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(全文翻译)

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。

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。

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。

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):

    

图1:毫米波的辐射图      图2:Sub-6的辐射图

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。

第2章:5G竞争领域的现状

每个国家的5G能力可以通过五个指标进行比较:频谱可用性,广泛的5G试验,国家监管机构建立的5G路线图,政府承诺(例如,为5G实施铺平道路的战略文件和政策),以及行业对早期5G发展的承诺。在这些指标中,频谱可用性影响最大,因为许多其他因素都依赖于可用性。对于频谱可用性,目前正在讨论Sub-6 GHz与毫米波的优点以及如何在这两个范围的频谱中分配频谱,而在美国,对于为商业部门分配或共享政府拥有的频谱存在很大的担忧。对于基础设施,运营商可以采取“非独立”方式,利用现有的3G和4G基础设施作为实现全5G功能的跳板,或者还可以采取“独立”方法,这就需要大量的前期投资来为5G网络提供新的基础设施。

中国

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共的首要任务,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,中共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。

韩国

由于政府较早的完成频谱拍卖以及其对无线技术的普遍承诺,韩国在5G发展上密切紧跟中国。韩国政府制定了明确的包括通过健康投资来追求5G的5G发展路线图;2014年,韩国承诺提供15亿美元,以促进在2020年实现5G的应用和部署,同时在2017年,韩国发布了国家宽带和频谱规划(“K-ICT”),来进一步推动5G的发展。根据K-ICT计划,韩国科学和信息通信技术部(MSIT)已经将Sub-6 GHz和毫米波频段中超过1,000 MHz的频谱拍卖给其三大电信提供商(SK Telecom,KT Corp和LG Uplus)。韩国与AT&T和Verizon密切合作开发5G毫米波网络,通过使其开发的设备在两个频段范围内都能正常运行(如其Exynos 5100 5G调制解调器的情况),降低了发展Sub-6 GHz和毫米波的风险。AT&T还与三星合作,在2019年底发布了支持毫米波和Sub-6 GHz的手机,但鉴于在美国可使用的Sub-6 GHz频段范围有限,这些双功能设备的性能可能较低。

韩国能够利用2018年平昌冬季奥运会来展示其对于5G的投资和进行的各种网络试验。韩国通信产业一直持续着4G和LTE网络技术的高强度竞争,这将推动5G的进一步快速发展。尽管SK Telecom目前不仅在投资5G和试验5G的领域处于领先地位,同时还能够在2018年的MSIT拍卖中获得最多的频谱带宽,但三家通信运营商都计划在2019年初为“韩国5G日”同步推出5G蜂窝服务。韩国在5G领域处于领先地位,并且只要其主要的通信运营商能够好好利用他们拍卖的频谱带宽,韩国将保持领先的地位继续前进。

日本

日本在5G能力方面紧随中国,韩国和美国。日本尚未向通信运营商提供关键频段的拍卖,但计划在2019年这样做,目前日本正在研究毫米波和Sub-6 GHz的使用方法(毫米波适用于有限的,人口密集的地理区域,而Sub-6 GHz则用于覆盖其余地区)。与韩国类似,日本希望利用2020年东京奥运会来展示和测试5G的技术和网络,并将其大部分投资和活动推向2020年的时间线。2014年,日本成立了5G移动论坛(5GMF),以推动5G的研究和发展,协调各组织的5G工作,提升5G的普遍认知。2016年,日本内政和通信部(MIC)发布了一份战略文件(“2020年实现5G的无线电政策”),该文件展示了其对5G的承诺和未来部署。

日本的三大电信供应商(NTT DOCOMO,KDDI和Softbank)正在测试5G技术,目的是在2020年奥运会之前实现5G商用。这三家公司都在Sub-6 GHz和毫米波频段范围内进行试验,MIC在东京和日本乡村进行了“5G系统试验”。

