《美國5G為什麼落後？美國國防部道出了真正原因》

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【袁嵐峰，中國科學技術大學化學博士，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心副研究員，科技與戰略風雲學會會長】

今天，我們來討論一個非常引人關注的問題：美國的5G為什麼落後了？

首先值得說的是，許多人知道美國的5G確實落後了。這並不是因為大家成了技術專家，而是因為美國政府對華為各種無底線的打壓，做了反向廣告。大家意識到，能讓美國政府以一國之力全力對付一個企業，更神奇的是連一國之力都沒遏制住，那這個企業想必是相當先進的。

2019年6月26日，G20大阪峰會開幕前夕的《新聞聯播》中，塞爾維亞社會黨副主席奧布拉多維奇的話，就非常具有代表性（http://news.cctv.com/2019/06/29/VIDEhROMQRc8VfyH7mpqQ1HT190629.shtml）：

「美國人問我，你們還與華為合作嗎？不擔心信息被中國控制嗎？我說，為什麼不合作？我說，我們原來不知道中國的5G技術是最先進的，直到你們打壓中國企業，我們才明白中國已經超越了你們。」

奧布拉多維奇論5G

不過，這種「知道」只是一種觀察性質的推理，並不是原理層面的理解。因此，還是有許多人在感情上難以相信美國的5G真的落後了，或者總是覺得美國藏著什麼秘密武器。

一個典型的例子，就是隔三差五地出現這樣的說法：美國已經跳過5G，直接去開發6G了！至於什麼是6G呢？他們會說是衛星通信，例如馬斯克的星鏈計劃。

每當這種時候，就會有一群人洋洋得意：看，科技的制高點還是掌握在燈塔國手裡！有些人反感這種狐假虎威的表演，但也搞不清真偽，於是就來找我們求證。

我們就告訴他們，這純粹是外行的亂彈琴。衛星通信的帶寬天然的就遠遠低於地面基站，因此衛星通信只能作為地面網路的補充，而不可能代替地面網路。衛星通信也不是美國的專利，包括中國在內的許多國家都在發展。大家發展衛星通信的主要目的，並不是取代地面網路，而是為那些缺少地面基站的地方提供服務，例如海洋、高原、偏遠地區。

事實上，我完全不是通信專家。但對所謂美國跳過5G直接發展6G的問題，我也能一眼看出它的不靠譜，因為通過我的通信專家朋友們的介紹，我理解了其中的原理。這是一個基本的方法論：理解原理才能讓自己產生鑒別力，而不是被各種消息帶著四處跑。

因此，我們非常希望從原理上搞清楚，美國的5G為什麼落後了。

對這個問題，一個出人意料的回答來自美國國防部。

2019年4月3日，美國國防部國防創新委員會發布了一個報告，叫做《5G生態系統：對美國國防部的風險與機遇》（《THE 5G ECOSYSTEM: RISKS & OPPORTUNITIES FOR DoD》）。該報告分析了5G的發展歷程、目前的全球競爭態勢以及5G技術對國防部的影響與挑戰，尤其有趣的是，明確地指出了美國5G落後的原因。中國信息通信研究院5G創新研究中心把這個報告翻譯成了中文美國國防部發布《5G生態系統：對美國國防部的風險與機遇》報告（全文翻譯），非常感謝，這是一個很有意義的工作。

《5G生態系統：對美國國防部的風險與機遇》

好，美國國防部認為美國5G落後的原因是什麼呢？

一句話的回答是：頻段不對。

兩句話的回答是：最適合5G的頻段在美國被軍方佔用了，而其他國家不受這個限制。

稍微詳細一點的回答是：5G的頻段有Sub-6和毫米波兩個選擇，Sub-6比毫米波容易實用。大多數國家都在主攻Sub-6，美國卻由於軍方佔用了Sub-6，只能用毫米波，因此導致了一系列問題。

5G建議頻段

如果你熟悉電磁波理論，那麼聽到這裡就基本明白了。如果你不熟悉電磁波理論，那麼我們來解釋一下。

現在絕大部分的通信都是以電磁波為載體實現的，包括電報、電話、簡訊、電子郵件、聊天軟體等等。事實上，除了面對面說話之外，現在想找一個不用電磁波的通信方式都難。傳統的郵局算一個，但你還會去寄平信嗎？所以，「通信基本靠吼」才會成為一個笑話。

很多人都聽說過，光就是一種電磁波。不久前就有人來問我，光和電磁波有什麼區別？我回答，沒有本質區別。事實上，所有的電磁波的傳播速度都是光速。不同的電磁波之間，只有一個區別，就是它們的頻率。你可以把某一頻率範圍的電磁波稱為光，另一頻率範圍的電磁波稱為X射線，另一頻率範圍的電磁波稱為微波等等。但所有這些都是人為的劃分，這些頻段之間也都是連續的變化，並沒有截然的分別。

