5G是“第五代移動(dòng)通信”的簡(jiǎn)稱，它是由“第三代合作伙伴計(jì)劃組織”(簡(jiǎn)稱為3GPP）制定的第五代移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。3GPP是一個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織，目前的成員包括歐洲、北美、日本、韓國(guó)和中國(guó)等國(guó)的相關(guān)行業(yè)機(jī)構(gòu)。
5G與4G相比較其主要優(yōu)勢(shì)：更高的網(wǎng)速、更大的容量和更低的時(shí)延。這些特點(diǎn)有可能拓寬移動(dòng)通信的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是對(duì)于實(shí)時(shí)性要求很高、存在極高的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、需要海量機(jī)器鏈接的應(yīng)用場(chǎng)景。對(duì)于普通大眾來(lái)說(shuō)，5G最大的誘人之處是“網(wǎng)速極快”。據(jù)報(bào)導(dǎo)，5G的網(wǎng)速將是4G的幾十倍甚至幾百倍。據(jù)說(shuō)目前的演示系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)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(diǎn)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(gè)優(yōu)勢(shì)呢？讓我們大家一起開(kāi)動(dòng)腦筋，做如下的一些簡(jiǎn)單的思想實(shí)驗(yàn)。
假設(shè)，你往平靜的水面投下一個(gè)石子，就會(huì)激起水波，水波向四周傳播，導(dǎo)致遠(yuǎn)處水面上漂浮的樹(shù)葉隨著水波動(dòng)蕩，這個(gè)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(gè)現(xiàn)象，結(jié)果會(huì)怎樣呢？你在A處投下石子，就是在A處施加了力，而B(niǎo)處的樹(shù)葉動(dòng)蕩了，說(shuō)明B處的樹(shù)葉受到了作用力。盡管你在A處投下的石子并沒(méi)有擊中B處的樹(shù)葉，但是，B處的樹(shù)葉卻受到了A處的力的作用，這說(shuō)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(yuǎn)處樹(shù)葉不但會(huì)動(dòng)蕩，而且，樹(shù)葉動(dòng)蕩的幅度與你投下石子的重量有關(guān)系；樹(shù)葉動(dòng)蕩的快慢與你一個(gè)一個(gè)投下石子的快慢有關(guān)系；它在動(dòng)蕩過(guò)程中位置與時(shí)間的關(guān)系（何時(shí)上浮、何時(shí)下沉）與你投下的石子接觸水面的時(shí)間有關(guān)系。因此，假如你采用某種精巧的設(shè)計(jì)，就可以用投下一系列石子的方法向樹(shù)葉傳遞信息。
其實(shí)，移動(dòng)通信不是手機(jī)到手機(jī)的通信，而是一種“蜂窩”狀架構(gòu)，每一個(gè)蜂窩小區(qū)有一個(gè)基站，所有基站通過(guò)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(dòng)通架構(gòu)信示意圖
A手機(jī)通過(guò)“基站——有線網(wǎng)絡(luò)——基站”的接力方式完成與B手機(jī)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(jī)通信鏈路示意圖
當(dāng)然，以上架構(gòu)可以簡(jiǎn)化地看作為A手機(jī)與B手機(jī)的通信，只要內(nèi)心里面不要忘記其真正的架構(gòu)。
圖3 簡(jiǎn)化的手機(jī)到手機(jī)通信鏈路
假設(shè)我們認(rèn)為地面有線網(wǎng)絡(luò)是無(wú)限快的，那么，手機(jī)的網(wǎng)速就取決于“手機(jī)——基站——手機(jī)”這一段無(wú)線通信的信息傳遞速率?；蛘?，可以簡(jiǎn)單地認(rèn)為就是手機(jī)到手機(jī)的無(wú)線通信速率。那么如何提高手機(jī)與手機(jī)的無(wú)線通信速率呢？這就要回到前文提到的“精巧的設(shè)計(jì)”了。什么樣精巧的設(shè)計(jì)使得無(wú)線通信得以完成呢？