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。

美国

私营部门

在美国政府的支持下,通信行业正在努力组织5G在美国开发和部署。Verizon,AT&T,Sprint和T-Mobile都在开发自己的5G网络和5G设备,每个运营商都有自己的策略和方法。Verizon和AT&T专注于开发高频毫米波网络,并且正在各种测试城市中为移动和固定应用部署小型蜂窝,Sprint采用毫米波和中频频谱的联合方法来构建其网络,T-Mobile专注于毫米波和低频段频谱。虽然所有运营商都在某种程度上研究了Sub-6 GHz下的频谱选择,但相对于毫米波频段中可用的数百GHz,这些研究本质上都受到Sub-6 GHz中可用带宽较小的限制,这种限制由于Sub-6GHz下绝大部分频谱的频段是美国政府拥有的变得更加严厉。运营商们正在使用现有的4G基础设施,但那些专注于毫米波的运营商将不得不建设额外的基础设施,以确保通过密集的基站网络实现不间断的连接。关于部署的某些网络是否符合真正的5G标准存在争议,同时这些提供商之间在未来几年内推出5G网络的竞争会非常的激烈。5G的发展正在由3GPP(第三代合作伙伴计划)监督,该标准组织也负责监督3G UMTS(包括HSPA)和4G LTE标准的发展。

尽管消息来自美国各种营销活动,但美国领土上已经部署了可以在覆盖边缘提供100 Mbps到1 Gbps服务的5G基础设施。尽管LTE部署导致美国大部分地区的终端用户速度提高了10倍,但迄今为止,运营商尚未展示出能够为美国大部分人口提供高速传输的部署能力。

如第一章所述,美国运营商在为较小的区域部署有限制的毫米波方面取得了一些成功,但基站的未来可扩展性是有限制的。即使在优化的情况下,显然对毫米波进行分频以提供更多的覆盖需要大量建设基础设施,这是一项极其消耗时间和成本的工作。

考虑到建设这些毫米波网络所需的大量基站所带来的风险,这些运营商甚至无法承诺必要的资本支出。截至2018年底,Verizon持有约120亿美元债务,股息收益率约为4%,而AT&T持有约175亿美元债务,股息收益率超过6%。T-Mobile持有约25亿美元的债务,而Sprint持有约400亿美元的债务。这些公司处于美国开发5G的努力的最前沿,但他们的资产负债表显示他们可能会为完整毫米波网络的推广和建设基础设施的的成本而苦苦挣扎。

在过去十年中,无线供应商产业也发生了重大转变。中国通信设备巨头华为的全球收入从2009年的约280亿美元增长到2018年的1070亿美元。同期爱立信的收入从279亿美元下降到239亿美元,而诺基亚的收入从576亿美元下降到266亿美元。尽管美国市场的销售额从2009年的不到6%增长到2018年的30%以上,并且仍在快速增长。例如,印度代表的无线市场比美国大,在印度销售的所有手机中有59.7%是中国制造的。由百度,阿里巴巴,腾讯和一些最近兴起的新公司(抖音等)领导的中国互联网应用公司的影响力和收入都在增长。2009年,收入排名前十的互联网公司都是美国公司。今天,前10名的互联网公司中有4名是中国公司。

这些转变不仅仅是因为中国设备更便宜。在许多情况下,中国设备也优于其西方竞争对手。华为和中兴通讯是大规模MIMO无线电系统的领导者,拥有64个发射和接收元件。许多人认为华为的P系列和Mate系列的安卓手机是世界上最先进的手机,这些设备由华为自己的海思芯片部门提供芯片支持的。阿里巴巴的云服务在全球排名第四,仅次于亚马逊,微软和谷歌,并且增长迅速。

公共部门:白宫

在过去十年中,美国政府对5G的兴趣一直在增加。2016年,白宫推出了价值4亿美元的先进无线研究计划,以推广无线测试平台,而美国联邦通信委员会通过其“频谱前沿”政策,承诺为许可和未经许可的用途发布大量毫米波频谱。在现任政府的领导下,美国政府对5G的兴趣有所增加,该政府提出了一系列倡议和指令,强调了5G的重要性,并制定了明确的路线图。现任政府支持由私营部门主导的5G计划,而不是由政府主导的国有化5G计划。

