home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Telecom / 1996-04-telecom-walnutcreek.iso / george.gilder.essays / from.wires.to.waves < prev    next >
Text File  |  1995-06-07  |  45KB  |  787 lines

  1.  
  2. Date: Sat, 3 Jun 1995 07:59:18 -0500
  3. From: TELECOM Digest (Patrick Townson) <telecom@delta.eecs.nwu.edu>
  4. Subject: From Wires to Waves by George Gilder
  5.  
  6.  
  7.   Date: Sat, 03 Jun 1995 03:31:48 -0400
  8.   From: Gordon Jacobson <gaj@portman.com>
  9.   Subject: George Gilder's 12th Telecosm Article - From Wires To Waves
  10.  
  11.      This series of articles by George Gilder provide some interesting
  12. technological and cultural background that helps prepare readers to
  13. better understand and place in proper perspective the events relative
  14. to the National Data Super Highway, which are unfolding almost daily
  15. in the national press.  I contacted the author and Forbes and as the
  16. preface below indicates obtained permission to post on the Internet.
  17. Please note that the preface must be included when cross posting or
  18. uploading this article.
  19.  
  20.      The following article, FROM WIRES TO WAVES, was first
  21.  published in Forbes ASAP, June 5, 1995.  It is a portion
  22.  of George Gilder's book, Telecosm, which will be published
  23.  in 1995 by Simon & Schuster, as a sequel to Microcosm,
  24.  published in 1989 and Life After Television published by
  25.  Norton in 1992.  Subsequent chapters of Telecosm will be
  26.  serialized in Forbes ASAP.
  27.  
  28.  
  29.                       FROM WIRES TO WAVES
  30.  
  31.                               By
  32.                                     
  33.                         George Gilder
  34.  
  35.              As wireless telephony goes digital,
  36.                 it gets very cheap very fast.
  37.      
  38.      U.S. Sen. Ted Stevens of Alaska wants to know: With deregulation
  39. of telecommunications, who will bring connections to Unalakleet, to
  40. Aleknagik and to Sleetmute? Who will bring 500 channels up the Yukon
  41. with the salmon to the people in Beaver?  What will happen to the
  42. Yupik, the Inupiat and the Inuit?  Will we leave them stranded in the
  43. snow while the world zooms off to new riches on an information
  44. superhighway?
  45.      
  46.      A senior Republican on the Senate Commerce Subcommittee on Communi-
  47. cations, Stevens is a key figure in the telecom deregulation debate on
  48. Capitol Hill.  As he contemplates the issues of restructuring
  49. communications law, he has reason to be suspicious of the grand claims
  50. of an information age.  He knows that universal service -- the magic of
  51. available dial tone in your own home -- has hardly reached rural Alaska
  52. at all.  As George Calhoun points out in his sort invented by Alexander 
  53. Graham Bell in 1881 and now extended to some 95% of American households) 
  54. are simply not feasible, either technically or economically, in many
  55. remote regions.
  56.      
  57.      In Beaver, for example, there is one telephone in a hut linked to
  58. a nine-foot satellite dish.  Permafrost and cold economic reality make
  59. it impossible to extend dial tone to the several hundred households of
  60. this town, even though its average household income, mostly from
  61. salmon fishing, is some $120,000.
  62.      
  63.      Ted Stevens is right to be concerned.  Portentiously sharing his
  64. concern are other powerful Republicans from rural states, including
  65. Larry Pressler of South Dakota, the chairman of the subcommittee.
  66. Extended now from phone service to broadband digital superhighways,
  67. their concerns could pose a deadly obstacle to true deregulation of
  68. communications and thus to continued American leadership in these
  69. central technologies of the age.  At stake is some $2 trillion of
  70. potential value to the U.S. economy (see Forbes ASAP, April 10).  The
  71. problems of universal service in Alaska disguise the more profound
  72. paradox of telephone service in most of the world.
  73.      
  74.      The fact is that the universality of telephones is crucial to
  75. their usefulness; yet universal service using current technology is
  76. totally uneconomical and impractical.  Snow and ice are the least of
  77. it.  The basic problem is the architecture of the system, with a
  78. separate pair of lines, on average two miles long, devoted exclusively
  79. to each user.  It simply does not pay to lay, entrench, string,
  80. protect, test and maintain miles of copper wire pairs, each dedicated
  81. to one household that uses them on average some 15 or 20 minutes a
  82. day.
  83.      
  84.      Connections in cities are one thing.  Urban access systems
  85. comprise a bramble of millions of wire loops, each linking a home or
  86. business telephone to a nearby central office switch.  Under a half
  87. mile in length, these lines still represent some 80% of the cost of
  88. the system.  But because the lines are short and often bundled
  89. together, city telephony benefits from economies of scale and
  90. convenience.  In rural areas, however, the copper lines cost between
  91. 10 and 30 times as much per customer as they do in cities.
  92.      
  93.      Moreover, Calhoun reports that in general, phone companies cannot
  94. supply ISDN (integrated services digital network) and other digital
  95. services over twisted-pair wire more than 18,000 feet (some 3.5 miles)
  96. from the central office.  Perhaps a third of all the nation's phones
  97. are more than 3.5 miles from a central office.
  98.      
