美国汽车工程师学会：军用5G网络成功应用的三大挑战

云脑智库 2022-10-26 00:00

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美国汽车工程师学会（SAE）下属Mobility Engineering网站2022年9月1日刊文，对5G在军事中成功应用的三大挑战进行了分析，并提出了应对挑战可行的研究方法。

第五代（5G）蜂窝网络扩展了关键通信的能力，在基地、应急场景和战场上有广阔的应用前景。飞机、舰艇、越野车和其他装备平台通过接入5G网络，可以实现自动驾驶并创造新的用例。5G机器人技术将支撑智能仓储和远程手术应用。不断发展的5G非地面网络（NTNs）有望使所有这些新的应用成为现实。

然而，为了保证性能，这些应用需要进一步开展针对性的设计和测试。对于航空及国防应用，5G必须遵守更严格的性能要求，并克服三个关键挑战——不断发展的NTN标准化，军用装备适用性，以及5G与雷达和卫星系统共存问题。通过采取多步骤的方法，可以确保5G设备无缝集成到最终设计中，实现5G在军事和政府应用的愿景。

NTN标准的制定

当前，围绕NTN的问题成为了预测系统性能的首要障碍之一。5G NTN有望实现无处不在的蜂窝网络覆盖。利用星基或空中资源，5G可以在没有地面网络覆盖的地区提供服务。虽然到目前为止基站都是基于地面的，但第三代合作伙伴项目（3GPP）已经批准NTN作为5G R17标准的一项功能。

具体的架构将随着标准的发展而最终确定。无论最终标准如何，架构将从用户设备（UE）模块定义开始。除了移动电话，UE还包括车辆、传感器和手表等。UE通常与基站进行通信，在5G中基站被称为gNodeB，核心网络称为下一代核心（NGC）。

图1 通过模拟gNodeB来测试UE，重点关注UE的电池寿命、电池老化或电池寿命与温度的关系等指标，并评估服务质量，如块错误率或灵敏度（作者汉化）

NTN标准仍在开发中，目前还没有商用设备和原型。这意味5G NTN在军事中的应用必须进行专门的研究以及原型开发。不幸的是，现有的商用现货（COTS）UE和gNodeB并不适用于星基通信链路中的多普勒和延迟量（图1）。

为了开发NTN，需要采取从基本软件建模开始循序渐进的方法。软件工具应建立以下模型：

——UE的下行和上行发射和接收链路

——gNodeB

——往返于卫星的信号传播

——卫星的运动

——天线

——整个系统的延迟和多普勒

在与卫星的传输过程中，UE将采用预频移技术以对抗卫星的多普勒位移，同时卫星上的gNodeB也必须对其服务的所有UE进行预频移。当一个UE连接到网络并查找基站时，它必须承担比地面情况下更大范围的频率偏移。尽管目前还没有COTS原型，但可以在软件中模拟NTN链路并进行原型设计，或者使用更容易定制的硬件仿真器来模拟NTN链路，在实验室中小规模地进行原型设计。

当NTN设备可用时，再进一步在实验室或外场中用真实设备进行小规模原型设计，接着在目标平台上加装实际设备，并大范围部署，开展定期维护测试。

陆海空多域平台5G网络

接入5G网络的飞机、舰艇、越野车和其他平台可以实现长距离通信、高数据率视频传输和传感器海量物联。最终，这些能力将推动装备实现自动驾驶。

图2 开发装备5G系统的流程（作者汉化）

舰艇、飞机和地面车辆有不同的发射器和接收器，包括遥测装置、通信收发器、雷达和卫星通信以及监视系统。它们都必须同时运行而不影响其他系统的性能或损坏它们。例如，如果设计不当，高功率的雷达可能会损坏敏感的卫星接收器。飞机、舰艇和其他带有5G的车辆也增加了射频环境的复杂性。

加装5G通信设备、雷达、监视系统和其他设备的装备平台存在潜在的电磁兼容问题，必须在规划阶段，对5G UE上下行链路、gNodeB、以及其他通信系统的信号传播进行软件建模，然后使用时域有限差分（FDTD）方法对完整空间的电磁场进行仿真，确定装备平台三维模型下的电磁兼容性，发现潜在的问题，以便所有系统都能同时安全运行（图2）。FDTD方法将电场和磁场分别在空间和时间上交错采样，能够模拟电磁波在整个复杂结构中的传播，得到理论上超宽频域的结果。

为了增加结果的可信度，可以在实验室使用硬件仿真器代替5G COTS实现一个小规模的信号原型，用信号发生器和其他模拟设备模拟环境信号，以衡量真实环境下的电磁兼容性。结论得到验证后，就可以进一步全面实施，在目标平台上部署实际设备，并进行定期的维护测试。

5G与雷达、卫星的共存挑战

5G网络与雷达和卫星应用存在共存挑战。因为这些应用可能使用与5G相同的频谱，产生相互影响，导致服务中断或性能下降。按照规定，共存的信号可以在相同的频率范围内运行，但通常有一个信号具有优先权。例如，雷达信号通常优先于5G信号。因此，5G需要关闭或转移到另一个频率。

卫星信号也可以与5G信号共存。例如，5G NR FR2与固定卫星服务（FSS）地球站在27.5至29.5GHz的上行链路和37.5至40.0GHz的下行链路重合，需要围绕干扰波形如何相互作用以及带内和带外的抑制问题进行进一步的研究，并且确定保护间隔，以及其他评估影响时需要考虑的指标。

为了测试雷达或卫星对5G网络的影响，可以在外场使用信号分析仪对5G测试UE、雷达、卫星等多种类型信号进行测量，详细了解5G网络的质量和吞吐量指标，以及其对于共存信号的影响。

也可以用信号发生器和软件模拟真实条件场景：根据所需的保真度以及振幅、频率、脉冲宽度、脉冲上调制、脉冲重复间隔、相干处理间隔和天线扫描调制等发射器参数，利用软件生成单个雷达发射器或高密度的发射器环境；使用矢量信号发生器输入伪噪声（PN）排序和数据模式等信号参数，创建卫星通信模拟信号。

对于难以用信号发生器和软件生成及模拟的场景，可以使用记录和回放系统，记录现场信号，并带回到原型平台实验室中，用矢量信号发生器重现。

5G网络可能造成未知的共存漏洞，开展24小时不间断的监测可以有助于确保网络免受共存条件的影响。同时也可以通过对这些条件进行原型研究，暴露漏洞并确保不会对5G系统产生负面影响。

一条可行的道路——循序渐进的开发模式

随着对5G发展的支持力度不断增加，其在航空航天和国防领域的应用案例将迅速扩展。随着理论上的进步，软件模拟将发挥关键作用，例如NTN研究对5G卫星链路的模拟，UE到UE的通信模拟，以及装备平台传感器物联的模拟。未来对于6G技术的应用研究也需要开展软件模拟。一旦在软件中验证了概念，就可以使用硬件在环，用现成的解决方案来原型化新功能。

接下来通过开发和集成测试对功能进行控制、观察和重复，并对整个5G系统进行性能鉴定。最后在实际用例中测试和评估最终解决方案的安全性。

军事和政府应用需要保证最高级别的可靠性和安全性，切记不可冒进。相反，要依靠循序渐进的步骤，通过验证和仿真来确保性能，验证5G和6G系统，实现新用例与新的网络功能，从而改变航空航天和国防格局。

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