美国国防部发布《5G生态系统: 对美国国防部的风险与机遇》报告

发布时间:2019-05-22 15:32   浏览次数:472   发布人:dbyadmin01

随着5G商用不断加速,美国对于争夺5G领先地位的焦虑感和紧迫感日益强烈。2019年4月3日,美国国防部国防创新委员会发布了《5G生态系统:对美国国防部的风险与机遇》(《THE 5G ECOSYSTEM: RISKS & OPPORTUNITIES FOR DoD》)报告(以下简称报告),该报告重点分析了5G发展历程、目前全球竞争态势以及5G技术对国防部的影响与挑战,重点分析了中国在5G领域的发展情况以及未来对国防安全的影响,并在频谱政策、供应链和基础设施安全等方面提出了等方面建议。

 

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5G生态系统:对美国国防部的风险与机遇(全文翻译)

 

 

发布机构:国防创新委员会

发布日期:2019年4月

翻译:中国信通院5G创新研究中心

 

 

概要

“5G”指的是即将到来的第五代无线网络和技术,它相比第四代(4G和4G LTE)网络在数据传输速度、容量和延迟(数据传输延迟)方面都有较大的飞跃。5G所带来一系列新技术,将会在从无人驾驶汽车到智能城市、从虚拟现实到作战网络等各领域重新建立公众及个人的业务标准。无线时代的历史变迁表明,该领域内先行者国家将获得数十亿美元的收益,同时还将创造大量就业岗位,并在技术创新方面处于领先地位。同时先行者国家还会制定标准和规范,其他国家将不得不采用这些标准和规范。相反地,在以前的无线迭代转变中落后的国家因为不得不采用领先国家的标准、技术和架构,从而丧失了新一代无线技术的开发能力和市场潜力。

2010年初,AT&T和Verizon利用在2008年竞标中赢得的700兆赫(MHz)频谱迅速在全美部署LTE。在这一部署的基础上,美国成为(继芬兰之后)第一个拥有LTE综合网络的国家,LTE网络的性能大约是当时3G网络的10倍。这种性能上的进步推动了智能手机的迅速普及,这种新型手机不仅可以传输更多内容,而且速度更快。Apple、Google、Facebook、Amazon、Netflix等无数美国公司都针对这一频谱开发了新应用程序和服务。随着LTE技术在其他国家部署,相应的手机和应用程序也得以在全球推广。这一举措助力美国取得无线和互联网服务领域的全球主导地位,并创造了一个由美国领导的无线生态系统,美国国防部和世界其他地区近十年都在使用这一系统。

自LTE推出以来,原来的无线竞争格局发生了变化。中国电信设备巨头华为的全球营收从2009年的约280亿美元增至2018年的1070亿美元,而爱立信、诺基亚等这些传统市场领军企业同期营收均有所下降。华为、中兴通讯、小米、VIVO和OPPO等中国手机厂商在全球市场份额迅速增长,尽管在美国市场的销量还比较小,但在使用率和影响力方面仍在迅速增长。2009年,收入排名前十的互联网公司都是美国公司。如今,在前十名中中国企业占了四个席位。这种趋势仍在继续,如果中国继续领先,以5G为代表的未来网络有可能进一步向中国倾斜。

从4G向5G的转变将极大地影响全球通信网络的未来,并从根本上改变美国国防部运作的环境。虽然国防部感受到5G带来的影响,但其部署工作仍由美国商业部门推动。本文对5G的商业环境和国防部运作环境进行了深入研究,以全面了解利益相关者的态度和5G的未来。

5G具备从网络互联到战场的战术边缘增强国防部决策和战略能力的能力。5G将增强国防部多个系统连接到更广泛网络的能力,实现实时共享信息,改善跨服务、地理和领域的通信水平,同时开发战场的通用图像处理技术,以提高动态感知能力。这种改良的连通能力将使一系列新技术和任务成为可能,从超音速和高超音速防御到弹性卫星组网和多跳网络。

频谱将在5G的运营、开发和推广中发挥关键作用。峰值数据速率由无线服务可用的频谱数量决定。在4G中,最多可以将5个20兆赫的信道连接在一起。但在5G中,可以连接多达5个100兆赫的信道,使速度比4G和4G LTE快约20倍左右。虽然部分5G技术将被部署到目前使用的蜂窝频谱中,并在性能上实现一定的提高(LTE已经相当优化),但全面的5G开发将需要更多的频谱,以便为消费者、国防部或其他部门提供性能上的进一步改进。

