【联合全域指控】5G和边缘计算：美国防部和JADC2的未来

简介

随着美国防部和各军种持续完善和实践JADC2概念，陆、海、空、天应用中心（ALSSA）相继发布了一系列出版物，如《战区空地系统》、《空域控制》、《动态目标选取》，旨在对美军现有的战术、技术和程序（TTP）进行必要的修订，目的是改进军种之间的互操作性。近期，ALSSA发布了《5G和边缘计算：美国防部和JADC2的未来》研究报告，阐述了5G和边缘计算对于美国防部JADC2概念、美空军“敏捷作战运用”（ACE）概念，以及后勤保障领域和未来武器能力的重要性。本报告作者莫利纳里上尉系北卡罗来纳州自由堡第一联合特种作战司令部的联合火力规划师。

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引言

2020年12月，美国国防部长发布了《国防部5G战略实施计划》。其中，美国国防部描述了将5G和边缘计算应用到军事行动中的重要性，主要是因为这些新技术能够实现更高的性能、数据驱动的应用和机器对机器通信。该战略强调了技术的重要性和新兴能力，为5G能力的开发、实验和原型设计提供了基线路线图，同时确保国防部将促进5G技术的发展和采用。然而，5G和边缘计算的重要性不止于此，它们是美军联合全域指挥控制（JADC2）概念的关键，能够极大地改善指挥控制、后勤、未来武器能力和大规模作战行动的实施。

由于《国防战略》引导联合部队走向大国竞争的环境，并保护国家免受近似匹敌对手的攻击，因此JADC2概念已成为统一网络、传感器和武器系统的基石，以便在各军种、指挥部、决策者和作战人员之间分发信息。JADC2促进了各领域工作的统一，目的是利用联合和伙伴国家能力的优势，为任务指挥官提供快速形成、执行杀伤链或在杀伤链之间转换的能力，以压制对手的防御并使敌人陷入多重困境。图1显示了JADC2的整体布局，以及各域如何融入到能够缩短决策周期的“作战网络”中。

图1 JADC2布局图

此外，美国空军已采取敏捷作战运用（ACE）概念来应对太平洋战区的威胁。美军认为其已深陷大国竞争之中，因此指挥官需要有能力基于经验数据实时做出近乎瞬时的决策。更重要的是，作战信息和目标数据必须在不同的单个平台与整个部队之间无缝共享。美军已经开始通过作战人员在战术边缘开发所需的解决方案，以实现跨不同系统和波形的互操作性。事实上，战术边缘也是最需要技术创新的地方。

诸如“自动战术目标选取”和“反火力杀伤链”这样的系统具有连接不同传感器和射手的能力，并自主提供近乎瞬时的目标数据。然而，这些开发中的系统所缺乏的是一个能够与战场前沿的边缘计算能力相结合的可扩展的综合5G网络。该网络不仅能够使网络上的所有单位即时共享信息，还可以实现前线战斗机之间的即时数据处理，无需将数据传送回作战中心供决策者重新发布。随着指挥权的下放，将实现无缝的分布式执行。

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5G与边缘计算

目前，美军严重依赖不同的指挥控制系统，如Link-16、蓝军跟踪系统、杰克河（Riverjack）跟踪系统和态势感知数据链。此外，美军已经开始利用商业公司的软件来开发将各型指挥控制系统连接起来的能力。如，内华达山脉公司的战术无线电应用扩展（TraX）软件可通过跨多种军事标准通信协议理解和通信的能力，跨不同的域和波形连接各类信息。虽然TraX能够帮助不同系统进行“对话”，但它要求软件连接到各系统所在的网络中，以创建一个通用作战图并共享来自不同网络上资产的数据。然后需要将每个系统都放在同一个网络上以实现信息转发。TraX只是这类技术能力的开始。

