5G是“第五代移动通信”的简称,它是由“第三代合作伙伴计划组织”(简称为3GPP)制定的第五代移动通信技术标准。3GPP是一个国际标准化组织,目前的成员包括欧洲、北美、日本、韩国和中国等国的相关行业机构。
5G与4G相比较其主要优势:更高的网速、更大的容量和更低的时延。这些特点有可能拓宽移动通信的应用领域,尤其是对于实时性要求很高、存在极高的相对运动、需要海量机器链接的应用场景。对于普通大众来说,5G最大的诱人之处是“网速极快”。据报导,5G的网速将是4G的几十倍甚至几百倍。据说目前的演示系统已经达到了每秒225MB的下载网速,这相当于不到一秒钟就可以下载完一部高清大片。
5G最显著的特点就是“网速极快”。那么5G又是凭借什么关键技术获得这个优势呢?让我们大家一起开动脑筋,做如下的一些简单的思想实验。
假设,你往平静的水面投下一个石子,就会激起水波,水波向四周传播,导致远处水面上漂浮的树叶随着水波动荡,这个现象毫不奇怪。但是,假如你试着像物理学家一样思考这个现象,结果会怎样呢?你在A处投下石子,就是在A处施加了力,而B处的树叶动荡了,说明B处的树叶受到了作用力。尽管你在A处投下的石子并没有击中B处的树叶,但是,B处的树叶却受到了A处的力的作用,这说明水波把A处的力传递到了B处,产生了一种“超距作用”。再假设你连续往水面投下石子,远处树叶不但会动荡,而且,树叶动荡的幅度与你投下石子的重量有关系;树叶动荡的快慢与你一个一个投下石子的快慢有关系;它在动荡过程中位置与时间的关系(何时上浮、何时下沉)与你投下的石子接触水面的时间有关系。因此,假如你采用某种精巧的设计,就可以用投下一系列石子的方法向树叶传递信息。
其实,移动通信不是手机到手机的通信,而是一种“蜂窝”状架构,每一个蜂窝小区有一个基站,所有基站通过光纤、电缆、网线与电话交换网和因特网链接在一起:
图1 蜂窝移动通架构信示意图
A手机通过“基站——有线网络——基站”的接力方式完成与B手机的通信。这里的“接力”与体育比赛中的接力赛类似,只是这里交接的是信息,而不是接力棒。
图2 手机通信链路示意图
当然,以上架构可以简化地看作为A手机与B手机的通信,只要内心里面不要忘记其真正的架构。
图3 简化的手机到手机通信链路
假设我们认为地面有线网络是无限快的,那么,手机的网速就取决于“手机——基站——手机”这一段无线通信的信息传递速率。或者,可以简单地认为就是手机到手机的无线通信速率。那么如何提高手机与手机的无线通信速率呢?这就要回到前文提到的“精巧的设计”了。什么样精巧的设计使得无线通信得以完成呢?
我们暂时还用向水里投石子的例子来比喻。假设你采用的是一系列完全相同的石子,就是假设这些石子的重量和形状都完全相同。你再用完全相同时间间隔,一颗接着一颗,持续不断地向水里投石子,远处的树叶就会以一种周而复始的恒定方式动荡,这时,树叶是得不到信息的。就好像你发出一个连续不断的“啊——”音,别人就不知道你在说什么一样。你要向树叶传递信息,就必须或者向水里投下不同的石子,或者以不同的时间间隔投石子,反正必须有变化,而且,这种变化可以“编码”,使其与你想传递的信息关联,你才可以向树叶传递你的信息。就比如你只有发出高低不同、轻重不同、快慢不同的声音,才能向别人传递信息一样。无线通信也一样。假如A手机发出一种不变的电磁波,那么接收该电磁波的B手机也得不到信息。A手机必须发出一系列不同的电磁波,接收该系列电磁波的B手机才能够收到信息。我们把A手机发出的一系列不同的电磁波称为“波形”。那么,能够传递信息的波形最少需要多少个呢?最少只需要两个!我们让其中一个波形用“0”表示,而另一个波形用“1”表示,就可以用一串“01010011”编码形成信息,最著名的例子是ASCII编码。最多可以用多少个波形呢?可以任意多,比如我们日常用的汉语方块字,就相当于用了很多很多的波形,而日常用的英文,相当于只有26个波形。当然,每一个英文字母、每一个汉文方块字、每一个阿拉伯数字、每一个常用符号,都已经被标准化地对应了一个“01010011”的二个符号的序列。现在你大概可以猜到如何提高A手机向B手机发送信息的速率了。唯有两种办法可以做到:
1、 A手机每秒钟向B手机发送更多的波形;
2、 A手机发出的每一个波形代表更多的信息。
假设你在1/1000000秒时间内发送一种波形,过了1/1000000秒就发送另一个波形,这样,你在一秒钟内就可以发送1000000个波形,可以想到,这样就可以传递更多的信息。这个现象按照我们日常的语言说法就是波形“变化很快”,稍微专业一点的说法就是电磁波“频率很高”。其实波形变化很快就是频率很高,意思是相同的。这就是采用上面所说的1的方法。
那么,如何应用上面所说的2的方法呢?
