管理美国的频谱赌博

世界正在建设数字经济的基础设施。这一基础设施的要素众所周知:光缆、卫星、云服务、软件工具(如人工智能)和5G网络。有人称之为下一次工业革命是有原因的,因为互联数字技术将是未来财富和权力的来源。建设这一基础设施的进展对美国的未来至关重要,因为美国现在在数字经济领域有一个强大的竞争对手,拥有强大的技术基础和对世界应该如何运作的截然不同的看法。

技术领先是这场新竞争的关键部分。在大多数技术领域,美国都做得很好。它的公司仍然是半导体领域的领导者,芯片和科学法案正在加强美国的制造业。在软件领域,美国公司在云服务和制造先进软件工具(人工智能的更好名称)方面引领市场。美国在量子技术方面很强,尽管包括中国在内的其他国家也有优势。美国教育系统在科学、技术、工程和数学(stem)方面可以做得更好,但移民弥补了这一点。对于电信这一下一个产业监管所需的连接骨干来说,美国在开发和部署5G方面做得很好,但它现在有落后的风险。

这种对国家安全的风险是由频谱分配中的僵局造成的。频谱至关重要,因为数字未来将是无线的——不仅连接手机,还连接交通、医院和工厂等商业应用。这是企业连接,而不是消费者流媒体视频。在频谱方面的错误决定将缩小美国技术的市场,并使美国公司在生产商品和服务方面的效率低于其外国竞争对手。

美国落后于世界其他国家的领域是为获得许可的全功率使用分配频谱。5G频谱分布在低、中、高频带。每个频段在覆盖和穿透方面都有不同的特征,中频(中频段)提供了最佳的功能组合。美国在为5G分配低频和高频频段方面做得很好,但在世界其他国家正在选择的中频段方面做得不好。

当其他国家为5G的授权商业用途分配中频段频谱时,美国分配给5G的频谱越来越少且不同。用一个汽车比喻来说,如果世界其他地区选择右舵驾驶,而美国坚持左舵驾驶,那么它在全球市场上的汽车销量将会减少。结果是美国将首先在5G频谱方面落后,然后在供应全球5G市场方面落后,最后在寻找从5G应用中获得经济优势的方法方面落后。其他国家(尤其是中国,因为它在设备和软件应用方面都很强大)将获得对美国的经济优势,而美国的技术领先地位将面临风险。美国决定采取不同的频谱分配方式是一场巨大的赌博,看看美国的其他技术优势能否弥补这一失误。

这一决定的背景是中国、华为和5G。在美国提出反对之前,华为将主导5G基础设施。由于频谱分配的决定,它将再次这样做。让华为成功将在商业上造成损害,并给美国带来真正的安全风险。一个由中国连接的世界不是一个好结果,但美国可能有望实现这一目标。

这是一个复杂的情况,因为随着该领域被5G、ORAN和基于IP的网络重塑,电信技术也在不断变化。5G和新一代网络将提供更高的数据传输和可靠性,数据已经成为从制造业到金融业等行业生产商品和服务的关键要素。开放式无线接入网络(ORAN)技术有潜力以更低的成本提供无线连接并降低供应链风险。基于IP的网络(和云服务)也提高了可靠性并降低了成本,是全球互联网的核心。网络和电信未来的可能方向将是基于IP的网络,在中频段频率上使用5G和ORAN技术。政策正确的国家将拥有经济优势。

频谱分配的断层线是由政府在商业和政府分配之间以及许可和非许可分配之间的平衡决策形成的。美国倾向于使用未经许可的政府频谱,而世界其他国家则选择依赖经许可的全功率商业频谱。鉴于电信市场的全球性质,美国本身没有足够的力量将轴心转向自己的方向。美国是一个例外,它赌的是其研究人员和公司能够创造新的技术解决方案,让许多不同的用户共享频谱。

频谱岛美国、中国和其他国家有非常不同的频谱策略。对于中频段频谱(对5G最有用),15个工业国的授权频谱平均分配为355兆赫(MHz)。美国以270 MHz排名第十三;中国分配了460 MHz频率,排名第四(仅次于日本、英国和法国)。相比之下,美国在未授权频谱(分配了1,905 MHz)方面排名第一。中国的未授权频谱排名最后,为325 MHz。全球平均频率为1005兆赫。无执照频谱的困境是干扰、可靠性和范围等问题限制了其商业应用。美国分配给政府使用的频谱占很大一部分,比任何其他国家都多,特别是在中频段范围内。美国政府用户被分配了大约60%的中频段频谱,而授权商业用户仅占5%。

