自 5G 技术从 2019 年开始大规模商用以来，美国军方对 5G 的关注力度明显加大，最终于 2020 年 5 月和 10 月先后出台《国防部 5G 战略》和《国防部 5G 战略实施计划》（以下分别简称《战略》和《计划》），以期将美国的军用 5G 技术从预估阶段快速推向应用阶段。按照《战略》的设想，未来美军将在 5G 等技术的基础上，建立一套庞大、复杂且强韧的军用网络，该网络可将相距遥远的众多传感器和武器平台连接起来，并通过强大的算法帮助指挥官理解、塑造和适应作战环境，从而大幅改善美军的作战速度、精度和效率。如今这两份文件已出台近三年，美国的军用 5G 技术已取得了哪些进展？未来又将迈向何方？本文将力争拨开重重迷雾，为读者找出这些问题的答案。
一、政策支撑
《战略》和《计划》规划了美国军用 5G 技术的路线图，近三年来美军基本在按这两份文件发展 5G 技术，并于 2022 年 3 月成立了“5G 与未来通信”（5G and FutureG）跨职能团队来牵头相关工作。尽管美军自《计划》后再未发布新的 5G 专项文件，但 2021 年至 2023 年间的三版《国防授权法案》均对 5G 领域的发展提出了要求：《2021 年国防授权法案》要求国防部建立 5G 治理结构和论证部分 5G 技术的成熟度，《2022 年国防授权法案》要求各军种联合制定在军事设施开展 5G 试点项目的计划，《2023 年国防授权法案》则要求国防部长明确在各军事设施部署 5G 技术的具体时间，同时要求各助理部长制定向 5G 过渡的三年计划。这种要求上的变化从侧面反映出美国的军用 5G 领域确实在稳步发展之中。
此外为有效消除 5G 技术的安全风险，美国国防部联合网络安全与基础设施安全局（CISA）于 2022 年 5 月发布报告《对 5G 安全评测流程的调查》。该报告提出了制定 5G 安全评测流程的五步法，即明确 5G 用例、划定评估范围、确定安全需求、将安全需求纳入指导以及评估安全指导的不足和替代方案。无独有偶，美国网络安全巨头 MITRE 公司也于 2022 年 6 月推出了 5G 威胁知识库 FiGHT：FiGHT 收录了 5G 可能面临的几乎所有网络威胁，其将这些威胁划分为横向移动等十余个大类，每个大类又包含了网络嗅探等若干小项，每个小项则给出了相应的攻击过程、关键资产和应对措施。未来美军很可能以这些成果为基础，建立更加完善的军用 5G 开发、评测与安全框架。
二、技术研发
自 2022 年以来，美国至少有 12 处军事设施参与了军用 5G 技术的开发与测试工作，另外还启动了多个研究项目以攻克技术难题。这些工作涵盖了军用 5G 技术的方方面面，其中指挥与控制网络、智慧后勤、动态频谱共享、毫米波通信和虚拟技术等方面的进展相对突出，值得重点关注。
2.1 5G 指挥与控制网络全面开花
众所周知，指挥与控制是军事领域最核心的能力之一，因此为了在未来战争中赢得胜利，美国国防部近年来提出了“联合全域指挥与控制”（JADC2）构想。JADC2 希望把所有部队的海量传感器、装备和人员都接入统一的作战网络，然后由先进算法乃至人工智能根据任务需求和从各方汇集而来的数据，高效计算出最佳行动单位和方案，并迅速予以落实，从而显著提高美军的作战效能。显而易见，5G 技术传输速率快、传输容量大、可设置网络切片且能形成高弹性的移动式自组织网络（MANET），正是建立 JADC2 骨干网络的理想之选。《战略》也明显支持这一观点：在其规划的 12 处测试设施中，有 5 处设施都旨在建立军用 5G 网络并测试其连通性，而另 2 处设施负责的动态频谱共享技术本质上也是为了建设 5G 网络。除此之外，美国陆军也于 2022 年 3 月启动了“战略与频谱任务高级弹性信任系统”（S2MARTS）项目，以开发能链接陆军车辆和无人机的 5G 指挥网络。
