发力5G！透视美军在5G领域的现状与未来走向
导读
2019年4月3日，美国防创新委员会（Defense Innovation Board）发布一份题为《5G生态系统：国防部的挑战与机遇》（The 5G Ecosystem: Risks and Opportunities For DoD）的研究报告。报告原文长达33页，通过对5G发展历史和世界各国尤其是中国技术水平的详细介绍，深入分析了美国目前5G技术面临的挑战，并为美国接下来的5G发展提出了一些建议。研究这一报告，对了解美军在5G领域的动向具有重要意义。因此，特将报告重要观点编译如下，并作简要评述，以飨读者。
图1 国防创新委员会发布的5G生态系统报告
5G为什么这么重要
“5G”一词指的是正在迅速发展的第五代无线网络技术，它的数据传输速度、容量和数据传输延迟方面都远超第四代（4G、4G LTE）网络。无线网络技术的几十年历史表明，最先掌握无线技术，对一个国家来说具有重大的商业价值和安全意义。以德国为首的欧洲首先在2G方面取得了领先优势；在向3G转型期间，日本处于领先地位，美国多花了数年时间才推出3G网络，为此美国企业付出了巨大代价。美国吸取了教训，最终在4G到来时占了上风：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，这让他们受益匪浅。毫无疑问，4G到5G的转变将极大地影响全球通信网络的未来，世界各国都在如火如荼地竞争5G领域的制高点，试图抢占这一战略先机。
图2 移动无线通信网络发展图
毫米波与sub-6：两种路径的竞争
目前各国已经探索到了两种可以用于部署5G的不同的频段：第一种主要针对6GHz以下的频段（“低至中频段”，或“sub-6”），主要是3到4GHz频段，中国正是这一领域的“领头羊”。第二种侧重于24到300GHz频段（“高频段”，或“毫米波”），是美国、韩国和日本采用的方法（尽管这三个国家也在不同程度上探索sub-6的频段）。之所以美国运营商主要侧重于为5G部署毫米波，是因为世界上其他国家广泛使用的3到4 GHz波段在美国本土大部分是被政府独占的，尤其是国防部在广泛使用。这就给美国试图在全球建立5G的统治地位带来了不小的麻烦。
图3 5G电磁频谱
频谱分配问题是5G竞争的核心，频谱可用性是部署的5G网络是否实用的最重要因素，它们将决定未来数据传输的速度、容量和延迟时间。毫米波与sub-6各有优劣，美国究竟该如何抉择？
毫米波的优点很多。它频率高，波长短，天线发射信号的波束也会较窄，这样就能为数据传输提供更好的分辨力和安全性，传输速度也很快；波长越短的信号还可以用体积更小的天线设备进行收发，能够大大提高无线设备的集成度；同时，由于毫米波波段的电磁信号还未被广泛开发，所以有大量的连续带宽供5G通信使用，可以有效避免与其它低频信号的干扰。不过，也正是因为它波长太短了，所以它的传播距离非常有限。如果想要保证5G移动数据不间断连接的话，需要建设大量的基站进行中转，以防止信号被障碍物阻挡。
相比于毫米波，sub-6频段的电磁波具有更长的波长和更强的穿透障碍的能力，可以提供更广的区域网络覆盖，中断的风险也更低。因此，它只需要更少的资本投入和更少的基站建设，甚至都可以在4G基站的基础上实现。然而，为了最大限度地发挥5G的潜力，需要有大量的连续带宽来优化其性能，但sub-6频段已经是爆满状态了。除此之外，在美国本土，政府拥有大部分的sub-6频谱，并限制了私营部门对它们的商业使用。虽然他们可以重新分配频谱或向社会共享这些波段，但这两个过程都需要大量时间。给用户和系统迁移频谱、拍卖与重新分配频谱的平均时间通常都在10年以上，就算是共享频谱使用也需要5年以上的时间。况且，美国政府怎么能放心把自己独有的频段共享给社会使用呢？
研究表明，在实际环境下，毫米波的传播会遇到非常大的阻碍。需要重新建设大约1300万个28GHz基站，才能为美国72%的人口提供100Mbps的极限速度，或者为美国55%的人口提供1 Gbps极限速度。图4显示了28 GHz（毫米波）和3.4 GHz（sub-6）信号在洛杉矶一个相对平坦的地区的网络差异（蓝色表示100Mbps速度，红色表示1Gbps速度）。
图4 毫米波与sub-6传播效果对比
5G技术哪家强
当前，5G时代即将来临，而中国很有可能最终成为这一领域的先行者。通过一系列积极的投资和频谱分配计划，中国已经在5G发展方面处于领先地位。目前，我国已经部署了大约35万个5G基站，几乎是美国部署数量的10倍。国际上，中国一直致力于与外国公司发展合作伙伴关系。例如，华为和中兴正在通过销售5G设备来推动5G的部署，其中华为已经向海外运送了超过1万个基站；此外，中国通过“一带一路”倡议推动网络基础设施建设，以实现沿线的互联互通。2018年第三季度，华为占有全球电信设备市场份额的28%，相比2015年提高了4个百分点。在可预见的未来，华为的全球市场份额将继续增长。
韩国和日本的5G技术紧随中、美之后，两国政府都已经为5G发展投入了大量的资金。更重要的是，韩国、日本国内的网络运营商都在同时开发毫米波和sub-6技术，三星公司（Samsung）甚至开发了一部支持以上两个频段网络的手机，这使得他们在5G领域保持了强有力的竞争力。除此之外，在2018年的平昌冬奥会上，韩国抓住机会向全世界展示了自己的5G发展水平，并进行了多项网络试验；可想而知，日本也必然将在2020年的东京奥运会上效仿韩国的做法。
