表 1 军事通信类型

在本文中，我们详细介绍了用于军事应用的 5GB 通信技术，并讨论了早先移动连接创新和发展的主要兵力，如今在无线通信行业中所占的比重如何大大降低。主要贡献概述如下：

• 我们根据军事通信需求设计了三种典型的 5GB 应用场景。

• 我们合理解释了军事通信技术中峰值数据速率的下降趋势。

• 根据军事任务和行动的不同优先级，将 5GB 的性能指标定义为不同类别。

• 我们分析了 5GB 支持的各种关键技术及其在军事通信场景中的独特应用挑战。

• 我们阐述了 5GB 使能技术及其在军事通信中的可能应用和未来研究方向。

• 我们介绍了用于专用军事通信的新型 C 波段 5G 新无线电，并分析了其在公平性约束下的性能。

本文其余部分的结构如下。第二节介绍了军事通信系统的技术发展趋势。第三节讨论军事通信的关键性能要求。第四节介绍 VGB 技术及其在军事领域的应用案例。第五节列出并讨论了军事通信中的各种通信和安全挑战。第六节介绍军事通信的关键技术推动因素和研究方向。第七节从 5G NR-U 军事专网的角度展开。最后，第八节对本文进行总结。

技术趋势

从互联网到蜂窝通信的不同领域，今天的大多数技术创新都源于早几个世纪国防资助的技术。然而，现在越来越多的人认为，军事需求不再是推动通信技术进步的主要动力。根据美国研究与发展公司 1999 年的研究[5]，美国军方市场仅占美国信息技术总需求的 2%，低于 1975 年的 25%，而且此后的趋势还在加快。此外，如图 2 所示，2010 年的一份报告[6]、[7]、[8] 强调了美国国防部（DoD）影响力的下降。从图中不难看出，目前商业通信技术正在推动通信技术的发展。商业技术的快速发展不仅局限于无线数据传输速率，还涉及移动速度、密度、可靠性、安全性、鲁棒性等多个方面。

图 2. 商用蜂窝技术正在超越其专有技术 [6]、[7]、[8]。

商业无线技术的最大推动力是集电话和计算功能于一体的智能手机的问世。移动中轻松上网和处理多媒体数据的功能为蜂窝通信带来了巨大的冲击[7]。除技术进步外，商业技术发展的日新月异也可以从一些商业统计数据中看出，如政府和私人（三星、Version、中兴、苹果、高通等）在信息和通信技术（ICT）研发方面的巨额投资。2012 年，全球在信息和通信技术方面的投资约为 2 791 亿美元，仅美国就投资了 1 485 亿美元，而美国国防部则花费了 3.85 亿美元[9]、[10]。

因此，在某些一般情况下（如后勤场景），军用手机技术（如商用智能手机）被原封不动地使用，而在其他情况下，由于安全问题，手机的直接改装和使用被严格禁止。不过，制造商会根据使用情况的独特需求定制设备（以提高耐用性）。专用设备中也使用了蜂窝长期演进（LTE）商用芯片组[11]。如文献[12]所述，已经对 5G 技术及其潜在军事应用进行了技术评估研究。技术报告[12]包括

• 为北约利益相关方提供知情的技术意见和建议；

• 确定 5G 技术和 5G 基础设施的军事应用机会；

• 制定初步的 5G 军事参考方案，并提供支持理由；

• 为与利益相关方的后续讨论提供结论和建议；

目前，各种形式的跨代通信正处于实验验证和演示阶段，如超宽带通信、光通信、空间通信、太赫兹连接和量子通信[13]、[14]。表 2 列出了在 12 个美国军事设施作为试验床进行的 5G 应用测试和实验的初始阶段[4]。2020 年 9 月 18 日，国防部提交了一份信息请求，以更好地了解 5GB 技术中的动态频谱共享。2022 财年，国防部为 5G 和微电子技术申请了 3.74 亿美元，2021 财年批准了 4.39 亿美元用于 5G 技术。随着空间通信和智能通信技术的出现，军事通信正朝着宽带、集成和软件技术方向发展。根据全球数据[15]的市场分析，在 2021 年至 2028 年的预测时间段内，军事通信市场预计将以 11.54% 的速度增长。这一增长主要受军事战术通信创新需求的推动，到2021年，全球军事战术通信创新的价值将达到1510亿美元。

表 2 美国 5GB 军事设施和测试平台

军事通信的关键性能要求

军事通信网络是决定作战能力的重要组成部分之一，是确保有效和无缝执行军事行动的重要途径。军事通信必须满足基本标准：必须快速、准确、隐蔽和不间断。表 3 从优先级、可用性、延迟、可靠性、用户速率、移动性、连接密度、安全分类和能效八个方面总结了军事应用的关键性能指标。这些 KPI 目标值，如军事通信系统的可靠性达到 5 个 9，是由于在具有挑战性的关键任务场景中需要高度可靠和弹性的通信能力。此外，实现通信的高可靠性会对系统设计产生重大影响，因为需要考虑几个关键方面，如冗余和多样性、稳健的基础设施、可扩展性和灵活性、快速恢复和复原以及互操作性。详细说明如下：

