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为什么美国忌惮中国5G先发优势

来源:seo优化 浏览:76次 时间:2019-06-09

  中国5G牌照发放,此时解读美国国防部国防创新委员会今年4月3日发布的《5G生态系统:对美国国防部的风险与机遇》报告尤有深意

  【编者按】

  6月6日,工业和信息化部向四家运营商发放了5G商用牌照,这4家运营商分别为中国移动、中国联通、中国电信和中国广电。至此,中国正式进入5G时代。中国也成为全球最早发放5G牌照的国家之一。

  中国预计在2020年正式商用5G,此前业内一个普遍的预测是,中国5G牌照发放的具体日期很有可能是今年下半年或年底,5G牌照此时发放,加快了电信运营商建设5G网络的脚步,与之配套的5G终端、应用和生态链建设也将进一步提前。

  中美贸易谈判的胶着期,5G牌照此时发放,意义重大。

  今年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中国5G技术对美国的影响与挑战,此时重温十分有必要。

  在这份报告中,美国国防部国防创新委员会认为,中国计划部署第一个广泛使用的5G网络,其首批Sub-6(中低频段)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。

  以下为《5G生态系统:对美国国防部的风险与机遇》部分内容节选(发布机构:美国国防部创新委员会,翻译:中国信通院5G创新研究中心)

  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。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):

  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。

  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。

  5G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。

  中国5G情况

  中国通过一系列积极的投资和频谱分配举措,在5G发展方面处于领先地位。除了在五年内为5G部署投入180亿美元的资本支出外,中国还向三大运营商分配了200 MHz的中频频谱,并正在考虑重新分配500 MHz的C频段频谱。

  在国内,中国的5G部署正在通过其主要的电信公司(中国移动,中国联通和中国电信)实施。这三家公司主要致力于在中国开发独立的5G网络,并计划在2019年部署预商用应用,并在2020年正式商业应用。中国目前已部署约35万个5G可操作基站,几乎是美国部署的10倍。在全球范围内,中国的大型制造商(华为和中兴)正在通过销售主要用于非独立网络的5G支持设备和装置来推动5G部署,华为已经向海外运送了超过10.000个基站。

  在海外,中国一直在与国家和外国公司保持合作,以扩大其5G的影响力。在欧洲,尽管美国官员要求盟友阻止中国公司,华为和中兴仍然正在为个别国家的5G网络提供建设的服务,并签署了多项5G合同。

  此外,中国在“一带一路”计划中投入了大量时间和资源,包括推动中国建设的网络基础设施,以提供跨越整个路线的连通性。这一策略已经取得了一些成功:在2018年第三季度,华为在全球通信设备市场占有28%的份额,比2015年上升了4个百分点。随着更多地区的5G网络依赖中国通信设备推出,预计华为的市场份额将继续增长。这些努力将使中国能够推广其首选的5G网络标准和规范,并将在未来主导全球的5G产品市场。

  总体而言,这些方法使得中国在5G的技术和能力方面具有竞争优势。中国的5G战略应该是从中国共产党的大战略出发的。与人工智能(AI)一样,5G开发是习近平主席“中国梦”愿景和“中国制造2025”路线图的重要组成部分。

  社会稳定和经济增长是中国的首要任务,因为这两个领域的失败直接威胁到现有政权的稳定,而5G有可能减少中国对外国投资的依赖,将中国从资本和劳动密集型制造业经济转变为创新型和消费驱动型经济。鉴于中国经济增长放缓以及与美国的持续贸易战,中国可能会要求更积极地推行像5G这样的技术革新计划来缓解受到的压力。

  世界其他地区(非美国)

  虽然中国,韩国,美国和日本在该领域处于领先地位,但世界其他地区仍在追赶5G部署。英国,德国和法国可以被视为“第二梯队”5G发展领域的国家,而新加坡,俄罗斯和加拿大则构成“第三梯队”,而世界其他地区也是如此。这些国家开始计划在不同的时间线和频谱范围上拍卖频谱带宽,但许多国家缺乏任何正式的政策或战略来实现5G,并且大多数国家预计在2020年之后实现5G的商用,晚于其他国家的2020年时间框架。

  尽管欧洲已经将收费引入2G,但由于法规限制其无法快速的提供频谱带宽,欧洲在3G,4G和现在的5G方面仍然落后。亚洲其他地区在5G方面取得了一些进展,但很少有国家投入与中国、日本和韩国相同的时间和资源。俄罗斯于2017年发布了“俄罗斯联邦数字经济”,其中包括5G规划图,但尚未制定任何明确的频谱规划或为该规划图投入大量资源。俄罗斯利用2018年的FIFA世界杯开展了一些5G努力,但仍然高度依赖外国的5G的技术和合作伙伴关系来推动其5G的发展。

  鉴于第一梯队与其他国家之间的5G进步差距,世界其他地区可能会被动采用第一梯队任何国家领先的5G的网络设计和基础设施。中国是目前的领导者,美国的盟国在如何应对中国制定5G标准的行动方面采取了不同的立场。

  由于担心安全问题,一些国家对中国的影响力持警惕的态度,并积极阻止中国的5G推广。例如,12月,捷克共和国网络安全机构(NUKIB)发布官方警告,称华为和其他中国公司构成国家安全风险,引用中国现行法规(2017年6月27日颁布的国家情报法),要求中国公司积极配合其国家情报部门的合作。这推动了捷克公共和私营部门的安全审查,有效地阻止了华为5G产品进入该国。澳大利亚和波兰也对中国采取强硬立场,美国一直在向其他盟国施压,要求其效仿捷克。

  然而,考虑到中国5G产品的价格和质量,其他国家对将中国赶出本国5G市场的热情并不高。德国拒绝禁止华为,尽管美国威胁要切断情报共享,英国似乎也可能采取同样的做法。德国和英国都驳斥了美国的说法,即华为和其他中国通信信公司对国家安全构成不可接受的风险,称它们的安全机构可以采取措施限制网络中的漏洞。印度和意大利也表示,它们不愿将华为的产品排除在5G产品之外。最近几个月,新西兰放松了最初对中国的强硬立场。

  未来几个月,欧洲将继续成为5G未来的战场,因为欧洲是华为最大的市场之一,也是美国盟友的主要所在地。这场斗争还表明了世界其他地区对于5G态度的一个趋势——特别是对成本更敏感的发展中国家将发现中国5G的价格点难以拒绝,特别是基础设施以及“一带一路”倡议等项目融资激励措施使报价非常可观时。