这种倾斜分布反映了频谱需求不同且竞争较弱时期的历史分配情况。直到20世纪90年代,随着移动电话的普及,频谱才成为一个经济和政治问题。手机是第一个进入广泛使用的移动频谱使用设备,它立即在各种要求频谱分配的人之间产生了竞争。随着对数字连接的需求激增,以及移动应用超越电话进入工业和商业用途,这一问题变得更加尖锐。

美国是频谱使用的先驱。由于遗留分配问题,这给经济增长和技术创新造成了潜在障碍。2000年之前,频谱资源的最大消费者是政府。不出所料,鉴于潜在的费用和不便,现任政府不愿意放弃几十年来分配给它们的频谱。如果美国是唯一使用频谱的国家,这不会是一个大问题,但数字化是全球性的,为数字市场提供服务的竞争非常激烈。一个简单的总结是,美国在政府和未经许可的使用方面领先,但在商业无线网络或商业用途方面不领先,这些领域为经济提供了最大的回报。

公司将制造将特定频谱用于商业目的的设备——这些频谱是由世界无线电通信大会(WRC)通过全球联合国谈判过程分配的。如果美国不制造这些设备,它们将由中国、欧洲和其他国家制造。全球数字基础设施将使用分配给商业用途的频谱,使用中国和欧洲制造的设备。如果美国选择不匹配其他地方分配的用于商业目的的频谱,它将在任何竞争中处于经济劣势。

目前存在一些有限形式的频谱共享,并且越来越重要。希望这些技术能够尽快得到改进,为频谱短缺提供技术解决方案。然而,竞争激烈的时间表使频谱问题加速发展。距离下一届WRC进一步锁定分配还有三年时间(美国在上一次WRC中被孤立),而动态频谱共享的时间表可能至少需要五到七年才能成功测试和部署。如果美国依赖的军事系统不是为现在拥挤的全球频谱环境设计的,那么在面对对手电子战时也存在恢复能力的风险。中国不一定会主导频谱使用设备的制造(以及由此产生的市场),但如果美国继续目前的路线,肯定不会。

从二十世纪频谱使用的历史来看,美国面临的问题一直是如何将多余的频谱从政府使用重新分配给商业使用。从2003年布什政府开始,前几届政府制定的一种方法是一种行之有效的方案。联邦机构将确定频谱进行重新分配。联邦通信委员会(FCC)将利用其拍卖权限出售这一频谱。拍卖所得资金的一部分将进入频谱迁移基金,各机构将利用该基金支付迁移成本。与任何官僚主义努力一样,有一些复杂的细节,但本质上,这为转向更好地服务于国家安全和经济的21世纪频谱分配铺平了道路。不幸的是,使用拍卖来补偿频谱重新分配的公式被打破了,但这表明国会和政府可以采取几项行动。

为商业用途清理频谱在政治上一直很困难。可用于任何用途的频谱数量是固定的,频谱技术的故事一直是在提供相同服务质量的同时将更多用户塞入同一频率。频谱稀缺的一个可能解决方案是改进技术,实现更大的频谱共享。频谱共享目前不足以满足未来经济增长所需的大规模商业网络的需求,但有效的频谱共享技术将避免做出艰难的政治决策,同时保持美国的竞争力。这种方法有正反两方面的先例。

从积极的一面来看,与技术作对通常是一个坏主意(尽管其他领先国家不等待频谱共享改善的决定令人不安)。人工智能工具的改进可能会使频谱共享更加容易。早期的电信技术称为码分多址(CDMA),是20世纪90年代的数字蜂窝技术,允许多个用户在同一频带上同时通信。CDMA已在很大程度上被取代,先是被LTE取代,现在又被5G取代,但它表明基于先进技术的共享概念是可能的,并且与人工智能工具相结合,可能会在未来十年的某个时候大大增加频谱共享。