5G是下一代蜂窝网络，速度比4G网快100倍。5G是一个能够创建物联网（IoT）的网络，因为它能够提供99.999%的可靠性，端到端延迟低至5毫秒，峰值数据速率高达10 Gb/s，移动性达500km/h，节能并且可以维持10Tb/s/km²的移动数据量。物联网是一个包含各种互连的设备或系统以及促进设备或系统与云之间、设备或系统之间通信的技术的综合性网络。借助5G网络，美国防部将能够管理和运营大规模物联网网络，该网络可提供单元自主性、最终用户计算、自主系统和更低的延迟。

通过5G网络，从视频、语音、传感器、目标选取、侦察甚至步兵武器瞄准具中获取数据将变得容易，任何人都能够即时获取所需的数据。前方士兵瞄准镜观察到的实时情况将自动多播给后方部队。为了实现这一能力，美国防部必须找到新的方法来实现数据流边缘计算解决方案，或是建立一个提供更多分布式地理接入点的网络。其目标是允许美军使用边缘计算，而无需重新构想其现有基础设施。具有边缘计算系统的5G不仅将使网络连接达到5G的速度，而且还将提供近瞬时通信能力。因此，美国防部必须整合一个由边缘计算技术提供支持的5G网络，以创建一个能够扩展成大规模基础设施的新网络。

这种令人难以置信的网络能力与多接入边缘计算（MEC）相结合，为连接部队和即时共享时敏数据和信息提供了无限的技术可能性。MEC使云服务器能够在更靠近端点的地方运行，从而减少延迟并加快本地处理速度。图2显示了传统云结构与MEC网络之间的区别。

 图2 传统云网络与多接入边缘计算（MEC）

MEC网络能够支持更多的时敏型应用程序并使战场前线的最终用户能够即时处理数据。边缘计算的去中心化架构使技术资源更接近数据产生的地方，减少了响应时间滞后。当边缘计算与5G的大带宽、超高速与显著降低的延迟相结合，预计将使美军实现人工智能（AI）、物联网、大规模机器类型通信（mMTC）、超可靠和低延迟通信（URLLC）、沉浸式现实和自动化等创新技术的全部潜力。

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联合全域指挥控制

解决JADC2的概念问题一直处于军事创新的前沿。几乎任何与开发或支持该概念相关的项目都可以获批经费并推进相关研究工作。每个人都在关注各个技术块如何结合起来以支持JADC2。虽然这是发展未来军事指挥控制概念的很大一部分，但创新需要将一个个独立的“烟囱式”能力扩展为整个网络的重建。5G的真正意义在于，未来能够在快速变化的作战场景中运行更多成本更低、连接更紧密、更强大的系统。此外，5G将把分散的网络组合成一个单一的网络，使士兵能够更清楚地了解自己的位置，做出更好的决策。5G也会对后勤和维护领域产生积极的影响。一旦网络发展起来，各项独立的技术和软件就可以重新编程，进而融入到网络中。

要实现JADC2网络建设这一目标，需要美军创建新的网络基础设施。与Verizon和T-Mobile等私营网络业务提供商的合作可以为5G网络提供基础，同时开发能够将该网络推向世界任何地方的创新系统。移动式5G塔可以建立在前沿基地，而E-3预警机、P-3“猎户座”、RC-135“联合铆钉”等机载指挥控制平台或其它新型空中平台则可以提供空中网络扩展或中继。这种扩展能力类似于Link-16，彼此视线之外的用户仍然可以通过它们之间的中继进行通信；而中继能力则类似于已经建立的战场机载通信节点（BACN）。

一旦网络建立起来，所有前沿部署的传感器就可以互相连接和通信。该网络将通过所有连接的用户创建物联网，先进的人工智能系统将按照优先级为后方决策者列出来自前线的大量传入数据。这一过程将是无缝和近瞬时的。后方作战中心一旦连入网络，将获得巨大的战场态势感知能力，获取从本部队单位到战场前沿的无人机（UAV）视频馈送，甚至能够看到M1“艾布拉姆斯”坦克的瞄准系统观察到的图像。反火力雷达将自动向飞机发送目标数据，飞机则能够发布其从上空观察到的位于地面部队中的目标。前方观察员可以在标记目标的同时，立即将数据推送给在本方空域内自主飞行的巡飞弹。飞机之间将能够通过机载接近传感器轻松实现冲突消解。安装在地面炮兵弹药上的传感器可以在空域内创建禁飞区，因为飞行员将能够看到各枚在空中飞行的弹药。5G和边缘计算将能够创建mMTC和URLLC网络。