表 3 军事通信系统的关键性能指标

A. 优先事项

军事任务既包括基本通信服务，如消息、数据、语音和视频，也包括关键服务通信，如作战设备、车辆、机器人等触觉操作中的 C2 通信。因此，应根据军事任务的重要性确定网络资源调度的优先级。而且，必须根据任务进展或作战情况实时动态地改变优先级。军事通信可分为高、中、低三类，分别用于战争实时对抗活动、训练活动和后勤装备保障任务。

B. 可用性

军事通信被归类为关键通信，因此网络的高可用性至关重要。在任何特定地点，正常运行时间都应达到 99.9999%。确保基站（如冗余骨干单元）、回程（如用卫星取代光纤作为回程）和核心网络高可用性的技术必须采用高冗余方案和自主边缘设计。

C. 延迟

数据包到达目的地所需的时间是军事应用中最重要的问题之一。当设备需要进行近乎实时的通信时，延迟会产生很大的影响（如物理或虚拟现实）。在军事应用中，端到端延迟的目标是 1 毫秒，即从终端发送数据到另一端接收数据之间的时间（即传输、处理、排队和传播）。此外，无人机器人/作战平台的远程控制和操作服务要求延迟时间小于 1 毫秒 [2]、[16]、[17]。

D. 可靠性

安全通信和警报系统是任务关键技术的范例，需要持续、可靠的连接。这些应用中的 C2 通信必须由可信度极高的链路提供支持。网络应为各种特定情况和功能下的特定军事活动提供可信服务，并在军事活动的整个执行过程中评估网络的可信度。通信技术应为武器打击提供 99.999% 的可靠性，为指挥与控制提供 99.9% 的可靠性，为服务支持提供 99% 的可靠性。

E. 机动性

军事通信需要支持从低速到高速的移动设备，如飞机、舰船和陆地战车。在规定的服务质量（QoS）和无缝传输条件下，必须支持的最高速度为：最高时速大于 200 公里，中等时速为 2 至 200 公里，最低时速的获取设备和车辆小于 2 公里。

F. 数据传输速率

军事通信的用户是作战人员的设备、人员身体区域网络、雷达、导弹、传感器和其他武器设备。在特定条件和环境下，网络的峰值数据传输速率可达每秒 20 千兆比特[2]。

G. 设备密度

单位面积可容纳的最大设备数量称为设备密度。军事应用包括在战场或作战体区网络中分布和互联的大量传感器，这些传感器应保持特定的服务质量水平。因此，必须支持高密度区域内每平方公里 104 个设备的连接密度。同样，在中密度和低密度部署区，每平方公里的连接密度分别为 100-104 个和少于 100 个。

H. 安全

它描述了军事应用的安全级别。在物理网络中，服务根据其安全级别进行逻辑隔离。机密、秘密和不安全是三个安全级别，分别获得军事服务中定义的高、中、低安全级别位置。

I. 能源效率

军事任务一般包括离岸行动、登陆行动和远离指挥所的控制行动。终端设备及其网络应尽可能保持单位能耗可传输和检索的信息量。一般来说，与战场和一般远程控制操作相比，武器中的传感器需要较高的能效。

军事通信的其他关键性能指标包括网络访问时间、低拦截概率、电子设备的鲁棒性以及自组织、自修复和动态资源管理等网络管理能力。除网络性能要求外，国防网络还需要针对陆基、空基和水基通信系统所采用的不同设计和技术系统进行架构优化。此外，每个架构都应进一步优化为低空平台（LAP）、中空平台（MAP）和高空平台（HAP）等子级别，其中包括各种设备类型、独特功能以及不同级别之间缺乏兼容性等问题。相比之下，人们希望网络架构能利用联合学习等机器学习技术提供更大的自主支持，这有助于根据部署场景自主组织网络参数。抗干扰性对军事至关重要，因为入侵者在战争中会使用无线电干扰方法来干扰军事通信。波束成形和大规模多输入多输出（mMIMO）的抗干扰能力有待进一步研究。服务隔离是另一个重要特性，有助于国防网络设备的运行，不受其他设备活动和/或基础设施/服务提供商不请自来的任何直接或间接影响。这种隔离可以是资源层面的，也可以是管理层面的，可以在无线电层面为各种应用实现不同的子载波或分离的无线电资源块。最后，成本并不是军事通信的关键问题，但网络基础设施的资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）成本必须降低到较低水平。

