徐慶飛, 沈 杰

(上海微波技術(shù)研究所, 上海 200331)

0 引言

移動(dòng)通信是指通信雙方至少有一方在移動(dòng)環(huán)境下所進(jìn)行的信息傳輸和交換，包括通信雙方都在移動(dòng)環(huán)境下的通信和移動(dòng)物體與固定點(diǎn)之間的通信[1]。通信的主體不僅僅局限于人，也可以是汽車、飛機(jī)、火箭等處于移動(dòng)狀態(tài)的物體。在過去的半個(gè)世紀(jì)中，移動(dòng)通信從最初的模擬制式，先后經(jīng)歷了數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)、移動(dòng)多媒體通信系統(tǒng)、高速移動(dòng)通信系統(tǒng)、智能通信系統(tǒng)。戰(zhàn)術(shù)通信是移動(dòng)通信技術(shù)在戰(zhàn)術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)典型應(yīng)用，移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展也促進(jìn)了戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，逐步向自動(dòng)化、無人化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展。本文詳細(xì)闡述了移動(dòng)通信的發(fā)展歷程以及在戰(zhàn)術(shù)通信中的應(yīng)用，分析了移動(dòng)通信技術(shù)與戰(zhàn)術(shù)通信的未來發(fā)展趨勢。

1 1G到6G移動(dòng)通信技術(shù)

第一代移動(dòng)通信技術(shù)興起于20世紀(jì)80年代，如今第五代移動(dòng)通信技術(shù)(5G)已經(jīng)在全球多個(gè)國家(中國、美國、韓國等)開始商用，關(guān)于第六代移動(dòng)通信技術(shù)的研究和標(biāo)準(zhǔn)指定工作也已經(jīng)展開。本節(jié)詳細(xì)介紹每一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的特點(diǎn)、所采用的尋址技術(shù)、傳輸速率以及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

1.1 第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)(1G)

第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)(1G)誕生于20世紀(jì)80年代的美國，采用的是模擬技術(shù)和頻分多址(FDMA)技術(shù)，僅能支持語音業(yè)務(wù)(傳輸速率為2.4 kbit/s)，無法提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)類型單一，系統(tǒng)容量有限，且使用過程中信號不穩(wěn)定，音質(zhì)低，安全性差，容易被竊聽和易受干擾。如表1所示，由于各個(gè)國家采用不同的制式、不同的頻帶和信道帶寬，第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)不支持漫游，嚴(yán)格來說，僅僅是一個(gè)地區(qū)性的移動(dòng)通信系統(tǒng)。

表1 第一代移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1.2 第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)(2G)

第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)(2G)興起于20世紀(jì)90年代，采用了數(shù)字通信方式，具有更高的網(wǎng)絡(luò)容量，可以提供數(shù)字化的語音業(yè)務(wù)和低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(平均速率為幾十kbit/s，峰值可達(dá)115 kbit/s)，還可以對數(shù)字信號進(jìn)行加密，安全性更高。制式方式主要有時(shí)分多址(TDMA)和碼分多址(CDMA)。著名的全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(Global System for Mobile Communications，GSM)采用時(shí)分多址方式，主要由移動(dòng)臺(Mobile Station，MS)、基站子系統(tǒng)(Base Station Subsystem，BSS)、核心網(wǎng)(CoreNet)組成。其中，移動(dòng)臺包括手機(jī)等用戶使用的移動(dòng)通信設(shè)備；基站子系統(tǒng)包括基站控制器(Base Station Controller，BSC)和基站收發(fā)信號臺(Base Transceiver Station，BTS)，負(fù)責(zé)移動(dòng)臺和網(wǎng)絡(luò)之間的無線連接；核心網(wǎng)包括移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心(Mobile Switching Center，MSC)和一些數(shù)據(jù)庫，負(fù)責(zé)完成MS的電話交換功能。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。一個(gè)GSM通信網(wǎng)絡(luò)可以有多個(gè)MSC，一個(gè)MSC可以管理多個(gè)BSC，一個(gè)BSC可以管理多個(gè)BTS，一個(gè)BTS可以和多個(gè)MS通信。

圖1 GSM系統(tǒng)組成

第二代移動(dòng)通信替代第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)完成模擬技術(shù)向數(shù)字技術(shù)的轉(zhuǎn)變，但由于第二代采用不同的制式，移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，用戶只能在同一制式覆蓋的范圍內(nèi)進(jìn)行漫游，因而無法進(jìn)行全球漫游。由于第二代數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)帶寬有限，限制了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的應(yīng)用，也無法實(shí)現(xiàn)高速率的業(yè)務(wù)(如移動(dòng)的多媒體業(yè)務(wù))。