无论是分支机构、部队单位还是系统，5G将能够实现所有要素之间的相互“交谈”。只有不兼容5G的系统才需要TraX这样的系统。TraX可以将来自不同平台的无线电频率转换为支持5G的信息，就像该系统能够获取蓝军跟踪系统的位置信息并在Link-16上发布一样。传感器无缝、自主地连接到射手的能力将把军事目标选取和决策流程的时间从数分钟缩短至仅需数秒。联合部队指挥官将对其所有资产和部队拥有完整的态势感知能力。海军驱逐舰将具备与陆军前沿观察员通信的能力，空军部队将能够与同一联合作战中心监督的海军陆战队炮兵进行通信。前方侦察机将具有定位深层目标并将目标数据传递给多管火箭发射系统（MLRS）的能力。一旦MLRS到达“敏捷作战运用”（ACE）机场，即可立即向目标开火。这是JADC2近期能够通过5G网络实现的作战能力。

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敏捷作战运用

为了支持JADC2，美国空军正在试验基于无定和移动式指挥控制载具的韧性指挥控制，这些载具采用分布式部署并通过5G网络互联。这种机动式指挥控制能力经过了测试，并证明能够为指挥官提供JADC2概念的解决方案。一个关键要求是，无论何种平台都能接收和传输来自任何军事来源的数据。由第一联合特种作战空中分队（1st JSOAC）开发和测试的多域战斗管理组（MBMT）是一种经过验证的即插即用式机动指挥控制系统，可以集成不同的网络并创建物联网，使不同的平台之间能够“看到”并相互通信。此外，它还为指挥官创建了通用作战图。若没有5G技术的帮助，通用作战图将不会包括所有资产，并且延迟时间更长，可能会对决策造成影响。通过将这种机动式指挥控制系统集成到5G网络中，再加上边缘计算，美国防部将拥有强大的JADC2能力，其覆盖范围将扩展到战场上的任何地方，同时具备足以在威胁时间内执行任务的敏捷性，并通过机动性和小足迹提高生存能力。

美国空军的“敏捷作战运用”（ACE）战略是指挥控制面临的另一个困境。ACE是一种在威胁时间内执行的主动应对式机动作战方案，目标是在产生战斗力的同时增加生存能力。ACE是一种支持JADC2的作战概念，但需要美军全面重新检查为指挥控制、后勤和攻防能力提供支持的系统。这一概念将作战从集中的物理基础设施和基地转移到由较小的分散地点组成的网络。集中指挥、分布式控制和分散执行为ACE的指挥控制提供了框架。这种指挥控制框架可以通过在每个分散的地点建立综合5G网络实现。

通过5G网络，指挥官可以生成可定制的兵力包，并将其从一个基地位置机动或变更航线至另一个基地位置，同时将所需的后勤支持任务分配到同一位置。例如，如果指挥官需要4架轰炸机和6架攻击机，任务命令将通过5G网络发送，并由每个部队的系统接收，但只有执行任务的人员才能看到。在网络内，不论这些飞机去往何地都会有相应的后勤支持包。这些后勤支持包将同时接到去往同一地点的命令，5G智能仓库技术能够使所需的维护和设备支持自动化。与5G网络绑定的运输机将不断广播其位置、货物空间、路线和运输时间，所需的设备和支持将被即时分配以最适合的运输方式，以运抵兵力包所在的前方基地位置。

