5G真的改變社會(huì)嗎?（上）

章池生

有人說(shuō)2019年是5G商用元年，原來(lái)只有通信行業(yè)關(guān)注的5G突然變成了媒體熱點(diǎn)，頻頻登上頭條。5G概念從專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域走進(jìn)普羅大眾視野。

自媒體和專(zhuān)家經(jīng)常引用一句話“4G改變生活，5G改變社會(huì)”，喧囂浮躁的媒體說(shuō)對(duì)了嗎？5G真的能夠改變社會(huì)嗎？答案既是肯定的，又存在著許多變數(shù)。為什么？不妨讓我們從人類(lèi)信息傳輸?shù)陌l(fā)展史說(shuō)起。

信息傳輸，由香農(nóng)開(kāi)始

有線通信與無(wú)線通信+

“這里是FMl03.8交通頻道……”這句話聽(tīng)起來(lái)熟悉嗎？無(wú)論是已經(jīng)淪為“古董”的轉(zhuǎn)盤(pán)撥號(hào)電話還是越來(lái)越罕見(jiàn)的AM/FM廣播收音機(jī);無(wú)論過(guò)去撥號(hào)沖浪必備的“貓”還是現(xiàn)在可以移動(dòng)上網(wǎng)的智能手機(jī)……作為通信設(shè)備，它們都遵循著通信行業(yè)的祖師爺——·香農(nóng)的信息論原理。

在香農(nóng)的信息論原理中，提出了一個(gè)信息傳輸模型。模型中，通信包含三個(gè)要素：信源、信道和信宿。

利用電話線、同軸電纜、光纖作為信道介質(zhì)是有線通信，利用電磁波傳播的就是無(wú)線通信。怎樣利用電磁波來(lái)實(shí)現(xiàn)通信？最基本方法就是把包含信息的信號(hào)加載到載波（一個(gè)正弦波）之上。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為調(diào)制，反向的過(guò)程則稱(chēng)為解調(diào)。

模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)+

早在19世紀(jì)70年代，從美國(guó)人貝爾（大名鼎鼎的貝爾實(shí)驗(yàn)室就是以他命名）發(fā)明電話開(kāi)始，人類(lèi)就開(kāi)始利電磁波傳播信號(hào)。例如利用電磁波振幅的調(diào)制技術(shù)：信號(hào)強(qiáng)，發(fā)送的電磁波振幅增大;如果接收的電磁波振幅小，則意味信號(hào)弱，輸出話音小。這種技術(shù)被稱(chēng)為調(diào)幅（AM）。而如果利用電磁波頻率來(lái)表征信號(hào)，則稱(chēng)為調(diào)頻（FM）。

無(wú)論調(diào)幅還是調(diào)頻，都是把模擬的物理量，作為信號(hào)加載到載波上。然而，模擬通信有個(gè)本質(zhì)缺陷：信號(hào)在傳播過(guò)程中損耗極大。

畢竟無(wú)線通信條件非常惡劣，傳輸過(guò)程中充滿了電磁波特性造成的傳輸衰落、路徑損耗。再加上多徑效應(yīng)、遠(yuǎn)近效應(yīng)、多普勒效應(yīng)，以及各種噪聲干擾。隨著信息傳輸距離的增長(zhǎng)，損耗越來(lái)越嚴(yán)重，最終導(dǎo)致解調(diào)信號(hào)極度失真。所以無(wú)線傳輸誕生很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，人們一直受到遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸信號(hào)質(zhì)量差的困擾。

這個(gè)問(wèn)題直到20世紀(jì)40年代·PCM技術(shù)誕生后，才得以解決。其思路是把模擬量信號(hào)變成離散的O和1二進(jìn)制數(shù)字，然后再加載到載波上。除此之外，在傳輸信道上加入解碼與編碼過(guò)程。這樣就使得由O和1構(gòu)成的二進(jìn)制數(shù)字編碼信息，在信道中傳輸時(shí)，即使有所損耗失真，也很容易被無(wú)損解碼，然后重新調(diào)制，恢復(fù)原狀。在信道中，通過(guò)一段接一段地“解碼一重調(diào)制”過(guò)程無(wú)限中繼，使得長(zhǎng)距離通信，特別是高帶寬通信成為可能。

