5G通信技術(shù)促進(jìn)軍用無人機發(fā)展

  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》報告，報告將當(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，旨在實現(xiàn)視線聯(lián)網(wǎng)（LOS）技術(shù)；2018年9月，無人機制造公司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%以上的無人機訂單。這一項目可視作將5G技術(shù)與無人機結(jié)合的初步探索，為未來5G在軍用無人機領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

5G通信技術(shù)促進(jìn)軍用無人機發(fā)展

  無人機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)用于情報偵察、跟蹤定位、戰(zhàn)場搜救、中繼通信、軍事打擊、信息對抗、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。軍用無人機快速擴展的應(yīng)用場景也對空中/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)雖然能用于部分時延容忍度高的無人機應(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日益多樣化的自主飛行需求。而5G作為第五代移動通信技術(shù)，將能有效應(yīng)對無人機的高可靠低時延需求，賦能無人機發(fā)展，從而推進(jìn)空中作戰(zhàn)平臺的革新?？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時傳輸成為可能；此外，5G的切換及QoS的最大速度達(dá)到500千米/時，這意味著5G將能滿足高速移動的物體（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)，并不會消耗更多能源。

  5G應(yīng)用于軍用無人機的優(yōu)勢

  5G通信網(wǎng)絡(luò)高速率、高可靠、低時延、低功耗的特性，以及它采用的某些獨特技術(shù)，使得它能夠?qū)崿F(xiàn)軍用無人機的快速空地及空中通信，滿足無人機的多樣化業(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)，大大延展無人機的應(yīng)用場景，對未來戰(zhàn)爭具有重要的推進(jìn)作用。

  提升無人機通信能力，滿足多樣化業(yè)務(wù)需求。無人機空中通信網(wǎng)絡(luò)的一個重要特點是其三維性質(zhì)。傳統(tǒng)地面移動通信網(wǎng)絡(luò)中，移動端可視作二維平面上的移動節(jié)點，而無人機空中通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點是在三維空間中高速移動，引起頻繁的拓?fù)渥兓？紤]到這些特點，空中通信網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議在移動性建模方面應(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，可以實現(xiàn)信號的立體覆蓋，吻合了無人機通信網(wǎng)絡(luò)的三維性質(zhì)，并能夠通過3D波束賦形對無人機空中通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行精準(zhǔn)定位。同時，Massive MIMO為信號提供了更多的可能到達(dá)路徑，提升了無人機通信能力和可靠性。

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)對于網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時間、可靠性、傳輸速率具有不同要求，如集群協(xié)作、自動飛行、導(dǎo)航需要傳輸高清視頻，需要較高數(shù)據(jù)速率和較低時延，而非高清的追蹤、搜索等場景可以容忍較高的時延，要求一定傳輸速率。

  現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)的時延一般在30-70毫秒之間，難以滿足自動飛行、集群協(xié)作等無人機時延敏感型業(yè)務(wù)的需求，其數(shù)據(jù)傳輸速率也無法滿足導(dǎo)航等需要實時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。由于無人機的上述應(yīng)用場景對于帶寬、時延等需求各不相同，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，增強戰(zhàn)場信息對抗能力。對于軍用無人機而言，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中，其無人機信號遭到伊拉克方截獲，使得他們能夠及時撤離，令美軍多次軍事行動落空。2016年的舊金山RSA信息安全大會上，安全研究專家尼爾斯·羅德（Nils Rodday）宣布已經(jīng)開發(fā)出高端專用無人機的遠(yuǎn)程劫持技術(shù)，他發(fā)現(xiàn)荷蘭警方使用的無人機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的無線連接系統(tǒng)漏洞，獲取無人機飛行控制系統(tǒng)的控制權(quán)，甚至能讓無人機直接墜毀。

  無人機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”項目的生產(chǎn)準(zhǔn)備審查，該項目可實現(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)的無人機漏洞便是遙測模塊芯片為了減少指令延時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)實現(xiàn)了高速率和低延時，由于擁有了更高的帶寬，所以能使用更高級別的加密技術(shù)而不會影響連接速度。5G通信技術(shù)將提高軍用信息傳輸?shù)谋Ｃ苄?，增強?zhàn)場的信息保護(hù)和信息對抗能力。

5G蜂窩傳輸路徑效果圖

  加速空中作戰(zhàn)平臺智能化轉(zhuǎn)變，推動無人機集群作戰(zhàn)。目前，武器裝備的智能化改造和軍隊的智能化建設(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、空中作戰(zhàn)平臺等由“精確化”向“智能化”轉(zhuǎn)變。這一趨勢在無人機領(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）無人機的拍攝影像，提升其對視頻中人類、建筑等對象的識別正確率。試驗開始一周后計算機的識別正確率達(dá)到了80%。