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对后勤的影响

ACE所需的能力发展以及这一概念可能被忽视的复杂问题是，为在各分散的地点快速部署的兵力包开发、支持和维持可扩展后勤包的能力。德怀特·D.·艾森豪威尔（Dwight D. Eisenhower）说，不难证明战斗、战役甚至战争的胜负主要取决于后勤。ACE将对美军目前的后勤系统构成巨大的挑战和压力。转型和自动化后勤将满足ACE概念的需求。除了前置后勤包和利用商业手段外，美军必须为受援兵力包开发定制的后勤包。随着广泛作战区域内分散站点数量的不断增加，保障计划和系统也应能够将维持行动扩展到能够满足需求的水平。一旦建立了5G网络，为在多个地点快速移动的兵力包提供支持的后勤能力将是近自主的。

实现这一目标的第一步是在美军的保障仓库内建立5G网络。尽管边缘计算和5G在后勤和供应链中的应用还没有达到应有的广泛程度，但这些技术将成为美军未来基础设施的一部分，因为它们提供了更高的计算能力、性能和可靠性，以支持仓库自动化和自动化物资搬运等领域。这种自动化包括对资产进行跟踪和追踪以避免供应链中的数据盲点，并消除系统停机时间以避免损失和故障。私营领域的使用表明，5G已经能够在制造业中实现先进的远程工业机器人，以更少的能耗远程控制工厂运营，以及实时数字工厂管理，从而识别产能，跟踪生产，并优化操作。同样的制造能力可以转移到复杂的军事后勤领域。

美国海军陆战队已经在试验用于车辆存储和维护的5G智能仓库技术，这种能力可以集成到ACE概念中。根据美国防部的说法，目前5G仓库实验的重点是提高仓库运营的效率，包括收货、存储、库存控制和跟踪、发放和交付。通过物联网以及mMTC和URLLC的功能，JADC2可以得到完全自主化后勤系统的支持。mMTC和URLLC为自动驾驶汽车、智慧城市和工业自动化构建了网络，所有这些能力都可以在美国防部的后勤网络中使用。一旦指挥官了解需要将哪种类型的兵力包部署到何处来实现其目标，命令就会发布到网络中，以便这些资产移动到相应位置。

特定兵力包的移动将通过机器对机器的通信实时触发后勤和供应包，这种通信仅基于向首席飞行员航空电子设备输入的命令和飞行路径计划。然后，该后勤和供应包将由中央指挥层级进行批准，任务命令获批后将由后勤团队和供应系统自动接收。在网络内，这些资产将分配具有共享后勤需求列表的数据标识符。如果清单上的物品在获取地点尚不可用，后勤网络就会开始行动。如果需要更多的物品来进行保障，5G仓库会自动通知，仓库内的自主车辆将开始用货盘装运物品，然后开始发货过程。在命令发布的几分钟内，为新兵力包提供支持所需的物资即处于处理状态，并在前往新地点的途中。如果个别仓库或单位没有可供支持的物资，则系统内会自动将信息发送给能够提供这些物资的相邻单位。在后勤系统中利用这些新技术的可能性是无穷无尽的。

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未来武器能力

除了JADC2的先进性和能力外，5G和边缘计算将为未来武器技术的开发和使用带来极大的优势。5G和边缘计算将推动监视和态势感知技术的发展。无人机将能够通过网络直播照片和视频，并近实时地利用AI技术创建数字3D地图，增强态势感知能力，并使领导者能够做出更明智的决策。指挥官可以使用从现场物联网传感器收集数据的平台，并使用AI技术将数据处理成可供行动之用的洞见，从而为决策提供信息。所有这些都可以与具有网络功能的武器相结合，几乎可以立即在战场上产生效果。

美国空军的新型B-21远程轰炸机是在未来空中作战期间伴随战斗机出动的首批“系统族”资产之一。该型轰炸机可能包括与战斗机一起飞行并为战斗机提供支持的自主协同平台（ACP）。5G传感器和边缘计算将使该系统完全自主，并消除内部和外部障碍的冲突。另一种潜在能力是用武装无人机或巡飞弹为飞机护航。巡飞弹是一种类似于无人机的自主平台，可以长时间飞行，唯一目的是发现和打击敌方目标。它们可以在地面发射，也可以装载到受援飞机上按需发射。美国空军正在继续投资于这种被称为协同作战飞机（CCA）的能力。

