5G真的改變社會嗎？（下）

姚剛　章池生

5G時代的變革暢想

21世紀1 0年代以后，隨著LTE-Advanced步入佳境，4G移動通信在全球越來越普及。這個時候，無論是研發與生產廠商，還是普通用戶，都在呼喚傳輸流量更大、速度更快、穩定性更佳的新技術。5G，呼之欲出。

新技術特性

為了從4G向5G進軍，3GPP在原有移動通信技術體系中，引入若干新特性。依靠這些新的技術特性，來滿足全社會日益提升的移動通信需求：

毫米波（ mmWave）

傳統移動通信工作頻段集中在3GHz以下，到了4G時代，無線通信的編碼技術效率已經接近香農極限，意味著同一頻率下的通信帶寬接近理論天花板。要繼續提升性能只能拓展更高頻段，所以技術人員開始嘗試將無線通信載波波長減小到毫米級。隨著波長減小，載波頻率提高，無線通信的帶寬也就得以擴大。毫米波技術在理論上可以讓無線通信帶寬達到300GHz。

雖然在實際應用中，由于外界環境對某些頻段的干擾——（空氣中氧氣、水蒸氣與電磁波的共振），以及現有技術瓶頸，無線通信無法覆蓋所有毫米波頻段。但即使這樣，5G可用頻段所帶來的帶寬，相比4G時代的100Mbps帶寬，依然可增長10～100倍，達到1～10Gbps，都趕上光纖有線通信速度了。

大規模多進多出（ Massive MIMO）

在傳統無線通信技術中，是一根傳輸天線對應一條信息通路。隨著通信頻段升高，我們注意到早期智能手機的外置天線已經消失。而毫米波技術出現，使得通信載波的波長繼續變短，相應的天線長度也可以減小到10mm以下。這使一個移動終端（如手機）里面可以安裝多天線，形成密集的天線陣列。在通信時，采用多天線發送，多天線接收模式，通過空間復用，在不增加傳輸功率與帶寬情況下，大幅提升無線通信的傳輸速率。

波束賦形

基于大規模多進多出的天線陣列，讓波束賦形在無線移動通信上得以實現。波束賦形技術源于軍事技術，運用于軍艦、飛機等的雷達上面。大名鼎鼎的美國宙斯盾作戰系統，其核心技術之一相控陣雷達系統就運用了這個技術。它主要是通過控制多天線陣列的射頻信號相位，使得多個疊加的通信電磁波能夠精準指向移動終端（如民用領域的手機），同時可以實現波束追蹤，根據移動終端的實時位置調整波束。這個技術可以提升信號傳輸的精準指向性，增加傳輸距離，減少用戶間干擾，極大提高系統容量。

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按照準確定義，毫米級電磁波的波長為1～10mm，則其頻率范圍應該是30～300GHz，但是實際上，毫米波只是約定俗成的名稱，業界末對其頻率范圍進行嚴格規定。一般認為，頻率范圍在20GHz（波長15mm）～300GHz之間的電磁渡都可以算毫米波。

“萬物互聯”改變社會

正因為上述核心技術的應用，讓5G時代的通信系統性能指標達到了—個前所未有的階段。這些提升概括起來就是高帶寬、低延遲、海量連接、容量巨大。正如前面所提到，5G技術通信帶寬提高到1～10Gbps，相比4G時代增長10～100倍;而通信延遲從4G時·代的100ms下降到1ms;在每平方公里內可同時支持以百萬計的連接數。

這些性能上提升的意義，可不僅僅是我們一般人所理解的高清電影在線看;王者榮耀不掉線;雙11剁手秒下單……5G帶來的最大改變就是通過通信技術無限賦能，使得從人與人的通信走向人與機器，機器與機器（ M2M）通信，實現萬物互聯。它可以改變各行各業的應用和業務形態，催化出超乎想象力的發展，進而改變著這個社會。

增強型移動寬帶（ eMBB）

eMBB解決的，主要還是人們的通信需求。其實概括起來，現階段人們的通信需求，無非就是文字、語音、視頻三種形式信息的傳輸，其中視頻傳輸對網絡帶寬與速率要求最高。而5G技術帶來的超大帶寬與傳輸速率，能夠輕松滿足所有這些需求——畢竟就算喜歡看高清視頻的帶寬消耗大戶，所需無線傳輸速率也不過30Mbps左右，這種傳輸速率需求完全不會對5G網絡造成任何負擔。