1.3 第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(3G)

第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(3G)出現(xiàn)于2000年初，采用碼分多址(CDMA)尋址方式，與上一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要區(qū)別是在傳輸語音和數(shù)據(jù)的速度上的提升，能夠支持不同的數(shù)據(jù)傳輸速度，在室內(nèi)、室外和行車的環(huán)境中能夠分別支持至少2 Mbit/s、 384 kbit/s以及144 kbit/s的傳輸速度。有些3G系統(tǒng)會更新為3.5G 系統(tǒng)(如HSDPA)，此時(shí)可達(dá)下傳14 Mbit/s、上傳5.8 Mbit/s的速度，能夠在全球范圍內(nèi)更好地實(shí)現(xiàn)無線漫游，并處理圖像、音樂、視頻流等多種媒體形式，它是將無線通信與國際互聯(lián)網(wǎng)等多媒體通信結(jié)合的一代移動(dòng)通信系統(tǒng)。

第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)采用的是基于UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖2所示。主要由用戶設(shè)備UE(User Equipment)、無線接入網(wǎng)UTRAN(UMTS Terrest-rial Radio Access Network)和核心網(wǎng)CN(Core Network)組成。UTRAN由基站Node B和無線網(wǎng)絡(luò)控制器RNC組成。Node B相當(dāng)于GSM系統(tǒng)的BTS，RNC相當(dāng)于GSM系統(tǒng)的BSC。核心網(wǎng)CN從邏輯上可分為電路交換域(CS)和分組交換域(PS)，可以通過MSC和GMSC連接傳統(tǒng)的電話網(wǎng)，也可以通過GGSN和SGSN連接互聯(lián)網(wǎng)。與上一代移動(dòng)通信系統(tǒng)不同的是，3G可以支持多樣化的應(yīng)用，如視頻電話、電話會議、微博等，開始了通信網(wǎng)絡(luò)向信息網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)變。

圖2 基于UMTS的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)架構(gòu)

1.4 第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)(4G)

第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)(4G)誕生于2010年左右，以LTE為代表，并能夠快速傳輸數(shù)據(jù)、高質(zhì)量音頻、視頻和圖像，理想環(huán)境下的極限傳輸速率可達(dá)300 Mbit/s。4G里主要部署的是TD-LTE和FDD-LTE，20M帶寬下，TD-LTE的下載速度理論值是100 Mbit/s；在2×20 M帶寬下，F(xiàn)DD-LTE可以達(dá)到150 Mbit/s的理論下載速度。LTE后續(xù)向LTE-A演進(jìn)，引入了CA(載波聚合)，高階MIMO、高階QAM等技術(shù)，下載速度大大增加，理論最大下載速度可以在100 M帶寬下達(dá)到3 Gbit/s的驚人速度，上行也可以達(dá)到1.5 Gbit/s的速度[2]。圖3為第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，接入網(wǎng)和核心網(wǎng)分別為演進(jìn)型通用陸面無線接入網(wǎng)(Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network， E-UTRAN)和演進(jìn)型移動(dòng)核心網(wǎng)(Evolved Packet Core，EPC)兩個(gè)大的部分，與3G系統(tǒng)中的UTRAN和CN相對應(yīng)但又存在著一定的差異。

圖3 第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)(4G)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在E-UTRAN中，eNode B之間網(wǎng)格直連，底層采用IP傳輸，在邏輯上組建成一個(gè)Mesh網(wǎng)絡(luò)，可以支持LTE-UE在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的移動(dòng)性管理和無縫切換。每個(gè)eNode B和移動(dòng)性管理實(shí)體/接入網(wǎng)關(guān)(Mobility Management Entity (MME)/Serving Gateway(S-GW))連接，一個(gè)eNode B也可以和多個(gè)MME/S-GW 互連。此外，E-UTRAN中不再含有3G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的RNC模塊，而是集中在eNodeB中，使網(wǎng)絡(luò)更加扁平化，降低了業(yè)務(wù)處理時(shí)延。

在EPC中，與CN的不同之處在于取消了通過MSC和GMSC到電話網(wǎng)的連接，網(wǎng)絡(luò)全I(xiàn)P化，支持各類技術(shù)統(tǒng)一接入，實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合，完成了通信網(wǎng)絡(luò)向信息網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)變。EPC通過MME(Mobility Management Entity)負(fù)責(zé)移動(dòng)性管理、信令處理等功能，S-GW(Serving Gateway)負(fù)責(zé)媒體流處理及轉(zhuǎn)發(fā)等功能，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)面與控制面的完全分離。