除了协同作战飞机外，借助mMTC和URLLC，美军还可以通过网络赋能的弹药，利用大规模的近瞬时自主打击能力。这些远程弹药将具备更长的徘徊时间，并能够自主飞到靠近战场前沿的空域协调区（ACA），同时与该区域内的其它弹药交谈，以保持飞行过程中的冲突消解。通过这个空域协调区，巡飞弹将不断接收来自前方传感器、士兵、无人机、雷达等的目标数据。网络赋能的武器将允许通过多种类型的平台进行空中或水面发射，并立即前往打击目标，或前往指定的巡飞区域以备未来交战。

根据计划，师和旅空域内的网络赋能的巡飞弹空域协调区将提供对地面威胁的即时动态响应。邻近作战区域携带这类弹药的空中资产也可以将弹药投送到相邻的巡飞区，供邻近单位使用。这类武器的5G自主能力还将自动与包括水面火力在内的其它跨区域弹药消除冲突。网络赋能的巡飞弹将安装小型传感器，提供炮弹在网络中的位置，并允许同时使用水面和空中火力支援，大大降低自相残杀的风险。

一旦传感器识别出前方目标，数据就会立即发布到5G网络。带有终端用户设备的前方控制器，再加上目标选取软件和TraX，将立即看到地图上的目标列表，并立即利用可用的巡飞弹。一旦确定了优先目标，控制器就会批准巡飞弹离开其空域协调区。巡飞弹正瞄准正确区域的信息将推送给控制器，此时可通过按下按钮发出最终交战命令。随后，目标被摧毁，整个过程在识别到目标的几秒钟内就完成了（图3进一步详细说明了这一过程）。

图3 5G网络赋能的巡飞弹概念的实现

协同作战飞机和网络赋能的巡飞弹只是5G和边缘计算能够在战场上实现的无限可能性的开始。未来的战场网络将包含数千个互联的平台，其广阔度和扩展能力将使其成为难以干扰的生命体。未来战争将要求在几秒钟内做出决策，而不是几小时或几分钟，要在指挥控制体系内实现这种能力，就需要分散和近乎自主的执行。美军的物联网将成为其相对于对手的最大优势，并创造一种联合火力能力，为弥合不同数据链架构上传感器和射手之间的连通性缺口指明了前进的道路。随着这种新能力应用的不断完善和发展，它将开始纳入更多的传感器和更多的武器系统。

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结语

为了推进JADC2、ACE、自主后勤和未来武器能力，美军必须开始开发战场前沿的5G网络构建能力。但这一目标面临着更大的技术挑战，因为战场前沿几乎没有5G基础设施，而且很可能会受到敌人故意的射频干扰或其他类型的干扰。与私营企业的伙伴关系对于在美国防部框架中实施5G网络的各个方面至关重要。与包括5G微电子制造商、电信公司和应用程序开发商在内的全球行业领导者合作，对于在严峻的环境中创建新的5G网络是非常重要的。 一旦有能力在世界任何地方建立5G网络，将使美军具备相对于当前任何对手的巨大战略和战役优势。

美国防部采用了部分并行的开发过程，其中一些（或全部）开发活动中至少有部分是重叠的。这意味着，虽然各军种都朝着同一个目标进行创新，但他们在设计流程和系统的同时，也在开发概念。这增加了各军种在创新过程中交叉协调的难度，也增加了成本，因为多个单位都在耗费资源开发相同的系统。为了有效实施JADC2等新概念并集成新兴技术，美国防部必须首先重新组织其开发过程，减少研究重叠和成本。由于没有充分考虑“大局”，各单位甚至分支机构层面的开发可能会造成能力或组织上的偏差和不足。这种新的技术开发理念将是把握5G和边缘计算全部能力的第一步。