再考慮到不久的將來，虛擬現實（ VR）或者增強現實（AR）技術可能在無線通信應用層面得到普及。因為這種沉浸式的體驗對傳輸速率要求更高，預計所需的無線傳輸率大概會是高清視頻的30倍，需要達到1Gbps左右。而即使這樣巨大的數據量，帶寬能達到1～10Gbps的5G網絡在理論上仍然足以支持。所以說eMBB應用，幾乎已經代表個人無線通信應用場景需求瓶頸的終結。

海量物聯網（Massive IoT）

如果eMBB解決了人與人的通信需求，那么海量物聯網則是真正意義上的“萬物互聯”，根據3GPP的定義，海量物聯網指的是每平方公里至少有1 00萬臺設備無時無刻不在連接。

可以想象，智能家居把家里的每一個智能家電，連接到用戶手機。讓我們遠程操縱家里掃地機器人做清潔，或者在回家前提前打開空調調節溫度。而家里的水表、燃氣表、電表連接到服務供應商，則是免去了戶主交費的麻煩。對于個人來說，它帶來的是便捷省心的新生活模式。

再從智能家居擴大到智慧城市，海量互聯網讓市政管理單位可以知道每個基礎設施的狀態，每天進行精準有效的管理。哪怕大街上某一盞路燈壞了;某一段水管漏了;某一個垃圾桶滿了，都能第一時間反饋給相關部門，并得到及時解決。

同樣，在物流行業，物流公司可以通過海量物聯網實現精細化管理，網購包裹、物流運輸車輛以及快遞無人機，都能得到最準確的實時監控。（詳見《科學Fans》2018年11期《開門，機器人送快遞了！》）

關鍵任務型服務（ MCS）

在社會系統或組織架構運作過程中，總有某些至關重要的決定因素，這些因素的故障或缺失會導致難以估量的負面影響。這些因素被稱為關鍵任務（ Mission Critical），而針對這些因素提供的服務則是關鍵任務型服務。如工廠的自動流水線;城市管理的電力系統;關乎性命的醫療健康系統;以及科幻感十足的自動駕駛等。

這些服務對安全性要求極高，所以它們對通信的網絡延遲非常敏感。試想，一輛在公路上飛馳的無人駕駛汽車，如果因為哪怕0.01s的網絡延遲卡頓而導致失控，后果是極其嚴重的。特別某些服務背后更涉及到海量的云數據計算——如果一個城市里，每時每刻有成百上千的無人駕駛汽車在公路上行駛。每一輛車要隨時隨地，幾乎無延遲地了解周邊的路況與其他車輛信息，這只有在信號傳輸時延低于1 ms的5G網絡支持下，才有可能實現。

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區塊鏈業務是2018年以來才被主流技術界所關注的新應用，它超出3GPP預測范圍，是海量物聯網和關鍵任務型服務交叉領域出現的新事物。筆者個人猜想，類似多細胞生物每個細胞都擁有和表達生物個體全套基因的能力，區塊鏈將在M2M機器通信普及過程中“吃掉”大量的冗余通信帶寬和計算能力，是真正意義上的5G剛需和殺手應用。

所以，我們可以說只有5G技術的普及應用，才能保障這些關鍵任務型服務能夠智能化、自動化安全運作。

5G面臨的挑戰

暢想5G普及后的前景，理想是豐滿的。但我們也要意識到，從美好遠景到最終實現，中間要走的路還是漫長的，這涉及到互聯網以及通信行業、投資界以及政府的判斷以及博弈。具體而言，5G技術現階段面臨三大挑戰。

高成本5G技術VS.低成本可替代技術

5G技術的確能帶來無線通信質量的大幅提升，但移動通信基站的建設運營成本會大幅提高。畢竟，5G的新技術特性，使得其基站覆蓋半徑大幅降低。傳統基站覆蓋半徑500m左右，而5G技術所需要的納基站覆蓋半徑僅100～200m，皮基站只有50～100m，飛基站更是20～50m。這意味著覆蓋同樣大小地區，5G需要基站數量將會遠超4G，達到目前的3～9倍。

而在這個大前提下，部分相關業界人員傾向用基于傳統技術的解決方案，代替5G滿足各種應用需求。簡而言之相當于“低配版”的5G。

例如4G時代的LTE-Advance，其實已經能夠滿足現有個人通信業務，包括直播、遠程培訓、多人線上會議等通信服務。而目前尚未普及的AR、VR技術，它們1Gbps的通信速率需求，其實已經可以通過最后一公里的光纖接入得到滿足。

除此之外，物聯網因為對傳輸帶寬要求不高，采用傳輸距離遠，覆蓋范圍廣的低頻帶寬無線通信技術就可以實現，甚至GPRS應用就能滿足部分需求。而對于關鍵任務型服務，同樣有很多繞開5G技術的解決方案，如工業自動化領域，通用電氣、西門子等傳統工業巨頭傾向于使用專網技術來解決;自動駕駛領域等則可以利用混合組網模式，由組網中的局域網解決低延時和高可靠性問題。