作为《战略》的关注重点，美国军工巨头近年来也应时而动，纷纷提出基于 5G 网络的指挥与控制方案，其中洛克希德·马丁公司的 5G.MIL 方案尤其引人注目。5G.MIL 将依靠位于网络边缘的分布式网关来整合现有的军用网络乃至商用网络，并通过智能编排、数据管理和冗余设计等技术，为美军提供高度弹性的通信能力。2022 年 9 月，洛·马公司和威瑞森公司利用 4 架无人机和两个专用网络节点，测试了经 5G 网络传输流视频和侦察数据的可行性，以此展示如何通过专用和公共网络来扩展 5G.MIL 的覆盖范围。2023 年 5 月，洛·马公司联合 Juniper Networks 公司开发了 5G.MIL 方案所需的“任务型路由技术”，该技术可根据数据内容、信息交换要求和任务优先级对信息进行排序，从而在主要信道被切断等不利环境下，通过优化和调整传输路径来确保 5G.MIL 的连通性、实时性和安全性。
其它一些公司也提出了类似于 5G.MIL 的指挥与控制网络方案，但进展相对迟缓。2022 年 6 月，美国诺斯罗普·格鲁曼公司提出了一种数字作战网络，该网络有望将专用 5G 网络的高速、低延迟和网络安全特性与商用5G 的灵活性和可扩展性相结合，从而在各类安全网络之间快速、无缝地共享数据。同月，美国 Viasat 公司宣布为支持“远征先进基地行动”（EABO），将研究 5G 动态射频频谱以及自适应网络规划与管理能力，以便通过 5G 节点实现 EABO 中的低拦截率／低侦测率（LPI/LPD），同时也将研究如何通过数字孪生模型、5G 移动边缘计算（MEC）和人工智能实现战术边缘计算，以及如何在激烈对抗的动态环境下快速部署和操作移动式装备。
尽管目前尚以研究和测试为主，但美军其实已开始推动 5G 指挥与控制网络的实际部署。2023 年 3 月，Hughes 公司宣布将联合 Dish 公司在惠德比岛海军航空站（NASWI）建设独立的 5G 网络，以利用数据包处理核心、无线电访问、卫星访问、边缘云访问以及安全与网络管理等技术来改善NASWI 基地的网络弹性。2022 年 1 月，美国 Fenix 公司宣布向加州国民警卫队提供“女妖”（Banshee）系列基站，这些基站能够连通包括 5G 和 4G网络以及手机和无人机在内的各种军用与商用无线电、网络及硬件（背包式的“女妖”战术无线电（BTR）系统最多可连接 256 件终端装备，车载式的“女妖”移动无线电（BMR）系统则最多可连接 800 件终端装备），并利用多模通信系统和边缘计算能力形成一定范围的 MANET。
2.2 5G 智慧后勤步入实用化阶段
智慧后勤是美国军用 5G 技术进展最快的领域，考虑到 5G 技术对物联网的巨大推动作用，以及亚马逊等美国公司早在 2012 年就开始使用仓储机器人的事实，美军在该领域取得显著进展并不令人意外。最典型的智慧后勤应用场景是“智慧仓库”（Smart Warehouse），即基于 5G 网络的自动化仓储系统。2022 年 2 月和 2023 年 4 月，AT&T 公司和 Federated Wireless 公司先后在科罗纳多海军基地（NBC）和奥尔巴尼海军陆战队后勤基地（MCLBA）完成了各自“智慧仓库”系统的测试工作，并随即启动了“智慧仓库”的正式建设工作。这些系统均采用了自动叉车、智能安全摄像头以及内置射频识别（RFID）模块的智能包裹等技术，能够自动识别、记录、整理、存储、检索和运输物资。其中 AT&T 公司的系统更加先进，数据传输速率达到 3.9 Gbps，延时小于 10 毫秒；Federated Wireless 公司则相对逊色，这两项参数分别为 1 Gbps 和 15 毫秒。