而我們現(xiàn)在使用的無(wú)線移動(dòng)通信，都是采用的數(shù)字通信模式。

頻分多址、時(shí)分多址與碼分多址+

以上介紹的原理，都是基于“信源——信宿”的單線簡(jiǎn)化通信模式。但是在現(xiàn)實(shí)中的大型移動(dòng)通信系統(tǒng)，每一個(gè)通信結(jié)點(diǎn)既是信源又是信宿，形成的是多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的網(wǎng)狀復(fù)雜通信模式。這時(shí)候，就涉及了多址技術(shù)，顧名思義，就是在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中不同結(jié)點(diǎn)地址的區(qū)分識(shí)別的技術(shù)。

多址技術(shù)可以通過(guò)不同的方式實(shí)現(xiàn)：在同一時(shí)間，不同的手機(jī)利用不同的頻率和其他手機(jī)通信，叫頻分多址（FDMA）;在同一頻率上，不同的手機(jī)利用不同的時(shí)間間隔輪流和其他手機(jī)通信，叫時(shí)分多址（TDMA）;同一時(shí)間同一頻率，不同的手機(jī)利用編碼區(qū)分不同的通信對(duì)象，則是碼分多址（CDMA）。3G的核心技術(shù)就是圍繞CDMA展開(kāi)的，4G采用的核心技術(shù)則是正交頻分多址OFDMA。

有了以上的基礎(chǔ)框架和各種技術(shù)支撐，科學(xué)家和工程師們不斷研發(fā)各種新技術(shù)突破，從而推動(dòng)整個(gè)移動(dòng)通信系統(tǒng)一次又一次升級(jí)換代，向前演進(jìn)。

波瀾壯闊的5G前時(shí)代+

無(wú)論3G、4G還是5G，這其中的G代表Generation（代）的意思。5G指的是第五代移動(dòng)通信技術(shù)，它是目前主流4G網(wǎng)絡(luò)下一代升級(jí)。說(shuō)起5G，咱們先捋一捋5G之前各個(gè)時(shí)代無(wú)線通信技術(shù)的變革，其實(shí)從1 G發(fā)展到5G無(wú)非就是上述各種基礎(chǔ)技術(shù)不斷突破。

1G時(shí)代模擬移動(dòng)通信+

看過(guò)上世紀(jì)末古早港片的同學(xué)，應(yīng)該對(duì)劇中黑社會(huì)老大拿在手里特別拉風(fēng)，扔出去還可以砸死人的手機(jī)有著深刻印象。那時(shí)候的手機(jī)，體積有一個(gè)磚頭大小，在有線電話與尋呼機(jī)還是主流的社會(huì)中，堪稱(chēng)霸氣外露的奢侈品。因此，在國(guó)內(nèi)還有一個(gè)霸氣的別名——“大哥大”。

而“大哥大”所代表的時(shí)代，就是移動(dòng)通信的1G時(shí)代。

20世紀(jì)70年代，作為全球美國(guó)曾經(jīng)通信行業(yè)以及半導(dǎo)體行業(yè)圣地的AT&T貝爾實(shí)驗(yàn)室，就推出了蜂窩通信系統(tǒng)。之后無(wú)線通信行業(yè)的先鋒——美國(guó)摩托羅拉公司，20世紀(jì)80年代初推出了基于模擬通信技術(shù)的第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)AMPS。它采用濾波器實(shí)現(xiàn)頻分多址（FDMA）技術(shù)，短時(shí)間內(nèi)橫掃市場(chǎng)，取代了尋呼系統(tǒng)。

在那個(gè)時(shí)間段，西歐跟進(jìn)推出類(lèi)似的TACS系統(tǒng)，加上北歐的NMT、日本的PCS，統(tǒng)稱(chēng)為1G。摩托羅拉是1G時(shí)代的霸主，占有超過(guò)50%市場(chǎng)份額。

2G時(shí)代數(shù)字移動(dòng)通信+

因?yàn)槟M通信的先天不足，存在話音質(zhì)量低、保密性不夠等問(wèn)題，市場(chǎng)急需新的無(wú)線通信技術(shù)。隨著大規(guī)模集成電路與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)出現(xiàn)，到了20世紀(jì)90年代，眾多歐洲國(guó)家成立電信標(biāo)準(zhǔn)組織，推出了·GSM系統(tǒng)。它的顯著特征是采用前文中提到的數(shù)字編解碼，取代模擬信號(hào)以提升通話質(zhì)量。這時(shí)的通信技術(shù)采用了時(shí)分多址技術(shù)（TDMA），將一個(gè)頻率同時(shí)分給八個(gè)手機(jī)輪流占用信道，擴(kuò)大系統(tǒng)容量。GSM的大規(guī)模運(yùn)用宣告2G時(shí)代到來(lái)。