要理解電磁波的不同頻率會造成什麼區別，就需要引進一個公式了：

光速c = 波長λ × 頻率ν。

這個公式是什麼意思呢？學過高中物理的觀眾就很容易明白。波長是一個波在一個周期內走過的距離，頻率是一個波在單位時間內走過的周期數，因此兩者相乘，就等於一個波在單位時間內走過的距離，也就是波的傳播速度。

對於電磁波，傳播速度是固定的，就是光速，約等於30萬公里每秒。因此，電磁波的波長和頻率成反比：頻率越高，波長就越短；頻率越低，波長就越長。所以，當我們說一個波段是低頻或者高頻時，就等於說這個波段是長波或者短波。這兩種表述方式是等價的，也都十分常見。

美國國防部的報告說，全球目前有兩種方法部署5G的新頻譜。第一種方法的重心在6 GHz以下，稱為「低到中頻段頻譜」，也稱為「Sub-6」，主要在3 GHz 和4GHz頻段，中國等大多數國家主要採用這種方法。第二種方法側重於24至300 GHz之間的頻段，稱為「高頻頻譜」或「毫米波」，美國、韓國和日本主要採用這種方法。

現在大家可以明白，Sub-6這個名稱是按照頻率說的，毫米波這個名稱是按照波長說的。如果問Sub-6的波長是多少，根據前面的公式c = λν，你可以算出是大於5厘米。因此，Sub-6的波長比毫米波長一到兩個量級。

那麼，這兩種頻段的區別會造成什麼後果呢？

一方面，一個頻段的通信容量是由頻率上下限的差決定的，也就是帶寬。因此，高頻的帶寬天然的優於低頻。在這個方面，毫米波優於Sub-6。

另一方面，所有的波，包括而不限於電磁波，都有一些基本的性質是由波長決定的。例如衍射，也就是繞過障礙物繼續前進。大家在水波和聲波中，都經常見到衍射現象。當障礙物的尺寸跟波長相當或者短於波長的時候，就可以繞過，而當障礙物的尺寸遠大于波長的時候，就不能繞過了。

波的衍射

舉個例子，可見光的波長大約在400至760納米之間，比常見物體的尺寸短得多。因此在日常生活中你會感到可見光是直線傳播的，看不到它們繞過障礙物。但對於納米級別的微觀粒子，可見光的波長就顯得很長了，這時可見光就會輕鬆繞過它們。所以給微觀粒子成像需要波長更短的波，例如X射線。

總之，一個波的波長越長，穿透能力就越強。在這個方面，Sub-6優於毫米波。

了解了這些基本道理，你就可以明白美國國防部報告中對兩種方法優劣的這些陳述了：

「首先，波長較短的毫米波會產生較窄的波束，從而為數據傳輸提供更好的解析度和安全性，且速度快、數據量大，時延小。其次，有更多的毫米波帶寬可用，不僅提高了數據傳輸速度，還避免了低頻段存在的擁堵（在研究毫米波頻率應用在5G之前，該頻段的主要運用在雷達和衛星業務）。5G毫米波生態系統需要大規模的基礎建設，但可以獲得比4G LTE網路高20倍的數據傳輸速度。最後，毫米波組件比低頻段的組件更小，因此可以更緊湊地部署在無線設備上。

……

毫米波擁有著諸多好處的同時也面臨著各種挑戰。雖然短波長和窄光束的特性可以提高解析度和傳輸安全性，但這也限制了傳播距離。因為毫米波網路需要遍布在基站覆蓋的整個區域中並保持不間斷的連接，這樣就會產生很高的基礎建設的成本。毫米波很容易被牆壁、樹葉和人體本身等障礙物阻擋，這進一步加劇了這一挑戰。

…… 

由於Sub-6波長較長，穿透障礙物的能力更強，可以提供比毫米波更寬更廣的區域覆蓋效果，連接中斷風險更低，因此與毫米波相比而言，Sub-6需要更少的資金投入和基站基礎建設，再利用上現有的4G基礎設施，這兩點使Sub-6成為潛在的5G標準。」

你看，5G頻段的選擇這種高度技術性的問題，原本似乎只有通信專家才有資格參與討論，但只要懂一點基本的物理原理，你就可以大致看懂他們在說什麼了。

我們來稍稍總結一下。跟Sub-6相比，毫米波有更高的帶寬。但硬幣的另一面，就是它更加容易被阻擋。尤其令人吐血的是，毫米波會被牆壁和人體阻擋，——你無論如何也不可能把人體去掉啊！