我們暫時(shí)還用向水里投石子的例子來(lái)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(shí)間間隔，一顆接著一顆，持續(xù)不斷地向水里投石子，遠(yuǎn)處的樹(shù)葉就會(huì)以一種周而復(fù)始的恒定方式動(dòng)蕩，這時(shí)，樹(shù)葉是得不到信息的。就好像你發(fā)出一個(gè)連續(xù)不斷的“啊——”音，別人就不知道你在說(shuō)什么一樣。你要向樹(shù)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(shí)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(shù)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(wú)線通信也一樣。假如A手機(jī)發(fā)出一種不變的電磁波，那么接收該電磁波的B手機(jī)也得不到信息。A手機(jī)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(jī)才能夠收到信息。我們把A手機(jī)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(gè)呢？最少只需要兩個(gè)！我們讓其中一個(gè)波形用“0”表示，而另一個(gè)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(gè)波形呢？可以任意多，比如我們?nèi)粘Ｓ玫臐h語(yǔ)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(gè)波形。當(dāng)然，每一個(gè)英文字母、每一個(gè)漢文方塊字、每一個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字、每一個(gè)常用符號(hào)，都已經(jīng)被標(biāo)準(zhǔn)化地對(duì)應(yīng)了一個(gè)“01010011”的二個(gè)符號(hào)的序列。現(xiàn)在你大概可以猜到如何提高A手機(jī)向B手機(jī)發(fā)送信息的速率了。唯有兩種辦法可以做到：
1、 A手機(jī)每秒鐘向B手機(jī)發(fā)送更多的波形；
2、 A手機(jī)發(fā)出的每一個(gè)波形代表更多的信息。
假設(shè)你在1/1000000秒時(shí)間內(nèi)發(fā)送一種波形，過(guò)了1/1000000秒就發(fā)送另一個(gè)波形，這樣，你在一秒鐘內(nèi)就可以發(fā)送1000000個(gè)波形，可以想到，這樣就可以傳遞更多的信息。這個(gè)現(xiàn)象按照我們?nèi)粘５恼Z(yǔ)言說(shuō)法就是波形“變化很快”，稍微專業(yè)一點(diǎn)的說(shuō)法就是電磁波“頻率很高”。其實(shí)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(shuō)的1的方法。
那么，如何應(yīng)用上面所說(shuō)的2的方法呢？
假設(shè)我們?cè)O(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)只有2個(gè)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(jī)發(fā)出一個(gè)波形，比如“↑”，B手機(jī)就收到一個(gè)代碼“1”，一個(gè)波形代表一個(gè)信息（專業(yè)說(shuō)法是1比特信息）。這樣簡(jiǎn)單，但是效率不高。那么，怎么樣讓一個(gè)波形代表更多的信息呢？請(qǐng)看下圖。
圖5 4元通信系統(tǒng)示意圖
這個(gè)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(gè)比特信息。A手機(jī)發(fā)出一個(gè)波形，比如“↑”，B手機(jī)就收到一個(gè)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(gè)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(gè)比特信息。A手機(jī)發(fā)出一個(gè)波形，比如“↑”，B手機(jī)就收到一個(gè)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(lái)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(huì)有這樣的疑問(wèn)：如此高大上的5G，就用了這么簡(jiǎn)單的技術(shù)？難道沒(méi)有其它更加奇妙的技術(shù)？我要告訴大家，5G確實(shí)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(shuō)是這兩種技術(shù)的結(jié)合，別無(wú)其它選擇。
那么，采用這兩種技術(shù)的后果是什么呢？因?yàn)槿魏芜x擇在獲得收益的同時(shí)，也必然會(huì)付出代價(jià)。那么5G的代價(jià)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(jiǎn)單地說(shuō)，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(jiàn)移動(dòng)基站，但是你的手機(jī)仍然可以與基站保持通信。因?yàn)榇藭r(shí)的電磁波可以“繞射”或者“透射”到你的手機(jī)，你手機(jī)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(jī)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(wèn)題就將非常非常嚴(yán)重。