5G 技术及其在军事通信中的应用案例

5GB 无线通信改变了蜂窝技术的功能，而不仅仅是像前几代那样提高数据传输速率和扩大覆盖范围。5GB 通信系统的主要目标包括：每秒 1 至 20 千兆比特的吞吐量；小于 1 毫秒的延迟；1000 个连接设备和单位面积 1000 倍的带宽；超高速的大规模连接；99.999% 的可用性；100% 的覆盖率；卓越的能源经济性--能耗最多可降低 90%，机器类通信的电池寿命最长可达 10 年[19]。第三代合作伙伴计划（3GPP）正积极致力于通过彻底改变蜂窝网络的构建方式、可连接的节点、使用的工作频率以及发挥的功能来实现 5G。智能交通、汽车、医疗、工业、农业、物流、能源、卫星、海事等领域的政府和私营部门将从中受益匪浅。表 4 比较了 4G、5G 和 6G 蜂窝通信支持的功能。

表 4 4G、5G 和 6G 蜂窝通信的比较 [18]

一般来说，5GB 应用分为三类：增强型移动宽带（eMBB）、海量机器类型通信（mMTC）和超可靠低延迟通信（URLLC）。首先，也是最重要的先决条件是 eMBB，它是 4G/LTE 向 5GB 发展的必然趋势，可支持浏览速度提高 10 倍，即目标浏览速度将从每秒 1 千兆比特开始，下载速度将超过每秒 200 兆比特。其次，开发 mMTC 是实现物联网（IoT）目标的必要条件，即实现日常智能小工具、汽车和工业设备的互联。最后，URLLC 是 "关键任务 "应用的有用应用，这些应用需要实时收集数据，以便了解态势和快速决策。图 3 描述了商用 5G 的三个类别及其目标应用和一般用例。此外，不同场景对各种应用的要求也不尽相同，因此我们在表 5 中描述了基于不同场景的 5G 应用的关键性能要求。

表 5 与场景相关的 5G 应用关键性能指标

图 3. 5GB 通信技术的潜力及其应用案例。

5GB 技术的上述概念与军事通信在全球范围内提供综合多媒体服务的操作要求相似。5GB 能够将传感器与配备强大人工智能算法的无人机和机器人连接起来，这将带来更快、更高效的武器，并减少参与战争灾区的士兵人数。有了 5GB 固定无线接入 (FWA) 服务，军方可以在没有有线连接基础设施的地区实现最后一英里的固定连接。毫米波、波束成形、mMIMO 和共享频谱接入技术相结合，可在防御中实现超高速全双工连接。此外，由于 5GB 技术可实现侧向链路通信，因此无需使用卫星或通信中继无人机等集中式基础设施，即可实现战斗机和机器之间的点对点通信。军方内部也在争论 5GB 技术的脆弱性、基础设施和覆盖范围，但有一点是肯定的：如果没有 5GB 通信，国防和其他领域就几乎不可能充分挖掘大数据、人工智能和云处理所带来的潜力。

5GB 无线网络有望为几乎所有可以想象到的设备带来无处不在的连接，从而产生一系列具有不同需求的新的相关服务。例如，完全自主的战车将需要使用各种无线通信技术来实现车对车（V2X）通信。同样，为了实现基地/仓库的数字化和触觉操作中机器人活动的自动化，军事物联网（mIoT）将依赖于广泛的连接、云计算资源、人工智能和大数据分析。为了向作战人员提供定制化的精准医疗服务，移动和电子医疗将依赖于分散的模块化架构和更好的数据保护措施，而大量的 mIoT 设备将提供大量的数据支持。然而，5G/物联网通信架构与军事通信架构在目标、作战环境、网络特性、安全性和互操作性方面仍存在巨大差距。以下是一些需要考虑的关键区别：

• 5GB 通信架构旨在为商业用户提供高速、低延迟的连接，而军事通信架构则应满足军事行动的特定需求。

• 5GB 网络主要在民用环境中运行，满足城市、郊区和农村地区预先确定的覆盖范围和容量要求，而军事通信系统则在动态且往往充满敌意的作战环境中运行。

• 5GB 网络采用基于云的核心网络集中式架构，而军用系统通常采用分布式架构以提高弹性。

• 5GB 网络通过网络切片和虚拟化等技术优先考虑可扩展性和高效资源分配，而军用通信系统则强调弹性、适应性和自主联网能力。

• 5GB 的互操作性基于标准化协议和接口，可实现商业用户之间的无缝连接。而军用通信系统则需要各种军用无线电系统和设备之间的互操作性，通过互操作性标准（如联合战术无线电系统（JTRS））来实现。

