5G生态系统： 美国国防部的风险和机遇（之二：第一章）

若干个月以前，美国国防部旗下咨询部门国防创新委员会（Defense Innovation Board）发布了名为《5G生态系统：国防部的风险和机遇》报告，指出中国在5G发展方面处于领先地位。原报告公开于美国国防部网站上，对此报告的理解有助于了解美国与世界各地5G产业的发展现状，现将报告内容翻译公布

（翻译内容全部来自于公开文件，英文原件详见连接https://media.defense.gov/2019/Apr/03/2002109302/-1/-1/0/DIB_5G_STUDY_04.03.19.PDF）

第1章：5G历史与概述

移动无线技术演进历史

     移动无线技术已经发展了几十年，第一代（1G）在70年代末引进，80年代初投入使用。此后，每隔十年左右就引进新一代技术和无线标准，最终达到了我们目前4G向5G的过度阶段。每一代的价值都呈指数级增长，因为每一代都促进了商业部门和军事部门的一系列其他技术进步。所有现有的一代都在中低波段（小于6GHz，或Sub-6）工作，但5G也为毫米波（mmWave）频谱的使用打开了大门。

1G（语音通话）：1G移动网络在20世纪80年代初投入使用，语音通信和有限的数据传输能力（早期能力约为2.4 Kbps）。1G网络利用模拟信号在使用AMPS和TACS等标准的分布式基站网络（位于蜂窝塔上）之间“传递”蜂窝用户。

2G（信息发送）：20世纪90年代，2G移动网络催生了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标准的电路交换托管有限的数据能力。20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（超过200Kbps）。这些后来的2G迭代通过分组交换引入了数据传输，这是3G技术的一个踏脚石。

3G（有限的数据：多媒体、文本、互联网）：20世纪90年代末和21世纪初，通过完全过渡到数据包交换，引入了数据传输速度更快的3G网络，其中一些语音线路交换是2G的标准。这使数据流得以实现，并在2003年推出了第一个可以接入移动互联网、固定无线接入和视频通话的商业3G服务网络。3G网络现在使用UMTS和WCDMA等标准，在静止状态下可以将数据速度提高到1Gbps，在移动状态下提高到350Kbps以上。

4G和LTE（真实数据：动态信息访问，可变设备）：2008年推出了4G网络服务，通过利用所有IP网络，并且完全依靠数据包交换，数据传输速度是3G的10倍。4G网络通过更大的带宽提高了网络速度，从而提高了视频数据的质量。LTE网络的引入为移动设备和数据终端上的高速无线通信设定了标准。LTE正在不断发展，目前发布的版本号是12。“高级的LTE”可支持~300 Mbps。

5G:5G的精确能力和采用范围仍有待确定。数据传输的速度、容量和延迟将取决于所使用的频段以及网络使用的环境（固定或移动）。例如，在不限制波传播的特定条件下，mmWave高频谱毫米波5G网络可以为固定局域网提供极快的速度，但反过来，要将这些速度维持在较远的范围内（在“区域边缘”）就很困难。Sub-6低频谱5G网络的最大速度可能比mmWave毫米波低，但可以覆盖更广的区域，而不会受到各种环境因素的干扰。这些条件最终将决定5G的“标准”，目前正在全球范围内开发。

历史教训：更新转型中的先发优势

     5G之前的无线技术过渡期间对之前的先行者也具有重大的商业、竞争和安全影响。以德国为首的欧洲在2G上获得了第一个竞争优势，因此，诺基亚和爱立信等公司能够更早地推出更先进的设备，并且在2000年代当美国仍在尝试实施2G时，欧洲都已经过渡到3G。在这段时期，欧洲无线技术产业蓬勃发展，而美国则是疲于追赶。在3G转型期间，欧洲失去了这一优势，因为当时的监管要求对3G频谱进行耗时的拍卖，而不是简单地重新调整现有的2G频谱带宽。日本在3G上处于领先地位，虽然美国最终赶上了日本，但随着日本快速发展其3G业务模式，3G网络的推出给美国企业带来了巨大的成本。在这一过渡时期，美国损失了大量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外国公司收购。

美国在4G和4G LTE方面从以往的错误中吸取了教训。尽管3G的实施速度很慢，但在后来的几年里，3G投资的激增最终使美国在4G到来时获得了先机。此外，联邦通信委员会还开放了更多带宽的许可证，并制定了相关法规，以促进4G网络在开发过程中的快速扩展。起初，日本保持着步伐，但日本工业未能迅速发展最终塑造4G生态系统的技术。因此，美国在智能设备市场上处于领先地位，最终取代了日本国内外的操作系统。