1.5 第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)(5G)

早在4G系統(tǒng)開始應(yīng)用不久便開始了第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)(5G)的討論，近幾年開始正式商用，主要由核心網(wǎng)和接入網(wǎng)兩部分組成。原先的4G核心網(wǎng)EPC被拆分成5G核心網(wǎng)(new core, 5GC)和MEC(移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)邊緣計(jì)算平臺)兩部分。

5G核心網(wǎng)采用的是基于服務(wù)的架構(gòu)(Service Based Architecture, SBA)，如圖4所示。SBA架構(gòu)基于云構(gòu)架設(shè)計(jì)，借鑒了微服務(wù)的理念。把原來具有多個(gè)功能的整體，拆分為多個(gè)具有獨(dú)自功能的個(gè)體,每個(gè)個(gè)體實(shí)現(xiàn)自己的微服務(wù)[3-4]。一個(gè)明顯的外部表現(xiàn)就是網(wǎng)元數(shù)量增多。除了UPF之外都是控制面。網(wǎng)元看上去很多，實(shí)際上硬件都是在虛擬化平臺里面虛擬出來的，容易擴(kuò)容、縮容、升級、割接，相互之間不會造成太大影響。MEC負(fù)責(zé)為用戶提供所需的服務(wù)和云端計(jì)算功能，5G網(wǎng)絡(luò)接入的終端數(shù)量大、密度高，要求更大的帶寬和更低的延遲，因此部署在靠近基站的地方，可以縮短網(wǎng)絡(luò)延遲，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性。

圖4 5G核心網(wǎng)架構(gòu)

圖5 5G接入網(wǎng)架構(gòu)

與4G的E-UTRAN相比，5G接入網(wǎng)有了很大的改進(jìn)，不再由BBU、RRU、天線組成，而是被重構(gòu)為3個(gè)功能實(shí)體：集中單元CU(Centralized Unit，負(fù)責(zé)處理非實(shí)時(shí)協(xié)議和服務(wù))、分布單元DU(Distribute Unit，負(fù)責(zé)處理物理層協(xié)議和實(shí)時(shí)服務(wù))和有源天線單元AAU(Active Antenna Unit，由基站物理層處理部分、射頻單元以及無源天線組成)。在5G網(wǎng)絡(luò)中，CU與DU分離部署，DU集中部署在基站附近，由CU統(tǒng)一調(diào)度，實(shí)現(xiàn)基帶的共享，提高了資源利用率。CU運(yùn)行在服務(wù)器上，經(jīng)過SDN/NFV技術(shù)，支持網(wǎng)絡(luò)切片和云化。5G網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要優(yōu)勢是網(wǎng)絡(luò)切片，簡單來說，就是把一張物理上的網(wǎng)絡(luò)，按應(yīng)用需求劃分為多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)。通過為不同的業(yè)務(wù)需求和通信場景創(chuàng)建不同的網(wǎng)絡(luò)切片，使得網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)不同的業(yè)務(wù)特征采用不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和管理機(jī)制，從而保證通信場景中的性能需求。網(wǎng)絡(luò)切片可以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源分配，實(shí)現(xiàn)最大成本效率，滿足多元化要求。

1.6 第六代移動(dòng)通信系統(tǒng)(6G)

第六代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)(6G)，目前還是一個(gè)概念性無線網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)通信技術(shù)。它主要促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，是集成地面無線通信與衛(wèi)星通信的全連接網(wǎng)絡(luò)，完成海陸空天一體化，實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)無縫連接[5]。網(wǎng)絡(luò)信號能夠抵達(dá)任何一個(gè)偏遠(yuǎn)地區(qū)，可以讓身處山區(qū)的病人能接受遠(yuǎn)程醫(yī)療，讓孩子們能接受遠(yuǎn)程教育。6G的下載速度可以達(dá)到每秒1 TB，是5G網(wǎng)絡(luò)的100倍，網(wǎng)絡(luò)延遲會降到微秒級別。6G網(wǎng)絡(luò)將會使用太赫茲(THz)頻段和靈活的頻譜共享技術(shù)以提高頻譜利用率，且6G網(wǎng)絡(luò)密集化程度將會更高(連接設(shè)備密度超過100個(gè)/m3)，覆蓋面更廣，真正做到網(wǎng)絡(luò)無死角，信號全覆蓋。6G還會引入可信機(jī)制，實(shí)現(xiàn)具有內(nèi)生安全的網(wǎng)絡(luò)。6G會增強(qiáng)IT(信息技術(shù))+CT(通信技術(shù))+DT(數(shù)據(jù)技術(shù))的跨界融合，需結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈與量子信息形成關(guān)鍵技術(shù)突破和能力儲備，使設(shè)備具備通信、計(jì)算、導(dǎo)航、感知等多種能力[6-7]。目前具體應(yīng)用方向還處在探索階段，將來6G將會被用于空間通信、智能交互、觸覺互聯(lián)網(wǎng)、情感和觸覺交流、多感官混合現(xiàn)實(shí)、機(jī)器間協(xié)同、全自動(dòng)交通等場景。