2018年9月,白宫举行了一次5G峰会,相关政府领导人和产业代表参加并讨论5G的未来发展方向,促进私营公共部门合作,同时承认美国在开发和部署5G方面落后。不久之后,白宫发布了“关于制定美国未来可持续频谱战略的总统备忘录”,强调美国需要领导5G,以促进国家安全和公共及私营领域的创新。备忘录指示各部门和机构提交关于当前频谱使用和未来要求,频谱重新分配选项以及未来技术对频谱分配影响的若干报告,并且还要求提出5G立法,监管和政策建议。在总统备忘录发布的同一天,白宫发布了一篇题为“美国将赢得5G全球竞赛”的文章,研究了从领导4G发展获得的美国优势(例如,增加的GDP和就业机会),并将其与领导5G发展的潜在好处进行比较。

公共部门:联邦通信委员会(FCC)

在频谱划分和民用频谱政策方面,联邦通信委员会在5G的开发和部署中发挥着重要作用。在2018年末,联邦通信委员会投票决定建立一个释放毫米波频谱带宽的框架,以帮助加快5G的开发和部署。

美国联邦通信委员会主导着美国频谱拍卖,并于2018年底举行了首次5G频谱拍卖,开启了28 GHz频段。第二次拍卖于2019年3月14日举行,提供了24 GHz频段。

美国联邦通信委员会于2018年9月发布了全面的5G战略“促进美国在5G技术(FAST)计划中的优势”。该计划重点关注三个主要目标:推动更多频谱进入市场,更新基础设施的政策和在现代化中过时的法规,促进美国的5G发展。关于频谱目标,美国联邦通信委员会计划在2019年再举办三次拍卖以销售毫米波频谱带宽,并正在进行研究来了解开放低频和中频频谱的选择不同带来的不同影响。关于基础设施目标,美国联邦通信委员会正在努力提高联邦、州和地方各级小型小组的审查速度,以便更快地部署5G。关于现代化目标,联邦通信委员会专注于调整现有法规并制定新法规以支持5G部署,例如更新其网络设备规则,以便更快地进行小区部署,并防止从对美国网络构成安全威胁的其他国家的公司手中购买网络设备。

美国联邦通信委员会开始了相关工作以便更灵活地使用位于3GHz和4GHz频段中间的500 MHz C波段下行链路频谱。2015年,在国际电联世界无线电大会上,奥巴马政府反对了将该频段重新归类为适合5G使用的IMT-2000划分的提议,对该频段的重新划分将为5G移动业务这一频谱的全球标准化铺平道路。即使将频谱重新分类为宽带,也需要一段时间才能将现有用户完全从C频段中移除。共享灵活用于5G的频带是困难的,因为移动手机以辐射的模式发射无线电能量,并且在C波段天线附近操作的用户数量可能对卫星接收造成干扰。但是,固定业务可以通过使用高度定向天线或波束成形系统来共享频谱,这种类型的设备非常适合为农村地区提供固定业务,以及可能用于国防部固定网络扩展的任务。

如果美国积极寻求共享和最终重新分配C波段下行链路频谱,这可能允许第二轮5G频谱扩展,这可以使美国的现有通信网络的速度和覆盖范围得到提升。然而,这种频谱重新分配的好处将取决于全球的设备商们开发的设备是否在C波段内运行,所以美国需要推动全球接受该部分频谱作为全球利用频段。

公共部门:商务部

美国商务部的国家电信和信息管理局(NTIA)管理联邦使用频谱分配。商务部目前正在制定“国家频谱战略”,以改进频谱管理,确定研究和发展优先事项,以创造新技术,并汇总联邦机构的频谱业务需求。NTIA将与新的频谱战略工作组(由总统备忘录建立)合作,共同努力制定和实施该国家战略,并协调研究,开发,测试和评估工作。如果国防部要分享其频谱,就必须与NTIA密切合作,以管理该共享过程。

第3章:国防部的发展和5G技术的采用

5G对国防部的影响

虽然5G的大部分讨论围绕着商业部门作为其推出背后的驱动力,但5G技术生态系统同样可以彻底改变国防部的运营,网络和信息流程。国防部必须积极参与才能追上不断变化的5G环境。5G将实现在地理上分散的系统中近乎实时地共享更大量的数据这一新的运营理念。目前,使用传统通信网络无法有效地完成该规模的数据共享。5G使当下网络业务的延迟将变得更低,数据传输能力和容量将变得更大,但5G最大的应用潜力在于对未来战争或军事网络的潜在影响。在快速变化的战场环境下,5G可以使大量价格低廉的、互联的、更具安全弹性的设备和系统正常运作。

