美国5G为什么落后?美国国防部说出了原因

【袁岚峰,中国科学技术大学化学博士,中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员,科技与战略风云学会会长】

今天,我们来讨论一个非常引人关注的问题:美国的 5G为什么落后了?

首先值得说的是,许多人知道美国的 5G确实落后了。这并不是因为大家成了技术专家,而是因为美国政府对华为各种无底线的打压,做了反向广告。大家意识到,能让美国政府以一国之力全力对付一个企业,更神奇的是连一国之力都没遏制住,那这个企业想必是相当先进的。

2019 年 6 月 26 日,G20 大阪峰会开幕前夕的《新闻联播》中,塞尔维亚社会党副主席奥布拉多维奇的话,就非常具有代表性(https://news.cctv.com/2019/06/29/VIDEhROMQRc8VfyH7mpqQ1HT190629.shtml):

" 美国人问我,你们还与华为合作吗?不担心信息被中国控制吗?我说,为什么不合作?我说,我们原来不知道中国的 5G 技术是最先进的,直到你们打压中国企业,我们才明白中国已经超越了你们。"

奥布拉多维奇论 5G

不过,这种 " 知道 " 只是一种观察性质的推理,并不是原理层面的理解。因此,还是有许多人在感情上难以相信美国的 5G 真的落后了,或者总是觉得美国藏着什么秘密武器。

一个典型的例子,就是隔三差五地出现这样的说法:美国已经跳过 5G,直接去开发 6G 了!至于什么是 6G 呢?他们会说是卫星通信,例如马斯克的星链计划。

每当这种时候,就会有一群人洋洋得意:看,科技的制高点还是掌握在灯塔国手里!有些人反感这种狐假虎威的表演,但也搞不清真伪,于是就来找我们求证。

我们就告诉他们,这纯粹是外行的乱弹琴。卫星通信的带宽天然的就远远低于地面基站,因此卫星通信只能作为地面网络的补充,而不可能代替地面网络。卫星通信也不是美国的专利,包括中国在内的许多国家都在发展。大家发展卫星通信的主要目的,并不是取代地面网络,而是为那些缺少地面基站的地方提供服务,例如海洋、高原、偏远地区。

事实上,我完全不是通信专家。但对所谓美国跳过 5G 直接发展 6G 的问题,我也能一眼看出它的不靠谱,因为通过我的通信专家朋友们的介绍,我理解了其中的原理。这是一个基本的方法论:理解原理才能让自己产生鉴别力,而不是被各种消息带着四处跑。

因此,我们非常希望从原理上搞清楚,美国的 5G为什么落后了。

对这个问题,一个出人意料的回答来自美国国防部。

2019 年 4 月 3 日,美国国防部国防创新委员会发布了一个报告,叫做《5G 生态系统:对美国国防部的风险与机遇》(《THE 5G ECOSYSTEM: RISKS & OPPORTUNITIES FOR DoD》)。该报告分析了 5G 的发展历程、目前的全球竞争态势以及 5G 技术对国防部的影响与挑战,尤其有趣的是,明确地指出了美国 5G 落后的原因。中国信息通信研究院 5G 创新研究中心把这个报告翻译成了中文美国国防部发布《5G 生态系统:对美国国防部的风险与机遇》报告(全文翻译),非常感谢,这是一个很有意义的工作。

《5G 生态系统:对美国国防部的风险与机遇》

好,美国国防部认为美国 5G 落后的原因是什么呢?

一句话的回答是:频段不对。

两句话的回答是:最适合 5G 的频段在美国被军方占用了,而其他国家不受这个限制。

稍微详细一点的回答是:5G 的频段有Sub-6和毫米波两个选择,Sub-6 比毫米波容易实用。大多数国家都在主攻 Sub-6,美国却由于军方占用了 Sub-6,只能用毫米波,因此导致了一系列问题。

5G 建议频段

如果你熟悉电磁波理论,那么听到这里就基本明白了。如果你不熟悉电磁波理论,那么我们来解释一下。

现在绝大部分的通信都是以电磁波为载体实现的,包括电报、电话、短信、电子邮件、聊天软件等等。事实上,除了面对面说话之外,现在想找一个不用电磁波的通信方式都难。传统的邮局算一个,但你还会去寄平信吗?所以," 通信基本靠吼 " 才会成为一个笑话。