2 發(fā)展變化與趨勢分析

2.1 性能

1G主要解決語音通信問題。2G可支持窄帶的分組數(shù)據(jù)通信，最高理論數(shù)據(jù)為236 kbit/s。3G在2G的基礎(chǔ)上，發(fā)展了如圖像、音樂、視頻流的高寬帶多媒體通信，并提高語音通話安全性，解決部分移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)及高速數(shù)據(jù)傳輸問題，最高下載理論數(shù)據(jù)為14 Mbit/s。4G是專為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的通信技術(shù)，從網(wǎng)速、容量、穩(wěn)定性上相比之前的技術(shù)都有了跳躍式的提升，傳輸速率可達(dá)100 Mbit/s甚至更高。5G與4G相比，在容量方面，比4G實(shí)現(xiàn)單位面積移動(dòng)數(shù)據(jù)流量增長1 000 倍；在傳輸速率方面，典型用戶數(shù)據(jù)傳輸速率提高10～100倍，峰值傳輸速率可達(dá)10 Gbit/s，端到端時(shí)延縮短5倍。未來的6G所支持的業(yè)務(wù)類型會更多，傳輸速率更快，將達(dá)到1 Tbit/s。未來移動(dòng)通信技術(shù)的傳輸速率必定會越來越高，延遲越來越低，所支持的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)類型也會更多樣化。

2.2 頻帶

第三代合作計(jì)劃3GPP已指定5G NR 支持的頻段列表，指定了兩大頻率范圍，如表2所示。目前3GPP已指定的5G NR頻段，如表3所示。

表2 5G NR頻譜范圍

表3 FR1 (450～6 000 MHz)具體劃分范圍

可以看出，隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，未來通信技術(shù)所使用的頻帶逐漸向更高頻率的方向發(fā)展。移動(dòng)通信頻帶頻率越高，傳播損耗越大，覆蓋距離越近，覆蓋增強(qiáng)和降低損耗必定是未來的發(fā)展趨勢。5G技術(shù)主要是通過毫米波傳輸，6G網(wǎng)絡(luò)將會采用太赫茲傳輸，多進(jìn)多出(MIMO)波束賦形技術(shù)以及智能天線將會是未來移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)。

2.3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2G到5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的架構(gòu)基本保持了終端、核心網(wǎng)和接入網(wǎng)的組成方式。

終端在2G時(shí)基本上指的是手機(jī)，此時(shí)的終端僅能提供語音通話功能，在3G/4G時(shí)，手機(jī)的功能已經(jīng)不僅僅局限于語音通話，可以用來瀏覽網(wǎng)頁、接收郵件、刷微博等，而且這時(shí)的終端也不再專指手機(jī)，而是包括平板電腦、筆記本、車載電話等無線設(shè)備。在5G時(shí)，移動(dòng)終端的范圍還包括視頻監(jiān)控設(shè)備、不同類型(溫度、高度、風(fēng)速等)的傳感器、天上的飛機(jī)、海里的輪船等。在未來的6G時(shí)代，終端的范圍將更加廣泛，一扇門、一個(gè)輪胎、一張桌子都可以是一個(gè)移動(dòng)終端。由此可見，未來移動(dòng)終端會變得種類多樣、功能復(fù)雜，使用環(huán)境更廣泛，涉及空、天、地、海洋等。