大多数军事服务不容易符合 eMBB、mMTC 和 URLLC 三类 5GB 用例，而这三类用例一般是根据其所需的性能质量来定义的。因此，5GB 用例不仅可以根据性能特征进一步分类，还可以根据正在发生的交互类型进一步分类：士兵之间、机器之间或士兵与机器之间。图 4 提供了各种军事用例的分类，涵盖了广泛的交互和性能划分。这些需求表明，网络转型需要使用 NFV（网络功能虚拟化）、SDN（软件定义网络）、MEC（多接入边缘计算）和服务间网络切片等技术手段，以满足日益增长的服务需求。要实现这些目标，需要 5GB 系统设计者、用例开发者和垂直行业之间的协调。

图 4. 军事应用中的 5GB 用例。

军事通信中的通信和安全挑战

如图 4 所示，新兴的 5GB 连接，特别是对军事而言，将不仅仅是快速连接的电话交谈和快速的多媒体下载。事实上，5GB 可能会成为现实，国防指挥官称之为 "信息层[20]"，在这里，来自视频、音频、传感器、目标、监视甚至远程武器瞄准器的数据都可以从作战工作环境（如飞机驾驶舱或舰桥）快速、轻松地接收到。有了信息层，作战人员有望管理和访问远程电器/设备、工作场所小工具、训练仪器和计算工具，并与世界上任何地方的同行进行通信。5GB 的能力将极大地改进情报、监视和侦察（ISR），以及更快、更安全的指挥和控制，使后勤工作更加井然有序，使无人驾驶车辆更加拥挤，并使虚拟现实和增强现实技术在模拟、演习和任务式试验中得到广泛应用。此外，地球上任何地方的即时连接、具有空中重新瞄准功能的智能超音速武器、对战场关键任务信息的大量获取，以及可在商用空域与客机安全并肩飞行的无人战斗机/无人机，都是 5GB 的可能性所在。

尽管 5GB 商业通信技术取得了巨大突破，其中大部分可为国防部门所用，但仍需要在 5GB 通信和网络方面进行以军事为重点的研究和更新。值得注意的是，军事通信中采用的具体技术可能会根据行动的性质、信息的敏感程度以及特定时间的可用技术而有所不同。军事组织会不断改进其通信战略，以应对新出现的威胁，并采用新技术来增强安全性和应变能力。以下是一些旨在保护敏感信息、防止未经授权访问、确保可靠传输和保持行动有效性的技术。

• 先进的加密方法，如公钥加密法，通常用于保护机密信息。

• 采用双因素认证和生物测定等强大的认证方法，确保只有获得授权的军事人员才能访问敏感信息。

• 军事通信系统采用自适应波束成形、频率敏捷性和功率控制等抗干扰技术，以减轻干扰攻击的影响，并在具有挑战性的环境中保持通信能力。

• 直接序列扩频（DSSS）和跳频扩频（FHSS）等扩频技术用于在宽频带内传播信号，使其具有更强的抗干扰和抗干扰能力。

此外，军事通信网络还面临着商业研究和创新无法解决的独特挑战。具体包括

• 1）商业蜂窝连接依赖于组织完善且安全的基础设施，而另一方面，军事部门可能需要在没有此类基础设施的地区进行连接。此外，通信网络大多受到恶劣天气和多变地形的影响。海上、空中和敌方领域的军事通信不能依赖永久性基础设施，也不能配备固定基站（BS）。此外，军事通信网络对广域覆盖和海、陆、空、天多域连接的需求也没有得到商业网络的充分考虑。

• 2）军事通信网络的拓扑结构随时动态变化，不像商业网络有集中的网络服务，如固定的核心网络与接入网络。多跳网络在军事通信中更为常见。这种网络的理论基础在商业网络中并不像只使用单跳链路的网络那样明确和成熟。

• 3）军事通信由多个异构网络组成，其中包括多种无线电接入技术的共存，以及在同一地理区域内运行的不同规模的小区。商业网络也可以是多种多样的，但它们不必应对相同程度的时间和地理变化。在动态环境中，跨异构网络连接仍然是一个关键问题。

• 4）军事通信网络必须能够抵御强电磁干扰，同时还能提供安全传输，提高保密性和可靠性。它们必须应对干扰和电子战等敌对行动，以及计算机、传感器、无线电等领域的新型先进商业技术激增所带来的复杂性和先进性。

• 5）军事通信正遭受着带宽低且时断时续的困扰，因为它不断失去以前专用于军事用途的频谱。其中一个例子是公民宽带无线电服务（CBRS）频段（3550-3700MHz），该频段以前仅由军方和海军使用，但现在通过采用一般授权访问（GAA）和优先访问许可（PAL）计划的共享访问方式开放给商业使用。