運營商VS.互聯網企業

早在4G時代，隨著智能手機和移動互聯網的興起，互聯網企業就開始逐漸取代運營商，成為無線通信業務的主要紅利獲得者。而運營商們的傳統通信業務已經被互聯網企業的OTT^①業務擠壓到了邊緣，原有三大王牌業務語音、漫游、短信已經或者即將消亡，僅剩無線流量業務成為營收主體。即使無線流量業務，其服務價格在政府提速降價的管制壓力下也在不斷下降。幾大運營商2018年以來發力的流量上網卡業務，叫好不叫座，增量不增利，主要收益同樣讓互聯網企業獲得。

因此，5G時代的各種應用，看似豐富，卻與電信運營商關系不大。即使這些應用流行火爆起來，主要受益者依然是互聯網行業。對于運營商來說，一方面是巨大的5G基建投資費用，另一方面卻是為他人作嫁衣的尷尬前景。這是一個神奇的悖論，讓運營商推動5G技術的動力不足。

所以我們能夠期待的，是通信運營商能夠借著5G契機，改造自身企業基因，改變行業游戲規則，找到贏利點，那么一切皆有可能。

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移動通信基站是建設于固定區域，覆蓋周邊一定范圍的移動信號交換結點。在4G肘代，基站的布局思路是“宏站覆蓋為主，小站定向補充”。在5G時代，基站建設趨勢是小型化，從大到小分別有微基站（MicroCell）、納基站（NanoCell）、皮墓站（ PicoCell），甚至飛基站（FemtoCell）。

①OTT

全稱Over The Top，指通過互聯網向用戶提供各種應用服務。這種應用僅利用運營商的網絡，服務由運營商之外第三方提供。如互聯網電視、在線語音視頻等。

②CTI

CTI技術是從傳統的計算機電話集成（Computer Telephony Integration）技術發展而來的，如今已經發展成“計算機電信集成”技術（Computer Telecommunication Integration），即“T”已經發展成“Telecommunication”，這表示目前的CTI技術不僅要處理傳統的電話語音，還要處理包括傳真、電子郵件等其他形式的信息媒體。

③NFV

網絡功能虛擬化（Network Function Virtualization），是一種對于網絡架構（ network architecture）的概念，即利用虛擬化技術，將網絡節點階層的功能分割成幾個功能區塊，分別以軟件方式實作，而不再局限于硬件架構。

運營商Vs.技術供應商

5G面臨的前兩個挑戰，都涉及到建設成本過高。而其重要原因之一，在于技術供應商方面。

一直以來，在無線通信領域，都是由技術供應廠商為運營商提供整套網絡和服務方案，方案主要由集成軟硬件設備構成。這種“黑盒子”式的集成技術提供模式，讓技術供應廠商處于市場壟斷地位，從而導致基站建設成本過高。不僅如此，每一次網絡升級換代或者新增應用服務，大量的硬件設備，軟件系統會被淘汰或者全新采購。從1 G演進到2G、3G、4G，從短信到彩信，CTI^②到彩鈴，莫不如此。這和IT界計算機硬件、軟件操作系統、應用軟件的劃分使用和升級模式形成鮮明對比。

為了解決這一問題，國內外的運營商以及相關企業計劃推進無線接入方案的開源化，服務應用的虛擬化NFV^③，以此打破原有技術供應商壟斷。2016年，Facebook、谷歌、諾基亞就共同發起了TIP（電信基礎設施）計劃，希望通過提供開源的服務器和基站，讓IT企業具有提供移動通信網絡基礎設施的能力。2018年，中國移動、美國AT&T、德國電信、日本DOCOMO等運營商均已加盟的開放式無線接入網絡（Open-Radio AccessNetwork，簡稱O-RAN）聯盟，旨在通過推廣基于開源架構的白盒基站，打破原有通信技術供應商的行業壟斷情況，降低運營成本。

根據移動通信行業十年一代的歷史規律，1G與3G的過渡性質較大，2G、4G則是商業模式應用的成功。業界認為5G移動通信可能從2020年開始登場，但是真正大范圍部署預計要等到2025年。本文所暢想的5G應用場景，前途是光明的，但道路是曲折的。未來究竟會怎么樣，讓我們拭目以待。

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傳統基站的無線接入設備，由供應商將網絡功能軟件直接集成在硬件上，被稱為“黑盒子”。而白盒基站的無線接入設備，采用開源軟件加通用硬件，可打破原有供應商依靠“黑盒子”形成的壟斷