  99.      What saves us is socialism.  Closing the huge differential
  100. between the costs of serving rural and urban customers is a Byzantine
  101. web of cross-subsidies, whereby inner-city and business callers in
  102. urban areas subsidize the worthy citizens of Kirby, Vt.; Vail, Colo.;
  103. Mendocino, Calif.; Round Rock, Texas, and Tyringham, Mass., among
  104. other bucolic locales, to the tune of billions of dollars.  Overall,
  105. subsidies from business and urban customers to rural and other
  106. expensive residential users total some $20 billion a year.  In case
  107. the cross-subsidies do not suffice to guarantee universality, Congress
  108. has established a $700 million "Universal Service Fund."  For all
  109. that, some 5% of homes still lack telephone service (compared with 2%
  110. unreached by TV, which faces no universal service requirement).
  111.      
  112.      Lending huge physical authority to this Sisyphean socialist
  113. scheme are some 65,049,600 tons of copper wire rooted deep in the
  114. rights of way, depreciation schedules, balance sheets, mental
  115. processes and corporate cultures of the regional Bell operating
  116. companies and other so-called local-exchange carriers. The minimum
  117. replacement cost of these lines deployed over the last 50 years or
  118. more -- and still being installed through the mid-1990s at a rate of
  119. at least five million lines a year -- is some $300 billion.  By
  120. comparison, Calhoun estimates, the telcos could replace every
  121. telephone switch for one-tenth that amount while radically upgrading
  122. the system.
  123.      
  124.      In this cage of twisted copper wires writhe not only the
  125. executives of the telephone companies, but also the addled armies of
  126. telecommunications regulators, from the Federal Communications
  127. Commission and other Washington bodies to 50 state public utilities
  128. commissions and the towering hives of lawyers in the communications
  129. bar.  The coils of copper also subtly penetrate the thought processes
  130. of MIT Media Lab gurus, libertarian lobbyists from the Electronic
  131. Frontier Foundation and myriad political analysts who see this massive
  132. metal millstone as a fell weapon of monopoly power.  The copper
  133. colossus even intimidates scores of staunch Republicans who have
  134. arrived in Washington determined to extirpate every government excess,
  135. but who bow before the totem of universal service in their districts.
  136.      
  137.      Like any socialist system, the copper colossus will die hard.
  138. But die it must.
  139.      
  140.      Some 20 years ago, AT&T's long-distance lines comprised a
  141. similarly imperious cage of copper wires, installed over the previous
  142. 50 years and similarly impossible for rivals to duplicate.  Then too,
  143. analysts termed telephony a natural monopoly because the system could
  144. handle additional calls for essentially zero incremental cost and
  145. because network externalities ensured that the larger the number of
  146. customers, the more valuable the system.  These assumptions had led to
  147. government endorsement of the Bell monopoly as a common carrier
  148. committed to universal service.
  149.      
  150.      Regulators, politicians and litigators always imagine that they
  151. can control the future of telecom, awarding monopoly privileges in
  152. exchange for various high-minded goals, such as universal or enriched
  153. services.  But their actual role, as Peter Huber and his associates
  154. show in their new text, Federal Broadband Law, is mostly to promote
  155. monopoly at the expense of such values as universality, which
  156. ultimately depend not on law but on innovation.  As a form of tax,
  157. regulations reduce the supply of the taxed output.  It is
  158. technological and entrepreneurial progress, impelled by low tax rates
  159. and deregulation, that brings once-rare products into the reach of
  160. the poor, always the world's largest untapped market.
  161.      
  162.      In this case, the decline and fall of the long-distance monopoly
  163. was not chiefly an effect of politics or litigation but of technology.
  164. Effectively dissolving the copper cage of long distance were the
  165. millimeter waves of microwave radio.  Over the years, it turned out
  166. you could set up microwave towers anywhere and duplicate long-distance
  167. services at radically lower cost without installing any new wires at
  168. all.  But this realization came woefully slowly to the regulators.
  169.      
  170.      In the "above-890-megahertz" decision of 1959, made possible by
  171. new Klystron tubes and other devices that opened up higher frequencies
  172. to communications, the FCC permitted creation of private microwave
  173. networks.  On the surface, it was a narrow decision affecting a few
  174. large corporations.  But as AT&T planners noted at the time, it
  175. represented a clear break from the previous principles of common
  176. carriage, cross-subsidy and nationwide price averaging in the
  177. telephone network.
  178.      
  179.      Sure enough, over the next two decades a cascade of further
  180. decisions climaxed with the authorization of MCI to emerge as a direct
  181. competitor to AT&T. Within less than a decade, MCI added to its
  182. panoply of aerial microwaves the yet more advanced technology of
  183. single-mode glass fibers.  Issuing some $3 billion of junk bonds over
  184. a four-year period, MCI built the first nationwide network of advanced
  185. fiber optics.  GTE made comparable investments in Sprint, and AT&T
  186. rushed to excel its new rivals.  Combining microwave with fiber,
  187. long-distance telephony became a technologically aggressive and openly
  188. competitive arena; AT&T's monopoly was a thing of the past.
  189.      
  190.      Today, the remaining monopolies in local phone service face a
  191. threat from radio technology still more devastating than the microwave
  192. threat to AT&T in long distance.  As with microwaves, the government
  193.  -- in the name of preventing monopoly -- dallied for decades before
  194. acting to allow elimination of the monopolies it had earlier
  195. established.  After the invention of cellular at Bell Labs in 1947,
  196. some 34 years passed before the FCC finally began granting licenses
  197. for cellular telephony.  By the 1980s, the FCC and Judge Harold
  198. Greene, managing the Modified Final Judgment breaking up AT&T,
  199. permitted limited competition in wireless telephony.  However, the FCC
  200. allocated half the metropolitan licenses to existing RBOCs, which had
  201. no interest in using wireless to attack the local loop monopoly.  The
  202. other licenses it assigned by lottery to gamblers and financiers with
  203. no ability to create an alternative local loop. The process of buying
  204. out the spectrum speculators required leading wireless carriers to
  205. hobble themselves with huge amounts of junk-bond debt.  Although McCaw
  206. Cellular Communications created a robust national system, its
  207. financial structure prevented aggressive price competition with
  208. wireline service.