5G能够将国防部当前的分散网络整合到一个网络中,以促进改善态势感知和决策。防御网络范围的扩大将使高超声速武器和高超音速防御等新技术得以部署,并有可能加强核C3等现有任务。在企业层面,5G可以极大地改善物流、维护等日常工作,从而提高国防部的工作效率和速度。

然而,5G也为国防部的未来带来了严重的潜在风险。国防部在未来海外运营时,绝大多数网络和系统可能依赖于5G基础设施。如果中国在5G基础设施和系统领域处于领先地位,那么国防部未来的5G生态系统可能会将中国组件嵌入其中。这将对国防部业务和网络的安全构成严重威胁。此外,连接设备数量的增长增加了对手跨越国防部网络的潜在“攻击面”,这需要提高跨系统的警惕性和安全性。大量数据的传输会使此任务复杂化,因为这会使检测网络上的恶意流量变得更加困难。

转向Sub-6GHz的频段

在5G频段方面,美国可能继续选择使用毫米波,而以中国为代表的其他国家则主要采用的是Sub-6 GHz频段。国防部作为一个在海外运营的政府实体,无论美国如何选择在国内实施5G,国防部最终都必须学会在Sub-6 GHz的基础设施上运营5G网络。因此,美国必须在提高Sub-6 GHz能力上加大投资,并采取措施分享其频谱。然而,国防部内部存在合理的担忧,即开放Sub-6 GHz频段将产生许多运营问题,从频谱优化到安全漏洞。如果国防部运营商被迫分享他们的频段,有人担心这可能会暂时或永久地降低系统的性能。增加商业用户也会使得Sub-6 GHz频谱的整体更加拥塞,增加国防部运营商连接中断的风险。

但是,如果美国和美国国防部不会转向Sub-6 GHz,国防部将面临获得和落实5G部署的进一步挑战。尽管毫米波的组件通常比Sub-6 GHz的组件更紧凑,但毫米波需要更多的基站彼此靠近以保持连接(即便如此,仍然存在干扰的风险,例如汽车在基站前移动或恶劣的天气将中断连接)。如果一个人或平台必须携带多个天线,特别是在边缘,这在逻辑上很快就会变得不切实际。对处于戒备或者战斗状态下的军队单位需要携带多个天线来保证军事网络的通讯顺畅在逻辑上是不切实际的。此外,国防部的获得系统是缓慢实现的并且可能需要数年才能为毫米波的网络部署提供必要的系统,而大多数系统可能已经过时。相比于Sub-6 GHz的中频频谱,国防部和联邦通信委员会目前优先考虑毫米波,特别聚焦于28GHz到37 GHz的频段,但由于毫米波的部署不切实际,这是一个根本性的缺陷。国防部必须准备在Sub-6 GHz的5G生态系统中运行,这需要转变战略,并考虑国防部愿意在Sub-6 GHz领域的哪个频段范围分享带宽。

这种转变可能带来一些固有的好处。使用与任何其他公司或国家相同的基础设施所带来的匿名性提供了一种行业标准的安全形式。政府和民用的整合可以通过允许军事流量“隐藏在视线中”来提供一层安全性,因为流量变得更难以看到和分离出来。同样,可能会阻止对手干扰此频谱,因为它们可能在同一频段上运行。政府将维持初级频谱接入,同时也受益于来自商业部门的技术进步,这些技术来自Sub-6 GHz范围的业务,这将有助于政府缩小商业部门与当前军事通信状况之间的差距,也为网络和通信人员提供了一个机会,通过在国内和国外定期共享并管理频谱,学习如何使频谱更具弹性。

Sub-6GHz的频谱共享道路

频谱共享的想法并不新鲜。2010年,美国联邦通信委员会确定了3550-3700MHz的频谱带,称为公民宽带无线电业务(CBRS),作为潜在的频谱共享机会。CBRS利用LTE网络提供无线语音,文本和数据服务,由于联邦通信委员会 2010年国家宽带计划为新移动用户提供更多频谱,因此该频谱被释放。2015年,美国联邦通信委员会正式授权以前由美国海军和国防部单独使用的3.5 GHz频段区域的共享。CBRS将增强光纤接入的“最后一英里”,以提供固定无线服务和点对多点功能。CBRS频谱可以由用户免许可,或者他们可以在使用期间购买临时许可,并且允许以更快速和有效的方式部署服务。国防部仍然是该频段的现任用户,因此其他用户将受到频谱接入系统(SAS)的限制,该系统确保消除冲突以消除对军事用途的干扰。SAS系统在频段分配时保持国防部的优先级,但在未被占用时为商业用户保持频段开放。