全球领域目前采用两种方法部署数百兆赫的5G新频谱。第一种的重心放在6GHz以下的电磁(EM)频谱上(“低到中频段频谱”,也称为“Sub-6”),主要在3GHz 和4 GHz频段。第二种方法侧重于24~300GHz之间的频段(“高频频谱”或“毫米波”),这是目前美国、韩国和日本采用的方法(虽然三国也在不同程度上探索Sub-6频段)。美国的运营商主要专注于5G的毫米波部署,因为世界其他地区使用的5G的3GHz和4GHz频谱大部分是美国独有的联邦频段,特别是国防部广泛使用的频段。

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频谱分配问题是5G竞争的核心,对于可选的频谱波段,无论是Sub-6还是毫米波,都将影响5G发展的方方面面。3Ghz和4Ghz之间的频谱波段主导了全球的5G活动,因为相比于毫米波频谱,3Ghz和4Ghz的传播范围得到了改善,能用更少的基站数量提供相同的覆盖范围和性能。由于美国的大部分子Sub-6频段不可民用和商用,美国运营商和控制美国民用频谱的联邦通信委员会(FCC)将毫米波频谱作为国内5G的核心。

美国运营商可能会继续探索毫米波,但如果没有追随者,就不可能在5G领域领先。无线网络的领导地位要求全球市场认可并遵循领导者所制定的频谱频段规范,因为这些5G子组件和产品最终将推动跨网络的互通。世界其他地区与美国运营商相比,并不存在相同的Sub-6频段限制问题,所以他们后续将在该范围内寻求5G的发展。因此,如果美国继续探索与世界其他国家不同的频谱范围,可能会发现自己没有全球供应链基础。

如果世界上大多数国家采用的未来5G生态系统是建立在Sub-6中频频谱之上,美国也将面临毫米波设备通用性的挑战和Sub-6基础设施安全问题。随着Sub-6成为全球标准,目前在这一领域处于领先地位的中国很可能会成为这一阶段的引领者。这将给依赖供应链中有中国组件网络的国防部海外行动带来安全风险。即使美国限制国内使用中国设备供应商的产品,但美国在无线领域的市场规模还不够大,无法阻止中国5G供应商继续在全球范围内增加市场份额,从而对一批将服务于美国市场的供应商造成巨大压力。由于市场份额下降以及竞争产品造成的数量限制,美国国防部和美国工业产业更好和更便宜的全球供应链将很可能被剥夺,进而导致美国供应商无法投资研发未来的5G产品。

中国计划部署第一个广泛使用的5G网络,其首批Sub-6网络服务将于2020年投入使用。先发优势可能会推动智能手机和电信设备供应商以及国内半导体和系统供应商的市场大幅增长。因此,中国的互联网公司将为其国内市场开发基于5G速度和低延迟性能的服务和应用程序。随着5G在全球以类似的频段部署,中国的智能手机和互联网应用及服务很可能占据主导地位,即便它们被美国市场排除在外。中国在5G领域的发展,将重现美国在4G领域的辉煌。

 

第1章:5G的历史和概述

技术产生的历史

移动无线技术已经发展了几十年,第一代(1G)于20世纪70年代末推出,80年代初投入使用。从那时起,新一代的技术和无线标准每隔十年左右就会推出一次,最终达到我们目前在4G和5G能力之间过渡的状态。每一代技术的价值都呈指数级增长,因为每一代技术都推动了商业和军事领域的一系列技术进步。现有的各代技术均集中在中低频段(小于6GHz或小于6),但5G也为毫米波频谱的使用打开了大门。

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1G(语音通话):1G移动网络在20世纪80年代初投入使用,它具备语音通信和有限的数据传输能力(早期能力约为2.4Kbps)。1G网络利用模拟信号使用类似AMPS和TACS等标准在分布式基站(托管在基站塔上)网络之间“传递”蜂窝用户。

2G(消息传递):在20世纪90年代,2G移动网络催生出第一批数字加密电信,提高了语音质量、数据安全性和数据容量,同时通过使用GSM标准的电路交换来提供有限的数据能力。上世纪90年代末,2.5G和2.75G技术分别使用GPRS和EDGE标准提高了数据传输速率(高达200Kbps)。后来的2G迭代通过分组交换引入了数据传输,为3G技术提供了进身之阶。