  209.      
  210.      As a result, the idea persists that wireless telephony is an
  211. expensive supplement to the existing copper colossus rather than a
  212. deadly rival of it. The installed base of twisted-pair wire still
  213. appears to many to be a barrier to entry for new competitors in the
  214. local loop, rather than a barrier to RBOC entry into modern communica-
  215. tions markets.  The conventional wisdom sees the electromagnetic
  216. spectrum as a scarce resource.  Few believe that it will soon emerge
  217. as a cheaper and better alternative to the local loop, in the same way
  218. that microwave emerged as a cheaper and better substitute for copper
  219. long-distance wires.
  220.      
  221.  
  222. Making Waves
  223.  
  224.         At the foundation of the information economy, from computers
  225. to telephony, is the microcosm of semiconductor electronics.  It
  226. reaches out in a fractal filigree of wires and switches that repeat
  227. their network patterns at every level from the half-adder in a
  228. calculator chip or the SLIC in a telephone handset to the coaxial
  229. trees and branches of a cable TV system or the mazes of switched and
  230. routed lines in the global Internet.  In computers, engineers lay out
  231. the wires and switches across the tiny silicon substrates of
  232. microchips.  In telecommunications, engineers lay out the wires and
  233. switches across the mostly silicon substrates of continents and
  234. seabeds.  But it is essentially the same technology, governed by
  235. quantum science and electrical circuit theory.
  236.      
  237.      Semiconductor engineers may still spend more of their time with
  238. circuit theory, contemplating the operations of resistors, inductors
  239. and capacitors on currents and voltages in the device.  But quantum
  240. theory is most fundamental, because it allows humans for the first
  241. time to manipulate matter from the inside -- to control the conduction
  242. bands and energy-band gaps of the internal atomic structure of silicon
  243. and other elements, and to make electrons, holes and photons leap and
  244. lase at the behest of the designer.  It is quantum theory that allows
  245. chip engineers to control with exquisite precision, gauged in tenths
  246. of microns and trillionths of seconds, the movements of electrons at
  247. the heart of electronics.
  248.      
  249.      At the heart of quantum theory, however, is a perplexing duality.
  250. Most of contemporary physics seems to deal with particles -- electrons, 
  251. quarks, leptons, neutrons, protons.  In 1994, for example, scientists
  252. at Fermilabs in Chicago announced "discovery" of the "top quark,"
  253. which they described as the "last building block of matter."  Yet
  254. these entities manifest themselves only in the midst of explosions in
  255. which their wave signatures can be identified.  So-called quantum
  256. particle theory is unintelligible without quantum wave theory.
  257.      
  258.      The elements of quantum physics intrinsically combine the
  259. characteristics of particles--definite specks of mass -- with the
  260. characteristics of waves -- an infinite radiance of fields and forces.
  261. Entirely unlike particles, waves merge, mingle and mesh in vectors and
  262. tensors propagating boundlessly through space.
  263.      
  264.      It is this paradoxical combination of the definite with the
  265. infinite that gives the microcosm its promise as a medium, not only
  266. for computation in one place, but for communications everywhere.
  267. Spectrum unfolds in a global ethersphere of interpenetrating waves
  268. that reach in a self-similar fractal pattern from the plasmas of
  269. semi-conductor lasers through the ethers of the planet.
  270.      
  271.      Today, the telecosm of modern communications brings decisively to
  272. the fore the wave side of the quantum duality.  Wires may seem more
  273. solid and reliable than air.  But the distinction is largely spurious.
  274. In proportion to the size of its nucleus, an atom in a copper wire is
  275. as empty as the solar system is in proportion to the size of the sun.
  276. The atmosphere and wires are alternative media, and to the electron or
  277. photon are only arbitrarily distinguishable.  Whether insulated by air
  278. or by plastic, both offer resistance, capacitance, inductance, noise
  279. and interference.  In thinking about communications, the concept of
  280. solidity is mostly a distraction.  The essence of new devices emerges
  281. more and more as manifestations of waves.
  282.      
  283.      Whether in the air or in a wire, the electrons or photons do not
  284. travel; they wiggle their charges, causing oscillations that pass
  285. through the medium at close to the speed of light.  As in waves of
  286. water, the wave moves, but the molecules of water stay in the same
  287. place.  Thus belied is the analogy of particles or even bullets
  288. favored by physics teachers who give primacy to the mass rather than
  289. to the wave.  Since the age of carrier pigeons and catapults,
  290. communications systems have transmitted masses only in the postal
  291. services.
  292.      
