5G是“第五代移動通信”的簡稱，它是由“第三代合作伙伴計劃組織”(簡稱為3GPP）制定的第五代移動通信技術(shù)標準。3GPP是一個國際標準化組織，目前的成員包括歐洲、北美、日本、韓國和中國等國的相關(guān)行業(yè)機構(gòu)。
5G與4G相比較其主要優(yōu)勢：更高的網(wǎng)速、更大的容量和更低的時延。這些特點有可能拓寬移動通信的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是對于實時性要求很高、存在極高的相對運動、需要海量機器鏈接的應(yīng)用場景。對于普通大眾來說，5G最大的誘人之處是“網(wǎng)速極快”。據(jù)報導(dǎo)，5G的網(wǎng)速將是4G的幾十倍甚至幾百倍。據(jù)說目前的演示系統(tǒng)已經(jīng)達到了每秒225MB的下載網(wǎng)速，這相當(dāng)于不到一秒鐘就可以下載完一部高清大片。
5G最顯著的特點就是“網(wǎng)速極快”。那么5G又是憑借什么關(guān)鍵技術(shù)獲得這個優(yōu)勢呢？讓我們大家一起開動腦筋，做如下的一些簡單的思想實驗。
假設(shè)，你往平靜的水面投下一個石子，就會激起水波，水波向四周傳播，導(dǎo)致遠處水面上漂浮的樹葉隨著水波動蕩，這個現(xiàn)象毫不奇怪。但是，假如你試著像物理學(xué)家一樣思考這個現(xiàn)象，結(jié)果會怎樣呢？你在A處投下石子，就是在A處施加了力，而B處的樹葉動蕩了，說明B處的樹葉受到了作用力。盡管你在A處投下的石子并沒有擊中B處的樹葉，但是，B處的樹葉卻受到了A處的力的作用，這說明水波把A處的力傳遞到了B處，產(chǎn)生了一種“超距作用”。再假設(shè)你連續(xù)往水面投下石子，遠處樹葉不但會動蕩，而且，樹葉動蕩的幅度與你投下石子的重量有關(guān)系；樹葉動蕩的快慢與你一個一個投下石子的快慢有關(guān)系；它在動蕩過程中位置與時間的關(guān)系（何時上浮、何時下沉）與你投下的石子接觸水面的時間有關(guān)系。因此，假如你采用某種精巧的設(shè)計，就可以用投下一系列石子的方法向樹葉傳遞信息。
其實，移動通信不是手機到手機的通信，而是一種“蜂窩”狀架構(gòu)，每一個蜂窩小區(qū)有一個基站，所有基站通過光纖、電纜、網(wǎng)線與電話交換網(wǎng)和因特網(wǎng)鏈接在一起：
圖1 蜂窩移動通架構(gòu)信示意圖
A手機通過“基站——有線網(wǎng)絡(luò)——基站”的接力方式完成與B手機的通信。這里的“接力”與體育比賽中的接力賽類似，只是這里交接的是信息，而不是接力棒。
圖2 手機通信鏈路示意圖
當(dāng)然，以上架構(gòu)可以簡化地看作為A手機與B手機的通信，只要內(nèi)心里面不要忘記其真正的架構(gòu)。
圖3 簡化的手機到手機通信鏈路
假設(shè)我們認為地面有線網(wǎng)絡(luò)是無限快的，那么，手機的網(wǎng)速就取決于“手機——基站——手機”這一段無線通信的信息傳遞速率?；蛘撸梢院唵蔚卣J為就是手機到手機的無線通信速率。那么如何提高手機與手機的無線通信速率呢？這就要回到前文提到的“精巧的設(shè)計”了。什么樣精巧的設(shè)計使得無線通信得以完成呢？
我們暫時還用向水里投石子的例子來比喻。假設(shè)你采用的是一系列完全相同的石子，就是假設(shè)這些石子的重量和形狀都完全相同。你再用完全相同時間間隔，一顆接著一顆，持續(xù)不斷地向水里投石子，遠處的樹葉就會以一種周而復(fù)始的恒定方式動蕩，這時，樹葉是得不到信息的。就好像你發(fā)出一個連續(xù)不斷的“啊——”音，別人就不知道你在說什么一樣。你要向樹葉傳遞信息，就必須或者向水里投下不同的石子，或者以不同的時間間隔投石子，反正必須有變化，而且，這種變化可以“編碼”，使其與你想傳遞的信息關(guān)聯(lián)，你才可以向樹葉傳遞你的信息。就比如你只有發(fā)出高低不同、輕重不同、快慢不同的聲音，才能向別人傳遞信息一樣。無線通信也一樣。假如A手機發(fā)出一種不變的電磁波，那么接收該電磁波的B手機也得不到信息。A手機必須發(fā)出一系列不同的電磁波，接收該系列電磁波的B手機才能夠收到信息。