这一先例可以作为国防部与商业部门之间未来频谱共享的指南。通过提供自己的带宽来分享,国防部还可以鼓励“双向”频谱共享系统,在这种系统中,民用和联邦用户可以通过不同的优先级来访问彼此的频谱。这将增加辅助级别上国防部可用的频谱量,同时保持其自身带宽中的优先级访问。此外,由于本章开头列出的原因,国防部将从5G开发中获益。国防部可能会在开始分享部分频谱的初期有一些成长的痛苦,但5G能力的净增益最终将弥补这一痛苦。如果国防部没有开始分享Sub-6 GHz的频谱,那么美国公司将无法开发他们自己具有竞争优势的Sub-6 GHz的5G产品,外国供应商将越来越多地嵌入他们的全球网络和系统产品,这将增加依赖供应链而带来网络受损的风险。

5G的安全挑战

供应链风险

国防部正面临的未来5G的环境风险之一就是供应链风险,从子部件到完整的网络级再到服务级,层级越高,供应链存在的风险越大,也越容易被攻击。在过去的几十年中,国防部能够在满足其独特需求的定制系统上运行,因为相对于其他商业世界而言它是一个大用户,但现在这种特权已不复存在。商业部门的技术开发和使用使得国防部的技术发展和使用相形见绌,国防部在孤立的定制系统和架构上进行构建和运营已经不再实用。在即将到来的5G时代,国防部越来越依赖商用现货(COTS)设备和商业服务。

国防部可以将商业投入纳入其5G基础设施的四个层级:射频组件,集成芯片组,设备和服务。射频组件可包括从半导体到交换设备和放大器在内的各种子组件。集成芯片融合了不同的子组件和子系统来与系统组件进行交互。设备的范围从移动设备的耳机到计算机系统,其中包括前面提到的子组件和集成芯片。最后,前三类基础设施中的每一个都带有一系列的服务产品,用于操作、管理和维护它们。

商业公司可以提供上述任何和所有基础设施,但这带来了无意或恶意安全漏洞的风险,这些漏洞使国防部系统和网络面临风险。如果中国成为从子组件级到集成系统级提供5G基础设施的全球领导者,即使美国限制中国产品进入美国市场,国防部的5G生态系统也将面临包含安全漏洞在内的风险,因为国防部仍然需要在海外的外国网络上运营,这些网络的基础设备也可能由中国的供应链来提供。在过去的十年中,国防部已经从定制计算系统转向商用计算系统,但这种方法的改变比目前面临的风险更小,因为美国主宰了计算系统市场并能够“拥有”供应链和更好地保护它免受漏洞攻击。因此,国防部现在可以做到将不同程度的COTS产品纳入其计算系统,同时将漏洞风险保持在可接受的水平。然而,在目前的5G竞争中,无论是国防部还是美国政府都无法决定5G供应链的内容和整合–我们专注于构建毫米波频段的5G生态系统,使我们脱离了Sub-6 GHz频段的5G生态系统的全球供应链。如果世界其他地区接受中国产品作为5G的更便宜和更优越的选择,这种不匹配将给国防部带来严重的安全风险。

5G基础设施和服务

无论在什么频段运行,5G网络都有许多安全风险需要考虑。虽然国防部的安全重点通常是供应商安装的可用于远程控制系统或泄露信息的后门,但在5G推出期间和之后,由于糟糕的软件开发实践,也可能带来各种各样的安全问题。英国一份关于与华为和英国政府共同努力管理华为在英国部署的安全问题的报告中提到了其中的许多风险。糟糕的软件开发带来的安全问题是一个普遍的问题,而且不仅限于中国供应商。

即使用于5G基站的特定软件版本可能是安全且良好实施的,也不能保证未来版本将继续同样安全。将不可避免地发现错误并需要软件补丁,并且可能需要快速部署这些修补程序,而无需充分考虑补丁可能引入的新安全问题。验证每次迭代持续安全性将变得越来越具有挑战性。