核心網(wǎng)在移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展過程中其功能和組成也發(fā)生了變化。在2G系統(tǒng)中，MSC是核心網(wǎng)的最主要設(shè)備，只能完成電路交換。在3G系統(tǒng)中，網(wǎng)線、光纖開始大量投入使用，設(shè)備的外部接口和內(nèi)部通信都開始圍繞IP地址和端口號進(jìn)行，3G核心網(wǎng)在2G的基礎(chǔ)上增加了服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)SGSN(Server GPRS Support Node)和網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)GGSN(Gateway GPRS Support Node)以支持?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)。4G核心網(wǎng)去掉了3G核心網(wǎng)中用于電路交換的MSC，實(shí)現(xiàn)了全I(xiàn)P化，增加了MME，提高了對終端的移動(dòng)性管理；此外，4G核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)面與控制面的分離。5G核心網(wǎng)則采用了基于服務(wù)的架構(gòu)，功能更加細(xì)化，網(wǎng)元數(shù)量更多(網(wǎng)元都是在虛擬化平臺里面虛擬產(chǎn)生，并非真正的物理硬件)。5G核心網(wǎng)在控制面與數(shù)據(jù)面分離的基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)面下沉本地?cái)?shù)據(jù)流，控制面集中實(shí)現(xiàn)本地分流、靈活路由，進(jìn)一步強(qiáng)化MEC的功能，還可以用一種特定方式處理控制面和用戶面來實(shí)現(xiàn)特定類型的通信業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)切片更加簡潔、靈活和高效。結(jié)合云技術(shù)，利用通用硬件平臺實(shí)現(xiàn)軟硬件解耦，使用SDN/NFV技術(shù)提供更自由的可編程能力。未來的移動(dòng)通信系統(tǒng)核心網(wǎng)架構(gòu)更加細(xì)化，可以提供按需服務(wù)，以用戶為中心，按需生成網(wǎng)絡(luò)，而且網(wǎng)隨人動(dòng)[8]。網(wǎng)絡(luò)功能去中心化管理，支持獨(dú)立的網(wǎng)元和服務(wù)的伸縮、演進(jìn)和靈活的部署，實(shí)現(xiàn)端到端的微服務(wù)化網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)還將具有對行為、業(yè)務(wù)、意圖的感知能力，達(dá)到智慧內(nèi)生，根據(jù)用戶業(yè)務(wù)需求配置網(wǎng)絡(luò)資源，引入數(shù)據(jù)收集面和智能面，通過數(shù)據(jù)收集面對網(wǎng)絡(luò)全域數(shù)據(jù)進(jìn)行收集；智能面使這些數(shù)據(jù)按需調(diào)用，根據(jù)不同的場景提供不同的支持，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自身演進(jìn)。安全內(nèi)生也是未來移動(dòng)通信系統(tǒng)核心網(wǎng)的一個(gè)重要特點(diǎn)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測，智能預(yù)判，減少受攻擊的可能性。

表4 FR2 (24.25～52.6 GHz)具體劃分范圍

接入網(wǎng)在移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展過程中其功能和組成也發(fā)生了變化?；咀鳛榻尤刖W(wǎng)的主要組成部分，也發(fā)生了一定的變化。在2G、3G系統(tǒng)中，接入網(wǎng)仍有基站和控制單元組成，基站通常包括BBU(主要負(fù)責(zé)信號調(diào)制)、RRU(主要負(fù)責(zé)射頻處理)、饋線(連接RRU和天線)、天線(主要負(fù)責(zé)線纜上導(dǎo)行波和空氣中空間波之間的轉(zhuǎn)換)。最初，基站為一體化，BBU和RRU放在機(jī)房內(nèi)；后來，RRU被放到天線身邊，所謂RRU拉遠(yuǎn)，也就是分布式基站，好處是大大縮短了RRU和天線之間饋線的長度，可以減少信號損耗。到4G時(shí)， BBU開始集中存放，變成了BBU基帶池，實(shí)體基站變成了虛擬基站，便于統(tǒng)一管理和調(diào)度，資源調(diào)配也更加靈活。到了5G時(shí)代，接入網(wǎng)不再是由BBU、RRU、天線組成，而是被重構(gòu)為CU、DU和AAU，且具有計(jì)算能力的MEC部署在基站附近，可以進(jìn)一步降低時(shí)延。未來的接入網(wǎng)將會支持更多類型的終端接入，且基站功能將會虛擬化，實(shí)現(xiàn)無線資源“云”化，在“池”層面分配平臺資源和無線網(wǎng)絡(luò)資源，動(dòng)態(tài)調(diào)整基帶處理單元(BBU)，按需加載，實(shí)現(xiàn)面向服務(wù)的基站。