• 6）由于 5GB 尚不成熟，其标准、安全原则和频谱规则仍在制定过程中，因此很难加快军方向 5GB 的过渡。5GB 需要考虑全套设备保护、稳健的物理层、动态网络路由、独立于 GNSS 的网络定时、隐藏流量模式、低检测概率以及分散方式的网络节点验证。

• 7）由于 5GB 网络将传输大量敏感的个人、商业和政府数据，因此将成为潜在对手的目标。对手可能会参与间谍活动，危及全球人民的隐私和权利，和/或削弱关键基础设施。

• 8）要确保军方能够在全球 5GB 环境中执行任务十分困难，因为潜在对手试图控制主要伙伴国的 5GB 市场，这可能使他们通过供应链漏洞、恶意软件和/或内部威胁获得未经授权的网络和数据访问权限。因此，对手可能会利用对 5GB 市场的控制来推进安全和外交政策目标，最终损害国家利益。

• 9）其他潜在问题 [4]：

  • 什么样的频谱管理策略（如频谱共享、频谱重新分配）既能最好地保障国防部的任务，又能满足商业需求？

  • 盟国和伙伴国开发的 5GB 基础设施会对本国的国家安全造成什么威胁？是否有可能控制这种风险？

  • 国家是否应该限制与使用敌国提供的 5GB 设备的国家进行情报合作？

  • 商用 5GB 技术在多大程度上容易受到对手的干扰攻击？

  • 由于军事 5GB 的进步或使用，是否需要修改作战原则、兵力组织、条令或态势？

当我们把所有这些考虑因素与更普遍公认的挑战（如对坚固性、安全性和隐蔽性的要求）相加时，就会发现军事通信仍然需要大量的研究和开发。尽管网络为作战行动提供了更大的灵活性和更高的效率，但由于需要高度的网络安全、特殊的作战环境和设置，网络也带来了一些新的挑战。对网络的依赖与日俱增，因此，充分理解和解决这些问题，为现有和未来的军事通信系统提供稳健安全的基础设施就显得尤为重要。 由于军队在充满敌意和争议的环境中工作，5GB 系统的安全性、隐私性和可信度至关重要。由于对机密信息泄露的安全担忧，目前在军事领域采用现有 5G 解决方案受到限制。在此背景下，[21] 号报告研究了 2030 年军事行动场景中与 5G 连接技术相关的网络安全挑战。有必要使用基于风险的框架来确保在敌对环境中使用的设备、武器系统和应用程序的 5GB 网络的保密性、完整性和可用性。5GB 网络中的一些威胁包括认证和密钥协议攻击、频谱切分攻击、导致欺骗的寻呼攻击、性能下降和拒绝服务攻击。此外，物理层安全还可通过波束成形、协同传输和人工噪声注入来补充传统的加密方案[22]。

在未来的 5GB 网络中，将使用边缘云计算、开放无线接入网（O-RAN）、应用编程接口（API）、基于服务的架构、物联网和虚拟/云基础设施，但这些都可能成为被攻击的威胁载体，并与 DoS、中间人、隐私泄露等联系在一起。5G 网络核心基于网络虚拟化技术构建，而网络虚拟化技术严重依赖 HTTP 和 REST API 协议，这些协议都有可能遭到破坏。此外，对手还可能发起干扰攻击。因此，有必要提供逻辑隔离技术和物理层保护。此外，保护设备免受冒充攻击和中间人（MiTM）攻击对于确保个人信息的安全也至关重要。这些风险包括身份欺骗、使用恶意基站、利用薄弱的身份验证协议、缺乏端到端加密以及物联网设备的漏洞。攻击者可以冒充合法设备或用户，截获和篡改数据，并利用身份验证过程中的弱点。虽然 5GB 提供了强大的加密功能，但端到端加密可能并不总能得到执行。此外，5GB 网络中大量的物联网设备可能会增加出现漏洞和设备受损的可能性。为应对这些风险，有必要采取强有力的安全措施，如强大的身份验证、加密、安全网络配置和持续监控。[23]、[24]、[25]、[26]和[27]等文章中的研究与合作对于解决新出现的威胁和 5G 网络特有的漏洞至关重要。为了提高安全性，必须不断用最新的操作系统和应用程序补丁更新设备。强大而独特的密码加上双因素身份验证可提供额外的防御层。连接公共 Wi-Fi 网络时应谨慎，可使用虚拟专用网络 (VPN) 进行加密浏览。验证应用程序权限、从官方渠道下载应用程序以及警惕网络钓鱼企图都是必不可少的预防措施。安装信誉良好的移动安全软件、加密设备和定期备份数据也是建议采取的措施。通过采取这些措施，用户可以最大限度地降低移动设备遭受冒充攻击、MiTM 攻击和其他安全漏洞的风险。