即使基站代码是安全的并且随着时间的推移得到良好管理,无线基础设施提供商的商业模型也是这样的,即来自供应商的人员通常参与网络基础设施的调试,操作和维护。这要求供应商访问运行网络的核心管理系统,并允许供应商将软件部署到系统中的设备。在许多情况下,美国境内外的网络运营商将网络的整个运营外包给设备供应商,通过第三方活动增加潜在的漏洞。

现场维护通常也外包给供应商。访问现场站点的服务人员可以将新软件上载到网络并更改网络配置。国防部在打击恶意软件方面有着悠久的历史,这些恶意软件通过未打补丁的计算机传播到武器系统中,没有进行多因素身份验证,或者由于人员使用不当而暴露于安全漏洞。所有这些和更多的问题适用于供应商维护计算机。这些支持系统很少被安全工程师检查,但是它们可能配备了凭证,使其具有将漏洞插入基础设施的强大功能。

无线接入网(RAN)供应商通常决定核心网络基础设施的选择,而这些基础设施又管理着回程链路和全国光纤网络上的流量。它们还提供核心身份验证服务、执行合法拦截、名称服务器功能和与互联网的互连的能力。这种控制源于供应商使用非标准技术来实现通信和管理基站,以及整个无线网络。因此,运营商可能难以为华为基站选择非华为核心基础设施。多供应商网络通常被配置为公共供应商设备的孤岛,如果发现供应商存在严重的安全问题,则在基础设施中替换该供应商可能几乎需要完全重新构建网络。

5G核心基础设施还存在一些额外的问题,比如网络“切片”功能,它会将网络暴露给非运营商。例如,如果虚拟现实头盔需要一个托管的网络基础设施片来与基于云的游戏服务通信,这将通过允许信令和控制边缘和基于云的计算实体来增加核心网络的攻击面。

5G设备

除了5G基础设施的安全性以外,国防部也必须考虑与5G设备相关的安全风险。如果目前中国在无线设备市场上占据主导地位的趋势仍在继续,即使中国厂商的设备被拒绝进入美国市场,由于其设备在世界其他地区的普及使得中国厂商的市场份额和复杂程度将继续增长。在美国部署海外的部队使用这些设备时,无论是公务还是个人用途,国防部都必须解决因使用这些设备而引起的问题。

全球各种设备都发现了后门或安全漏洞的证据。其中许多似乎与中国情报部门要求公司向公众提供有关国内用户信息的要求有关。在最近案例中,诺基亚安卓手机被发现有一个后门,将各种数据发送到位于中国电信网络的网络服务器。诺基亚故意将此代码构建到销往中国的设备中,但后来意外地将其安装到其他所有设备上。2018年,制造安全摄像头的中国相机供应商雄迈的软件被发现存在一个反向默认的无证后门用户,可以访问数百万台摄像机。

这些事件和其他事件表明,中国的情报机构可能会要求在运往中国的设备上加装后门,以协助其内部监控活动。由于软件开发环境的性质,很难为发送到特定目的地的设备建立单独维护的代码库集,其中一些代码选项只能在特定目的地生效。当这些设备被运往中国境外时,这些后门仍然可以用来泄露信息。

我们只能推测这些安全漏洞的传播是有意还是无意。但是,如果中国政策确实要求在中国销售的设备中嵌入后门访问以用于内部安全目的,那么应用于这样一个大市场的这种受损代码会增加这些漏洞将蔓延到世界其他地方的风险。如果中国在5G设备市场上占据主导地位,无论是作为制造商还是作为一个庞大而有吸引力的用户市场,那么这种脆弱性潜力只会继续蔓延,并使更大的5G生态系统面临风险。

 

第4章:委员会对5G的建议

理事会建议

国防创新委员会的建议基于这样的假设:由于传播和成本限制,毫米波基本上不能在美国大规模部署,而且Sub-6 GHz的中频频谱(在3 GHz和4 GHz范围内)将成为未来几年广域网的全球标准。该假设基于对毫米波的工程要求的评估以及各种研究,这些研究是关于预测支持有限毫米波的5G网络所需的基础设施和相关成本。此外,美国供应商的当前财务状况可能或多或少的会抑制他们投资所需资本支出以支持毫米波网络的能力。