2.4 天線

在移動(dòng)通信最早期的1G時(shí)代，基站使用的幾乎是全向天線。當(dāng)時(shí)的用戶數(shù)量很少，傳輸?shù)乃俾室脖容^低。到了2G時(shí)代，天線逐漸演變成了定向天線，比如天線覆蓋角度為120°，一個(gè)小區(qū)會有3個(gè)扇區(qū)，演變?yōu)榉涓C通信。3G時(shí)代，智能天線誕生，單一的天線發(fā)展成多入多出(Multiple-Input Multiple-Output， MIMO)多天線技術(shù)。MIMO增加了天線個(gè)數(shù)，也就增加了信號傳輸?shù)耐ǖ罃?shù)量。通過傳輸分集把相同的內(nèi)容通過不同的天線發(fā)送出去，可以緩解信道質(zhì)量不穩(wěn)定帶來的性能下降，從而增強(qiáng)覆蓋。4G時(shí)代，MIMO又發(fā)展空間復(fù)用模式，將要傳送的數(shù)據(jù)分成幾個(gè)數(shù)據(jù)流，然后在不同的天線上進(jìn)行傳輸，從而提高系統(tǒng)的傳輸速率。到了5G時(shí)代，隨著頻率的增加，天線尺寸進(jìn)一步縮小，天線數(shù)量進(jìn)一步增加，MIMO就變成了大規(guī)模多進(jìn)多出(Massive MIMO)，可以控制每一個(gè)天線單元發(fā)射或接收信號的相位和信號幅度，通過對多個(gè)天線單元進(jìn)行調(diào)節(jié)，產(chǎn)生具有指向性的波束(波束賦型)，讓能量向指定方向集中，不僅可以增強(qiáng)覆蓋距離，還可以降低相鄰波束間的干擾。未來的天線陣列數(shù)量更大，抗干擾能力更強(qiáng)，不僅可以提供水平維度的2D 波束賦型，還可以實(shí)現(xiàn)水平和垂直方向上的3D 波束賦型。

3 在戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用研究

第一代和第二代移動(dòng)通信技術(shù)業(yè)務(wù)相對單一，且提高的功能也不夠豐富，在戰(zhàn)術(shù)通信中的應(yīng)用較少。因此，本節(jié)重點(diǎn)介紹第三代至第五代移動(dòng)通信技術(shù)在戰(zhàn)術(shù)通信領(lǐng)域中的應(yīng)用。

3G移動(dòng)通信技術(shù)除了支持傳統(tǒng)的話音業(yè)務(wù)外，還對業(yè)務(wù)進(jìn)行分類以實(shí)現(xiàn)新的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，如視頻會議、實(shí)時(shí)圖像顯示等。當(dāng)時(shí)戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)在業(yè)務(wù)類型上仍以電話業(yè)務(wù)為主，數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)雖然有一定的發(fā)展，但總體規(guī)模較小，只是在戰(zhàn)略級和級別較高的戰(zhàn)術(shù)級單位的系統(tǒng)中有所使用，圖形、圖像業(yè)務(wù)的使用更是少之又少。3G技術(shù)引入到戰(zhàn)術(shù)通信中，極大地促進(jìn)了數(shù)據(jù)通信的發(fā)展。戰(zhàn)略網(wǎng)建設(shè)已經(jīng)取得一定成效，在戰(zhàn)術(shù)通信中，3G 技術(shù)提供了更高的無線接口速率和更靈活的用戶速率，最大傳輸速率是電路交換和分組交換的3倍，可以滿足戰(zhàn)場環(huán)境下對系統(tǒng)容量和傳輸速率的要求。其次，3G網(wǎng)絡(luò)的蜂窩結(jié)構(gòu)提高了戰(zhàn)術(shù)通信的距離，在戰(zhàn)場中使用移動(dòng)戰(zhàn)術(shù)終端充當(dāng)遠(yuǎn)距離基站的中繼，延伸了網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。最后，由于戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)的高機(jī)動(dòng)性和抗毀性要求，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)可以借鑒無需預(yù)先設(shè)置的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，通過對協(xié)議棧進(jìn)行改造，建立具有多層協(xié)議棧的無線分組網(wǎng)絡(luò)，提高戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)的安全性和高效性。美國海軍研制的移動(dòng)目標(biāo)用戶系統(tǒng)由5顆衛(wèi)星和遍布全球的4個(gè)地面站組成。地面站負(fù)責(zé)對衛(wèi)星進(jìn)行測控、指令傳輸。移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)(MUOS)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)主要為移動(dòng)作戰(zhàn)部隊(duì)提供類似民用手機(jī)的3G網(wǎng)絡(luò)服務(wù),極大地增強(qiáng)作戰(zhàn)人員動(dòng)中通的能力，包括增強(qiáng)的同步語音、視頻和數(shù)據(jù)能力，能夠在戰(zhàn)時(shí)移動(dòng)并在不對準(zhǔn)衛(wèi)星的情況下通信，美軍士兵不論身處移動(dòng)的車輛、潛艇還是飛機(jī)內(nèi)，都可以自由通信。F-35戰(zhàn)斗機(jī)上也使用了該系統(tǒng)。