    20世纪10年代初，AT&T和Verizon在2008年拍卖会上以700MHz的频谱迅速在美国部署了LTE。美国成为继芬兰之后第一个看到全面LTE网络的国家，该网络的消费网络性能是现有3G网络的10倍。性能的这一步变化推动了新型半导体手机的迅速采用，这种新型半导体不仅可以移动更多的数据，而且计算速度也更快。像苹果、谷歌、Facebook、亚马逊、Netflix等美国公司，以及无数其他公司，都开发了新的应用程序和服务，利用了这些带宽和新的手机功能。随着LTE在其他国家的部署，这些相同的手机和应用程序遍布全球，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。Recon Analytics在2018年4月发布了一份报告，估计在2011年至2014年期间，4G的引入促进了无线行业的70%的增长，从而支撑了国内生产总值，同时使无线行业的就业岗位增加了80%以上。通过领导对4G的定价权，美国能够建立一个由网络提供商、设备制造商和应用程序开发商组成的全球生态系统，从而塑造4G的未来和所有其他国家实施4G的参考经验。

    先发优势在无线技术换代转型中尤为突出，因为领导者可以为所有未来产品设置基础设施和具体规范。例如，中国正在自己的领土上铺设光纤电缆，并计划在参与其“一带一路”的国家中做同样的倡议，除了在欧洲大陆建立5G网络。这将使中国有选择地允许某些5G公司和产品使用这一基础设施。中国正利用这一机会促进Sub-6频谱的使用，这将塑造整个5G产品市场的未来。如果公司想在中国或通过中国的赞助将其5G产品销售到任何网络，他们必须按照中国的首选规格进行生产，并与中国公司合作。这增加了整个供应链中产品后门和漏洞的风险。

    向5G的转变将带来与上一代转型相同的潜在风险和回报，但规模更大。5G的领导者将在未来十年内获得数千亿美元的收入，在无线技术领域创造大量的就业机会。5G还具有革新其他行业的潜力，像自动驾驶汽车这样的技术将从更快、更大的数据传输中获得巨大的好处。5G还将通过增加多个设备之间的数据流数量和速度来增强物联网（IOT），甚至可能取代许多家庭所依赖的光纤主干。拥有5G的国家将拥有其中许多创新，并为世界其他国家制定标准。

    由于以下原因，该国目前不太可能是美国。

频谱使用和选择

    频谱使用和可用性是部署可行5G网络的最重要因素，因为它们将决定未来数据传输的速度、容量和延迟。4G数据传输能力无法跟上当前的需求，5G大幅度改进的变化将通过部署一个功能正常的5G网络（使用mmWave毫米波段、Sub-6波段或两者都使用）来解决不断增长的数据消耗率。以下各节介绍了mmWave和Sub-6方法的相对优势和弱点，以及它们在未来5G生态系统中的潜在应用和作用。

毫米波

     毫米波频谱在30GHz和300GHz之间的高频下工作，并且由于许多原因具有吸引力。首先，较短的毫米波波长会产生较窄的波束，从而为数据传输提供更好的分辨率和安全性，并且可以以最短的延迟以更快的速度传输大量数据。第二，有更多的毫米波带宽可用，这提高了数据传输速度，避免了在较低频谱波段存在的拥塞（在研究潜在的5G毫米波频率使用之前，该频谱领域唯一的主要运营商是雷达和卫星通信）。一个5G的mmWave生态系统需要大量的基础设施建设，但可以获得数据传输的好处，其速度是当前4G LTE网络的20倍。最后mmWave组件比频谱较低波段的组件小，从而允许在无线设备上进行更紧凑的部署。除了物理特性外，mmWave对美国5G开发者也很有吸引力，因为美国政府拥有大量的Sub-6频谱（无法在美国民用/商用），特别是在3GHz和4 GHz范围内，这使得运营商很难在FCC拍卖会上购买专用频谱许可证，甚至难以共享这部分频谱。

     然而，mmWave也面临着挑战。虽然它的短波长和窄波束可以提高数据传输的分辨率和安全性，但这些特性也可以限制毫米波传播的距离。这就产生了很高的基础设施成本，因为mmWave网络需要整个地理区域内部署稠密的基站，以确保不间断的连接。由于毫米波很容易被墙壁、树叶和人体本身等障碍物阻挡，这一挑战进一步加剧。毫米波频谱可以在特定情况下实现更大范围的传播，例如在树梢以上有平面反射窗的大型建筑物中，但在美国很少有环境有利于这种传播。

     各种研究已经开始测试美国mmWave和Sub-6基础设施建设的效果。Moffettanathanson LLC最近对Verizon在萨克拉门托的5G毫米波业务进行了分析，发现在市场上运行了大约6个月后，Verizon的大约150个固定无线宽带（FWBB）基站只能为测试区内约6%的住宅地址提供服务。Verizon一直致力于特别密集的业务。萨克拉门托部分地区作为最佳测试环境，致力于开发一个固定网络，与移动网络相比，该网络对mmWave部署的挑战更少。然而，即使在这些优化的环境中，很明显扩展此解决方案以提供更多的覆盖范围将是一项时间和成本密集型的工作，需要大量的基础设施建设。