军事后勤的范围并不仅限于仓储，美军自然也将 5G 技术用到了装备的补给与维护上。2023 年 1 月，佐治亚理工学院研究所（GTRI）宣布为 NASWI基地建设基于 5G 网络的加油规划系统，该系统将通过 5G 网络获取加油车的位置和排队信息等数据，再由人工智能程序根据这些数据和飞行计划优化加油方案，从而大幅缩短飞机的等待时间和人工沟通负担。2023 年 4 月，洛克希德·马丁公司在 UH-60“黑鹰”直升机上测试了一项基于 5G 网络的维护模式，即维护人员不再单独分析每架直升机的数据，而是将这些设备中的数据统一导入服务器，再由人工智能程序根据飞机状态和机队历史数据计算出最佳维护方案，然后通过 5G 网络将方案发送到维护人员的便携设备上。如果这种维护模式反响良好，未来还可能扩展到地面、水面和水下装备上。
2.3 稳步推进动态频谱共享研究
尽管美军深知 5G 网络的种种优点，但其多年前就已将 3.1–3.45 GHz等 5G 主力频段分配给了雷达和卫星等军事装备，这意味着一旦大规模建设商用或军用 5G，就很可能对这些装备造成强烈的信号干扰。美国已为此考虑了多种解决方案，包括由联邦通信委员会（FCC）等监管机构规定保护频带和各军种之间的频率间隔，让舰艇等军事装备与 5G 基站保持一定距离，以及限定天线的发射功率、类型和角度等。然而这些举措显然会严重限制5G 的使用，实非治本之道，所以《战略》明确提出研发 5G 动态频谱共享技术，希望通过技术手段实现 5G 频段的军民两用乃至多装备共用。
为推动 5G 频谱共享，美国国防部先于 2020 年 6 月宣布将在廷克空军基地（TAFB）测试频谱共享技术，又于 2021 年 12 月在希尔空军基地（HAFB）建成专用 5G 网络，以测试在机载雷达系统与 5G 网络之间动态共享 3.1–3.45 GHz 频段的可行性。此外在 2022 年 8 月，国防部在其“创新超越 5G”（IB5G）计划中新增了 3 个研发项目，其中 Zylinium Research 公司的“频谱交换”系统采用了开放应用程序接口（API）和频谱交换协议（SEP），其能按数十毫秒的时间段将频谱分配给小至数千赫兹的 5G 网络切片，从而在多个用户同时争夺同一频段时合理调度和分配频谱资源。而在国防部之外，美国国家频谱联盟（NSC）也于 2021 年 10 月组建了“合作推进可信的全局式频谱解决方案”（PATHSS）工作组，该工作组由来自政府、企业和学术界的 198 名成员组成，主要负责讨论和统筹军政企各方的 5G 频段使用方案。
2.4 军用毫米波通信技术异军突起
5G 网络可使用 450 MHz–6 GHz（俗称“厘米波”）和 24–100 GHz（俗称“毫米波”）等波段，其中毫米波的优点在于传输速度更快，信道更稳定和频谱资源更丰富，缺点则是成本更高、覆盖范围更小以及最为致命的穿透力过弱。毫米波的缺点决定了其难以大规模商用，但在军事领域却未必如此：美军往往愿意付出更高的成本来获得更好的性能；较小的信号覆盖范围意味着更难以被敌方侦知；毫米波虽不适用于遍布障碍物的地面环境，但却适合于空旷的空中和海面环境。所以尽管 5G 毫米波技术在商业市场上举步维艰，但近年来美军仍在尝试将其用于军事领域。