此外，底层硬件的可信度也会对 5GB 系统的安全性产生影响。在私有 5GB 系统中，在集成来自多个供应商的 5GB 设备时，存在供应链安全威胁和对手威胁。军方应确保 5GB 设备和网络的可信度，这可以通过确保与合作伙伴和行业的密切合作来管理。他们应证实供应商遵守严格的监控、检查、物理安全、操作安全和实践指南，同时不安装来自对手的 5GB 设备。

关键技术推动因素和研究方向

A. 频谱

美国联邦通信委员会（FCC）在拍卖 CBRS 频谱 5GB [28]之后，正致力于释放越来越多的频谱供 5G 使用。在交易覆盖范围和容量的基础上，FCC 将可用频段分为低频段、中频段和高频段。低频段（1 GHz 以下）频谱为军事通信提供了广阔的覆盖范围，在数百平方英里范围内，单个 BS 就能为数千名用户提供服务。另一方面，中频段（1 GHz - 6 GHz）被认为是理想的频段，因为它可以长距离传输大量数据。此外，中频段还具有良好的抗雨能力和强大的覆盖容量比，并采用共享频段机制，可与传统频段技术共存。最后，高频段（6 千兆赫以上）可实现超高数据传输速度和小距离高带宽通信，这是自动驾驶汽车、虚拟现实以及智能基地/总部/仓库等其他数据密集型应用所必需的。因此，军事通信技术可以利用这些频段及其独特的特性来实现其任务目标 [29]，[30]。此外，多频段操作和多频谱共享范例可通过在 RAN 上集成/聚合所有或任何频段来实现，这将以更低的成本提高数据的可靠性、可用性和弹性 [31]、[32]、[33]。 多种多样的 5GB 频段为大容量、广覆盖和电磁独立的军事系统打开了大门。

B. 国防网络切片

网络切片允许多个垂直部门利用共同的网络基础设施，同时保持完全隔离[34]。利用网络功能虚拟化（NFV）、软件定义网络（SDN）和虚拟专用网络（VPN）等技术，形成一个跨端到端（E2E）网络基础设施的逻辑网络[35]。5G 有三种基本的网络片：eMBB、mMTC 和 URLLC。eMBB 网络片需要高流量带宽、高密度用户和中低移动性[36], [37], [38]。eMBB 片可以支持虚拟/增强现实（VR/AR）媒体以及军事训练、超高清视频监控、军用可穿戴设备等应用。mMTC 片包括大量联网设备，这些设备通过无线电链路需要最小的吞吐量和间歇性低流量非延迟敏感数据。军事物联网（MIoT）是 mMTC 的用例之一，它是一个连接军事设施、作战设备、武器装备和士兵的智能设备网络。URLLC 切片要求移动场景中的数据服务具有最小延迟和高可用性 [39]，[40]。远程控制和触觉通信涉及近乎实时的人机（或机机）界面，是军事网络中的一些应用。此外，国防部（MoD）作为运营商，也可以通过相同的远征 5GB 基础设施为不同兵力提供军事网络切片，以同时满足延迟关键型、可用性关键型和可靠性关键型通信的需求。网络切片还允许军方将商业基础设施切片用作专用的类似于托管领土的私有基础设施，为用于战术的私有军事系统提供系统级解决方案。

C. 分布式计算

移动云计算（MCC）是一种创新的移动计算系统，它结合了各种云和网络技术的动态资源，在异构环境中通过互联网随时随地为大量移动设备提供无限的能力、容量和便携性[41], [42]。根据数据处理和数据存储发生在移动设备之外的位置，基于云的 MCC 资源可分为四类，它们是近端固定云、近端固定计算实体、近端移动计算实体和混合云。云功能在战术环境中最具优势。空军可利用战术云来监视、管理、控制和保卫其许多航空资产。通过边缘和云计算，空军每周可节省数百万美元的加油机加油费用，特别是在喷气机在空中飞行时，通过云中更好的预测后勤服务，可节省加油机加油费用。此外，可部署的战术云还能让海军和特种作战部队在战术边缘作战时拥有更好的通信和 C2 网络。例如，士兵可能正在执行监控任务，但当他们到达某个地点时，情况可能发生了变化，从而将行动转变为情报、监视和侦察（ISR）任务。边缘计算使他们能够修改自己的边缘设备并启动软件，从而在现场收集更多数据并进行更深入的分析，无论这些设备是否连接到网络。同样，通过在国防云中运行完全独立的移动核心和小型 RAN，MCC 可以实现应用层面的低延迟和集群的自主运行（无回程连接）。