LTE和WiMAX作為4G寬帶無線通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，采用了大量的創(chuàng)新傳輸技術(shù)，例如OFDM和MIMO，傳輸性能相比3G技術(shù)得到了大幅度提升。同一時(shí)期的戰(zhàn)術(shù)通信仍是以窄帶、低速為主，且存在智能化水平低、業(yè)務(wù)能力不足等問題，與用戶需求和信息戰(zhàn)的要求還相差甚遠(yuǎn)。將4G移動(dòng)通信中的先進(jìn)技術(shù)通過適當(dāng)改造后，應(yīng)用到戰(zhàn)術(shù)通信領(lǐng)域，可以改善當(dāng)前戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)的傳輸能力。正交頻分復(fù)用技術(shù)OFDM通過子載波正交特性，極大地提高了頻譜利用率，同時(shí)，降低了單獨(dú)子載波的符號速率，具有抗多徑特征。OFDM是一個(gè)優(yōu)良的適用于寬帶系統(tǒng)的傳輸技術(shù)，通過對子載波間隔進(jìn)行調(diào)整，克服動(dòng)中通時(shí)的多普勒效應(yīng)，可應(yīng)用在需求高速傳輸?shù)膽?zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)中。MIMO屬于多天線范疇，可以在不增加無線資源的情況下提高系統(tǒng)傳輸容量，在戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)的收發(fā)端部署多天線，可以實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用、空間分集和波束賦形等多種類型的傳輸模式。改造后的OFDM和MIMO技術(shù)可以使4G在戰(zhàn)術(shù)通信中應(yīng)用。美國LGS公司將OFDM技術(shù)和MiMO技術(shù)應(yīng)用到軍事通信中，研制出一種加固型便攜式箱式4G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，具有較高的頻譜利用率和較廣的覆蓋范圍，可在偏遠(yuǎn)地區(qū)自動(dòng)建立4G網(wǎng)絡(luò)，并能無縫接入大型網(wǎng)絡(luò)?？焖俨渴鹁W(wǎng)絡(luò)設(shè)備的接口能夠連接衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，如戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)人員信息網(wǎng)。此外，快速部署網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠測量覆蓋整個(gè)作戰(zhàn)區(qū)域所需的快速部署網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)量?？焖俨渴鹁W(wǎng)絡(luò)設(shè)備解決方案意味著士兵和戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)中心之間能夠建立無縫話音、視頻和數(shù)據(jù)通信鏈路，提高了指揮控制、態(tài)勢感知和前方士兵的作戰(zhàn)能力。當(dāng)作戰(zhàn)士兵的傳統(tǒng)通信設(shè)備被摧毀或失效時(shí)，可利用智能電話、平板電腦和其他設(shè)備連接4G網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送和接收重要信息。美國海軍在艦船上部署了基于4G LTE的無線廣域網(wǎng)(WWAN)，該系統(tǒng)是一種加固LTE網(wǎng)絡(luò)，可在海洋移動(dòng)環(huán)境中運(yùn)行，讓海員和陸戰(zhàn)隊(duì)員能與覆蓋區(qū)內(nèi)使用安卓蜂窩電話的其他用戶、附近的巡邏艇、艦船、無人機(jī)和直升機(jī)進(jìn)行話音和數(shù)據(jù)通信。WWAN可提供大量所需的通信容量，同時(shí)釋放了本地需求連接，而以前只能通過容量有限的衛(wèi)星連接提供廣域通信。例如，可接收直升機(jī)饋送視頻，可在打擊海盜行動(dòng)中增強(qiáng)態(tài)勢感知能力。