相反,频谱共享的改善也吸引了前几届政府,但它并没有及时到来。CSIS频谱委员会2003年的一份报告帮助制定了布什政府的频谱政策,报告称,“通过让更多的设备使用比现在可能使用的频谱更多的频谱,创造爆炸性需求的相同技术可以提供解决这个问题的方法。”然而,二十年过去了,在创造这些共享技术和商业案例方面进展缓慢。

最近的一项努力涉及公民宽带无线电服务(CBRS),这是联邦通信委员会的一项倡议,旨在使商业和联邦用户能够共享频谱。然而,CBRS很少被使用,而同时可供授权商业使用的频谱已被广泛部署。这可以用频谱共享技术可能无法解决的一些挑战来解释。其中包括地理范围小或时间范围有限的许可证,这些许可证消除了公司投资和建设所需的经济激励和确定性。然而,鉴于投资不确定性增加和交易成本高的经济风险,公司不愿意冒险对一种共享资源进行大量投资。

美国的政策问题是如何释放现在使用的频谱,以保持竞争力,同时准备在未来扩大频谱共享。动态频谱共享还没有准备好进入黄金时段,但考虑到研究、测试和人工智能工具可能取得的进展,它可能会在2020年前实现。

可以在国家频谱战略实施计划的基础上建立一个研究和测试计划。扩大努力的一个先例可能是半导体制造技术(SEMATECH)。该芯片公司集团成立于1986年,最初由美国国防高级研究计划局(DARPA)资助,但需要半导体公司的参与和资金支持,以换取研究机会。要求财政支持确保了公司的利益。

频谱互利“交易”的基础有两个部分。它涉及识别和重新分配现在拍卖的频谱,以换取以后建立动态频谱共享的合作。三名参议员提出了一项立法,为解决美国的频谱问题提供了一条途径。《2024年频谱管道法案》要求国家电信和信息管理局(NTIA)和联邦通信委员会确定目前分配给联邦使用的2,500 MHz频率,以重新分配给非联邦使用。频谱管道法案也将恢复FCC的拍卖权限,众议院和参议院正在起草的其他立法也是如此。2,500 MHz基准最好被视为公开招标,而不是确定的需求。该法案将该频谱的一半分配给通过拍卖获得的商业许可。

频谱管道行动交换为重新分配联邦频谱,使用频谱的领先公司将承诺支持动态频谱共享的扩展研究计划,这可能是在DARPA(具有频谱协作挑战或雷达和通信共享频谱访问等项目)和国家标准技术研究所(NIST)电信科学研究所(ITS)之间的合作努力下进行的。实质上,这是建立在拟议的立法基础上的。对研究的支持将是拍卖价格之外的额外费用,但它可以确保实际商业用户参与动态频谱共享研究。拍卖可以逐步进行,以参与研究工作为条件,发放额外的频谱份额进行拍卖。新的频谱政策应关注三个主要目标:

恢复FCC拍卖权限。为频谱共享研究创建公私合作实体(以SEMATECH为模型)。根据《频谱管道法案》确定重新分配的频谱(可能分批进行)。毫无疑问,未来对频谱的需求将需要有效的共享。但毫无疑问,要与中国竞争,现在就需要获得许可的中频段频谱。这也将对冲改进的频谱共享技术何时可用的赌注。与早期的基础设施相比,数字基础设施更加紧密相连。一个领域落后,其他领域也会受到影响,从而减缓整个经济。美国正走在犯错的道路上,虽然与中国竞争的气喘吁吁的说法可能有些过热,但中国和其他国家在5G方面正在采取不同的方法,这似乎可能给他们带来优势。

如果美国能够抓住5G机遇,下一代电信网络将对经济和国家安全产生与二十世纪电力或互联网相同的变革性影响。现在,它还没有走上这样的道路。美国在这一转变中是领先还是落后还有待观察。在部署数字基础设施方面做得最好的国家将是经济强国。决策者知道他们在频谱分配上的决定会给国家安全、创新和经济增长带来真正的风险。过去,美国在技术上孤注一掷,并取得了胜利。在正确的公共和私人支持下,频谱共享可能是另一场获胜的赌博。但明智的投资者试图对冲他们的赌注。在这场美国输不起的竞赛中,现在拍卖,以后分享是最安全的方法。

詹姆斯·刘易斯是华盛顿战略与国际研究中心高级副总裁兼战略技术项目主任

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