  5G賦能邊緣智能技術(shù)之后，將使無人機的蜂群技術(shù)產(chǎn)生突破，實現(xiàn)大規(guī)模協(xié)同作戰(zhàn)。2018年1月，美國國防部高級研究計劃局（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)作無人機集群提供按需實時感知信息，在快速演進(jìn)的戰(zhàn)術(shù)環(huán)境中支持人機協(xié)作。由于無人機集群協(xié)作需要將時延控制在1毫秒左右，此前網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度一直是這項技術(shù)需要努力解決的挑戰(zhàn)之一，也因此現(xiàn)有無人機集群多為小規(guī)模編隊，缺乏大規(guī)模集群節(jié)點之間的信息交換能力。而5G的端到端通信時延低于1毫秒，這足以支撐無人機大規(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)。

  無人機對5G通信的反哺

  在受到5G通信技術(shù)助力的同時，無人機本身也可以作為信息節(jié)點，以空中平臺的身份為5G網(wǎng)絡(luò)提供持久的數(shù)據(jù)中繼和通信服務(wù)，擴展網(wǎng)絡(luò)連接范圍，對5G進(jìn)行“反哺”。相對于傳統(tǒng)通信基站，無人機基站的優(yōu)點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”的計劃，在美國新墨西哥州的美國太空港試驗將無人機作為高空基站，傳送5G信號，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》報告

  無人機5G基站在軍事領(lǐng)域也有巨大的應(yīng)用前景。利用無人機作為中繼通信節(jié)點，軍隊將能在無任何支持性基礎(chǔ)設(shè)施的環(huán)境下實現(xiàn)5G級別的戰(zhàn)場信息終端的互聯(lián)互通，而無需頻繁調(diào)動軍用通信衛(wèi)星等資源，顯著降低行動成本，這對需要在海上/自然災(zāi)害/極端條件環(huán)境下作戰(zhàn)的機動作戰(zhàn)部隊來說尤為重要，從而極大程度地提升戰(zhàn)術(shù)通信保障能力。

  5G之于軍用無人機的挑戰(zhàn)

  盡管5G技術(shù)之于軍用無人機有著巨大的應(yīng)用前景，但成熟落地之前仍然存在諸多痛點。其一是覆蓋范圍較小。軍用無人機因其偵察、搜救、打擊等用途，不可避免地會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，信號覆蓋能力較弱，使得無人機將更容易面對5G有用信號過差的問題。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建立三維的空中通信網(wǎng)絡(luò)，但也意味著無人機的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工作將變得更加復(fù)雜。同時，5G網(wǎng)絡(luò)相對4G所需的通信基站密度上升，增加了傳輸節(jié)點數(shù)量上升的問題，也大大提高了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，加重了運維負(fù)擔(dān)。

  盡管可以使用上文提到的無人機作為中繼通信節(jié)點來部分改善這些問題，但由于續(xù)航能力的考慮，無人機較難長時間滯空工作。目前連續(xù)飛行時間最長的無人機之一是空客公司的Zephyr S無人機，曾在測試中成功飛行了25天23小時57分鐘，但大部分無人機仍然無法進(jìn)行長時間作業(yè)。此外，無人機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。因此在很長時間內(nèi)，無人機5G基站只能作為應(yīng)急方案。另一個解決手段是邊緣計算技術(shù)。邊緣計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)行實時處理，使得無人裝備能夠根據(jù)反饋進(jìn)行實時行動，降低數(shù)據(jù)傳輸距離與延遲時間，減輕對與終端技術(shù)源的通信的依賴。目前Axellio公司已開發(fā)出無人機能夠搭載的輕量級邊緣計算平臺FabricXpress。云計算公司NUTANIX曾使用英特爾公司的NUC服務(wù)器和自研的NutanixEnterprise云平臺構(gòu)建一個基于邊緣的計算范式，提升無人機的數(shù)據(jù)吞吐量和處理能力。但邊緣計算仍舊處于發(fā)展初期，要適應(yīng)不斷發(fā)展的無人機通信需求，仍然需要更多解決手段應(yīng)對5G的痛點。

  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。當(dāng)除了軍用無人機之外，其他武器裝備也配備5G通信能力之后，將推動戰(zhàn)場全域信息終端和平臺的互聯(lián)，形成覆蓋空天的信息網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)高度一體化戰(zhàn)場控制。同時5G將與人工智能技術(shù)進(jìn)一步融合，加速軍隊的智能化建設(shè)，大幅增強空天力量，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。