3G(有限数据:多媒体、文本、互联网):20世纪90年代末和21世纪初,3G网络通过完全过渡到数据分组交换,引入了具有更快数据传输速度的3G网络,其中一些语音电路交换已经是2G的标准,这使得数据流成为可能,并在2003年推出了第一个商业3G服务,包括移动互联网接入、固定无线接入和视频通话。3G网络现在使用UMTS和WCDMA等标准,在静止状态下将数据速度提高到1Gbps,在移动状态下提高到350Kbps以上。

4G和LTE(真实数据:动态信息接入,可变设备):2008年推出4G网络服务,充分利用全IP组网,并完全依赖分组交换,数据传输速度是3G的10倍。由于4G网络的大带宽优势和极快的网络速度提高了视频数据的质量。LTE网络的普及为移动设备和数据传输设定了通信标准。LTE正在不断发展,目前正在发布第12版。“LTE-A”的速度可达300MBps。

5G:5G的技术能力和应用范围仍有待确定。频谱的选择和网络使用环境将决定数据传输的速度、容量和延迟。例如,5G毫米波可以在无限制的特定条件下为固网提供难以置信的高速网络,但在小区边缘这一速度将很难维持。5G Sub-6的速度低于毫米波,但可以提供广域覆盖,不会受到环境因素的干扰。目前5G的相关标准正在全球范围内进行研发,以上条件将最终决定5G的“标准”。

历史的经验:代系更迭的先发优势

在5G之前的几代更迭过渡中,对领导者国家产生了巨大的商业价值、市场竞争和安全影响。以德国为首的欧洲为例,在2G时代获得了第一个竞争优势,诺基亚和爱立信等公司可以更早地推出更先进的设备,并在2000至2010年已经开始向3G转型,而当时的美国仍在推行2G。在这一时期欧洲无线技术产业蓬勃发展,而美国公司则在努力跟上发展步伐。在3G转型期间,欧洲失去了这一优势,因为当时的监管部门要求对3G频谱资源进行拍卖,而不是把现有的2G频谱进行重新规划调整,因此贻误先机。日本在3G方面处于领先地位,虽然美国最终赶上了日本,但却花了数年时间。随着日本加快推进3G,美国企业付出了巨大代价。在这一转型过程中,美国失去了数千个工作岗位和可观的收入。在此期间,多家无线技术公司倒闭或被收购到外国公司中。

美国在4G和4G LTE的发展中吸取了教训。尽管3G的实施进度很慢,但后来的几年内,美国加大3G投资建设力度,最终使其在4G到来时全面占据先机。此外,FFC还开放了更多频段的许可,并制定了相关规定,以促进4G网络的快速扩张。起初,日本紧跟其后,但日本相关产业界未能迅速开发形成成熟的4G生态系统,因此,美国在4G智能设备市场上处于领先地位,并最终在全球取代了日本的操作系统。

在2010年初,AT&T和Verizon利用2008年拍卖赢来的700MHz频段,迅速在美国各地部署LTE网络。美国成为继芬兰之后第一个全面铺开LTE网络的国家,LTE的网络性能大约是现有3G网络的10倍。这种性能上的革新推动了4G手机的迅速普及,采用新SOC的手机不仅可以传输更多的数据,而且计算速度也快得多。苹果、谷歌、Facebook、亚马逊、Netflix等美国公司以及无数其他公司,都利用LTE网络带来的大带宽和新手机功能,研发了新的应用程序和服务。随着LTE技术在其他国家的推广,4G手机和4G应用程序服务也传遍了全球,推动美国在全球无线和互联网服务领域占据主导地位。

美国从这一领先优势中受益匪浅。ReconAnalytics在2018年4月发布的一份报告中估计,2011年至2014年间,4G的引入为无线行业贡献了70%的增长,不仅提高了GDP,同时无线行业的就业岗位增加了80%以上。通过引领4G的发展,美国建立了一个由网络供应商、设备制造商和应用程序开发商组成的全球生态系统,这种成熟的生态系统塑造了4G的未来,也为其他国家建设4G提供了宝贵经验。

领导者的优势在无线通信更新换代中尤为明显,因为领导者可以

对未来的产品设定基础架构标准和规范。例如,中国正在本土铺设光缆,并计划为参与“一带一路”的同盟国家铺设光缆,同时还要在整个欧洲建设5G网络。此举将让中国有选择的使用某些5G公司和产品投入到这项伟大工程中。中国正在利用这个机会推广Sub-6频段的使用,这将影响整个5G产品市场的未来发展。如果有企业想在中国或任何与中国合作建设5G的地方销售5G产品,那将必须按照中国的要求建造网络,并与中国企业合作。如此一来将增加了整个供应链中产品后门和漏洞的风险。