建议一

国防部需要尽早制定共享Sub-6 GHz频段的计划以塑造未来的5G生态系统,包括评估什么时候需要共享哪些带宽以及共享带宽的范围,以及共享将如何影响国防部系统。

  • 国防部和联邦通信委员会必须考虑将5G频谱的战略从毫米波(mmWave)转向Sub-6 GHz。国防部和联邦通信委员会一直将28GHz和37 GHz带宽优先考虑作为5G开发的选项,但这种努力是错误的。这片文章涵盖了与毫米波在实现方面相关的广泛限制,以及世界其他地区将采用Sub-6 GHz的5G生态系统。鉴于此,国防部必须通过关注与这些频谱范围内的民用5G业务共存(如果不是明确共享)来为未来的运营环境做好准备。
  • 国防部应该尤其关注中国已经使用的Sub-6 GHz频段范围。中国的5G系统和基础设施工作在3.2-3.6GHz范围内,以及4.8-5.0 GHz范围。因此,商业界已经开发出针对该范围配置的半导体和手机,国防部应该针对最发达的市场,加速在美国进行5G 6 Sub-6 GHz的部署。向复杂的多频段收发器添加新频段大约需要两年时间,美国将能够通过利用市场上已有的子组件和设备来实现更成熟的频谱使用,例如使用现有的高通产品来实现中国5G系统使用的频段,从而避免花费额外的时间来弥补追赶这两年在5G研究上的落后。
  • 作为额外考虑,国防部目前在4GHz频谱中占用约500MHz的空间。国防部应该采取行动分享这个空间的一部分,因为它是一个可能对5G开发产生严重影响的大量带宽。5G在大量连续带宽上能够最佳运行,而该范围的共享可以提供推动5G发展的频段空间。
  • 为了提供额外的频谱可用性,国防部应建议国家电信与信息管理机构(NTIA),联邦通信委员会和国务院应在今年晚些时候的世界无线电大会(WRC-19)中提倡将C波段卫星频谱重新分配给IMT-2000 5G使用,并采取措施,在加速的固定业务基础上,在美国所有500 MHz频段内实现频段共享。虽然这对美国5G移动生态系统的影响有限,但在这个频段内共享可以提供100 Mbps及以上的广泛覆盖,以便为美国农村的大部分地区提供固定宽带服务。
  • 国防部应鼓励其他政府机构激励行业采用通用的5G网络进行Sub-6 GHz的部署。激励措施包括加速折旧,税收优惠,低息贷款以及政府购买设备和服务。
  • 该建议不要求拆除在Sub-6GHz频段中运行的国防部系统,也不要求共享所有国防部频段。国防部必须对与共享不同频段相关的成本和时间表进行深思熟虑且坦诚的分析,并相应地确定优先顺序。
  • 但是,国防部必须牢记,频段划分的现状是不可能一直持续的。5G能力需要更大的频谱带,比如说毫米波,如果没有额外的带宽,仅靠Sub-6 GHz频段美国并不能获得真正的5G。明年,国防部将基于其使用的Sub-6 GHz频段,决定在美国是否采用5G。
  • 如果国防部分享其部分Sub-6 GHz的频段,它将明显受益。随着商业部门开发和部署5G技术和网络,国防部将能够利用商业创新来建立自己新的和改进的技术和网络。在战略层面,5G可以通过将更多系统集成到一个能够更快,更低延迟地共享更多数据的网络中,在态势感知和决策制定方面实现阶段性变革。
  • 这项工作需要与国家电信与信息管理机构密切协调,以清除和重新分配频谱。仅仅分享频谱是不够的,时机才是至关重要的,必须尽快完成,以保持美国与中国,韩国和日本的竞争力。
  • 如果没有本报告中概述的积极行动,我们认为美国很可能无法说服世界其他国家采用毫米波技术作为标准的5G途径。这可能会使全球市场分化,导致全球大多数采用 Sub-6技术来实现5G,这些技术将由中国设备和手机制造商主导。

