浅析美国国防部《5G技术实施方案》

作者:尼古拉斯 责任编辑:王禹蓉 2021.01.15 08:02 来源:学术plus

正如美国《国防部5G战略》中所指,5G是一项关键的战略技术,掌握5G的国家将具有长期的经济和军事优势。2020年12月15日,美国国防部(Department of Defense)发布题为《5G技术实施方案》(5G Strategy Implementation Plan)的报告。本文件作为《国防部5G战略》的附录,描述了国防部5G战略的实施细节。此外,报告还为《国防部5G战略》提供了路线图,以解决5G的技术、安全、标准、政策以应用与合作的问题。

美国国防部5G战略将以下内容确定为实现国防部5G关键目标的必要努力方向:

促进技术发展;

评估、修复漏洞以恢复正常运行;

影响5G标准和政策;

吸引合作伙伴。

1.促进技术发展

国防部将通过促进科学、技术、研究、开发、测试和评估工作,加快5G技术的进步与应用,并进一步开发5G系统、子系统和组件的新用途。

(1)开展5G演习

自2020财年开始,国防部将在多个军事设施中进行一系列的5G实验及演习。这些演习将通过提供适合测试5G特性集成的大型复杂环境,开发和测试军用和两用5G技术、概念和应用, 如,智能港口、供应链管理和仓库运营等。

国防部已经开始与工业界合作,在12个国防部设施中托管5G大规模原型开发,并在每个站点进行实验,实验中都安装了5G网络测试平台,每个站点都托管至少一个支持5G的原型应用程序,该应用程序利用5G的功能来提高国防部的能力。

国防部正在投资射频技术,通过在更高频率上使用大量频谱来改变军事能力和行动。这些技术将提高网络容量,并为国防部提供更好的频谱控制。

(2) 动态频谱利用

无处不在的5G覆盖将需要接入各种射频(RF),包括中频(1 GHz至6 GHz)范围内的射频。因为这一频谱被国防部大量使用,并受到5G行业的高度追捧。国防部将支持包含新技术的系统的研究、开发、测试、获取和部署,这些新技术允许更大的频谱接入,同时防止对传统系统的有害干扰。国防部将开发近实时共享所需的技术和能力,以便在拥挤的频谱环境中进行军事行动。

国防部专注于有效利用射频频谱,既要在有争议的频谱环境中为频谱的军事用户提供更大的灵活性和弹性,又要确保美国电信业拥有提供国防部和国家所需的5G能力所需的频谱。动态频谱利用为这些能力提供了关键的技术基础。

(3)开放式架构和虚拟化

国防部将为先进的5G网络架构的发展做出贡献。其实验计划还将为5G核心和边缘系统的安全设计提供信息,包括开放无线电接入网络和网络切片。由此产生的开放架构以及虚拟化网络和服务将使公司更容易提供5G服务,从而刺激创新、竞争和收购选择。

(4) 劳动力发展

美国5G行业的增长需要广泛、训练有素的劳动力。国防部将与学术界、工业界和机构间合作伙伴合作,确定必要的技能,并制定一项人力资本计划,该计划将利用国防部的STEM计划以及与大学和实验室合作的悠久历史。这种方法还将扩展到开发6G及更高版本的先进技术所需的下一代人才。 

国防部正在关注几个重点领域:

与学术界和工业界合作,为5G教育和培训提供在线访问和专业内容创作。

利用5G部署/试验台进行现实的员工培训。

利用现有的国防部奖学金和实习项目。

利用国家科学基金会奖学金项目,包括符合国防部需求的以5G为重点的活动。

利用现有的博士后项目,如联邦实验室的项目,推进5G劳动力的发展。

与值得信赖的合作伙伴建立国际合作,共享5G测试平台,以促进员工发展。

2.关于5G漏洞

鉴于军队需要在敌对和有争议的环境中作战,国防部将利用基于风险的框架来确保我们5G网络、设备、武器系统和应用程序的机密性、完整性和可用性,并鼓励其合作伙伴和盟友也这样做。

国防部5G“全程运营”(operate through)概念强调了在全球范围内运营5G基础设施的能力。其中包括四个能力层级与类别:

在第一个也是最不具挑战性的类别中,国防部必须能够在现有的美国电信基础设施上进行持续作战。

第二类,国防部在美国联盟伙伴国家的行动必须能够通过联盟伙伴的国家电信基础设施进行。

在第三种也是更具挑战性的情况下,国防部可能需要在“灰色地带”网络基础设施上运作,这种网络基础设施受到不符合国防部任务目标的组织的影响甚至控制。

最后,国防部在有争议的地区运作。

在所有四种环境(美国、联盟、灰色和有争议的)中,使用本机5G基础架构可以在整个军事行动范围内扩展和增强军事选项。

(1) 威胁情报

国防部必须对5G威胁和漏洞有一个清晰而全面的了解。国防部还担心潜在对手利用5G技术损害美国利益。除了监控国外技术发展之外,国防部还必须了解敌方军事和情报部队如何利用5G能力来影响作战。这些评估必须最大限度地利用美国的盟友和合作伙伴。

国防部将与其机构间伙伴合作,通过以下方式实现这一目标:

开发技术来识别、跟踪和减轻网络设备、软件组件和部署环境的不同选择、配置和组合所产生的威胁和漏洞。

向监管机构、标准小组和网络运营商提供基于证据的信息,以便他们能够对网络设备做出明智的选择。

演示对手如何利用底层硬件中的漏洞来影响5G功能和操作。

跟踪新的5G功能(如网络切片和频谱共享)的使用情况,并识别与这些功能相关的威胁和漏洞。

总的来说,这些行动为国防部提供了由美国和联盟伙伴运营的5G网络上的威胁情报,并提供了在灰色和有争议的网络环境中快速识别威胁和漏洞的工具和技术。

(2) 最小化5G基础设施风险

5G基础设施供应链的风险可以通过与盟友和合作伙伴的合作来降低,这样更容易实现管理,以确保供应商遵守严格的监控、检查、物理安全、操作安全和人员审查标准。

(3)全球运营

国防部在全球范围内运作,需要能够安全地使用私有、混合和公共5G网络。国防部将与行业、学术界、标准制定机构和政府研究实验室合作,在国防部设备和基础设施中开发和部署技术和工艺,以确保5G网络在全球范围内得到保护和弹性利用。国防部的“全程运营”概念强调在全球5G基础设施上运营的能力。在许多情况下,国防部有权通过典型的商业关系在另一个国家的5G网络上运行。

(4)安全评估

国防部将进行安全评估,以发现、评估和减轻5G漏洞。这些行动包括在5G支持的网络、平台和系统的开发、部署和维护过程中识别漏洞。应对每一个支持5G的网络、平台或系统进行风险分析,以识别、评估和管理国防部5G行动风险。

此外,还必须考虑与5G相关的其他安全漏洞,包括:来自网络虚拟化和切片功能的与核心网络相关的漏洞,由于城市等密集网络区域中未受保护/暴露的小单元数量较高而增加的攻击面(密集化),将计算移动到更靠近单元站点(边缘计算)带来的风险,由于大量在5G上运行的安全保护有限的物联网设备造成的威胁,以及供应链风险。

(5)网络安全和零信任

5G架构的规模、复杂性和分散设计使得依赖外围安全变得不可行,外围安全假设网络中只允许可信设备。国防部将开发和验证5G的零信任模型。零信任方法将允许国防部管理风险,同时通过利用加密和对权限和信息访问的颗粒度管理在不可信的网络环境中运行。

零信任模式非常适合新兴的5G网络基础设施。国防部一个基本假设是底层设备和软件是不可信的,并且一些元素是故意破坏国防部通信的。5G设备和网络操作实践将由世界各地的电信提供商控制,具有一定的可信度。网络设备可能在网络运营商不知情的情况下泄露数据。网络设备或网络操作实践可能导致国防部使用的通信路径出现故障,网络元素和传输范围内的元素可能试图干扰部分频谱,并且在5G网络的任何级别都可能生成故意无效的控制消息。

为了提供保密性,国防部正专注于两项基本技术。首先,必须确保数据内容通过先进的自适应加密和密钥管理技术得到适当保护,并适当启用5G保密选项。其次,对控制消息和一般通信模式的对手分析可以通过混淆技术来解决。

3 标准与政策

由于5G是一项全球技术,国防部寻求在全球范围使用5G,因此与标准保持一致对于确保国防部能够利用5G行业开发和部署的技术至关重要,并从而提高能力并节省成本。在大多数情况下,国防部将能够直接使用5G技术。然而,由于其使命,国防部还需要超出工业通常需要的能力。因此,国防部正与工业界合作,影响标准以满足国防部的需求。

此外,5G还将改变国防部的运作方式。因此,国防部正在重新审视其频谱管理能力,以适应工业对频谱的日益使用,以及5G对军事作战规划和作战概念(CONOPS)的影响。虽然5G是全球性的,但大量的技术和知识产权开发是在美国国内进行的,其中大部分与国家安全有关。国防部将与其机构间伙伴合作,确保美国技术受到保护。

(1)标准制定机构

为了推广高质量、受保护和可靠的5G设备和应用,美国必须在制定信息和通信技术标准方面发挥主导作用。国防部将全面实施其标准参与计划,并将积极参与第三代合作伙伴计划(3GPP)组织。

国防部对5G标准参与的方法包括建立一个专门的跨部门团队(CDT),其活动包括共享文档、提供跨会议代表、协调投票和确定美国的优先事项。5G CDT正在与行业和标准合作组织将成为5G国防部标准的焦点,并与从事5G标准的其他联邦机构密切合作(图2)。

国防部组件已向5G CDT提名主题专家,以参与频谱工程、安全、供应链风险管理、网络和服务领域的标准组织。

国防部5G CDT活动分为五个技术领域。这五个技术领域依次被划分为关注更具体项目的子主题(图3)。针对这些主题的5G CDT小组的标准项目优先级定期更新,以适应5G技术发展的快速步伐。