  293.      Today, even in entirely stationary electronic systems, the wave
  294. action is increasingly dominant.  The microchip itself -- a Pentium
  295. processor, say -- now runs at 120 megahertz, a rate in cycles per
  296. second that puts it in the middle of the FM radio band.  New computers
  297. must pass the FCC requirements for radio emissions.  Texas Instruments
  298. now advertises its 486 SXL-66 microprocessors as selling for under 50
  299. cents per megahertz.  Increasingly in the world of computers, people
  300. speak of bandwidth and cycles, reserving the discussion of mass
  301. chiefly for the batteries.  The world of the telecosm is subtly
  302. shifting from electronics, with its implicit primacy of electrons, to
  303. what might be termed spectronics, seeing the particle as an expression
  304. of the wave rather than the other way around--moving from Bohr's atom
  305. and Heisenberg's electronic uncertainty to Maxwell's rainbow and
  306. Schrodinger's wave equation.
  307.      
  308.      In a global marketplace increasingly unified by telecommunications 
  309. at the speed of light, the vision of waves as fundamental affords not
  310. only a better image of physics, but also a better purchase on economic
  311. reality than a spurious search for solid states, physical resources,
  312. national economies and commodity products.
  313.      
  314.      Conceived as some irreducible essence, the particle of mass,
  315. whether in the form of a top quark or Higgs boson, wire conduit or
  316. central switch, pushes our thinking about the world toward a vision of
  317. ultimately discrete and confinable entities, with electrons moving
  318. through the p-n junctions of microchips like so many steel ingots
  319. crossing a national border.  Conceived, by contrast, as a continuous
  320. span of waves and frequencies, tossing and cresting, reflecting,
  321. diffusing, superposing and interfering, the telecosmic vision accords
  322. with the ever-rising global commerce in information services -- ubiquitous, 
  323. simultaneous, convergent, emergent.
  324.      
  325.      To grasp the next phases of the information economy, one begins
  326. not with the atom or any other discrete entity, but with the wave.  In
  327. 1865, in a visionary coup that the late Richard Feynman said would
  328. leave the American Civil War of the same decade as a mere "parochial
  329. footnote" by comparison, Scotch physicist James Clerk Maxwell discovered 
  330. the electromagnetic spectrum.  This spread of frequencies usable for
  331. communications is both the practical resource and the most profound
  332. metaphor for the global information economy.
  333.      
  334.      Is it a domain of limits, to be husbanded by governments and
  335. appropriately allocated by auctions at a price of billions of dollars
  336. for a tiny span of wiggle rates?  Is it beachfront property to be
  337. coveted as a finite and unrenewable resource?  Is it a constricted
  338. domain to be exploited under the iron laws of diminishing returns?  Is
  339. it a zero-sum game to erupt in Star Wars and street fights as
  340. satellite magnates and personal communications entrepreneurs crowd
  341. into a feudal fray of frequencies?  At the heart of the gathering
  342. abundance of the information economy, would it sustain a new economics
  343. of scarcity?
  344.      
  345.      So one might imagine from today's conventional wisdom.
  346. Contemplating these limits, diminishing returns and zero-sum economics
  347. at Richard Shaffer's Mobile Forum in March was industry guru Carl
  348. Robert Aron.  He sees the world of wireless entering a "new ice age,"
  349. like the recent ordeal of the tire industry in the face of radials.
  350. He predicts that customers, capital and revenues will become
  351. increasingly scarce and many species of company will become extinct.
  352. Offering a similarly grim vision, BellSouth Vice President of
  353. Corporate Development Mark Feidler declares that the price elasticity
  354. of demand for telephony is negative -- you lower the price and revenues
  355. will sink.  On the same panel, AT&T-McCaw executive Rod Nelson
  356. asserted that he could see no threat from personal communications
  357. services, because McCaw was already offering "a low-priced,
  358. high-quality service."  Even Martin Cooper of ArrayComm saw spectrum
  359. as a limited resource sure to grow more valuable over time.
  360.      
  361.      What would Maxwell say?  As he discovered it, the spectrum is
  362. infinite, ubiquitous, instantaneous and cornucopian.  Infinite wave
  363. action, not the movement of masses, is the foundation of all physics.
  364. It ushers in an age of boundless bandwidth beyond the dreams of most
  365. communications prophets.  As industry guru Ira Brodsky concludes in
  366. his authoritative new book, Wireless: The Revolution in Personal
  367. Communications, "We are quickly moving from the era of spectrum
  368. shortage to the age of spectrum glut."  This expanding wavescape is
  369. the most fertile frontier of the information economy.  In its actions
  370. are the essential character of the coming economics of abundance and
  371. increasing returns.
  372.      
  373.      In contemporary networks, as Nicholas Negroponte stresses in his
  374. best-selling book, Being Digital, all bits are fungible.  In
  375. spectronics, all spectrum is fungible.  In particular, the distinction
  376. between wireline and wireless service dissolves.  A wire is just a
  377. means of spectrum reuse.  Down adjacent wires, appropriately twisted
  378. or insulated, you can transmit the same frequencies without fear of
  379. interference or noise.
  380.      
  381.      Using new digital radio technologies, such as code division
  382. multiple access or smart and directional antenna systems, you can
  383. similarly beam the same frequencies through the atmosphere, insulated
  384. by air.  The chief difference is that the wire system costs far more
  385. to install and inhibits mobility.
  386.      
  387.      The only wire technology commanding a decisive edge over wireless
  388. for critical applications is fiber optics.  The intrinsic bandwidth of
  389. a fiber thread is nearly 1,000 times larger than the bandwidth of all
  390. the "air" currently used for terrestrial radio communications.  In
  391. both media, capacity is largely governed by the need to avoid the
  392. water molecules that absorb many frequencies of electromagnetic
  393. waves -- in air, from humidity or precipitation; in fiber, from the
  394. unremovable residue of water in the structure of the glass.