建议二

国防部必须尽快准备在后西方无线生态系统中运行。该计划应当包括对工程级和战略级的系统安全和健壮性的研发资金计划。

  • 共享部分Sub-6GHz频段当然将有助于美国5G的发展,但要获得相对于中国的竞争优势,就需要以国防部从未见过的速度和规模采取行动。出于这个原因,很可能美国以外的大多数国家将采用Sub-6GHz的解决方案,迫使国防部在后西方无线生态系统上运行。在这种情况下,国防部应该假设所有网络基础设施最终都会从加密和弹性角度受到网络攻击。
  • 国防部必须采用“零信任”网络模式。外围防御模型已经被证明是无效的,5G只会加剧这个问题,因为更多的系统被连接到一个共同的网络。不应仅仅通过附加到特定网络来授予信息访问权限,而应通过网络内的各种安全检查授予信息访问权限。国防部还应该计划采用量子抗性密钥交换机制来应对公钥交换算法的最终下降,特别是考虑到中国在量子计算方面的投资。
  • 虽然“零信任”网络可以通过密码术保护上下文交换,但这些交换仍将受到流量分析和网络利用率激增的检测。国防部应该努力保持大量数据不断流动,以免操作节奏的增加被注意到。
  • 除了这些安全预防措施之外,国防部还必须通过提高整体弹性和在整个网络中建立冗余层来抵御网络攻击和渗透,以确保不间断的连接。
  • 国防部将需要考虑防范供应链受损的选择,其中中国半导体元件和芯片组嵌入在多个系统中。国防部应该通过投入研发来研究划分系统的影响,以限制攻击者横向移动到其他系统的能力。这将带来性能的成本增加,国防部必须找到能够安全性和基本功能的平衡点。
  • 美国国防部应倡导积极保护美国技术知识产权(IPR),以减缓中国电信生态系统的扩张。美国应该利用出口管制来减缓西方供应商的市场损失率,即使它可能会增加中国实现自给自足的速度。
  • 国防部将越来越多地被迫在没有他们参加的定制基础设施的共享商业网络上运营(如核C3的情况)。国防部必须分析与该转变相关的风险和收益,并调整其运营概念以解决这一问题。
  • 国防部需要考虑受损供应链的更广泛影响,例如个人设备的风险和可以从这些设备上的活动中获得的信息。如果中国能够收集这些数据,国防部应考虑采用离散指令来抵御传统国防部系统和平台之外的这些漏洞,例如通过培训来限制通过个人设备使用在无意中共享个人身份信息(PII)。
  • 除了这些努力之外,国防部还应该在5G以上的未来几代无线技术基础上开展测试和实验。这种测试和实验将在更长的时间内进行,以确保美国准备领导下一代过渡。这些活动可以包括测试Sub-6 GHz频段的共享,以及对未来的毫米波的部署和传播的改进。

建议三

国防部应当建议美国政府调整贸易战略来应对可能会将国家安全资产和使命置于威胁中的供应链漏洞。

  • 受损的供应链问题会通过在网络和系统中引入漏洞对国家安全构成严重威胁,这可能会被敌对行动者利用来破坏国防部的运营。这些脆弱性的蔓延通过降低进攻行动的障碍同时削弱防守阵地,创造了一个日益不稳定的环境。
  • 为了应对这种威胁,国防部应该倡导贸易政策奖励对安全代码进行奖励,并通过关税惩罚有漏洞的代码(良好发展实践的“货币化”)。例如,美国可以自动对发现有后门或严重安全漏洞的任何国家的任何商品征收高额关税(比如说75%)。这将给不安全因素带来市场成本,并且还会激励国内公司为安全研究人员提供资金,以发现竞争对手产品的脆弱性,从而触发关税。这将提高国防部生态系统的整体安全性,而不必披露条款50的漏洞。
  • 美国应该鼓励五眼(五国情报组织)和北约合作国家采用相同的关税,无论产品来自哪个国家。和关注设备安全性相比,美国通过关税贸易战的形式可以获取到更加多的利益。
  • 国防部应建议CFIUS停止与有销售过带有后门和安全漏洞产品历史的公司进行交易。
  • 此外,美国应继续鼓励伙伴国家保护自己的供应链,并拒绝接触销售5G商品的中国国有企业(SOEs)。

来源:CAICT5G创新研究中心 2019年4月29日


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