科技

5G通訊技術促進軍用無人機發展

2018年12月,美國國際戰略研究中心釋出《5G技術將重塑創新與安全環境》報告,報告將當前的國際5G通訊競爭由技術層次上升至國家級戰略層次,認為其關係國家安全。

基於類似的前提,世界多個國家早已提前展開5G網路的部署。2017年,三星(Samsung)公司被曝與美國軍方合作建設一個高寬頻5G無線網路,使用28吉赫茲毫米波系統和裝置進行開發試驗,旨在實現視線聯網(LOS)技術;2018年9月,無人機制造公司AeroVironment宣佈與日本軟銀合資成立HAPSMobile公司,開發平流層無人機作為5G空中基站。AeroVironment與美國國防部合作密切,佔據了美國國防部86%以上的無人機訂單。這一專案可視作將5G技術與無人機結合的初步探索,為未來5G在軍用無人機領域的應用奠定了基礎。

5G通訊技術促進軍用無人機發展

無人機作為新一代無人化裝備,因其隱蔽、靈活、成本低、適用多種作戰環境的特性,已經廣泛應用於情報偵察、跟蹤定位、戰場搜救、中繼通訊、軍事打擊、資訊對抗、戰鬥訓練等軍事領域,成為現代戰爭的一支重要空中力量,發展前景十分廣闊。軍用無人機快速擴充套件的應用場景也對空中/空地通訊能力提出了更高要求,特別是其應用常與搜尋、偵察、監測相關,這意味著需要傳輸海量視訊資料。現有4G/LTE網路雖然能用於部分時延容忍度高的無人機應用場景,但下行干擾、鄰區干擾等問題使其資料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作為第五代移動通訊技術,將能有效應對無人機的高可靠低時延需求,賦能無人機發展,從而推進空中作戰平臺的革新。可以說,5G通訊技術具有重大戰略意義,將在較大程度上改變未來的空中作戰形態。

5G網路能力

5G是新一代數字蜂窩網路技術,使用超高頻(3~30吉赫茲)頻段進行通訊以實現速度更高的資料傳輸,在通訊技術標準核心效能指標上相對於4G具有較大程度的提升。

根據 IMT-2020 要求,5G 的峰值資料傳輸速率預計可高達 20 吉位元/秒,比現有的4G LTE技術提高了100倍,使得超高清視訊的實時傳輸成為可能;此外,5G的切換及QoS的最大速度達到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)間的通訊;在響應速度方面,5G的網路延遲低於1毫秒,使得它能夠滿足低延時容忍度的應用場景需求;在能量使用效率方面,5G收發每單位的資料消耗的能量同4G相當,並不會消耗更多能源。

5G應用於軍用無人機的優勢

5G通訊網路高速率、高可靠、低時延、低功耗的特性,以及它採用的某些獨特技術,使得它能夠實現軍用無人機的快速空地及空中通訊,滿足無人機的多樣化業務需求,並提升其自主性,加速無人裝備的智慧化演進,大大延展無人機的應用場景,對未來戰爭具有重要的推進作用。

提升無人機通訊能力,滿足多樣化業務需求。無人機空中通訊網路的一個重要特點是其三維性質。傳統地面行動通訊網路中,移動端可視作二維平面上的移動節點,而無人機空中通訊網路的節點是在三維空間中高速移動,引起頻繁的拓撲變化。考慮到這些特點,空中通訊網路的通訊協議在移動性建模方面應該具有更高的靈活性,並解決三維空間中網路節點的精準覆蓋問題。5G網路使用大規模多入多出(Massive MIMO)技術,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使用者的需求。傳統的2D-MIMO只能在水平方向進行訊號覆蓋,而Massive MIMO在傳統的2D MIMO基礎上增加了垂直維度,具有豐富的空間自由度,可以實現訊號的立體覆蓋,吻合了無人機通訊網路的三維性質,並能夠通過3D波束賦形對無人機空中通訊網路節點進行精準定位。同時,Massive MIMO為訊號提供了更多的可能到達路徑,提升了無人機通訊能力和可靠性。

經過5代的發展5G將擁有更高的傳輸速度和更高的容量

此外,軍用無人機的應用場景包括戰場救援搜尋、追蹤監測、中繼通訊、導航、叢集協作等,這些任務對於網路響應時間、可靠性、傳輸速率具有不同要求,如叢集協作、自動飛行、導航需要傳輸高清視訊,需要較高資料速率和較低時延,而非高清的追蹤、搜尋等場景可以容忍較高的時延,要求一定傳輸速率。

