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马克谈天下(46)美国的太空有梦,5G无门之无门篇

(2019-08-28 10:01:31) 下一个

几个月以前,我写过一篇美国的太空有梦,讲到了美国的大量私营公司,包括SPACEX,BLUE ORIGIN等都在未来的太空竞赛中起到了关键作用,并且在很多方面有着巨大的进步,马上填补了NASA(包括和NASA关系良好的波音,洛克希德马丁等公司)的技术和开发空白,并且很有可能形成一个新的万亿美元级别的商业市场,人类历史上首次出现的一个全新市场 --- 外太空旅游市场。

相比美国的太空有梦,美国在5G上却是步履维艰,一路追赶,甚至是有种未来无门的感觉。

5G的综合实力比拼,基本上分为五个部分

1、标准主导能力 2、芯片的研发与制造 3、系统设备的研发与部署 4、5G终端的研发与生产 5、业务的开发与运营 6、运营商的能力

今天我们就总结一下,为什么说美国在5G领域有着无门的感觉,我们从这六个方面来分析。

第一个部分,有关5G标准,5G标准是一个复杂的体系,它从编码、空口协议到天线林林总总,很多个方面,所以国际标准化组织有多个工作组在进行工作,由某个或是某几个企业领装头,写出标准,大家讨论,最后确定,众多的标准一起形成了整个的5G标准。

全世界5G标准立项并且通过的企业是中国移动10项,华为8项,爱立信6项,高通5项,日本NTT DOCOMO4项,诺基亚4项,英特尔4项,三星2项,中兴2项,法国电信1项,德国电信1项,中国联通1项、西班牙电信1项、Esa1项。按国家统计,中国21项,美国9项,欧洲14项,日本4项,韩国2项。5G的标准立项就被这些国家瓜分了。

显然,美国在标准制定上已经落了下风,而且其中很多美国拥有的5G标准是在毫米波,形同鸡肋,后面会在提到。

第二个部分,5G芯片的研发与制造,5G哪些地方需要芯片?核心网络的管理系统,需要计算芯片,也需要存储芯片,基站等众多设备需要专用的管理、控制芯片。手机需要计算芯片、基带芯片和存储芯片,当然未来的大量5G终端还是需要感应芯片。

5G芯片领域,总体而言,还是美国占据了较大的优势,不出大意外,会居于主导地位,但是这个也是美国在5G方面唯一的亮点。

第三个部分,系统设备的研发与部署。一个庞大的5G网络,这个网络是核心网络、管理系统、基站、天线、铁塔等一系列产品组成的。我们称之为通信系统。全世界的5G网络都必须要有这样的通信系统来提供服务。

全世界最早的移动通信那是美国人发明的,摩托罗拉这是世界上最早的也是最强大的通信设备公司,还来就有爱立信、诺基亚、西门子、阿尔卡特、朗讯、NEC等众多的通信设备公司。在2G到4G时代,美国的两大通信设备公司,包括摩托罗拉和朗讯因为多次的决策失误,而一步步从领导地位走向了末路,其中摩托罗拉设备部分先后被转卖给谷歌,然后是联想,而朗讯被法国的阿尔卡特合并。所以,美国实际上是完全没有5G通讯设备公司的。

如果说美国在5G设备开发中还有一点种子,那可能就是三星了,因为三星电子的最大股东是美国的投资人,三星现在在5G设备市场基本上是第五大的位置,可以说和美国有点关系。

第四个部分,5G终端,其中最重要的就是5G手机的研发与生产,当今世界上,手机研发和生产只有美国、中国、韩国三强。今天全世界最强的三强是韩国三星、美国苹果、中国华为。目前全世界第一批推出5G手机是华为,三星,中兴、联想、oppo、vivo、小米、一加这些企业。

而美国的苹果,因为它传统的以利润优先的原则,在全球5G市场,尤其是美国的5G网络没有开始大规模上马之前,并没有马上推出自己的5G手机,有传言说2020年版的苹果手机会是5G版本,根据苹果和高通达成的协议,已经最近收购INTEL的动作,这个可能性还是很大的。整体来说,美国的5G手机产业是苹果一枝独秀,但是在5G终端,包括TV SETBOX,还有PAD上面还是有一定的潜力,不过不能算是优势。