因此，在現有的毫米波試驗中，覆蓋程度都很差。例如：

「經過6個月的市場實踐后，發現Verizon的150個固定無線寬頻(FWBB)基站只能向測試地區約6%的用戶提供服務。

……

毫米波的部署以100 Mbps的速度覆蓋11.6%的人口，以1 Gbps的速度蓋率3.9%的人口。在中國Sub-6標準中，相同的基站以100 Mbps的速度覆蓋57.4%的人口，以1 Gbps的速度覆蓋21.2%的人口。」

因此，如果要用毫米波達到跟Sub-6相當的覆蓋程度，就需要多得多的基站，大大推高了成本。所以美國國防部對未來的預測是：

「鑒於毫米波和Sub-6的不同優劣勢，未來5G可能會採用兩者共用的組合。網路覆蓋的很大一部分會利用Sub-6進行廣域覆蓋，毫米波可能最終能夠在特定的場景中提供更精細的覆蓋，並且由於毫米波更難攔截，在某些場地中具有一些獨特的軍事優勢。」

我的朋友、筆名「奧卡姆剃刀」的通信專家張弛博士告訴我，中國對28 GHz的頻段早就認真研究和實驗過，只是尚未解決它的傳輸問題，所以目前還沒有發布這個頻段。2019年6月6日，中國宣布5G正式商用時，特別標明了開通的是3.5 GHz的中低頻段。這反映出我們對高頻段也是有計劃的，將來如果解決了相關的技術問題，高頻段也會利用起來。

美國國防部的報告明確地指出，「頻譜分配問題是5G競爭的核心」。更具體地說：

「每個國家的5G能力可以通過五個指標進行比較：頻譜可用性，廣泛的5G試驗，國家監管機構建立的5G路線圖，政府承諾（例如，為5G實施鋪平道路的戰略文件和政策），以及行業對早期5G發展的承諾。在這些指標中，頻譜可用性影響最大，因為許多其他因素都依賴於可用性。」

好，既然對5G頻譜的科學原理和重要性都理解得這麼透徹了，美國為什麼不用Sub-6呢？

請看美國國防部報告中的說法：

「美國的運營商主要專註於5G的毫米波部署，因為世界其他地區使用的5G的3 GHz和4 GHz頻譜大部分是美國獨有的聯邦頻段，特別是國防部廣泛使用的頻段。」

好嘛，敢情都是你自己作的！純粹是體制問題啊！由於美國的軍方佔用了Sub-6，逼得美國的開發者只能在毫米波上面死磕。好比打遊戲的時候發現地圖不適合自己，怎麼打都束手束腳的。

大家知道，對中國民航晚點率高的一個常見的批評，就是中國的領空有很大部分在軍方的管制之下，民用的不夠。美國的5G頻段問題，不禁令人感覺：「你也有今天！」

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知道了這些基本背景，你就會理解美國國防部報告中明確地承認中國的領先和美國的落後：

「中國通過一系列積極的投資和頻譜分配舉措，在5G發展方面處於領先地位。

……

由於政府較早的完成頻譜拍賣以及其對無線技術的普遍承諾，韓國在5G發展上密切緊跟中國。

……

日本在5G能力方面緊隨中國，韓國和美國。

……

2018年9月，白宮舉行了一次5G峰會，相關政府領導人和產業代表參加並討論5G的未來發展方向，促進私營公共部門合作，同時承認美國在開發和部署5G方面落後。」

你看，美國國防部的這個報告確實信息量很豐富。我們從中獲得的最重要的信息包括：一，中國的5G在全世界是最領先的。二，美國的5G落後於中國。三，這種狀況的一個基本原因是，美國軍方佔用了Sub-6頻段。

還有些技術是這個報告中沒有提到的，例如華為的5G加微波技術。任正非向美國力推這個技術：「不買他傻，不買他就虧了嘛，技術競爭是和平競爭，他除了買，他還有啥辦法呢。」好嘛，這麼強勢的推銷也是少見！不過美國不會用這個最適合自己的技術，這更是明晃晃的體制問題了。

任正非

無論如何，美國國防部對中國領先和美國落後的明確承認，已經足以擊破許多人對美國的盲目崇拜了。事實上，許多人對美國純粹是迷信而已。如果對技術發展史的了解多一些，就會知道美國也犯過很多錯誤，在許多技術上是失敗的，甚至失敗得很慘。

例如同樣在通信領域，3G時代美國就推過一個叫做WiMAX（全球互通微波訪問，Worldwide Interoperability for Microwave Access）的國際標準。你聽說過WiMAX嗎？沒聽說過是正常的，因為它已經死翹翹了。

如果你聽說過，你想必就知道，WiMAX是美國以舉國之力力推的3G通信標準，硬是在3G標準申請的大門已經關閉之後走後門擠了進去。當時也有許多國家和地區的許多通信企業和運營商看好WiMAX，在這項技術上做了大量的投資。結果呢？全都打了水漂。WiMAX成了一個大坑，不少巨頭的衰落甚至破產都跟它有關。