我們把A手機發(fā)出的一系列不同的電磁波稱為“波形”。那么，能夠傳遞信息的波形最少需要多少個呢？最少只需要兩個！我們讓其中一個波形用“0”表示，而另一個波形用“1”表示，就可以用一串“01010011”編碼形成信息，最著名的例子是ASCII編碼。最多可以用多少個波形呢？可以任意多，比如我們?nèi)粘Ｓ玫臐h語方塊字，就相當(dāng)于用了很多很多的波形，而日常用的英文，相當(dāng)于只有26個波形。當(dāng)然，每一個英文字母、每一個漢文方塊字、每一個阿拉伯?dāng)?shù)字、每一個常用符號，都已經(jīng)被標準化地對應(yīng)了一個“01010011”的二個符號的序列?，F(xiàn)在你大概可以猜到如何提高A手機向B手機發(fā)送信息的速率了。唯有兩種辦法可以做到：
1、 A手機每秒鐘向B手機發(fā)送更多的波形；
2、 A手機發(fā)出的每一個波形代表更多的信息。
假設(shè)你在1/1000000秒時間內(nèi)發(fā)送一種波形，過了1/1000000秒就發(fā)送另一個波形，這樣，你在一秒鐘內(nèi)就可以發(fā)送1000000個波形，可以想到，這樣就可以傳遞更多的信息。這個現(xiàn)象按照我們?nèi)粘５恼Z言說法就是波形“變化很快”，稍微專業(yè)一點的說法就是電磁波“頻率很高”。其實波形變化很快就是頻率很高，意思是相同的。這就是采用上面所說的1的方法。
那么，如何應(yīng)用上面所說的2的方法呢？
假設(shè)我們設(shè)計的通信系統(tǒng)只有2個波形，分別用“↑”和“↓”，如下圖所示：
圖4 2元通信系統(tǒng)示意圖
這就是最普通的2元通信系統(tǒng)。A手機發(fā)出一個波形，比如“↑”，B手機就收到一個代碼“1”，一個波形代表一個信息（專業(yè)說法是1比特信息）。這樣簡單，但是效率不高。那么，怎么樣讓一個波形代表更多的信息呢？請看下圖。
圖5 4元通信系統(tǒng)示意圖
這個通信系統(tǒng)一共有4種波形，所以稱為4元通信系統(tǒng)，每一種波形代表2個比特信息。A手機發(fā)出一個波形，比如“↑”，B手機就收到一個代碼為“01”的信息，該信息具有2比特的信息量。假如按照同樣的頻率發(fā)送波形，4元通信系統(tǒng)的信息速率就是2元通信系統(tǒng)的2倍。
再看下圖：
圖6 8元通信系統(tǒng)示意圖
這個通信系統(tǒng)一共有8種波形，所以稱為8元通信系統(tǒng)，每一種波形代表3個比特信息。A手機發(fā)出一個波形，比如“↑”，B手機就收到一個代碼為“010”的信息，該信息具有3比特的信息量。假如按照同樣的頻率發(fā)送波形，8元通信系統(tǒng)的信息速率就是2元通信系統(tǒng)的3倍。
現(xiàn)在讀者知道了，我們可以采用上文1和2的技術(shù)提高信息傳輸速率。當(dāng)然，我們也可以既用1又用2來更加有效地提高信息傳遞的速率，而5G也正是這樣提高信息傳輸速率的，這就是5G的關(guān)鍵技術(shù)！也許讀者會有這樣的疑問：如此高大上的5G，就用了這么簡單的技術(shù)？難道沒有其它更加奇妙的技術(shù)？我要告訴大家，5G確實有一些奇妙的技術(shù)。但是，這些技術(shù)只能提高信息傳輸速率不到一倍，或者充其量幾倍而已。要幾十倍、幾百倍地提高速率，唯有我總結(jié)的這兩種“關(guān)鍵”技術(shù)，或者說是這兩種技術(shù)的結(jié)合，別無其它選擇。
那么，采用這兩種技術(shù)的后果是什么呢？因為任何選擇在獲得收益的同時，也必然會付出代價。那么5G的代價是什么呢？
其一，提高電磁波的頻率，就必然導(dǎo)致高頻電磁波的“視距傳播”。什么是高頻電磁波的“視距傳播”呢？簡單地說，較低頻率的電磁波可以“繞射”、“透射”方式傳播。比如我們現(xiàn)在用的4G，你在室內(nèi)或者大樓背后，眼睛根本看不見移動基站，但是你的手機仍然可以與基站保持通信。因為此時的電磁波可以“繞射”或者“透射”到你的手機，你手機發(fā)出的電磁波，也可以“繞射”或者“透射”到基站。一旦5G采用了更高頻率的（比如6GHz以上頻率）電磁波，那么，只要你肉眼視線看不到基站，就是手機通信的盲區(qū)。假如5G用到極高頻率的電磁波——毫米波，盲區(qū)問題就將非常非常嚴重。怎么辦呢？5G的解決方法只有一條：采用無數(shù)多的小型基站，到處覆蓋，將比現(xiàn)在的4G基站多千倍、萬倍，才可能達到4G的覆蓋水平。