飞行距离较短的小型无人机显然是测试 5G 毫米波技术的理想平台，因此在 2022 年 5 月，洛·马公司和威瑞森公司就测试了基于毫米波的无人机情报、监视与侦察（ISR）能力：4 架执行 ISR 任务的无人机与两个专用网络节点建立链接，进而通过 5G 毫米波链路实时传输 ISR 射频数据和流视频数据，并在网络边缘利用高级信号处理算法处理数据，使战场数据能直接呈现在直播视频中。此外在 2022 年 1 月，英国 Blu Wireless 公司在新加坡和法国测试了基于 5G 毫米波技术的舰间通信技术，试验表明舰艇相距 1 公里时的传输速率为 1 Gbps，相距 4 公里时为 100 Mbps，打破了舰间通信的数据传输速率纪录。考虑到英美间的亲密关系，美军完全可能将该技术纳为己用。
2.5 5G 虚拟技术前景充满变数
许多科幻电影已展示过增强现实（AR）和虚拟现实（VR）等虚拟技术的军事价值，但受制于带宽和延时等因素，现实中虚拟技术的表现始终不尽如人意，不过随着 5G 的兴起，这一局面或将有所改观。2020 年 6 月，美国国防部在圣安东尼奥联合基地（JBSA）启动了基于 5G 网络和虚拟技术的远程医疗培项目，以期不在现场的医学专家能根据传感器数据、高清视频图像和伤患的电子病历等形成医疗意见，然后通过 5G 网络向佩戴 AR／VR 设备的现场医生提供直观的远程指导，从而改善美军的医疗能力。然而美军此后再未公布过相关工作，考虑到军事意义更强的其它 5G 技术都多多少少有所进展，JBSA 的研究和测试工作或许并不顺利。
除远程医疗外，美军也在尝试将基于 5G 网络的虚拟技术直接用于作战行动。目前美国 AT&T 公司已向卡瓦佐斯堡（旧称胡德堡）军事基地提供“仪表化多路综合激光交战系统”（I-MILES），该系统可让士兵使用激光发射器相互“交战”，并由士兵穿戴的接收终端来确定“伤亡”情况。这些“交战”和“伤亡”数据将通过 5G 网络实时传输至训练系统，以帮助指挥官改善演练效果。此外美国微软公司也在为美国陆军开发“综合视觉增强系统”（IVAS），该系统可通过 5G 网络将坐标、数字地图和视频等情报实时投影到士兵的头戴式显示器上，甚至协助士兵瞄准目标。不过在 2021 年的 IVAS原型测试中，80%的使用者表现出恶心、眼睛疲劳和头痛等症状，再加上IVAS 的尺寸和重量仍然较大，以及产生的光亮容易暴露士兵位置等问题，美国国会于2022 年7 月决定将IVAS 的预算从4 亿美元削减至5000 万美元，这意味着美军恐怕无法在短期内获得基于 5G 网络的单兵虚拟装备。
三、几点启示
3.1 5G 与卫星网络趋向深度融合
虽然 5G 技术可为美军提供低延迟的高速无线网络，但即便是 5G 厘米波，其最大通信距离也仅有数公里，理想的通信距离甚至只有百余米。此等距离远小于军事领域常用的短波和长波（超过一千公里），因此并不适合远距离通信。这样一来，美军自然想到了将 5G 网络与卫星相结合，从而使指挥所等关键节点既能通过卫星实现远程通信，又能通过 5G 网络与附近的无人机等装备进行高速的海量数据传输（如传输实时视频）。例如在 2023年 3 月，美国国防创新单位（DIU）的代表就在“2023 年卫星”大会上表示，美国空军和太空军已将 5G 方案纳入“混合太空架构”构想，未来有望建立涵盖地球同步轨道（GEO）卫星、低地球轨道（LEO）卫星、平流层高空平台和地面／海面系统的多路径通信体系。事实上，第 2.1 节中 Hughes公司为 NASWI 基地建设的 5G 网络就将具备卫星访问能力：该网络将访问JUPITER 系列 GEO 卫星，这将使其覆盖范围从美国西海岸扩展到东海岸，并提供超过 100 Mbps 的下载速度，此外该网络未来还有望接入 OneWeb 公司的 LEO 卫星星座。另外值得注意的是，在 2022 年 6 月，全球无线通信标准组织 3GPP 发布了第 17 版 5G 通信标准，该标准的一大亮点是首次明确了 5G 技术与卫星等非地面网络的集成与连接规范，而这无疑将有效推动美军 5G 网络与本国乃至盟友卫星的深度融合。