WiMAX的興亡，本身是一個非常有趣的故事，我們以後有機會再詳述。在這裡，只是作為一個美國點科技樹失敗的例子。

在通信之外的領域，也有很多例子。例如液晶顯示的技術最初是美國科學家發明的，但美國在這個領域的產業化從來沒有成功過，一上來就被日本企業擠垮了。然後韓國、台灣和中國大陸的企業又逐漸崛起，日本逐漸沒落，但都沒美國什麼事了。所以你現在看顯示屏產業的新聞，都是中日韓的企業在縱橫捭闔。如果你是一個有心人，你就會問自己：為什麼見不到美國企業？回答是：美國企業早就掛了。

我們舉這些例子，不是為了說美國特別弱。在整體上，美國當然還是當今世界科技最先進的國家。我們舉這些例子，只是為了說明美國不是無所不能的，美國也會犯錯誤，跟其他國家一樣會犯錯誤。點准科技樹本來就是很難的事，我們並不打算對美國或者任何國家幸災樂禍。我們應該做的，是以謙虛謹慎、自信自強的態度，更加努力地去發展科技，為人類做出更大的貢獻。

在常見的輿論中，有些人是盲目崇拜美國，也有些人是非常痛恨美國，而這兩派看似截然對立的人都往往會有意無意地神化美國。例如把什麼都當成美國的陰謀，都當成美國在背後操縱的，就是神化美國的一種典型表現。另一種典型表現，是認為美國不發展的科技肯定是沒有前途的，例如高鐵和量子通信。這些思維模式都是錯誤的。我們想說的是，美國不是神，美國人是正常人。從科學原理出發，以平常心看待美國和自己，才是正道。

美國在5G領域的落後，有一個表現許多人沒有注意到，就是美國對5G起勁的都是運營商和政府，最基礎的設備製造商卻完全缺席。誰來造5G設備呢？選項全都是外國企業，美國本土的一家都沒有。所以美國即使禁止華為、中興進入自己的市場，也沒有本國的企業來頂上，只能把市場交給韓國的三星、瑞典的愛立信和芬蘭的諾基亞。

我的朋友汪濤是一位通信專家，他最近在一個演講中做了一個非常有趣的比喻汪濤：華為應該怎麼回答「你有沒有黨委」的問題？| 觀學院2019：

「這是一個很怪異的問題，美國根本就沒有5G設備的產業了，你還談什麼『我們絕對不能夠失去這樣的一個競賽？』……如果從設備領域，中國不是超過美國，而是美國早就已經滅了。這有點像美國在奧運會上說我們一定不能失去乒乓球賽，有點莫名其妙。美國運動員連進奧運會賽場的人都沒有，還談什麼別的呢？」

好吧，讓我們為強大的美國乒乓球隊乾杯！

讓我們回到美國國防部的報告。在技術分析上，這份報告有大量的乾貨，我推薦大家仔細閱讀全文。

但是另一方面，在目標和動機上，這份報告就有許多地方完全脫離了現實。例如他們擔憂的前景是：

「受損的供應鏈問題會通過在網路和系統中引入漏洞對國家安全構成嚴重威脅，這可能會被敵對行動者利用來破壞國防部的運營。這些脆弱性的蔓延通過降低進攻行動的障礙同時削弱防守陣地，創造了一個日益不穩定的環境。」

這話是什麼意思呢？供應鏈如果由中國主導，他們就認為是對美國國家安全的嚴重威脅。那麼供應鏈由美國主導，是不是對中國國家安全的嚴重威脅呢？

由此可見，美國的目標完全是一種霸權主義，在本質上就沒有將心比心、平等待人的觀念。他們力圖保持以前的監控全世界的地位，如果做不到這一點，監控不到別人，就覺得非常的不安全，覺得是對自己國家安全的挑戰。這純粹是無賴邏輯。

從這樣一個脫離現實的目標出發，他們建議的手段自然也有許多是荒唐的，例如：

「美國應該鼓勵五眼（五國情報組織）和北約合作國家採用相同的關稅，無論產品來自哪個國家。和關注設備安全性相比，美國通過關稅貿易戰的形式可以獲取到更加多的利益。

……

美國應繼續鼓勵夥伴國家保護自己的供應鏈，並拒絕接觸銷售5G商品的中國國有企業（SOEs）。」

在我看來，雖然這些手段十分強硬，但總是要麼違反人性，要麼違反技術，要麼違反人性加技術。

因此，只要我們正確應對，鎮定地做好我們該做的事，那麼勝利必然會屬於我們。這不是因為我們特別神奇，或者有某種神秘的力量在保佑我們，只是因為我們追求的是正常的目標。

因此，我想強調的最後一句話就是：科技是人類發展的正道，我們要走正道！