【5G通信】美军开放系统可互操作和可重构基础设施解决方案（OSIRIS）浅析

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简介

2025年2月，美国洛克希德•马丁公司宣布在美海军陆战队“钢铁骑士2024”演习中，验证了开放系统可互操作和可重构基础设施解决方案（OSIRIS）的军用5G通信能力，通过5G网络，将海军陆战队的AN/TPS-80地空任务导向雷达连接到海军陆战队空中指挥和控制中心，并同时在多架无人机之间建立了安全的5G连接。OSIRIS项目是洛克希德•马丁公司开发的5G通信网络基础设施测试床，美国国防部于2022年授予洛克希德•马丁公司该项目合同，OSIRIS项目旨在帮助美军在陆地、水面、空中、太空和赛博空间的所有作战行动中快速且经济地部署、扩展和集成5G技术。

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OSIRIS项目概况

2021年美国国防部未来G和5G（Future G and 5G）办公室授予洛克希德•马丁公司一份合同，用于开发OSIRIS原型系统，该系统是一个5G通信网络基础设施测试床，可用于海军陆战队的远征作战试验，系统的分包商包括英特尔、Radisys、Rampart Communications 等公司。2023年8月，洛克希德•马丁公司公司向海军陆战队彭德尔顿基地营交付了第一阶段原型5G试验台，标志着OSIRIS项目第一阶段的结束，并正式进入试验阶段。

图1 OSIRS原型系统

在2023年至2024年期间，OSIRIS项目团队与美国海军陆战队密切合作，开展了一系列实验，目标是将作战任务应用程序，如雷达系统、ISR软件包、指挥应用程序产生的数据加载到网络上，并测试其他硬件或软件。在试验过程中，该测试平台允许连接各种支持5G的用户设备、传感器、车辆和终端，以探索商用5G技术在军方的实用性。到2024年初，新的无线技术，如宽带无线电、自动化管理工具也得到了海军陆战队的评估，以便将新技术的原型套件纳入OSIRIS系统中。2024年12月，OSIRIS作为独立的5G网络在海军陆战队年度作战演习“钢铁骑士”演习中部署，取得了较好的成果。

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OSIRIS系统组成

OSIRIS系统包括英特尔公司的FlexRAN参考架构、使用英特尔至强 CPU的商用服务器和Radisys Connect 5G软件套件，并采用了开放无线接入网（O-RAN）架构，可使不同供应商的无线电、软件和处理器可以互操作。基于虚拟化技术的开放无线接入网（O-RAN）是5G无线接入网转型的一个重要方向。越来越多的运营商、设备商加入O-RAN这样的开放无线接入网联盟，推动采用开放式的架构设计，全面实现无线接入网的网络智能化、接口开放化、硬件白盒化和软件开源化。

2.1 英特尔FlexRAN参考架构

FlexRAN参考架构是英特尔面向5G网络推出的新一代技术平台，该架构可帮助用户加快开发速度，让用户可以迅速构建全面虚拟化的无线接入网。FlexRAN架构主要由硬件平台、Flex RAN L1软件堆栈和协同加速机制等几个关键部分组成。硬件平台采用通用计算平台替代传统专用无线基站硬件（如ASIC/FPGA），实现无线接入网虚拟化部署，该平台以英特尔至强处理器为基础，支持AVX-512矢量指令，能高效处理大量矩阵和矢量运算，采用多核多线程架构，可并行处理多个用户设备的调度与信道编解码。硬件平台支持的硬件加速接口标准包括：（1）英特尔快速辅助技术（Intel QuickAssist Technology），可用于加速数据加密、压缩等处理；（2）英特尔动态载荷平衡器（Intel Dynamic Load Balancer），可提升包处理的负载均衡性能；（3）英特尔数据面板开发工具包（Intel Data Plane Development Kit），提供高性能用户面数据转发工具包。

Flex RAN L1软件堆栈模块主要包括以下功能模块：调制解调、信道编码/译码、MIMO处理、信道估计、同步、均衡等模块，该软件堆栈支持4G和5G通信，可根据运营商的需求，打开或关闭功能模块，支持运行时参数动态修改（如调度周期、带宽、天线数等）。

FlexRAN架构支持协同加速机制，在高并发或大带宽场景下可通过协同加速硬件来满足处理性能，英特尔公司的vRAN Accelerator ACC100/200 系列协同硬件加速卡专为前向纠错（FEC）等高计算密集型任务设计，通过PCIe接口接入，可卸载CPU上的LDPC/Polar编码解码任务，支持最高100MHz带宽、32用户并发的5G通信。

2.2 Radisys Connect 5G软件套件

Radisys公司是一家专注于通信网络软件与系统集成的企业，其旗舰产品Connect 5G是一个面向5G NR无线接入网（RAN）与核心网的商用级软件套件。该软件以开放架构和云原生为核心理念，完全遵循3GPP和O-RAN联盟标准，旨在推动5G网络的快速部署、灵活集成与异构设备互操作。Radisys公司将Connect 5G定位为一款可部署于任何基础设施之上的全功能5G软件平台，既服务于电信运营商，也面向企业级专网和国防用户。

Connect 5G软件套件的最大特点在于其模块化、微服务化、容器化的软件架构，具备良好的可扩展性和跨平台能力，可部署于从数据中心到战术边缘的多样化场景中。这种架构使其特别适用于国防系统中的战术5G部署、临时通信节点、无人系统通信链路等场景。