  395.      
  396.      Compared with perhaps 30 gigahertz of currently accessible
  397. frequencies in the air, every fiber thread can potentially bear 25,000
  398. gigahertz.  This huge bandwidth derives from the possibility of using
  399. infrared light frequencies for long-distance communications rather
  400. than radio or microwave frequencies.  When you are dealing in
  401. terahertz (infrared light encompasses some 50 trillion hertz worth of
  402. frequencies between 7.5 X 10[11] and 3.5 X 10[14]), there is a lot of
  403. room for sending messages.
  404.      
  405.      One fiber thread the width of a human hair can potentially use
  406. about 25 trillion of those hertz for communications (the rest tend to
  407. be fraught with moisture).  This span is enough to carry all the phone
  408. calls in America on the peak moment of Mother's Day, or to bear three
  409. million six-megahertz high-definition television channels -- all down
  410. one fiber thread the width of a human hair.  As Paul Green sums it up,
  411. fiber commands 10 orders of magnitude greater bandwidth than copper
  412. telephone lines and 10 orders of magnitude lower bit-error rates.
  413. Optical engineers have packed as many as a million such threads in one
  414. bundle with a cross-section a centimeter square.  Such feats plausibly
  415. support the assertion that, as a practical matter, spectrum is
  416. infinite.
  417.      
  418.       The capacity of fiber is so large that the best way to think of
  419. it is as a radio system in glass -- a fibersphere that can potentially
  420. accommodate as many as 10,000 separate wavelength bitstreams.  Under a
  421. system called wavelength division multiplexing, users will tune in to
  422. a chosen frequency band in the same way they currently tune in to a
  423. chosen radio or television channel, whether in the air or in a coaxial
  424. cable.  Indeed, engineers can take the same infrared frequencies used
  425. in fiber and move them to the air for shorter distance applications
  426. such as local-area networks, point-to-point connections between
  427. buildings, links between handheld computers and desktop hosts, and
  428. even television remote controls.  As tunable laser transmitters and
  429. photodiodes, along with other optoelectronic gear, become more
  430. sensitive and efficient, airborne infrared will become more robust and
  431. useful.  Experiments by the Israelis with ultraviolet frequencies
  432. suggest that even these superhigh frequencies above visible light
  433. might someday be used for communications through the atmosphere
  434. (offering tens of thousands of TV channels, for example).
  435.      
  436.      Now the FCC has auctioned off 120 megahertz of frequencies for
  437. personal communications services.  The most prominent winning bidders
  438. were consortia led by Sprint, TCI, Comcast and Cox (a long-distance
  439. carrier and three cable companies going under the name Wireless Co.);
  440. by AT&T; and by AirTouch, Bell Atlantic, NYNEX and U S West as PCS
  441. PrimeCo.  Most analysis has focused on what is called the wireless
  442. market and has assumed the major competitor to PCS to be the current
  443. cellular companies.  Aron's ice-age ruminations stemmed from
  444. contemplation of this radical increase in competition for a limited
  445. number of cellular customers who currently cost some $540 each to sign
  446. up (counting handset subsidies) and whose per-capita revenues are
  447. declining at a pace of some 8% per year.  Remember BellSouth's
  448. Feidler's vision of a negative elasticity of phone markets, meaning
  449. that lower prices bring lower revenues?
  450.      
  451.      From a spectronic perspective, all this analysis is deeply
  452. misleading. Whether channeled down wires or through the air, spectrum
  453. is spectrum.  Digital wireless is a cheaper and better way of
  454. delivering service.  The market for PCS is not the cellular customer,
  455. but the one billion wireline customers in rich countries and the
  456. several billions of potential phone and teleputer customers around the
  457. globe.  In pursuing these customers, the price elasticities will be
  458. dramatically positive, with various price points reachable with new
  459. wireless technologies releasing torrents of new demand and new
  460. revenues.  What Aron calls an ice age will in fact prove to be a
  461. gigantic global warming, unleashing huge new growth in telephony,
  462. using spectrum in all its various forms (except perhaps the
  463. twisted-pair copper wires that currently dominate the installed base
  464. of the industry).
  465.      
  466.      The winning bidders from AT&T and Sprint did not put up their
  467. $3.7 billion in order to join a zero-sum straggle for new cellular
  468. customers.  These bidders are dominated by long-distance businesses
  469. that can use PCS to reduce their some $30 billion in access charges to
  470. the local exchange carriers by creating an alternative local loop.
  471. Similarly, MCI, though avoiding the auction, created a subsidiary
  472. called MCI Metro that may seek to manage service for spectrum winners
  473. in 17 cities, again harvesting the benefits of obviated access
  474. charges.  Then all these companies can use their PCS technologies to
  475. pursue customers around the world without any thought of wire.
  476.      
  477.      A chart created by industry analyst Herschel Shosteck illustrates
  478. the opportunity.  The Shosteck chart is a bell curve relating the
  479. incomes of the world's households to telephone penetration rates.  He
  480. shows that telephony has so far penetrated only to countries representing 
  481. the top tail of the curve, where national wealth suffices to reduce
  482. the cost of telephony to a threshold of between 4% and 5% of incomes.
  483. As incomes rise around the globe, more and more people cross the
  484. telecom threshold.  A chart of GDP in real dollars per capita versus
  485. telephone penetration shows that a 40% rise in incomes could bring a
  486. 1,600% increase in potential customers.
