“5G+”在軍用無人機系統中的運用前景

管鑫 郭慶

空軍工程大學裝備管理與無人機工程學院

前言：2018年12月，美國國際戰略研究中心發布《5g技術將重塑創新與安全環境》報告。報告將當前國際5g通信競爭從技術層面提升到國家戰略層面，認為這關系到國家安全。基于類似的前提，世界上許多國家已經提前部署了5g網絡。2018年9月，無人機制造公司AeroVironment宣布成立合資公司hapsmabile與日本軟銀合作，將平流層無人機發展為5g空中基地站，空中環境與美國國防部緊密合作，占美國國防部無人機訂單的86%以上。該項目可作為5G技術與無人機結合的初步探索，為5G在軍用無人機領域的應用奠定基礎。

一、5G網絡能力

5g是新一代數字蜂窩網絡技術。它采用超高頻（3-30ghz）頻段進行通信，實現更高速的數據傳輸。與4G相比，5g在通信技術標準的核心性能指標上有較大提高。

根據imt-2020的要求，5g的峰值數據傳輸速率有望高達20G比特/秒，比現有的4G LTE技術提高了100倍，能夠實現超高清視頻的實時傳輸；此外，5g交換和QoS最高速率達到500km/h，這意味著5g將能夠滿足高速移動對象（高速鐵路、飛機等）之間的通信；在響應速度方面，5g的網絡延遲小于1毫秒，在能效方面能夠滿足低延遲容忍的應用場景需求，5g收發器單位能耗相比4G，不會消耗更多能源。

5g通信網絡具有高速、高可靠性、低延遲、低功耗等特點，并采用了一些獨特的技術，使其能夠實現軍用無人機的快速空地通信，滿足無人機多樣化的業務需求，提高自主性，加快無人機裝備的智能化演進，大大擴展了無人機的應用場景，在未來戰爭中發揮著重要的推動作用。

此外，軍用無人機的應用場景還包括戰場救援搜索、跟蹤監控、中繼通信、導航、集群協作等，這些任務對網絡響應時間、可靠性、傳輸速率等都有不同的要求，如集群協作、自動飛行、導航等，需要傳輸高清視頻、高數據速率、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。

現有的4G網絡時延一般在30-70ms之間，難以滿足自動飛行、集群協作等無人機時延敏感業務的需要，其數據傳輸速率也無法滿足導航等需要實時傳輸高清視頻的場景的需要，而5g網絡響應速度小于1ms，峰值傳輸速率高達20gbit/s，可以輕松滿足上述任務要求。此外，5g通信采用網絡切片技術，根據具體功能或業務需求對現有網絡資源進行分割，形成不同的邏輯網絡切片。每個網段互不干擾，可以為用戶提供特定的網絡能力和網絡特性。

使用5g技術后，將突破無人機集群技術，實現大規模協同作戰。2018年1月，美國國防部高級研究計劃局在匹茲堡卡內基梅隆大學贊助成立了conix。其研究目標之一是借助邊緣智能為大規模協同無人機集群提供按需實時感知信息，支持無人機在快速發展的戰術環境中協同作戰。由于無人機集群協作的時延需要控制在1毫秒左右，網絡響應速度一直是這項技術需要解決的難題之一。因此，現有的無人機集群大多是小規模編隊，缺乏大規模集群節點之間的信息交換能力。5g端到端通信延遲小于1毫秒，足以支持無人機大規模集群合作。未來，隨著5g通信網絡覆蓋范圍的逐步提高，無人機集群的自主性將進一步提高，完成更加復雜的作戰任務，甚至刷新空中戰場形態。

二、5G之于軍用無人機的挑戰

雖然5g技術在軍用無人機上有著巨大的應用前景，但在成熟運用前仍有許多痛點。一是覆蓋面小。軍用無人機由于其偵察、搜救、攻擊等目的，不可避免地要在基站稀少的邊遠地區執行任務。與4G相比，5g具有較短的傳輸距離和較弱的信號覆蓋范圍，使得無人機更容易面臨5g有用信號過差的問題。其次，5g網絡規劃難度較大。Gmassive MIMO增加了一個垂直維度，有利于建立無人機的三維空中通信網絡，同時也意味著無人機的網絡規劃將變得更加復雜。同時，5g網絡的密度高于4G通信基站，增加了傳輸節點的數量，大大提高了網絡的復雜度，增加了運營維護的負擔。

三、未來展望

目前，5g通信技術尚未完全成熟，軍用無人機的應用仍有相當大的發展空間。它需要多方的全面合作和持續投入，突破幾個技術難題后才能最終落地。然而，隨著5g技術的發展，“萬物互聯”將逐漸成為現實。除軍用無人機外，其他武器裝備均將具備5g通信能力，會進一步促進戰場信息終端和平臺互聯互通，形成覆蓋天空的信息網絡，實現戰場高度一體化控制。同時，5g將進一步與人工智能技術融合，加快軍隊智能化建設，大幅提升空軍力量，形成新型智能軍事系統，使未來作戰模式發生巨大變化，達到現在難以想象的程度。