Connect 5G软件套件是一个端到端5G无线接入网络解决方案，从物理层到核心网络控制层均有覆盖。系统采用“功能分层+接口开放+云原生部署”的设计思想，确保在多种硬件、部署环境与使用场景下均具有良好的适应性。其主要由以下几大核心组成模块构成：

（1）无线接入网组件

无线接入网组件包括分布式单元（DU）和集中单元（CU），分布式单元和集中单元可以集成在一台设备上，也可分布于边缘与核心节点之间，适配战术通信的灵活部署需求。分布式单元主要负责物理层（PHY）、中间接入层（MAC/RLC）和部分分组数据汇聚协议（PDCP）功能，执行调度、链路自适应、功率控制等实时任务。集中单元负责分组数据汇聚协议（PDCP）、无线资源控制（RRC）、服务数据适配协议（SDAP）等非实时任务，管理用户上下文、移动性、安全等功能。

（2）核心网接口

Connect 5G具备标准的下一代控制面板（NG-C）、下一代用户面板（NG-U）接口，可与任意3GPP兼容核心网厂商（如Affirmed、Open5GS、Nokia、Ericsson或军用私网）互通。下一代控制面板接口用于集中单元与接入与移动管理功能（AMF）间的控制命令交换，下一代用户面板接口用于分布式单元与用户面板功能之间的数据转发。核心网接口支持服务化架构，可接入容器化用户面板功能模块，实现流量分流和边缘计算对接。

（3）开放式接口与射频单元互操作层

Connect 5G全面支持O-RAN联盟的开放接口，主要包括：（1）E2接口，用于分布式单元/集中单元与无线接入网智能控制器（RAN）间的智能控制交互，支持人工智能/机器学习算法优化。（2）O1接口，用于服务管理与编排功能（SMO）功能，可实现故障处理、配置管理功能；（3）A1接口，非实时策略接口，用于策略学习与决策输入。

Connect 5G通过射频单元互操作层提供与第三方射频单元间的互操作性，该互操作层利用Fronthaul接口支持与第三方射频单元集成，支持的射频单元厂商包括：Commscope、Benetel、Foxconn、甚至部分军用定制射频单元。

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OSIRIS系统的部署配置和战场应用

OSIRIS系统可通过三种方式进行配置，包括：（1）拖车塔：采用可拖曳的集装箱承载 5G 无线电、服务器和电力系统，可作为移动基站使用，这为半固定远征基地提供了广范围的5G通信覆盖；（2）移动中继器：安装在全地形车或多用途地形车上的轻型 5G 节点。该移动中继器可跟随小型单元，扩展网络覆盖范围，并在机动过程中充当移动基站；（3）运输箱节点：通过一个加固箱运输，展开后可变成一个便携式 5G 基站，该加固箱可以空运，并由一个小型团队快速搭建。在实际应用中，一个加固箱可以作为枢纽，将拖车塔和全地形车中继器连接成网状网络，或连接到其他节点。

OSIRIS系统已在“钢铁骑士”演习等多个代表性场景中使用，验证其在的远征作战行动中的实用性，具体应用如下：

（1）传感器与指挥中心的连接：在“钢铁骑士2024”演习中，海军陆战队使用OSIRIS系统，通过5G通信链接将前线的AN/TPS-80地/空任务导向雷达（G/ATOR）连接到海军陆战队空中作战中心。这条地面链路提供了卫星通信的替代方案，即使视距中断也能保持高带宽数据传输。

（2）持续无人机情监侦：在“钢铁骑士2024”演习中，OSIRIS系统通过提供 5G 上行链路支持无人机系统作战。在演习期间，该试验台同时与多架无人机（包括自由飞行和系留飞行）保持安全的 5G 连接。例如，无人机的图像和传感器数据通过 OSIRIS 网络直接传输到海军陆战队的指挥与控制 (C2) 系统。这种持续 ISR能力使无人资产能够与舰船或岸上指挥所实时联网。

（3）网状网络构建：通过部署多个 OSIRIS 节点，海军陆战队可以组建本地网状网络。在“钢铁骑士”演习期间，海军陆战队提供使用拖车塔、移动中继器和运输箱节点创建了一个临时 5G 网状网络。如果一条链路出现故障，数据可以通过另一个节点路由，这种内置冗余机制体现了网状网络的高弹性和高可用性能力。

（4）战术无线电集成：作为备用方案，OSIRIS系统可以与传统战术无线电互操作。演习中，海军陆战队使用宽带战术无线电测试了5G故障转移功能，结果表明，如果 5G 连接性能下降，流量可以转移到军用无线电网络，这种混合方法提高了对抗性或频谱性能下降环境下的数据传输的稳健性。

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结语

美军开展的一系列试验展示了OSIRIS系统的模块化节点和开放接口如何使海军陆战队能够在统一网络中连接各种平台。通过使用标准化的5G核心和无线电技术，OSIRIS系统简化了新设备在战场上的集成，这种互操作性和灵活性直接满足了国防部对多供应商、可扩展战场通信的需求。OSIRIS系统显著提升了美军的态势感知和决策能力，该系统可借助5G的高带宽与低延迟，提升ISR数据实时处理能力，并可通过边缘计算架构，使战术级作战部队能够进行初步分析、识别，有效减少后送数据量，降低中心节点负担。OSIRIS系统还可通过5G网络切片功能，为不同作战任务（如侦察、监视、电子战等）分配专用通信通道，保障关键情报传输的安全性与优先级，为作战部队快速适应高动态、多变战场环境提供了有力支撑。