  487.      
  488.      Compounding the surge in incomes, however, will be the plummeting
  489. cost of wireless telephony.  Shosteck estimates that between 1985 and
  490. 1994 the price per customer dropped 80%, from $5,000 to $1,000.
  491. Combining these two trends, he calculates that there will be between
  492. 400 million and 800 million new wireless subscribers by the end of the
  493. year 2000.  These numbers represent an awesome upsurge from the
  494. world's current level of some 60 million cellular customers.  Any
  495. further acceleration in income growth or decline in telephone prices
  496. will increase these numbers.  A 50% further drop in telephone prices
  497. combined with a 50% rise in incomes would quickly thrust the vast bulk
  498. of the world's population above the Shosteck threshold.  Far from the
  499. negative elasticities that U.S. phone executives see in their
  500. saturated wireline voice business, the world-wide communications
  501. market will be a financial trampoline.
  502.  
  503. Just Chips And Antennas
  504.  
  505.      In an ordinary industry, a 50% drop in price seems a major
  506. obstacle.  But telephony is becoming a branch of the computer
  507. industry, which doubles its cost effectiveness every 18 months.  The
  508. wireless convergence of digital electronics and spectronics will allow
  509. the industry to escape its copper cage and achieve at least a tenfold
  510. drop in the real price of telephony in the next seven years.
  511.      
  512.      Sen. Stevens should meet Martin Cooper, a former research chief
  513. at Motorola and now CEO of ArrayComm.  Located in San Jose, ArrayComm
  514. is devoted to drastically reducing the cost of telephone access over
  515. the next two years while entirely obviating the problems of
  516. twisted-pair wiring that afflict Alaska.
  517.      
  518.      The current pitch of ice-age cellular providers is "pay more and
  519. get less ... and don't even think about universal service."  Although
  520. they claim penetration rates in industrial countries of nearly 10%,
  521. most cellular users make most of their calls on wireline systems.  The
  522. real market share of cellular is in fact under 1% in the industrial
  523. world.  The cellular companies' formula for success is to exploit the
  524. public hunger for mobility by charging more money for worse service --
  525. extracting premium prices for calls with acoustics and reliability far
  526. inferior to wireline telephony.  Followed by both sides of the
  527. cellular duopoly -- by Bells, McCaws and other suppliers -- this
  528. pay-more- for-less-and-worse formula has concealed from much of the
  529. industry the basic technological fact that wireless will soon be
  530. acoustically better than wireline and drastically cheaper as well.  As
  531. the CD example shows, after all, digital sound systems are superior to
  532. analog.  And without wires, phones finesse the largest capital and
  533. labor costs of conventional telephony.
  534.      
  535.      In economic terms, the intrinsic cost advantage of wireless is
  536. concealed by the colossal installed base of copper.  Already mostly
  537. paid for and largely written off, the 154 million twisted-pair access
  538. lines will allow the Bells to compete in price for some time with
  539. wireless rivals that have lower real costs.
  540.      
  541.      Nonetheless, technical reality will prevail in the end. Spectronics 
  542. offers technologies in four dimensions for dividing and conquering
  543. spectrum: Frequency division, time division, code division and space
  544. division.  All address in various ways the issue of frequency reuse -- 
  545. how many times in a system particular frequencies can be reused
  546. without causing interference in other calls using the same frequencies.  
  547. Of the four techniques, so far only frequency division has been widely
  548. exploited.  As these other methods come on line, the cost of telephony
  549. will go over the same kind of digital cliff long familiar in computers.
  550.      
  551.      Surveying all these proposed schemes and their promised upgrades
  552. (see sidebar next page), it is safe to project between a 60% and 90%
  553. drop in the cost of wireless telephony over the next five years,
  554. depending mostly on the progress of CDMA.  Qualcomm's CDMA could
  555. reduce costs tenfold, compared with the threefold gains from current
  556. global services mobile (GSM) technology, which contemplates an upgrade
  557. path chiefly through downgrading the voice quality with a half-rate
  558. vocoder.
  559.      
  560.      All these gains in wireless efficiency from dividing by time,
  561. code or frequency are compounded by dividing spectrum by space.
  562. Mathematically, every 50% reduction in the cell radius yields a 400%
  563. increase in the number of customers who can be served in a given area
  564. with a given technology.  Huge theoretical gains accrue from
  565. cell-splitting -- reducing the physical extent of cells and
  566. multiplying their number -- converting current macrocells as large as
  567. 35 miles in diameter into microcells a mile or so in width, and into
  568. picocells measured in hundreds of yards in buildings, shopping centers
  569. or congested urban streets.
  570.      
  571.      All these gains, however, could be nullified by the expense and
  572. difficulty of implanting base stations all over cities and
  573. neighborhoods.  The key to the gains of space division, therefore, is
  574. creation of base stations drastically cheaper, smaller, more discreet
  575. and more functional than the current cell sites, costing between
  576. $500,000 and $1 million, occupying 1,000 square feet and containing
  577. between 55 and 416 radios, depending on the frequency reuse factor.
  578. The most notable breakthrough in base stations is the Steinbrecher
  579. MiniCell, to be demonstrated in July and launched at the end of the
  580. year.
  581.      