當(dāng)前戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)的目標(biāo)是一體化聯(lián)合作戰(zhàn)，要求戰(zhàn)場內(nèi)人、車、武器末端等相互連接，能夠適應(yīng)瞬息萬變的戰(zhàn)場環(huán)境，戰(zhàn)場資源可以靈活調(diào)度。而戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)的接入節(jié)點(diǎn)種類多、接入方式多，終端機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，且容易受到毀傷或者干擾，統(tǒng)一接入和組網(wǎng)難度較大；且不同作戰(zhàn)樣式下業(yè)務(wù)類型也不盡相同，對通信的差異化服務(wù)要求較高。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展，單純提供速率、擴(kuò)大覆蓋范圍已經(jīng)無法滿足需求，5G應(yīng)運(yùn)而生。它既要解決底層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一接入問題，又要保障上層不同應(yīng)用的服務(wù)水平，同時(shí)要求支持節(jié)點(diǎn)的高速移動(dòng)性和網(wǎng)絡(luò)的快速重組，這與當(dāng)前戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)的發(fā)展要求相一致。目前，基于5G的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要有骨干網(wǎng)和接入網(wǎng)組成，采用分布式SDN控制與傳統(tǒng)路由交換相結(jié)合策略，既能實(shí)現(xiàn)多用戶的隨遇接入以及多種傳輸手段的綜合組網(wǎng)，又能實(shí)現(xiàn)通信資源的按需調(diào)度與靈活組合。聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)(JTRS)使用5G的統(tǒng)一接入技術(shù)和高低頻融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多頻多信道網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，在復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境下不僅能做到相互之間兼容互通，而且還可通過其跨頻段跨時(shí)空的橫向和縱向網(wǎng)絡(luò)為分布在廣闊戰(zhàn)區(qū)內(nèi)不同地域的美國陸、海、空和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)提供遠(yuǎn)程超視距且安全可靠的語音、數(shù)據(jù)、圖像和視頻通信。2020年5月2日，美國國防部長批準(zhǔn)了《國防部5G戰(zhàn)略》。同年5月20日，美國國防部發(fā)布了公開版《5G戰(zhàn)略》，包括5G面臨的挑戰(zhàn)、美國防部5G目標(biāo)、美國防部5G 工作路線。這是美軍方第一份公開發(fā)布的5G戰(zhàn)略性指導(dǎo)文件，此戰(zhàn)略將支持國家層面努力推進(jìn)美國及其合作伙伴的5G能力，提高對5G帶來的國家安全風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)識，并提出保護(hù)5G技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施從而取得關(guān)鍵成果的方法。2020年12月15日，美國國防部發(fā)布《5G技術(shù)實(shí)施方案》報(bào)告，該報(bào)告作為《國防部5G戰(zhàn)略》的附錄，描述了國防部5G戰(zhàn)略的實(shí)施細(xì)節(jié)。此外，報(bào)告還為《國防部5G戰(zhàn)略》提供了路線圖，以解決5G的技術(shù)、安全、標(biāo)準(zhǔn)、政策、應(yīng)用與合作的問題。美國國防部國防創(chuàng)新委員會2021年4月3日發(fā)布的《5G生態(tài)系統(tǒng)：對美國國防部的風(fēng)險(xiǎn)與機(jī)遇》，旨在把5G網(wǎng)絡(luò)整合到美國軍事行動(dòng)中的長期計(jì)劃，該報(bào)告分析了 5G 的發(fā)展歷程、目前的全球競爭態(tài)勢以及 5G 技術(shù)對國防部的影響與挑戰(zhàn)。

3.2 發(fā)展趨勢

戰(zhàn)術(shù)通信從最初的單一話音業(yè)務(wù)，到現(xiàn)在可以支持話音、圖像、視頻等多種業(yè)務(wù)，且能夠根據(jù)業(yè)務(wù)類型提供相應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量，這與移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展是密切相關(guān)的。目前，正在發(fā)展的戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)以云架構(gòu)為基礎(chǔ)，能夠提供多種態(tài)勢信息，且具有較高的智能化、網(wǎng)絡(luò)化程度，可以根據(jù)態(tài)勢信息進(jìn)行智能化決策，已經(jīng)不再是單一的傳輸網(wǎng)，而是數(shù)據(jù)網(wǎng)、智能網(wǎng)。未來戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)將會實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)，全網(wǎng)態(tài)勢共享，并具有極高的智能化，可以及時(shí)做出智能決策，實(shí)現(xiàn)全過程無人化，不再需要指揮員參與。

4 結(jié)論

移動(dòng)通信技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，從最初僅能支持語音通話，到現(xiàn)在支持視頻會議、高清圖像等多媒體業(yè)務(wù)，從最初采用電路交換到如今支持全I(xiàn)P傳輸，未來智能化程度更高，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更加扁平化、云化和智能化，同時(shí)具備內(nèi)生安全能力，支持多種接入手段。戰(zhàn)術(shù)通信的發(fā)展也從最初僅僅為指揮者做決策提供一些簡單的戰(zhàn)場信息，到后來可以多目標(biāo)跟蹤、輔助決策等，目前正在向基于云架構(gòu)的智能化全軍聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)發(fā)展。移動(dòng)通信技術(shù)為戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)的發(fā)展提供了技術(shù)基礎(chǔ)，戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)的發(fā)展又促進(jìn)了移動(dòng)通信技術(shù)的革新。