美国5G为什么落后？

【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（http://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。”