  582.      Putting a base station into a briefcase, Steinbrecher uses a
  583. single broadband digital radio to perform the functions of between 55
  584. and 416 analog transceivers.  The key breakthrough is a proprietary
  585. mixer that can flawlessly down-convert all the waveforms in the entire
  586. cellular spectrum into a stream of baseband digital bits without
  587. losing any information or introducing spurious signals.  Containing
  588. all the electromagnetic contents of the cell, this digital bitstream
  589. is broken into channels by a 0.4-micron technology application-specific 
  590. integrated circuit and is interpreted by digital signal processors.
  591. Governed by the learning curves of semiconductors, the MiniCell
  592. promises to reduce the cost of a cell site by an initial factor of 10
  593. and by an eventual factor governed chiefly by the Moore's Law
  594. exponentials manifested in the PC industry.
  595.      
  596.      In an important article in the April issue of IEEE Personal
  597. Communications, Donald Cox, former Bellcore wireless leader who is now
  598. at Stanford, calculated that such digital base station technologies
  599. soon could lower capital costs per wireless customer to $14, compared
  600. with a current cellular cost of $5,555 (assuming, in both cases, 180
  601. channels per unit).
  602.      
  603.      Using leading-edge silicon technology, the broadband digital
  604. radio can transform the entire landscape of wireless.  It takes the
  605. channeling, tuning, filtering, modulation, demodulation, coding,
  606. decoding and other processing out of the analog radio domain, where a
  607. different radio system is needed for each frequency band or modulation
  608. scheme.  Moved into a digital signal processor or ASIC, these
  609. functions yield to the huge efficiencies of the computer.
  610.      
  611.      The ultimate in space division, for example, is devoting the
  612. entire available spectrum to every caller.  Using broadband digital
  613. radios fed by arrays of smart antennas, Cooper's ArrayComm is
  614. approaching this ultimate.  "We believe that over the next few years,
  615. everyone will be using broadband radios," Cooper says, pointing to
  616. Watkins-Johnson and Airnet joining Steinbrecher in this business
  617. (though with far narrower bandwidths).
  618.  
  619.      All base stations, one way or another, have to find all the
  620. callers in a cell and link them to callers outside.  Broadband digital
  621. radios move the search function from an array of radios to a single
  622. computer.  Cooper contrasts the technology with radar.  As he puts it,
  623. traditional radar systems use active beams to scan a location and find
  624. a targeted object; ArrayComm uses a passive array of antennas and a
  625. digital radio to provide a broadband snapshot of a cell 20 times a
  626. second, and employs computers to locate the targeted object, in this
  627. case a handset.
  628.      
  629.      Like the Craig McCaw-Bill Gates low-earth-orbit satellite scheme
  630. called Teledesic, the ArrayComm IntelliCell originated with work done
  631. for the Strategic Defense Initiative program.  Inventor Richard Roy
  632. developed algorithms for rapidly calculating the source and trajectory
  633. of missiles from their electromagnetic emissions as detected by
  634. satellite antennas scanning the surface of the earth.  Now he is using
  635. similar algorithms to identify the position, direction, distance and
  636. amplitude of electromagnetic emissions from handsets in a wireless
  637. cell, as collected by arrays of smart antennas at a base station. Once
  638. the information is digitized, Roy's algorithms can sort out all the
  639. calls by their location in the cell, excavating signals otherwise
  640. buried in neighboring noise or shrouded in cross-talk, and conducting
  641. several calls at once on the same frequencies.
  642.      
  643.      Cooper gives the analogy of human hearing.  "You close your eyes
  644. and I walk around talking, and you can point to me at any moment.  Add
  645. another voice and you can still listen to me, or shift to the other
  646. voice.  You can hear the voice you want to hear twice as loudly as the
  647. voice you want to suppress.  You null out the interference.  This is
  648. not a physical process.  You don't move your ears.  Your brain
  649. calculates and correlates the different sounds or signals.  That's
  650. what Dick Roy's algorithms do in our smart base stations."
  651.      
  652.      Roy explains further: "That works if you have a variety of
  653. frequencies.  Suppose, though, you were faced with a chorus of monks
  654. all chanting in monotone in the same frequencies.  This is more like
  655. the cellular telephone or PCS situation in the presence of
  656. interference or cross-talk.  This is what prevents frequency reuse in
  657. adjacent cells.  Amid the drone of the monks, you could not isolate
  658. the sound of one monk.  What you need is more ears.  Then you could
  659. resolve the source of a particular sound by its location.  That is
  660. what we do with antenna arrays."
  661.      
  662.      Adding a spatial dimension to the frequencies, time slots or
  663. codes tracked by ordinary cell sites, an ArrayComm system can
  664. distinguish signals entirely unintelligible to other systems.  For
  665. example, an array with eight antennas can effectively magnify the
  666. signal by a factor of eight.  There is no theoretical limit to the
  667. number of antennas, but as a practical matter, the size of the array
  668. becomes a problem in urban cells.  By moving up spectrum from 900
  669. megahertz 15 centimeters to 1,800 megahertz, PCS reduces the size of
  670. the antenna array from two meters across to one meter across (antenna
  671. size drops in proportion to the decline in wavelength at higher
  672. frequencies).
  673.      
  674.      As a result of the effective magnification of signals, an
  675. eight-antenna array could double the range of a base station,
  676. quadruple the area covered, reduce to one-third or one-fourth the
  677. number of cell sites, and raise frequency reuse to 100%, without CDMA.
  678. Because CDMA doesn't define channels by frequency at all, but by
  679. codes, its limit is the number of codes that can be differentiated in
  680. the cell.  Thus, Roy believes that among all the competing
  681. technologies, CDMA can benefit most from using the spatial dimension.