3.2 人工智能尚无法管理 5G 网络
在 ChatGPT 引发商用人工智能热潮之余，美军也并未忽视人工智能在军用 5G 领域的巨大潜力。以美军近年最为重视的 JADC2 为例，5G 网络可将美军拥有的海量网络节点（包括计算平台、用户设备和传感器等）无缝连接起来，若再由人工智能处理这些节点的数据，该 5G 网络就能持续感知变化不定的军事环境，并根据预设条件将网络拓扑结构调整至最佳状态，或将情报自动转发至相关装备，从而帮助指挥官及无人机等自主系统快速作出正确决策。不过受限于技术水平和军事风险，这种“人工智能型 5G 网络”当下还只是远景目标，目前美军的研发重点是人工智能的信息分析能力，5G 网络仅作为人工智能的数据传输途径，两者的结合并不紧密。举例来说，洛·马公司测试了用人工智能来分析 UH-60“黑鹰”直升机的飞行数据，进而根据这些数据提出合理的维护方案；GTRI 测试了用人工智能来分析 NASWI 基地的各类飞行计划，进而相应调整该基地的加油规划；AT&T公司则测试了与高清摄像头相连的人工智能系统，该系统能够识别输送带上的物体类型（甚至能区分弯曲角不同的弯管）及数量，并加以分类。尽管人工智能的应用范围还较为有限，但考虑到其有望大幅提升 5G 网络的运行效率，未来美军势必会尝试用人工智能来管理 5G 网络，只是实现这一目标还尚需时日。
3.3 频段之争或将削弱 5G 军事潜力
尽管美军启动了不少 5G 技术项目，但阻碍其广泛使用 5G 网络的最大障碍或许还不是技术问题，而是最宜用的 5G 厘米波频段已被军用雷达和卫星等装备占用。为化解这一矛盾，FCC 于 2020 年提出“公民宽带无线电服务”（CBRS）共享模式，即把用户分为“既有访问权”用户、“优先访问权”用户和“一般授权访问”用户三个等级，其中优先权最高的“既有访问权”用户是早已在使用规定频段的政府和军方部门，“优先访问权”用户是竞拍到优先访问许可证（PAL）的无线服务提供商，优先权最低的“一般授权访问”用户则是其他所有人。CBRS 要求下一级用户不能干扰上一级用户，为此所有用户都必须安装可自动调节频率的“频谱访问系统”（SAS），以管理各方对频谱的使用。在 CBRS 的推动下，FCC 于 2021 年 3 月成功拍卖军事价值较小的 3.45–3.55 GHz 频段，然而美军以相关装备过于重要和昂贵为由，极力反对继续拍卖 3.15–3.45 GHz 频段。举例来说，承担战略反导任务的 AN/SPY 系列雷达就在使用 3.3–3.45 GHz 频段，而重新设计该雷达的成本将超过 1200 亿美元。考虑到美军在 2023 财年的预算“仅为”8580 亿美元，加上 AN/SPY 只是受到影响的众多装备之一，改造这些装备的成本必势必超出美军的承受能力，这意味着这些装备很可能将继续占用 5G 频段。在此状况下，美军可能将被迫只使用应用场景有限的 5G 毫米波频段，或只在限定区域使用 5G 网络，结果就是难以发挥 5G 技术的所有军事潜力。
供稿：三十所信息中心
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