     谷歌还为国防创新委员会进行了一项初步研究，以确定部署毫米波所需的大致资本支出（capex）和基站数量，对比使用28GHz频段425MHz的频谱（当前美国5G试验的毫米波配置标准），和3.4GHz频段的250MHz频谱（Sub-6 配置标准，中国5G试验和部署的标准）。该设备被部署在72735个现有的蜂窝塔和屋顶（最容易部署的选择），在100 Mbps的蜂窝边缘速度下，仅为11.6%的美国人口提供毫米波覆盖，在1Gbps时覆盖率为3.9%。对于Sub-6，相同的塔站点以100 Mbps覆盖了57.4%的人口，以1 Gbps覆盖了21.2%的人口。这项研究使用了高分辨率的地理空间数据，其中包括树叶结构的阴影，但没有考虑人体或车辆的阴影，这实际上存在于部署的环境中，甚至进一步破坏了毫米波网络的连通性。

     考虑到电线杆的易接近性和丰富性，大多数运营商正在考虑在电线杆上部署mmWave 5G基站。利用美国公用电线杆数据库，该研究表明，需要约1300万个安装在电线杆上的28GHz基站和4000亿美元的资本支出，才能为72%的美国人口提供100 Mbps的边缘速率，如果速度高达1 Gbps，可以服务约55%的美国人口。下面的图1和图2显示了在洛杉矶相对平坦的部分，28 GHz（mmWave）和3.4 GHz（Sub-6）部署在相同高度上的“splat”（传播）差异（蓝色表示100 Mbps速度，红色表示1 Gbps速度）：

     目前正在努力减轻这些物理挑战，如大规模输入&输出和波束形成。大规模输入&输出是一种天线阵列，它将极大地扩大同时连接的数量和吞吐量，并将使基站能够同时发送和接收更多用户的信号，并显著增加网络的容量，假设多个射频路径指向用户。波束形成技术是一种识别特定用户最有效的数据传输路径并减少过程中对附近用户的干扰的技术。这些选择可以改善毫米波的传播，但使用这一部分频谱在更广阔的区域保持连通性仍面临挑战。在部署为更通用的无线网络解决方案之前，必须花费大量的时间和研发来解决毫米波传播问题。

Sub-6

     Sub-6包括低于6 GHz的频谱范围。由于Sub-6具有较长的波长和更大的穿透障碍物的能力，因此它可以提供比毫米波更低的中断风险的广域网络覆盖。因此，与mmWave相比，它需要更少的资本支出和更少的基站。这加上利用现有4G基础设施的能力，使Sub-6成为潜在5G Sub-6生态系统的囊中之物。考虑到中国的发展速度，更快的推出时间尤为重要。虽然mmWave最终可能会部署在传播和成本挑战不受限制的特定环境中，但Sub-6可能会在近期为更宽的5G覆盖范围提供更广泛的解决方案。这反过来又将推动5G供应链的产品设计和制造，因为供应该Sub-6网络的设备数量较大。

     最大化5G的潜力需要数百个连续的兆赫带宽来优化性能，而Sub-6频谱已经挤满了现有的系统和用途。在美国，Sub-6 5G技术可能会通过现有的LTE频谱部署在现有的蜂窝网络和基础设施中。这将略微改善射频系统性能，但与同一频谱中运行的现代LTE相比，性能不会提高10倍。如果不能像LTE在3G上那样提供破坏性的速度改进，将减弱5G在美国部署的影响。

     美国面临的另一个挑战是，政府拥有大部分Sub-6以下的低频谱，并限制了对这些频谱的商业访问。可以重新部署联邦用户或共享这些带宽，以允许商业部门在其上开发5G功能，但这两个过程都是非常耗时间的。“清除”频谱（将现有用户和系统重新部署到频谱的其他部分）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需的平均时间通常在10年以上。共享频谱是一个稍微快一点的过程，因为它不需要现有联邦用户的彻底变动，但这在历史上已经花费了五年以上的时间。

     国防部内部也有合理的担忧，即共享其Sub-6低频谱中的带宽将产生许多作战问题，从频谱优化到安全漏洞。如果国防部运营商被迫共享其频谱范围，人们担心这可能会降低系统的性能。商业用户的增加也会增加Sub-6频段的整体拥塞，增加国防部运营商连接中断的风险。频谱共享取得成功的先例是：2010年，联邦通信委员会向商业部门开放了3550-3700MHz的带宽（称为公民宽带无线电服务（CBRS- Citizens Broadband Radio Service））。然而，这一过程花费了五年多的时间，在当前的竞争环境中是站不住脚的。本文将在第三章对CBRS（Citizens Broadband Radio Service）案例研究进行更详细的探讨。

     考虑到mmWave和Sub-6带来的这些好处和挑战，5G的未来可能涉及到两者的某种组合。Sub-6针对广域覆盖进行了优化，这将构成网络的很大一部分，但mmWave最终可能能够在特定场景中提供更精细的覆盖，并且由于难以拦截，在某些地形图中具有明显的军事优势。这将需要进一步研究和测试当前在物理传播环境挑战下的毫米波频谱，进而降低部署毫米波基础设施所需的资本支出。近期内，3GHz和4 GHz频段可能会成为推动基础设施和设备部署量的主要全球频段。在目前5G发展和频谱使用的状况下，美国不太可能利用这类技术，更不用说像近十年前在4G上那样在这一频谱部署领域引领世界其他国家。

未完待续