很多人都听说过,光就是一种电磁波。不久前就有人来问我,光和电磁波有什么区别?我回答,没有本质区别。事实上,所有的电磁波的传播速度都是光速。不同的电磁波之间,只有一个区别,就是它们的频率。你可以把某一频率范围的电磁波称为光,另一频率范围的电磁波称为 X 射线,另一频率范围的电磁波称为微波等等。但所有这些都是人为的划分,这些频段之间也都是连续的变化,并没有截然的分别。

要理解电磁波的不同频率会造成什么区别,就需要引进一个公式了:

光速 c = 波长 λ × 频率 ν。

这个公式是什么意思呢?学过高中物理的观众就很容易明白。波长是一个波在一个周期内走过的距离,频率是一个波在单位时间内走过的周期数,因此两者相乘,就等于一个波在单位时间内走过的距离,也就是波的传播速度。

对于电磁波,传播速度是固定的,就是光速,约等于 30 万公里每秒。因此,电磁波的波长和频率成反比:频率越高,波长就越短;频率越低,波长就越长。所以,当我们说一个波段是低频或者高频时,就等于说这个波段是长波或者短波。这两种表述方式是等价的,也都十分常见。

美国国防部的报告说,全球目前有两种方法部署 5G 的新频谱。第一种方法的重心在 6 GHz 以下,称为 " 低到中频段频谱 ",也称为 "Sub-6",主要在 3 GHz 和 4GHz 频段,中国等大多数国家主要采用这种方法。第二种方法侧重于 24 至 300 GHz 之间的频段,称为 " 高频频谱 " 或 " 毫米波 ",美国、韩国和日本主要采用这种方法。

现在大家可以明白,Sub-6 这个名称是按照频率说的,毫米波这个名称是按照波长说的。如果问 Sub-6 的波长是多少,根据前面的公式 c = λν,你可以算出是大于 5 厘米。因此,Sub-6 的波长比毫米波长一到两个量级。

那么,这两种频段的区别会造成什么后果呢?

一方面,一个频段的通信容量是由频率上下限的差决定的,也就是带宽。因此,高频的带宽天然的优于低频。在这个方面,毫米波优于 Sub-6。

另一方面,所有的波,包括而不限于电磁波,都有一些基本的性质是由波长决定的。例如衍射,也就是绕过障碍物继续前进。大家在水波和声波中,都经常见到衍射现象。当障碍物的尺寸跟波长相当或者短于波长的时候,就可以绕过,而当障碍物的尺寸远大于波长的时候,就不能绕过了。

波的衍射

举个例子,可见光的波长大约在 400 至 760 纳米之间,比常见物体的尺寸短得多。因此在日常生活中你会感到可见光是直线传播的,看不到它们绕过障碍物。但对于纳米级别的微观粒子,可见光的波长就显得很长了,这时可见光就会轻松绕过它们。所以给微观粒子成像需要波长更短的波,例如 X 射线。

总之,一个波的波长越长,穿透能力就越强。在这个方面,Sub-6 优于毫米波。

了解了这些基本道理,你就可以明白美国国防部报告中对两种方法优劣的这些陈述了:

" 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。

……

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。

……

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。"

你看,5G 频段的选择这种高度技术性的问题,原本似乎只有通信专家才有资格参与讨论,但只要懂一点基本的物理原理,你就可以大致看懂他们在说什么了。

我们来稍稍总结一下。跟 Sub-6 相比,毫米波有更高的带宽。但硬币的另一面,就是它更加容易被阻挡。尤其令人吐血的是,毫米波会被墙壁和人体阻挡,——你无论如何也不可能把人体去掉啊!

因此,在现有的毫米波试验中,覆盖程度都很差。例如:

" 经过 6 个月的市场实践后,发现 Verizon 的 150 个固定无线宽带 ( FWBB ) 基站只能向测试地区约 6% 的用户提供服务。

……

毫米波的部署以 100 Mbps 的速度覆盖 11.6% 的人口,以 1 Gbps 的速度盖率 3.9% 的人口。在中国 Sub-6 标准中,相同的基站以 100 Mbps 的速度覆盖 57.4% 的人口,以 1 Gbps 的速度覆盖 21.2% 的人口。"

因此,如果要用毫米波达到跟 Sub-6 相当的覆盖程度,就需要多得多的基站,大大推高了成本。所以美国国防部对未来的预测是:

" 鉴于毫米波和 Sub-6 的不同优劣势,未来 5G 可能会采用两者共用的组合。网络覆盖的很大一部分会利用 Sub-6 进行广域覆盖,毫米波可能最终能够在特定的场景中提供更精细的覆盖,并且由于毫米波更难拦截,在某些场地中具有一些独特的军事优势。"

我的朋友、笔名 " 奥卡姆剃刀 " 的通信专家张弛博士告诉我,中国对 28 GHz 的频段早就认真研究和实验过,只是尚未解决它的传输问题,所以目前还没有发布这个频段。2019 年 6 月 6 日,中国宣布 5G 正式商用时,特别标明了开通的是 3.5 GHz 的中低频段。这反映出我们对高频段也是有计划的,将来如果解决了相关的技术问题,高频段也会利用起来。

美国国防部的报告明确地指出,"频谱分配问题是 5G 竞争的核心"。更具体地说:

" 每个国家的 5G 能力可以通过五个指标进行比较:频谱可用性,广泛的 5G 试验,国家监管机构建立的 5G 路线图,政府承诺(例如,为 5G 实施铺平道路的战略文件和政策),以及行业对早期 5G 发展的承诺。在这些指标中,频谱可用性影响最大,因为许多其他因素都依赖于可用性。"

好,既然对 5G 频谱的科学原理和重要性都理解得这么透彻了,美国为什么不用 Sub-6 呢?

请看美国国防部报告中的说法:

" 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 3 GHz 和 4 GHz 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。"

好嘛,敢情都是你自己作的!纯粹是体制问题啊!由于美国的军方占用了 Sub-6,逼得美国的开发者只能在毫米波上面死磕。好比打游戏的时候发现地图不适合自己,怎么打都束手束脚的。

大家知道,对中国民航晚点率高的一个常见的批评,就是中国的领空有很大部分在军方的管制之下,民用的不够。美国的 5G 频段问题,不禁令人感觉:" 你也有今天!"

知道了这些基本背景,你就会理解美国国防部报告中明确地承认中国的领先和美国的落后:

" 中国通过一系列积极的投资和频谱分配举措,在 5G 发展方面处于领先地位。

……

由于政府较早的完成频谱拍卖以及其对无线技术的普遍承诺,韩国在 5G 发展上密切紧跟中国。

……

日本在 5G 能力方面紧随中国,韩国和美国。

……

2018 年 9 月,白宫举行了一次 5G 峰会,相关政府领导人和产业代表参加并讨论 5G 的未来发展方向,促进私营公共部门合作,同时承认美国在开发和部署 5G 方面落后。"

你看,美国国防部的这个报告确实信息量很丰富。我们从中获得的最重要的信息包括:一,中国的 5G 在全世界是最领先的。二,美国的 5G 落后于中国。三,这种状况的一个基本原因是,美国军方占用了 Sub-6 频段。

还有些技术是这个报告中没有提到的,例如华为的 5G 加微波技术。任正非向美国力推这个技术:" 不买他傻,不买他就亏了嘛,技术竞争是和平竞争,他除了买,他还有啥办法呢。" 好嘛,这么强势的推销也是少见!不过美国不会用这个最适合自己的技术,这更是明晃晃的体制问题了。

任正非

无论如何,美国国防部对中国领先和美国落后的明确承认,已经足以击破许多人对美国的盲目崇拜了。事实上,许多人对美国纯粹是迷信而已。如果对技术发展史的了解多一些,就会知道美国也犯过很多错误,在许多技术上是失败的,甚至失败得很惨。

例如同样在通信领域,3G 时代美国就推过一个叫做WiMAX(全球互通微波访问,Worldwide Interoperability for Microwave Access)的国际标准。你听说过 WiMAX 吗?没听说过是正常的,因为它已经死翘翘了。

如果你听说过,你想必就知道,WiMAX 是美国以举国之力力推的 3G 通信标准,硬是在 3G 标准申请的大门已经关闭之后走后门挤了进去。当时也有许多国家和地区的许多通信企业和运营商看好 WiMAX,在这项技术上做了大量的投资。结果呢?全都打了水漂。WiMAX 成了一个大坑,不少巨头的衰落甚至破产都跟它有关。