其二，采用更加高元的通信體制，比如256元通信系統(tǒng)，讓一個電磁波的波形代表8比特信息，是2元系統(tǒng)信息速率的8倍。這樣做可以嗎？可以。但是，請你比較一下上面的圖4和圖6，你會發(fā)現(xiàn)什么呢？你肯定會發(fā)現(xiàn)：2元通信系統(tǒng)的2個波形之間具有非常顯著的區(qū)別，而8元通信系統(tǒng)的8個波形之間，區(qū)別就不太顯著。這個差別導(dǎo)致的后果是，接收到2元通信系統(tǒng)的一個波形，就比較容易判斷，不容易誤判。而收到8元通信系統(tǒng)的一個波形，就不太容易判斷，容易誤判成另一個波形。請設(shè)想一下256元通信系統(tǒng)，它們的波形之間的差別就會極其微小，非常容易誤判。其實，任何接收機收到的信號，都是有用信號與噪聲信號和干擾信號的疊加。本來差別就極其微小的波形，再經(jīng)過噪聲、干擾信號的污染，導(dǎo)致誤判的概率就會大為提高，極可能無法完成通信。那么怎么辦呢？其中最顯著的一個方法就是提高發(fā)送信號的功率，另一個方法就是減少干擾，包括由于電磁波傳播路徑帶來的“信號衰落”。提高發(fā)射功率帶來的弊端實在太多了，完全不可取。而減少干擾和衰落的方法也有弊端。最可行的方法就是在手機附件放置許許多多微型基站，用短距離來代替高功率，同時減少干擾和信號衰落。
綜上所述，無論是采用高頻電磁波還是采用高元通信體制，其結(jié)果都會導(dǎo)致5G必然要采用海量的微型基站，這就是5G的關(guān)鍵技術(shù)，這也是5G必然付出的代價。難怪有文章說5G會淘汰WiFi。其實，如果5G真要達到幾十倍甚至幾百倍于4G的信息傳輸速率，其微型基站的數(shù)量將遠遠超過現(xiàn)在WiFi無線路由器的數(shù)量，每家每戶都要買微型5G基站，恐怖吧？
最后請讀者再回看一下上面的圖2，假如圖中的有線網(wǎng)絡(luò)（特別是因特網(wǎng)）沒有幾十倍、幾百倍的網(wǎng)速提高，僅僅是圖中的無線通信速率提高又有何用？！這與治理交通擁堵的道理是一樣的，決定交通是否擁堵的關(guān)鍵是交通“瓶頸”，必須全面治理，僅僅解決某一段路徑的擁堵意義不大。而我國有線網(wǎng)絡(luò)之慢，一直被廣泛詬病。
因此，如果真能夠達到現(xiàn)在媒體所宣傳的5G性能，就必然采用海量的5G微型基站覆蓋，還要重新架構(gòu)和建設(shè)現(xiàn)有的因特網(wǎng)。這樣超大規(guī)模的投資是不是有經(jīng)濟效益？現(xiàn)在就進行這樣的投資時機是否合適呢？需要決策者慎重拿捏、權(quán)衡。其實，從上世紀60年代以后，半個多世紀以來無線通信的基本理論幾乎沒有什么實質(zhì)性的突破。換句話說，現(xiàn)有的無線通信基本理論，在上世紀60年代以前基本上都已經(jīng)成熟了。既然如此，人們何以能夠取得1G、2G、3G、4G這樣飛快的移動通信技術(shù)進步呢？其實這些進步幾乎完全得益于硬件技術(shù)的發(fā)展。具體的說，主要得益于大規(guī)模集成電路技術(shù)的進步，尤其是微波集成電路（射頻集成電路）的進步，這些集成電路技術(shù)就是大眾更為熟悉名詞——芯片技術(shù)。上世紀80年代問世的第一代移動通信，采用的是模擬通信體制。當(dāng)時并非不知道數(shù)字通信體制更為優(yōu)越，而是當(dāng)時沒有合適的芯片技術(shù)支持數(shù)字通信體制的實現(xiàn)。再做一個假設(shè)，假如我們將今天的芯片技術(shù)用于上世紀90年代問世的GSM系統(tǒng)（第二代移動通信），就會使2G的性能比現(xiàn)在4G的性能差不了多少。5G技術(shù)在無線通信基本理論方面也同樣沒有實質(zhì)性的突破，其關(guān)鍵技術(shù)主要是“海量微型基站”。因此，如果想借5G彰顯我們技術(shù)先進和創(chuàng)新能力爆表，而視投資效益于不顧，也不管其真實的應(yīng)用效果，最終很可能會得不償失的。