(2)高级频谱管理

传统的频谱管理方法——分配单一用途的频率片段——不支持民用和军用创新日益增长的频谱需求。频谱法规和政策必须跟上技术进步、不断增长的频谱需求和运营现实。作为联邦频谱的最大用户,国防部必须继续与NTIA和联邦通信委员会密切合作,制定新的频谱共享政策,包括动态频谱共享和现有频段的双向共享。

美国需要一种平衡、前瞻性、灵活和可持续的频谱管理方法,以帮助满足现在和未来的经济、国家安全、科学、安全和其他联邦使命目标。作为联邦频谱的最大用户,国防部必须继续与NTIA和联邦通信委员会密切合作,制定在所有频段使用频谱的新政策。技术进步可以更快地将频谱推向市场,同时保护和增强未来军事能力的灵活接入。为了实施这一效果,国防部将:

与国家监管机构合作和整合,开发现代化的国家频谱管理信息技术架构和相关分析工具,以扩大所有用户的频谱接入。

向国会、政府和国家监管机构倡导监管和政策变革,以支持创新频谱技术和方法的开发和实施。

通过联盟伙伴关系推进敏捷频谱作战,重点是现代化的电磁作战指挥和控制管理工具。

与工业界建立伙伴关系,使国防部资产和5G之间的创新频谱技术和方法成熟化,超越现有商业能力。

(3)5G支持的操作概念

5G能力的部署将为改革国防部企业服务和创造强大的新军事优势提供大量机会。国防部将开发新的作战概念,以确保其部队将率先利用5G的转换速度和连通性。国防部将在其所有任务中探索和开发5G支持的能力,并将确保它能够在有争议和拥挤的频谱环境中实现其任务目标。军事部门将通过将先进的信息网络整合到美国军队的组织、训练和装备方式中来加强军事效力。

利用尖端技术来增强联合部队的态势并为其创造优势,国防部将是颠覆性5G能力的早期采用者,例如:

增强型移动宽带(eMBB),通过完全移动性向多个用户提供更高质量和丰富内容的服务;

超高可靠性和低延迟(显著降低延迟),支持交付由超高可靠性和低延迟网络保证的关键通信;

大规模的机器对机器通信,通过广泛的传感器网络和多个相连的设备实现大规模自动化;

来自物联网的传感器数据被广泛认为是5G的主要驱动力。

然而,5G网络不仅仅是提供移动互联网接入,它最终将取代关键的基础设施通信,并彻底改变交通、物流和医疗保健等多个垂直行业。

未来的5G网络将是软件密集型的,云本地的,并且越来越多地由人工智能算法管理。为了确保国防部能够从该技术中受益,同时降低风险,任何国防部5G的实施都必须基于对理解和管理不断扩大的威胁环境的持续承诺。

(4) 技术控制措施

国防部还必须支持整个政府保护5G技术免受美国潜在对手攻击的努力。这包括审查外国在美国公司的投资,更新和审查出口控制和其他措施,同时不损害国防部获得下一代技术的能力。该部门必须在保护敏感信息与美国公司合作和进入国际市场的需要之间取得平衡。这些措施必须定期审查和更新,以适应技术发展的快速步伐。

5G是一个横跨全球的生态系统,由工业驱动,在政府的保护下运行。为了推进国防部5G的目标,与国际盟友和合作伙伴、行业以及整个政府和国会的协调参与将是至关重要的。

4.盟友与伙伴

国防部必须与国务院密切合作,利用即将到来的双边和多边对话,与国际合作伙伴讨论5G问题。国防部必须向盟国和合作伙伴传达其国家安全权益面临的风险——动员、互操作性、信息共享、行动和抵御胁迫的能力——以便在缓解措施变得更加昂贵之前迅速解决这些风险。当务之急是,许多国家已经在拍卖5G频谱,并对5G基础设施进行长期投资。

国防部将通过与全球盟友合作来识别5G安全漏洞,并与国防部同行共享相关威胁情报,从而支持这些国家级努力。为了实施这一国际合作战略,国防部正在利用其与盟友和合作伙伴的持续合作,包括与主要领导人的合作,向他们传达允许不受信任的供应商进入其网络的风险。

(1)行业参与度

国防部将继续与我们的全球行业伙伴进行公开透明的对话,包括5G微电子制造商、电信公司和应用程序开发人员。一个健康和强大的国家安全创新基地对于向美国提供国防供应链组件的低风险来源至关重要。国防部与工业界的合作将继续为美国5G标准、研究重点和国际合作提供信息。只有工业能够提供国防部所需的5G能力。

(2)国会参与

国家5G开发和部署的许多方面都是由立法决定的。美国公司需要充足的资本来部署5G基础设施,以及公平、竞争的全球市场准入。国防部将与机构间合作伙伴合作,确定并建议具体的立法提案,以加强5G标准和安全性,激励部署,并抵消对开放市场的扭曲。

5. 结 论

该文件描述了国防部将如何通过促进技术开发、评估、缓解和操作5G漏洞、影响5G标准和政策以及吸引合作伙伴来实施5G战略。5G和未来的“下一代”技术对美国的网络化战争方式至关重要。国防部5G战略和该实施计划将有助于确保美国军方、美国公众以及我们的盟友和合作伙伴能够获得世界上最好的5G系统、服务和应用。


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