WiMAX 的兴亡,本身是一个非常有趣的故事,我们以后有机会再详述。在这里,只是作为一个美国点科技树失败的例子。

在通信之外的领域,也有很多例子。例如液晶显示的技术最初是美国科学家发明的,但美国在这个领域的产业化从来没有成功过,一上来就被日本企业挤垮了。然后韩国、台湾和中国大陆的企业又逐渐崛起,日本逐渐没落,但都没美国什么事了。所以你现在看显示屏产业的新闻,都是中日韩的企业在纵横捭阖。如果你是一个有心人,你就会问自己:为什么见不到美国企业?回答是:美国企业早就挂了。

我们举这些例子,不是为了说美国特别弱。在整体上,美国当然还是当今世界科技最先进的国家。我们举这些例子,只是为了说明美国不是无所不能的,美国也会犯错误,跟其他国家一样会犯错误。点准科技树本来就是很难的事,我们并不打算对美国或者任何国家幸灾乐祸。我们应该做的,是以谦虚谨慎、自信自强的态度,更加努力地去发展科技,为人类做出更大的贡献。

在常见的舆论中,有些人是盲目崇拜美国,也有些人是非常痛恨美国,而这两派看似截然对立的人都往往会有意无意地神化美国。例如把什么都当成美国的阴谋,都当成美国在背后操纵的,就是神化美国的一种典型表现。另一种典型表现,是认为美国不发展的科技肯定是没有前途的,例如高铁和量子通信。这些思维模式都是错误的。我们想说的是,美国不是神,美国人是正常人。从科学原理出发,以平常心看待美国和自己,才是正道。

美国在 5G 领域的落后,有一个表现许多人没有注意到,就是美国对 5G 起劲的都是运营商和政府,最基础的设备制造商却完全缺席。谁来造 5G 设备呢?选项全都是外国企业,美国本土的一家都没有。所以美国即使禁止华为、中兴进入自己的市场,也没有本国的企业来顶上,只能把市场交给韩国的三星、瑞典的爱立信和芬兰的诺基亚。

我的朋友汪涛是一位通信专家,他最近在一个演讲中做了一个非常有趣的比喻汪涛:华为应该怎么回答 " 你有没有党委 " 的问题?| 观学院 2019:

" 这是一个很怪异的问题,美国根本就没有 5G 设备的产业了,你还谈什么‘我们绝对不能够失去这样的一个竞赛?’ …… 如果从设备领域,中国不是超过美国,而是美国早就已经灭了。这有点像美国在奥运会上说我们一定不能失去乒乓球赛,有点莫名其妙。美国运动员连进奥运会赛场的人都没有,还谈什么别的呢?"

好吧,让我们为强大的美国乒乓球队干杯!

让我们回到美国国防部的报告。在技术分析上,这份报告有大量的干货,我推荐大家仔细阅读全文。

但是另一方面,在目标和动机上,这份报告就有许多地方完全脱离了现实。例如他们担忧的前景是:

" 受损的供应链问题会通过在网络和系统中引入漏洞对国家安全构成严重威胁,这可能会被敌对行动者利用来破坏国防部的运营。这些脆弱性的蔓延通过降低进攻行动的障碍同时削弱防守阵地,创造了一个日益不稳定的环境。"

这话是什么意思呢?供应链如果由中国主导,他们就认为是对美国国家安全的严重威胁。那么供应链由美国主导,是不是对中国国家安全的严重威胁呢?

由此可见,美国的目标完全是一种霸权主义,在本质上就没有将心比心、平等待人的观念。他们力图保持以前的监控全世界的地位,如果做不到这一点,监控不到别人,就觉得非常的不安全,觉得是对自己国家安全的挑战。这纯粹是无赖逻辑。

从这样一个脱离现实的目标出发,他们建议的手段自然也有许多是荒唐的,例如:

" 美国应该鼓励五眼(五国情报组织)和北约合作国家采用相同的关税,无论产品来自哪个国家。和关注设备安全性相比,美国通过关税贸易战的形式可以获取到更加多的利益。

……

美国应继续鼓励伙伴国家保护自己的供应链,并拒绝接触销售 5G 商品的中国国有企业(SOEs)。"

在我看来,虽然这些手段十分强硬,但总是要么违反人性,要么违反技术,要么违反人性加技术。

因此,只要我们正确应对,镇定地做好我们该做的事,那么胜利必然会属于我们。这不是因为我们特别神奇,或者有某种神秘的力量在保佑我们,只是因为我们追求的是正常的目标。

因此,我想强调的最后一句话就是:科技是人类发展的正道,我们要走正道!

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