管鑫 郭慶

空軍工程大學(xué)裝備管理與無人機(jī)工程學(xué)院

前言：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)前國際5g通信競爭從技術(shù)層面提升到國家戰(zhàn)略層面，認(rèn)為這關(guān)系到國家安全?；陬愃频那疤?，世界上許多國家已經(jīng)提前部署了5g網(wǎng)絡(luò)。2018年9月，無人機(jī)制造公司AeroVironment宣布成立合資公司hapsmabile與日本軟銀合作，將平流層無人機(jī)發(fā)展為5g空中基地站，空中環(huán)境與美國國防部緊密合作，占美國國防部無人機(jī)訂單的86%以上。該項(xiàng)目可作為5G技術(shù)與無人機(jī)結(jié)合的初步探索，為5G在軍用無人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

一、5G網(wǎng)絡(luò)能力

5g是新一代數(shù)字蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它采用超高頻（3-30ghz）頻段進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)更高速的數(shù)據(jù)傳輸。與4G相比，5g在通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的核心性能指標(biāo)上有較大提高。

根據(jù)imt-2020的要求，5g的峰值數(shù)據(jù)傳輸速率有望高達(dá)20G比特/秒，比現(xiàn)有的4G LTE技術(shù)提高了100倍，能夠?qū)崿F(xiàn)超高清視頻的實(shí)時傳輸；此外，5g交換和QoS最高速率達(dá)到500km/h，這意味著5g將能夠滿足高速移動對象（高速鐵路、飛機(jī)等）之間的通信；在響應(yīng)速度方面，5g的網(wǎng)絡(luò)延遲小于1毫秒，在能效方面能夠滿足低延遲容忍的應(yīng)用場景需求，5g收發(fā)器單位能耗相比4G，不會消耗更多能源。

5g通信網(wǎng)絡(luò)具有高速、高可靠性、低延遲、低功耗等特點(diǎn)，并采用了一些獨(dú)特的技術(shù)，使其能夠?qū)崿F(xiàn)軍用無人機(jī)的快速空地通信，滿足無人機(jī)多樣化的業(yè)務(wù)需求，提高自主性，加快無人機(jī)裝備的智能化演進(jìn)，大大擴(kuò)展了無人機(jī)的應(yīng)用場景，在未來戰(zhàn)爭中發(fā)揮著重要的推動作用。

此外，軍用無人機(jī)的應(yīng)用場景還包括戰(zhàn)場救援搜索、跟蹤監(jiān)控、中繼通信、導(dǎo)航、集群協(xié)作等，這些任務(wù)對網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時間、可靠性、傳輸速率等都有不同的要求，如集群協(xié)作、自動飛行、導(dǎo)航等，需要傳輸高清視頻、高數(shù)據(jù)速率、低延遲，而不是高清晰度的跟蹤、搜索等場景可以容忍高延遲，需要一定的傳輸速率。

現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)時延一般在30-70ms之間，難以滿足自動飛行、集群協(xié)作等無人機(jī)時延敏感業(yè)務(wù)的需要，其數(shù)據(jù)傳輸速率也無法滿足導(dǎo)航等需要實(shí)時傳輸高清視頻的場景的需要，而5g網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度小于1ms，峰值傳輸速率高達(dá)20gbit/s，可以輕松滿足上述任務(wù)要求。此外，5g通信采用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，根據(jù)具體功能或業(yè)務(wù)需求對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行分割，形成不同的邏輯網(wǎng)絡(luò)切片。每個網(wǎng)段互不干擾，可以為用戶提供特定的網(wǎng)絡(luò)能力和網(wǎng)絡(luò)特性。

使用5g技術(shù)后，將突破無人機(jī)集群技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模協(xié)同作戰(zhàn)。2018年1月，美國國防部高級研究計(jì)劃局在匹茲堡卡內(nèi)基梅隆大學(xué)贊助成立了conix。其研究目標(biāo)之一是借助邊緣智能為大規(guī)模協(xié)同無人機(jī)集群提供按需實(shí)時感知信息，支持無人機(jī)在快速發(fā)展的戰(zhàn)術(shù)環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)。由于無人機(jī)集群協(xié)作的時延需要控制在1毫秒左右，網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度一直是這項(xiàng)技術(shù)需要解決的難題之一。因此，現(xiàn)有的無人機(jī)集群大多是小規(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。5g端到端通信延遲小于1毫秒，足以支持無人機(jī)大規(guī)模集群合作。未來，隨著5g通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的逐步提高，無人機(jī)集群的自主性將進(jìn)一步提高，完成更加復(fù)雜的作戰(zhàn)任務(wù)，甚至刷新空中戰(zhàn)場形態(tài)。

二、5G之于軍用無人機(jī)的挑戰(zhàn)

雖然5g技術(shù)在軍用無人機(jī)上有著巨大的應(yīng)用前景，但在成熟運(yùn)用前仍有許多痛點(diǎn)。一是覆蓋面小。軍用無人機(jī)由于其偵察、搜救、攻擊等目的，不可避免地要在基站稀少的邊遠(yuǎn)地區(qū)執(zhí)行任務(wù)。與4G相比，5g具有較短的傳輸距離和較弱的信號覆蓋范圍，使得無人機(jī)更容易面臨5g有用信號過差的問題。其次，5g網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃難度較大。Gmassive MIMO增加了一個垂直維度，有利于建立無人機(jī)的三維空中通信網(wǎng)絡(luò)，同時也意味著無人機(jī)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃將變得更加復(fù)雜。同時，5g網(wǎng)絡(luò)的密度高于4G通信基站，增加了傳輸節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度，增加了運(yùn)營維護(hù)的負(fù)擔(dān)。

三、未來展望

目前，5g通信技術(shù)尚未完全成熟，軍用無人機(jī)的應(yīng)用仍有相當(dāng)大的發(fā)展空間。它需要多方的全面合作和持續(xù)投入，突破幾個技術(shù)難題后才能最終落地。然而，隨著5g技術(shù)的發(fā)展，“萬物互聯(lián)”將逐漸成為現(xiàn)實(shí)。除軍用無人機(jī)外，其他武器裝備均將具備5g通信能力，會進(jìn)一步促進(jìn)戰(zhàn)場信息終端和平臺互聯(lián)互通，形成覆蓋天空的信息網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場高度一體化控制。同時，5g將進(jìn)一步與人工智能技術(shù)融合，加快軍隊(duì)智能化建設(shè)，大幅提升空軍力量，形成新型智能軍事系統(tǒng)，使未來作戰(zhàn)模式發(fā)生巨大變化，達(dá)到現(xiàn)在難以想象的程度。