  682. Spatial processing can help differentiate the calls in a cell as the
  683. noise of call codes accumulates toward the limit where further traffic
  684. is impossible.  As Qualcomm leader Andrew Viterbi declared in a paper
  685. released on Jan. 13: "Spatial processing remains as the most
  686. promising, if not the last frontier, in the evolution of multiple
  687. access systems."
  688.      
  689.      ArrayComm is part of what Don Steinbrecher calls "the transformation 
  690. of wireless from a radio business to a computer business."  As a
  691. computer business, wireless will share in the gains of Moore's Law.
  692. It will double cost effectiveness every 18 months, rather than
  693. continuing on the stagnant price curves of wireline telephony in its
  694. cage of copper, dominated by the costs of rolling out trucks, digging
  695. trenches, laying wire and climbing poles.
  696.      
  697.      Cooper predicts that over the next five years, the combination of
  698. broadband digital radios, ArrayComm smart antennas and a stream of
  699. other advances in wireless telephony will reduce the cost per minute
  700. of wireless phone calls to a penny a minute, one-quarter the average
  701. wireline level and one-twelfth the current cellular price.  This price
  702. collapse will ignite huge positive elasticities in demand, reaching
  703. for the first time billions of new customers in India, China and Latin
  704. America who are now untouched by telephony.
  705.      
  706.      ArrayComm's first customers are Alcatel in Europe, which is
  707. creating a system for GSM, and DDI Tokyo Pocket Telephone.  The
  708. fastest growing company on the Tokyo stock exchange for the last five
  709. years, DDI is often termed the MCI of Japan.  Using transceiver
  710. chipsets from Cirrus Logic's PCSI subsidiary, DDI is already the world
  711. leader in low-cost wireless telephony.  The ArrayComm technology
  712. should lower its costs to the point where these pocket telephones can
  713. break through as a wireless local loop throughout the huge new markets
  714. of Asia and elsewhere.  Earlier this year, the DDI technology, called
  715. Personal Handy Phone, was combined with a Bellcore-Motorola proposal
  716. as a new low-end wireless standard under the name Personal Access
  717. Communications Systems.
  718.      
  719.      By transforming the technical landscape of communications,
  720. spectronics are also transforming the lawscape.  Indeed, by entirely
  721. closing the gap between the costs of serving rural and urban
  722. customers, digital wireless phones will obliterate the need for
  723. cross-subsidies that underlie the entire regulatory edifice.  In the
  724. new world of bandwidth abundance, the only group that will need cross-
  725. subsidies and emergency aid is the communications bar.
  726.      
  727.      As a guide to the era ahead, telephone executives, regulators and
  728. Washington politicians should contemplate the computer industry.  The
  729. market share of centralized time-shared computer systems dropped from
  730. 100% in 1977 to less than 1% in 1987.  International Business Machines
  731. and Digital Equipment Corp. lost nearly $100 billion in market cap in
  732. five years.
  733.      
  734.      Or, for a more recent example of the power of wireless technology
  735. in the digital age, the telcos, regulators and politicians should
  736. consider the video distribution industry, Last year, Washington was so
  737. obsessed with the cable industry and its apparent monopoly power that
  738. Congress enacted a reregulation bill that ultimately imposed 700 pages
  739. of new rules on the distribution of video news and entertainment.
  740. Politicians and pundits let forth a stream of lamentations about the
  741. future access of the poor and the rural to the new services of digital
  742. television and proposed a series of new requirements for universal
  743. service.
  744.      
  745.      A year later, however, the very survival of the cable industry as
  746. a distributor of point-multipoint video is in doubt.  Before Congress
  747. could enact broadband universal service rules, Direct Broadcast
  748. Satellites were propagating 150 channels of digital video with supreme
  749. universality over the entire expanse of the continental United States.
  750. Attaching 18-inch dishes to the tops of their igloos, the Inuits might
  751. acquire television images of a variety and resolution far excelling
  752. any offering of cable television in the midst of the nation's capital.
  753. With a software upgrade to MPEG-2 video planned later this year, the
  754. number of channels will rise to some 200.
  755.      
  756.      Privately dubbed "deathstar" by cable industry executives,
  757. digital DBS became the fastest growing product in the history of
  758. consumer electronics.  Just seven months after its introduction, it
  759. had already surpassed the combined first-year sales of VCRs, CD
  760. players and big-screen TVs.
  761.      
  762.      Today, in the name of deregulation, politicians are preparing to
  763. impose a series of new competitive requirements upon the Bell
  764. operating companies, on the assumption that they still wield monopoly
  765. power.  Pundits still seem to believe that the copper cage protects
  766. local telephone companies from outside competition.  But in fact, the
  767. cage incarcerates them in copper wires, while the world prepares to
  768. pass them by.
  769.      
  770.      The digital future is not wired or wireless.  It is spectronic
  771. and spectacular.  To participate in this explosive market, all
  772. telephone companies will have to escape from their copper cages into
  773. the infinite reaches of the spectrum.
  774.  
  775.                             #####
  776.  
  777. Regards,
  778.  
  779.  
  780.                             Gordon Jacobson
  781.                      Portman Communication Services
  782.                             (212) 988-6288
  783.  
  784.            gaj@portman.com               MCI Mail ID:  385-1533
  785.            Home Page: http://www.seas.upenn.edu/~gaj1/home.html
  786.                     Channel One BBS - Cambridge, MA 
  787.