D. 侧链路通信

5GB 新无线电（NR）技术使能器将允许设备通过一种称为 Sidelink 通信的过程直接相互通信 [43]，[44]。Sidelink 可在专用、许可和非许可等不同配置下运行，可在不同环境中灵活采用。此外，由于 Sidelink 将通信链路限制为一跳，因此可显著降低延迟，多跳中继有助于节省功耗、克服链路预算限制并提高延迟和可靠性，这对于关键任务应用至关重要。此外，NR Sidelink 中继自然扩展了互联智能边缘，为交通安全、公共安全通信、范围和容量扩展提供了动力。用于 AR/VR 战斗的体域网络服务可受益于 Sidelink，利用其直接连接取代蓝牙连接，并最终取代 Wi-Fi 连接，还可在没有网络覆盖的地区用于士兵之间的通信。因此，许多军用小工具的通信架构可能会发生革命性的变化。军用通信不再为每种使用情况提供不同的无线电接口，而是可以完全依赖 Sidelink 作为广域、局域和个人区域通信的链接。此外，基于 Sidelink 的中继或多链路中继也可在军事通信中实施，以实现小区覆盖并在恶劣环境条件下提供支持。Sidelink 也是 MIoT 未来发布的候选功能[45]。因此，Sidelink 可用于多种 "无基础设施 "的战术场景，其中需要无线系统的多层和/或网状布局。

E. 波束成形和大规模多输入多输出

波束成形是一种将无线信号导向特定接收设备的方法，而不是像广播天线那样将信号向四面八方传播[46]。波束成形通过将信号集中式地传送到某个方向来提高接收器的信号质量。这意味着数据传输更快、更准确。此外，这种精确度可以在不增加广播功率的情况下实现。以前，开发波束成形系统的成本很高，因为需要多个大型天线组件，这就必须采购额外的材料。利用商用 5GB 毫米波技术[47]是将商用蜂窝系统定向波束成形系统的尺寸、重量和成本降至最低的最佳选择。这是因为毫米波具有高频输出，可在狭小的空间内安装数百个小型天线。基于毫米波的波束成形更容易在军事平台上实现系统集成。波束成形在军事应用中有多种用途，如改进的定向波束成形将使战术通信比标准广播天线更有效，因为军方可以同时使用和重复使用分配的每一片频谱。波束成形通信系统有助于在前线绵延数百公里的偏远地区进行多域冲突，还可根据兵力（GPS）位置对红军进行无效定位。此外，在地面和空中机器人战车上使用波束成形通信技术，可以让士兵操纵无人设备进入敌对地形，同时与它们保持联系。定向波束成形和 mMIMO 技术有助于提高网络的鲁棒性。它还被视为解决军队面临的主要通信挑战之一，即多个独立无线网络共存的解决方案。

F. 非地面网络（NTN）网络

5GB NTN 可在非地面平台上实现 5G NR 的优势 [26]、[48]、[49]。非地面网络技术解决方案正在第 16 版工作中进行评估，而规范预计将在 3GPP 第 17 版发布。前几代无线网络只能为部分基于 NTN 的通信提供连接[50]。另一方面，5GB 预计采用三维（3D）异构架构，其中地面基础设施与 NTN 或卫星网络（如无人机、高空平台 (HAPS)、低地球轨道 (LEO) 等）相辅相成，以促进无处不在、大范围和极高的连接性 [51]。NTN 可在交通拥堵和服务不佳的地区提供按需、成本较低的连接，以及回程、高移动性数据传输、高吞吐量和无处不在的连接服务。3GPP 正在根据不同空域间连接的严重程度推广各种 NTN 设计 [52], [53]。3GPP 预测了以下目的：

• 卫星将用户信号从馈线链路复制到服务链路，反之亦然，从而创建一个透明的基于卫星的 RAN 架构。

• 基于卫星的自适应 RAN 架构，其中卫星有效载荷重新生成从地面接收的信号，同时实现卫星间通信。

• 多连接设计，包括两个透明的 RAN（地球静止轨道（GEO）和低地轨道（LEO）的组合），并协助集成 NTN 和地面接入。

多年来，近地轨道网技术一直被用于协助气象、监视摄像机、电视广播、遥感和地图制导等军事功能。目前，空天技术的进步为地面技术和 NTN 技术的融合铺平了道路，使军事通信服务有了更复杂的触觉应用。一些极端情况下的应用包括 (1) 当地面网络拥塞或瘫痪时，NTN 可提供替代连接路径，以提供持续的无线网络覆盖；(2) NTN 平台可结合移动边缘云功能，为地面终端提供更强的计算和存储能力，实现 3D 连接； (3) 卫星平台与地面网络的频谱聚合可通过空间网状网络向地面设备提供高容量连接；(4) NTN 终端可在无法接入有线回程的地点无线处理地面回程请求；(5) 无人机和卫星还可充当 MIoT 流量的移动收集器，为基于传感器的服务提供全球连接。