升级5G将带来与4G相比规模更大的潜在风险和回报。5G时代的领导者将在未来10年间获得数千亿美元的收入,并在无线技术领域创造广泛的就业机会。5G也有可能给其他行业带来革命性的变化:更快、更大的数据吞吐量,自动驾驶等技术将获得巨大发展。5G还将通过增加多个设备之间的数据量和速度来增强物联网,甚至取代许多家庭所依赖的固网宽带。拥有5G的国家将拥有更多的创新,并为世界其他地区设定标准。由于以下原因,这个国家目前不太可能是美国。

频谱的使用和选择

部署一个切实可行的5G网络,频谱的选择和可利用性是最重要的因素,因为这将决定数据传输的速度、容量和延迟。4G数据传输能力无法跟上当前的需求,而5G的升级将通过部署使用毫米波、Sub-6频段或两者混用的方式组网,来解决速度和衰减的问题。下面将描述毫米波和Sub-6频段的优劣势,以及它们在未来5G生态系统中的潜在应用和角色。

毫米波

毫米波在30GHz到300GHz之间的高频中工作,毫米波之所以具有这么大的吸引力有很多原因。首先,波长较短的毫米波会产生较窄的波束,从而为数据传输提供更好的分辨率和安全性,且速度快、数据量大,时延小。其次,有更多的毫米波带宽可用,不仅提高了数据传输速度,还避免了低频段存在的拥堵(在研究毫米波频率应用在5G之前,该频段的主要运用在雷达和卫星业务)。5G毫米波生态系统需要大规模的基础建设,但可以获得比4G LTE网络高20倍的数据传输速度。最后,毫米波组件比低频段的组件更小,因此可以更紧凑地部署在无线设备上。除了物理特性之外,毫米波对美国5G开发商也极具吸引力,因为美国政府拥有大量的Sub-6频谱资源,尤其是在3~4GHz范围,这使得运营商很难在FCC拍卖会上购买Sub-6牌照,甚至难以共享这一部分频谱资源。

毫米波拥有着诸多好处的同时也面临着各种挑战。虽然短波长和窄光束的特性可以提高分辨率和传输安全性,但这也限制了传播距离。因为毫米波网络需要遍布在基站覆盖的整个区域中并保持不间断的连接,这样就会产生很高的基础建设的成本。毫米波很容易被墙壁,树叶和人体本身等障碍物阻挡,这进一步加剧了这一挑战。毫米波在特定情况下可以覆盖较宽的范围,例如在树顶上方有平坦反射窗的大型建筑物中,但是在美国很少有这样的环境。

美国已经开始展开毫米波和Sub-6基站建设的有效性研究了。MoffettNathanson LLC最近对Verizon在萨克拉门托5G毫米波工作进行了分析,经过6个月的市场实践后,发现Verizon的150个固定无线宽带(FWBB)基站只能向测试地区约6%的用户提供服务。Verizon一直将萨克拉门托用户特别密集的地区作为最佳测试环境,并专注于开发固定无线网络,这比部署移动网络的毫米波挑战更小。然而,即使在这些优质的环境中,提高这个解决方案的可行性仍需要大量的基础建设和时间成本。

谷歌也对国防创新委员会进行了初步的研究,以确定毫米波部署所需的大致资金成本和基站数量,使用28GHz频段中的425 MHz的频谱资源(目前美国5G试验的毫米波配置标准),相比使用3.4GHz频段中的250 MHz的频谱资源(Sub-6,中国5G试验和部署的标准),两者都部署在现有的72,735个宏蜂窝塔和屋顶上(最简单的部署选择),毫米波的部署以每秒100Mbps的速度覆盖11.6%的人口,以每秒1Gbps的速度盖率3.9%的人口。在中国Sub-6标准中,相同的基站以每秒100Mbps的速度覆盖57.4%的人口,以每秒1Gbps的速度覆盖21.2%的人口。该研究使用了包括树叶结构阴影的高分辨率地理空间数据,但没有考虑到人体或车辆的阴影,存在于部署环境中,并且会进一步破坏毫米波的网络连接。