假设我们设计的通信系统只有2个波形,分别用“↑”和“↓”,如下图所示:
图4 2元通信系统示意图
这就是最普通的2元通信系统。A手机发出一个波形,比如“↑”,B手机就收到一个代码“1”,一个波形代表一个信息(专业说法是1比特信息)。这样简单,但是效率不高。那么,怎么样让一个波形代表更多的信息呢?请看下图。
图5 4元通信系统示意图
这个通信系统一共有4种波形,所以称为4元通信系统,每一种波形代表2个比特信息。A手机发出一个波形,比如“↑”,B手机就收到一个代码为“01”的信息,该信息具有2比特的信息量。假如按照同样的频率发送波形,4元通信系统的信息速率就是2元通信系统的2倍。
再看下图:
图6 8元通信系统示意图
这个通信系统一共有8种波形,所以称为8元通信系统,每一种波形代表3个比特信息。A手机发出一个波形,比如“↑”,B手机就收到一个代码为“010”的信息,该信息具有3比特的信息量。假如按照同样的频率发送波形,8元通信系统的信息速率就是2元通信系统的3倍。
现在读者知道了,我们可以采用上文1和2的技术提高信息传输速率。当然,我们也可以既用1又用2来更加有效地提高信息传递的速率,而5G也正是这样提高信息传输速率的,这就是5G的关键技术!也许读者会有这样的疑问:如此高大上的5G,就用了这么简单的技术?难道没有其它更加奇妙的技术?我要告诉大家,5G确实有一些奇妙的技术。但是,这些技术只能提高信息传输速率不到一倍,或者充其量几倍而已。要几十倍、几百倍地提高速率,唯有我总结的这两种“关键”技术,或者说是这两种技术的结合,别无其它选择。
那么,采用这两种技术的后果是什么呢?因为任何选择在获得收益的同时,也必然会付出代价。那么5G的代价是什么呢?
其一,提高电磁波的频率,就必然导致高频电磁波的“视距传播”。什么是高频电磁波的“视距传播”呢?简单地说,较低频率的电磁波可以“绕射”、“透射”方式传播。比如我们现在用的4G,你在室内或者大楼背后,眼睛根本看不见移动基站,但是你的手机仍然可以与基站保持通信。因为此时的电磁波可以“绕射”或者“透射”到你的手机,你手机发出的电磁波,也可以“绕射”或者“透射”到基站。一旦5G采用了更高频率的(比如6GHz以上频率)电磁波,那么,只要你肉眼视线看不到基站,就是手机通信的盲区。假如5G用到极高频率的电磁波——毫米波,盲区问题就将非常非常严重。怎么办呢?5G的解决方法只有一条:采用无数多的小型基站,到处覆盖,将比现在的4G基站多千倍、万倍,才可能达到4G的覆盖水平。
其二,采用更加高元的通信体制,比如256元通信系统,让一个电磁波的波形代表8比特信息,是2元系统信息速率的8倍。这样做可以吗?可以。但是,请你比较一下上面的图4和图6,你会发现什么呢?你肯定会发现:2元通信系统的2个波形之间具有非常显著的区别,而8元通信系统的8个波形之间,区别就不太显著。这个差别导致的后果是,接收到2元通信系统的一个波形,就比较容易判断,不容易误判。而收到8元通信系统的一个波形,就不太容易判断,容易误判成另一个波形。请设想一下256元通信系统,它们的波形之间的差别就会极其微小,非常容易误判。其实,任何接收机收到的信号,都是有用信号与噪声信号和干扰信号的叠加。本来差别就极其微小的波形,再经过噪声、干扰信号的污染,导致误判的概率就会大为提高,极可能无法完成通信。那么怎么办呢?其中最显著的一个方法就是提高发送信号的功率,另一个方法就是减少干扰,包括由于电磁波传播路径带来的“信号衰落”。提高发射功率带来的弊端实在太多了,完全不可取。而减少干扰和衰落的方法也有弊端。最可行的方法就是在手机附件放置许许多多微型基站,用短距离来代替高功率,同时减少干扰和信号衰落。
综上所述,无论是采用高频电磁波还是采用高元通信体制,其结果都会导致5G必然要采用海量的微型基站,这就是5G的关键技术,这也是5G必然付出的代价。难怪有文章说5G会淘汰WiFi。其实,如果5G真要达到几十倍甚至几百倍于4G的信息传输速率,其微型基站的数量将远远超过现在WiFi无线路由器的数量,每家每户都要买微型5G基站,恐怖吧?
最后请读者再回看一下上面的图2,假如图中的有线网络(特别是因特网)没有几十倍、几百倍的网速提高,仅仅是图中的无线通信速率提高又有何用?!这与治理交通拥堵的道理是一样的,决定交通是否拥堵的关键是交通“瓶颈”,必须全面治理,仅仅解决某一段路径的拥堵意义不大。而我国有线网络之慢,一直被广泛诟病。
因此,如果真能够达到现在媒体所宣传的5G性能,就必然采用海量的5G微型基站覆盖,还要重新架构和建设现有的因特网。这样超大规模的投资是不是有经济效益?现在就进行这样的投资时机是否合适呢?需要决策者慎重拿捏、权衡。其实,从上世纪60年代以后,半个多世纪以来无线通信的基本理论几乎没有什么实质性的突破。换句话说,现有的无线通信基本理论,在上世纪60年代以前基本上都已经成熟了。既然如此,人们何以能够取得1G、2G、3G、4G这样飞快的移动通信技术进步呢?其实这些进步几乎完全得益于硬件技术的发展。具体的说,主要得益于大规模集成电路技术的进步,尤其是微波集成电路(射频集成电路)的进步,这些集成电路技术就是大众更为熟悉名词——芯片技术。上世纪80年代问世的第一代移动通信,采用的是模拟通信体制。当时并非不知道数字通信体制更为优越,而是当时没有合适的芯片技术支持数字通信体制的实现。再做一个假设,假如我们将今天的芯片技术用于上世纪90年代问世的GSM系统(第二代移动通信),就会使2G的性能比现在4G的性能差不了多少。5G技术在无线通信基本理论方面也同样没有实质性的突破,其关键技术主要是“海量微型基站”。因此,如果想借5G彰显我们技术先进和创新能力爆表,而视投资效益于不顾,也不管其真实的应用效果,最终很可能会得不偿失的。
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