第五个部分,业务的开发与运营,全世界互联网发展,传统的互联网,基本上就是世界各国抄美国,传统互联网的业务都是美国最先创造,最先推动,然后世界各国都向美国学,或是直接采用美国的业务。我们大家最早知道的那些传统互联网业务,很容易在美国找到同样产品母版的影子。

但是在移动互联网上,美国逐渐落后,主要是因为受到美国政府管制和国际管制的制约,很多的应用都不能集合在一起,而且隐私保护的成本居高不下。

5G另一个方面它是智能互联网的基础,需要移动互联、智能感应、大数据、智能学习的整合,这就需要智能硬件的研发、生产。在5G应用开发方面,因为美国本身的5G网络还没有成型,而且很有可能与世界上其它国家也不兼容,这个会极大的影响5G应用开发,尤其是5G智能硬件的开发。

第六个部分,运营商的能力。发展好5G,一个很重要的问题就是电信运营商的网络部署能力,只有部署好网络,普通民众才能用得上,业务才能发展起来,这就需要电信运营商的网络部署能力。

美国的四大移动运营商(最近TMOBILE和SPRINT合并的可能性大大提高),包括VERIZON,AT&T,TMOBILE,SPRINT都有巨额负债,而且在5G频谱拍卖时还要有大量的资金投入,加上后面会在5G设备的投入上需要的海量资金,可以说美国的5G网络会是非常困难。

而所有这些都还不是美国5G无门的要害,真正的要害在于一个,那就是美国的5G 频谱主要是毫米波为主,原因居然是因为多数的中频频谱都被美国政府(尤其是军方)占用,而在短期内没有办法拍卖给移动运营商,这样造成一个美国即便推出自己的5G 网络,也会还有可能和全世界的以SUB-6为主的5G网络不兼容的窘境。

下面我们就总结一下这个方面,而这个很有可能会是美国在5G网络方面全面落后的最大关键。

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。

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。

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。

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。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。


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”。

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。

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。

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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。

当然,这个毫米波的选择对于美国的移动运营商可以说是无奈之举,但是对于未来美国在5G应用方面会造成更加深远的影响。这个有没有解决方案,我认为还是有的。

第一,SUB-6就是中频频谱的共享还是一个很有可能的方案,让部分SUB-6的频谱在美国政府和民间共享,以前有先例,而且相对比较直接,不需要完全单方退出。

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第二,选用NSA方案,就是4G 混合 5G组网,世界上的大国(指面积),除了中国在5G的技术线路图上选择了更为激进的SA这种独立组网的方案,欧美多数国家选择的是NSA方案,NSA非独立组网方案是长时间主要的网络还是4G,只在核心地区用5G组网,这样的一个网络是不能实现所有的5G场景与业务,它不过就是一个4G网络,在少数地方通过5G提升了一些速度。这个当然会是一个比较不完整的方案,但是想象一下,现在的移动运营商也是在4G上有选择的建设,5G更加会是一个选择性建设的网络,同样没有完整的5G网络,对于运营商会大大减轻压力,同时可以用部分资金加强一些非核心地区的4G网络建设。这个就好比是,全国每个乡镇都同时上高速公路当然是好事,但是投资太大,不如大中城市间用高速公路,而乡镇还是用高等级公路。

第三,需要有大规模的实验性5G网络,包括毫米波和SUB-6的网络,让美国的5G应用开发商,硬件和软件都能和世界上的其它国家能够兼容,即便美国本身5G网络和世界格格不入,但是需要一个大规模实验性SUB-6实验网络,让美国的一大批startup,包括现在的巨人级别公司能在5G应用上不会落后,并被世界隔绝,一个典型的栗子就是日本电信的自己的3G规格,这个让本来并不落后的日本3G应用最后完全被世界隔绝。

美国的优势在于它的高科技企业的不断涌现的创新活力,但是劣势也是政府的支持力度,以及企业的逐利思维,希望能够在政府层面更加重视5G的落后现状,企业也加大对于5G应用的投入,5G设备这个方面就不要再考虑了,已经太晚,集中精力做好其它的模块,包括芯片,应用,网络等等,美国现在是5G无门,希望以后能够重新找到5G的钥匙,打开5G的大门。

 

 

 

(文中大量资料来自于网络)

 

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markyang 回复 悄悄话 马克的文章都是个人观点,尽量客观公正,不带入自己的个人喜好,希望大家评论时也是就事论事,不要发表太多情绪化的留言
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