图5 世界各国5G波段图
在过去的十年里，美国政府对5G的关注度也一直在增加。2016年，白宫启动了一项4亿美元的高级无线研究计划，以促进无线测试平台的发展；2018年9月，白宫主办了5G峰会，通信行业和政府领导人在一起讨论5G的未来发展方向。他们同意促进公私部门合作，同时承认美国在开发和部署5G方面已经落后。不久之后，白宫发布了《为美国未来制定可持续频谱战略的总统备忘录》（Presidential Memorandum on Developing a Sustainable Spectrum Strategy for American Future），强调了要让美国领导5G，增强公共和私营部门的安全。美国联邦通信委员会（Federal communications commission, FCC）于2018年9月发布了其全面的5G战略：“增强美国的5G优势计划”（Facilitate America’s Superiority in 5G Technology, FAST），该计划聚焦于三个主要目标：推动更多的频谱进入市场，更新基础设施，更新过时的法规以促进美国的5G发展。他们计划在2019年再举行三次拍卖，出售毫米波波段的频谱；同时也在研究是否能开放某些低频段和中频段频谱。如果美国积极寻求共享并最终重新分配C波段下半边频谱，可能会提高美国的网络速度和覆盖范围。然而，这一方法能否奏效将取决于全球的公司是否在这一波段使用网络设备，美国需要想办法推动其他公司使用这部分频谱。
下一步，美国防部打算怎么做
美国防部认为，和商业部门一样，5G生态系统同样可以彻底改变国防部的网络结构。5G有能力将国防部的网络合并成一个整体，以增强其对战场态势的感知能力，这将使高超音速进攻和防御武器成为现实，也可以加强现有的核战略能力。然而，5G也会给国防部未来带来严重的潜在风险。未来在国外，这些网络和系统必然会依赖5G基础设施。如果美国没有在这方面取得绝对优势的话，将对国防部行动和网络安全构成严重威胁。
面对美国国内毫米波和sub-6的矛盾，美国防部打算如何选择？美国可能会选择继续沿着毫米波的道路走下去，但是世界其他国家的重点都是建设sub-6的基础设施。在美国国内，基础设施建设的进展也很缓慢，可能需要数年时间来部署毫米波网络所需的系统，到那时，大多数系统可能已经过时了。因此，国防部将不得不学习如何在sub-6频段上运作，不得不投资于sub-6 5G的发展。
图6 世界5G产业局势图
报告中指出，国防部已经建议联邦通信委员会在去年（2019年）底的世界广播会议上（WRC-19）重新分配C波段频谱给5G使用，同时也要鼓励其他政府机构、商业部门部署sub-6频段的通用5G网络。不过，报告中也强调，sub-6频谱共享的现状只是暂时的，美国仍将致力于发展毫米波技术，力争为5G网络提供更宽的频带；另一方面，美国要努力说服世界其他国家采用美国的5G标准，以保持美国在全球通信网络的竞争力。
对于网络基础设施和终端设备而言，在过去的十年中，国防部的设备一直是定制的，因为美国主导着计算机系统市场，能够掌控组件供应链、产生更少的安全漏洞。国防部也可以将不同水平的商用现货产品整合到其系统中，同时将漏洞风险保持在可接受的水平。然而，在当前的5G竞争中，美国显而易见没有5G的产业供应链。美国正在构建毫米波 5G生态系统，这使其产业供应链完全落后于世界的sub-6 5G生态系统。如果世界其他国家不接受美国产品，这将给国防部未来带来严重的安全风险，所有的网络基础设施最终都可能受到网络攻击的影响。因此，报告建议要建立大量的安全防范措施，以应对可能的网络攻击；报告还建议国防部积极投资于5G产业链的研发建设，采取一切手段减缓全球市场份额损失，同时还要为未来几代的无线技术做充分的准备。
结语
纵观历史，美军对技术优势向来十分重视。根据以上对该报告的解读，不难看出美国防部对未来5G生态系统下的军事优势地位的担忧之态，为美国脱离sub-6 5G趋势的现状感到深深的不安。报告中表明，美国政府在频谱分配上进展十分缓慢，并对美国在5G领域的地位深感焦虑。美国国内毫米波和sub-6的矛盾究竟会如何解决？美国政府发展5G的措施究竟能否落地？美国防部将如何把5G应用到军事上去？这些都是美国面临的巨大难题。对于我国来说，我国正处在5G领跑发展的重大机遇期。面对国际局势的种种风云，我们更要保持战略定力，坚持自主创新，大力推进5G体系建设，不惧对抗也要眼光长远，争取与世界各国合作共赢。
原报告链接：
https://media.defense.gov/2019/Apr/03/2002109302/-1/-1/0/DIB_5G_STUDY_04.03.19.PDF
THE END
文字| 秦中南（国防科技大学 ，qinzhongnan@foxmail.com）
图片|来源于原报告
编辑|李晋阳
审阅|Q、黄洋
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