图 5 显示了概念架构，表 6 显示了用于军事应用的五项关键使能技术摘要。要充分挖掘 5GB 在军事应用方面的潜力，可以考虑应用特定的 5G 技术，而不是整个 5G 生态系统。必须对 5GB 关键技术及其面向国防的适用性研究进行详细的研究和分析，并调查将 5GB 应用于作战各个方面和领域的可能性，确定能力极限。

表 6 关键赋能技术概述

图 5. 军事应用的关键使能技术。

各种频谱的使用、防御网络切片、分布式计算和侧链路通信等 5G 使能技术可极大地帮助实现高可靠性和低延迟通信。

• 使用各种频谱有助于创建冗余路径并确保连续运行，这有助于提高可靠性并减少因信道拥塞而造成的通信延迟。

• 网络切片可在共享基础设施内创建专用虚拟网络。通过分配专用资源和优先处理流量，网络切片可确保 URLLC 应用获得必要的带宽和延迟保证，从而实现高可靠性和低延迟。

• 分布式计算使计算能力和存储更接近网络边缘，从而通过在靠近 URLLC 应用程序的地方处理数据来改善延迟。此外，由于处理资源与应用之间的距离最小，因此可以实现超低延迟。

• 利用 Sidelink 通信功能，军事应用可以通过直接和近距离通信、提供冗余和支持 ad hoc 网络来实现更低的延迟和更高的可靠性。

• 采用先进的天线系统（如 mMIMO）可通过分集、空间复用和波束成形技术增强信号强度、覆盖范围、可靠性和吞吐量。

• 在某些情况下，NTN 提供的替代基础设施和连接选项可以克服地面网络的局限性。军事行动可以利用缩短距离、冗余、广覆盖、抗灾能力、独立基础设施和低延迟解决方案来提高通信可靠性和减少延迟。

5G NR-U 军事专用网络透视

海军雷达使用的 C 波段（3.55-3.7GHz）可视为实现军用 5GB 专用蜂窝系统的关键频段之一 [54]，[55]。这是因为这些频段利用率极低，雷达占用率每年仅为 9% 到 25% [56]。此外，这些频段存在于有限的地理区域；因此，通过实用的保护距离和严格的干扰保护机制，可以建立与现有海军雷达共存的二级 5GB 军事通信系统。在此背景下，我们提出了 5GB NR-U 技术（3GPP Rel-16），作为军事通信系统的一种有吸引力的方法。NR-U 源自已被广泛接受的 LTE-U/LAA 方法，其中对 LTE 协议栈进行了调整，以协助与雷达和 Wi-Fi 等其他技术共存 [57]、[58]。此外，对 LTE 协议栈的此类更改可显著减少雷达所需的投射距离，从而增加信道中的频谱接入机会。例如，NR-U gNB 可感知雷达旋转模式，并相应调整其占空比（开-关持续时间），使其传输不与正在进行的雷达传输重叠。此外，NR-U 还支持公平共存，在这种情况下，Wi-Fi 服务受到的影响不会超过同一载波上的额外 Wi-Fi 网络。因此，如图 6 所示，NR-U 与传统的 Wi-Fi 或新的 Wi-Fi 连接可以很容易地为多样化和密集的军事后勤环境进行设置。

图 6. 5GB NR-U 部署场景。

在本研究中，我们考虑的部署场景是军方覆盖一个有限的地理区域，如文献 [59] 所述，该地理区域被进一步划分为三个部分：雷达区、专属区和后勤区。后勤区由其覆盖范围周围的多个 NR-U 小区组成。在评估中，我们采用了单个 NR-U 小区，其性能可复制到其他 NR-U 小区。我们使用 MATLAB 开发了一个系统级仿真平台。NR-U BS 在 3.5 GHz 信道中支持的 NR-U 用户数量和其他网络参数如表 7 所示。在同一信道中，Wi-Fi AP 和 Wi-Fi 站与 NR-U 服务共存。NR-U 用户和 Wi-Fi 站在小区覆盖范围内任意分布。在 Wi-Fi 网络中，所有 STA 都利用一种称为分布式协调功能（DCF）协议的载波感知方案来争夺信道接入权，而 NR-U BS 则采用 ETSI 支持的 LBT 类别 4（用于 FBE 方法）[60] 或占空比基础方法（在适当的持续时间内自适应地占用共享信道）。

表 7 模拟参数

结论

5GB 技术拥有影响任何国家经济和国家安全的重要能力。军队必须学会采用 5GB 所提供的连接性，以必要的速度、精度和效率开展行动，从而在未来保持有效性和生存能力。当前的 5GB 技术为军事应用带来了多方面的机遇和风险。军方兰德公司的主要任务应该是加快开发和部署支持 5GB 的能力，同时确保其系统强大、安全、有弹性且可靠，能够抵御对手。