怎么辦呢？5G的解決方法只有一條：采用無(wú)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(wàn)倍，才可能達(dá)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(gè)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(qǐng)你比較一下上面的圖4和圖6，你會(huì)發(fā)現(xiàn)什么呢？你肯定會(huì)發(fā)現(xiàn)：2元通信系統(tǒng)的2個(gè)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(gè)波形之間，區(qū)別就不太顯著。這個(gè)差別導(dǎo)致的后果是，接收到2元通信系統(tǒng)的一個(gè)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(gè)波形，就不太容易判斷，容易誤判成另一個(gè)波形。請(qǐng)?jiān)O(shè)想一下256元通信系統(tǒng)，它們的波形之間的差別就會(huì)極其微小，非常容易誤判。其實(shí)，任何接收機(jī)收到的信號(hào)，都是有用信號(hào)與噪聲信號(hào)和干擾信號(hào)的疊加。本來(lái)差別就極其微小的波形，再經(jīng)過(guò)噪聲、干擾信號(hào)的污染，導(dǎo)致誤判的概率就會(huì)大為提高，極可能無(wú)法完成通信。那么怎么辦呢？其中最顯著的一個(gè)方法就是提高發(fā)送信號(hào)的功率，另一個(gè)方法就是減少干擾，包括由于電磁波傳播路徑帶來(lái)的“信號(hào)衰落”。提高發(fā)射功率帶來(lái)的弊端實(shí)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(jī)附件放置許許多多微型基站，用短距離來(lái)代替高功率，同時(shí)減少干擾和信號(hào)衰落。
綜上所述，無(wú)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(huì)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(jià)。難怪有文章說(shuō)5G會(huì)淘汰WiFi。其實(shí)，如果5G真要達(dá)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)在WiFi無(wú)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(qǐng)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(méi)有幾十倍、幾百倍的網(wǎng)速提高，僅僅是圖中的無(wú)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(guó)有線網(wǎng)絡(luò)之慢，一直被廣泛詬病。
因此，如果真能夠達(dá)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(jì)效益？現(xiàn)在就進(jìn)行這樣的投資時(shí)機(jī)是否合適呢？需要決策者慎重拿捏、權(quán)衡。其實(shí)，從上世紀(jì)60年代以后，半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)無(wú)線通信的基本理論幾乎沒(méi)有什么實(shí)質(zhì)性的突破。換句話說(shuō)，現(xiàn)有的無(wú)線通信基本理論，在上世紀(jì)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(dòng)通信技術(shù)進(jìn)步呢？其實(shí)這些進(jìn)步幾乎完全得益于硬件技術(shù)的發(fā)展。具體的說(shuō)，主要得益于大規(guī)模集成電路技術(shù)的進(jìn)步，尤其是微波集成電路（射頻集成電路）的進(jìn)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(jì)80年代問(wèn)世的第一代移動(dòng)通信，采用的是模擬通信體制。當(dāng)時(shí)并非不知道數(shù)字通信體制更為優(yōu)越，而是當(dāng)時(shí)沒(méi)有合適的芯片技術(shù)支持?jǐn)?shù)字通信體制的實(shí)現(xiàn)。再做一個(gè)假設(shè)，假如我們將今天的芯片技術(shù)用于上世紀(jì)90年代問(wèn)世的GSM系統(tǒng)（第二代移動(dòng)通信），就會(huì)使2G的性能比現(xiàn)在4G的性能差不了多少。5G技術(shù)在無(wú)線通信基本理論方面也同樣沒(méi)有實(shí)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(jìn)和創(chuàng)新能力爆表，而視投資效益于不顧，也不管其真實(shí)的應(yīng)用效果，最終很可能會(huì)得不償失的。