現有4G網路的時延一般在30-70毫秒之間,難以滿足自動飛行、叢集協作等無人機時延敏感型業務的需求,其資料傳輸速率也無法滿足導航等需要實時傳輸高清視訊的場景,而5G低於1毫秒的網路響應速度和高達20吉位元/秒的峰值傳輸速率可輕鬆滿足以上任務需求。另外,5G通訊採用網路切片(Network Slicing)技術,將現有網路資源根據特定功能或業務需求進行劃分,組成不同的邏輯網路切片。各網路切片互不干涉,能為使用者提供特定的網路能力和網路特性。由於無人機的上述應用場景對於頻寬、時延等需求各不相同,因此網路切片能夠發揮靈活應變能力,使無人機可根據具體業務需求定製網路切片,滿足無人機多種業務的差異化應用需求,達到優化網路、降低成本、提高資源利用效率的目的。

改善資訊傳輸保密性,增強戰場資訊對抗能力。對於軍用無人機而言,通訊系統的加密一直是關鍵技術之一,直接關係到作戰成敗。2009年美軍在伊拉克的行動中,其無人機訊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資訊保安大會上,安全研究專家尼爾斯·羅德(Nils Rodday)宣佈已經開發出高階專用無人機的遠端劫持技術,他發現荷蘭警方使用的無人機與飛行控制模組的通訊資料並未得到加密,因此能夠通過無人機的無線連線系統漏洞,獲取無人機飛行控制系統的控制權,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,通訊公司Viasat宣佈與美國空軍合作,完成“迷你加密”專案的生產準備審查,該專案可實現軍用無人系統的敏感資料通訊加密。然而通訊系統的加密將對資料的傳輸速率產生影響,導致通訊延遲。上述尼爾斯·羅德發現的無人機漏洞便是遙測模組晶片為了減少指令延時而取消了加密功能所致。因此安全性與通訊效率之間的矛盾也一直是亟待解決的問題之一。

5G通訊網路由於其出色的資料傳輸速率表現,能夠在保證通訊效率的前提下,進行更高級別的資料加密。前美國國防部資訊長特里·哈沃森在2017年的一次採訪中表示,5G技術實現了高速率和低延時,由於擁有了更高的頻寬,所以能使用更高級別的加密技術而不會影響連線速度。5G通訊技術將提高軍用資訊傳輸的保密性,增強戰場的資訊保護和資訊對抗能力。

5G蜂窩傳輸路徑效果圖

加速空中作戰平臺智慧化轉變,推動無人機叢集作戰。目前,武器裝備的智慧化改造和軍隊的智慧化建設已成為趨勢,在此過程中,5G通訊技術將扮演“催化劑”的角色。這一賦能作用的原因在於隨著計算重心從雲端向邊緣漂移,人工智慧的推理與執行也開始向移動終端拓展,使邊緣智慧成為新的發展趨勢,而5G高速率、低延時的特性,能夠實現智慧化所需的資料高效連線,消除雲端與邊緣通訊時網路延遲的問題,提供穩健全新的URLLC和eM兆服務,從而極大程度地豐富邊緣智慧的應用場景,助力指揮控制平臺、空中作戰平臺等由“精確化”向“智慧化”轉變。這一趨勢在無人機領域已經產生了直接對映。2017年12月,美國國防部的演算法戰跨職能小組(AWCFT)使用人工智慧技術處理美軍掃描鷹(ScanEagle)無人機的拍攝影像,提升其對視訊中人類、建築等物件的識別正確率。試驗開始一週後計算機的識別正確率達到了80%。

5G賦能邊緣智慧技術之後,將使無人機的蜂群技術產生突破,實現大規模協同作戰。2018年1月,美國國防部高階研究計劃局(DARPA)贊助在匹茲堡卡內基梅隆大學建立了網路基礎設施計算研究中心CONIX,其研究目標之一便是藉助邊緣智慧,為大規模協作無人機叢集提供按需實時感知資訊,在快速演進的戰術環境中支援人機協作。由於無人機叢集協作需要將時延控制在1毫秒左右,此前網路響應速度一直是這項技術需要努力解決的挑戰之一,也因此現有無人機叢集多為小規模編隊,缺乏大規模叢集節點之間的資訊交換能力。而5G的端到端通訊時延低於1毫秒,這足以支撐無人機大規模叢集協作的需求。未來隨著5G通訊網路的覆蓋逐漸完善,無人機叢集的自主性也將隨之進一步提高,完成複雜度更高的作戰任務,甚至重新整理空中戰場形態。