由于电线杆的易用性和丰富性,大多数运营商正考虑在电线杆上部署毫米波5G站点。利用美国的电线杆数据库的研究表明,28GHz的毫米波基站需要大约在电线杆上安装1300万个,将花费4000亿美元,如此才能保证28GHz频段下以每秒100 Mbps速度达到72%的覆盖率、每秒1Gbps的速度达到大约55%的覆盖率。下面的图1和图2显示了28 GHz (毫米波)和3.4 GHz (Sub-6)在洛杉矶相对平坦的地区相同极点高度上部署的传播差异(蓝色表示100MBps的速度,红色表示1GBps的速度):

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目前正在努力减轻这些物理层面的挑战,如大规模MIMO和波束赋型。大规模MIMO是一种天线阵列,它将极大地扩展设备连接数和数据吞吐量,并将使基站能够容纳更多用户的信号,并显著提高网络的容量(假设存在多个用户射频路径)。波束赋型是一种识别特定用户的技术,该技术可以最有效的把数据传递给特定用户并减少附近用户的干扰。虽然这些技术可以改善毫米波的传播效率,但是在更大范围内保持连接稳定仍然存在挑战。在将毫米波作为一种更通用的无线网络解决方案部署之前,还需要投入大量的时间和研发成本来解决毫米波的传播特性问题。

Sub-6 GHz

Sub-6频段包括低于6GHz的频谱范围。由于Sub-6波长较长,穿透障碍物的能力更强,可以提供比毫米波更宽更广的区域覆盖效果,连接中断风险更低,因此与毫米波相比而言,Sub-6需要更少的资金投入和基站基础建设,再利用上现有的4G基础设施,这两点使Sub-6成为潜在的5G标准。考虑到“中国速度”,加快Sub-6的推出时间显得非常重要。虽然毫米波最终可能部署在传播速度和成本不受限制的特定环境中,但Sub-6可能是短期内让5G覆盖更广泛的有效方案,进而将推动5G供应链的产品设计和制造,Sub-6将有更多的设备提供支持。

为了最大限度地发挥5G的潜力,需要数百兆赫兹的连续带宽以优化性能,而Sub-6频谱已经挤满了现有的无线系统。在美国,5G的Sub-6技术可能会通过LTE频谱部署到现有的宏基站中,这将适度改善射频系统性能,但速度不会达到相同条件下LTE的10倍。LTE在速度上曾超过3G十倍,5G未能实现同样的突破,因此将削弱5G的Sub-6技术在美国部署的力度。

在美国的另一个挑战是,政府拥有大部分的Sub-6频段,并限制它们的商用。想要允许Sub-6频段的商用,可以重新规划政府的频段或者共享这些频段,但这两个方式的时间都相对过长。清除频谱占用(将现有的用户和系统迁移到频谱的其他部分),然后通过拍卖、直接分配或其他方法将其释放到民用部门所花费的平均时间通常在10年以上。共享频谱是一个稍微快一点的过程,因为它不需要对现有的用户进行彻底的改革,但即使是这样,也要花费5年以上的时间。

国防部内部也有合理担忧,共享Sub-6频谱中将产生频谱优化到安全漏洞等一系列问题。如果国防部的操作员被迫共享他们的频谱波段,有人担心这可能会降低国防系统的性能,并且商业用户的增加还会使Sub-6频段产生拥塞,增加国防部系统设备连接中断的风险。频谱共享是有成功先例的——2010年,FCC向商用部门开放了3550-3700MHz带宽(称为公民宽带无线电服务,简称CBRS)。然而,这一进程花了五年多的时间,在目前的竞争环境下是站不住脚的。本文将在第三章中更详细地探讨CBRS案例研究。

鉴于毫米波和Sub-6的不同优劣势,未来5G可能会采用两者共用的组合。网络覆盖的很大一部分会利用Sub-6进行广域覆盖,毫米波可能最终能够在特定的场景中提供更精细的覆盖,并且由于毫米波更难拦截,在某些场地中具有一些独特的军事优势。这将需要在毫米波频谱中针对其传播特性,开展进一步的研究和测试,从而降低毫米波部署所需的支出。在短时间内,3GHz和4GHz频段可能会成为驱动5G基础设施和设备部署的全球频段。在目前5G发展和频谱使用的状况下,美国不太可能使用Sub-6技术,更不用说像10年前4G时代那样在频谱部署方面领先于世界其他国家了。

 

 

                                                                                                                                                                                                                                                               来源:CAICT5G创新研究中心

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