無人機對5G通訊的反哺

在受到5G通訊技術助力的同時,無人機本身也可以作為資訊節點,以空中平臺的身份為5G網路提供持久的資料中繼和通訊服務,擴充套件網路連線範圍,對5G進行“反哺”。相對於傳統通訊基站,無人機基站的優點在於其巨大的靈活性,能夠任意指定基站位置,覆蓋範圍廣,並可根據使用者需求隨時遷移,降低基站建設成本,優化資源配置。2016年2月,Google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訊號,從而達到向偏遠地區提供網路接入服務的目的。

美國國際戰略研究中心釋出《5G技術將重塑創新與安全環境》報告

無人機5G基站在軍事領域也有巨大的應用前景。利用無人機作為中繼通訊節點,軍隊將能在無任何支援性基礎設施的環境下實現5G級別的戰場資訊終端的互聯互通,而無需頻繁調動軍用通訊衛星等資源,顯著降低行動成本,這對需要在海上/自然災害/極端條件環境下作戰的機動作戰部隊來說尤為重要,從而極大程度地提升戰術通訊保障能力。

5G之於軍用無人機的挑戰

儘管5G技術之於軍用無人機有著巨大的應用前景,但成熟落地之前仍然存在諸多痛點。其一是覆蓋範圍較小。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佈稀疏的偏遠地區執行任務。而5G相較4G傳輸距離更短,訊號覆蓋能力較弱,使得無人機將更容易面對5G有用訊號過差的問題。其二是5G網路規劃難度較高。5G Massive MIMO增加了垂直維度,這固然使得它有利於為無人機建立三維的空中通訊網路,但也意味著無人機的網路規劃工作將變得更加複雜。同時,5G網路相對4G所需的通訊基站密度上升,增加了傳輸節點數量上升的問題,也大大提高了網路的複雜性,加重了運維負擔。

儘管可以使用上文提到的無人機作為中繼通訊節點來部分改善這些問題,但由於續航能力的考慮,無人機較難長時間滯空工作。目前連續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行長時間作業。此外,無人機基站面臨的共同問題還包括地面保障系統複雜、維護保養複雜等。因此在很長時間內,無人機5G基站只能作為應急方案。另一個解決手段是邊緣計算技術。邊緣計算中心部署於終端裝置附近後,能夠在資料來源頭進行實時處理,使得無人裝備能夠根據反饋進行實時行動,降低資料傳輸距離與延遲時間,減輕對與終端技術源的通訊的依賴。目前Axellio公司已開發出無人機能夠搭載的輕量級邊緣計算平臺FabricXpress。雲端計算公司NUTANIX曾使用英特爾公司的NUC伺服器和自研的NutanixEnterprise雲平臺構建一個基於邊緣的計算正規化,提升無人機的資料吞吐量和處理能力。但邊緣計算仍舊處於發展初期,要適應不斷髮展的無人機通訊需求,仍然需要更多解決手段應對5G的痛點。

未來展望

目前來看,5G通訊技術尚未完全成熟,在軍用無人機上的應用還有相當大的進步空間,需要多方的全面合作和持續投入,突破數個技術難關才能最終落地,發展之路任重而道遠。但隨著5G技術發展完善,“萬物互聯”將逐漸化為現實。當除了軍用無人機之外,其他武器裝備也配備5G通訊能力之後,將推動戰場全域資訊終端和平臺的互聯,形成覆蓋空天的資訊網路,實現高度一體化戰場控制。同時5G將與人工智慧技術進一步融合,加速軍隊的智慧化建設,大幅增強空天力量,形成智慧化的軍事新體系,從而以現在或許難以想象的程度極大改變未來作戰的模式。

版權宣告:本文刊於《軍事文摘》雜誌。作者:卞穎穎。如需轉載請務必註明“轉自《軍事文摘》”。

Reference:科技日報

看更多!請加入我們的粉絲團

轉載請附文章網址

不可錯過的話題