在2G時(shí)代，盡管摩托羅拉在全球移動(dòng)通信市場(chǎng)仍然占據(jù)巨大份額，但由于公司里模擬通信部門(mén)的強(qiáng)勢(shì)，讓它延誤了技術(shù)革新的先機(jī)。反而是歐洲的愛(ài)立信、諾基亞、阿爾卡特等公司，借助數(shù)字移動(dòng)通信技術(shù)普及的大勢(shì)迎頭趕上。從此移動(dòng)通信行業(yè)進(jìn)入戰(zhàn)國(guó)群雄逐鹿，多頭爭(zhēng)霸的局面。

值得一提的是此時(shí)有一個(gè)“小玩家”高通公司。它把用于軍事通訊領(lǐng)域的碼分多址技術(shù)（CDMA）“軍轉(zhuǎn)民”，在同一頻率上采用不同編碼尋址多個(gè)手機(jī)。這一技術(shù)可以使無(wú)線信道傳輸容量比起TDMA提升一個(gè)數(shù)量級(jí)，語(yǔ)音質(zhì)量更好。高通試圖用這一技術(shù)挑戰(zhàn)2G時(shí)代主流的GSM標(biāo)準(zhǔn)，可惜未能成功。不過(guò)當(dāng)時(shí)韓國(guó)支持高通，在其國(guó)內(nèi)建立了CDMA|S-95系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。為下一個(gè)時(shí)代，高通和三星的崛起埋下伏筆。

3G時(shí)代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)+

到了20世紀(jì)末，隨著互聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展，人們已經(jīng)不滿足于僅僅用手機(jī)實(shí)現(xiàn)通話功能，移動(dòng)上網(wǎng)業(yè)務(wù)成為緊迫的剛需。雖然在2G時(shí)代后期，各大技術(shù)廠家基于GSM標(biāo)準(zhǔn)，先后開(kāi)發(fā)了·GPRS（2.5G）、EDGE（2.75G）手機(jī)上網(wǎng)技術(shù)，但是受限于TDMA技術(shù)的信道帶寬利用率，當(dāng)時(shí)人們利用手機(jī)上網(wǎng)的體驗(yàn)就一個(gè)字：卡。

這時(shí)候，之前并不太受市場(chǎng)待見(jiàn)的CDMA技術(shù)開(kāi)始崛起。

在CDMA通信系統(tǒng)中，多個(gè)信源傳輸?shù)男盘?hào)不依靠不同的頻率或時(shí)間區(qū)分，而是用不同的編碼序列區(qū)分。這使得多個(gè)CDMA信號(hào)在同一信道中可以互相重疊傳輸，每個(gè)信號(hào)都能完全利用傳輸信道的帶寬，極大地提高了信道帶寬的利用率。

再加上當(dāng)時(shí)由法國(guó)電信發(fā)明，通信史上一個(gè)里程碑——Turbo碼的誕生，讓移動(dòng)通信傳輸帶寬利用率第一次逼近了香農(nóng)定理計(jì)算的信道帶寬上限，移動(dòng)網(wǎng)速也從2G時(shí)代低于64Kbps（干比特每秒）將提高到2Mbps（兆比特每秒），為未來(lái)iPhone帶來(lái)的智能手機(jī)革命做好了準(zhǔn)備。

不過(guò)，由于商業(yè)以及政治因素，3G技術(shù)在全球并未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，而是演變成了三大標(biāo)準(zhǔn)“三國(guó)演義”局面：以歐洲幾大通訊巨頭為主的3GPP組織，繼承GSM推出的WCDMA;以北美和韓國(guó)主導(dǎo)的3GPP2組織力推CDMA2000;而咱們中國(guó)，則搞出了我們自己的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)——TD-SCDMA。

而在這個(gè)過(guò)程中，2G時(shí)代的“新手玩家”高通公司，借助CDMA技術(shù)專(zhuān)利和芯片授權(quán)崛起，在三大標(biāo)準(zhǔn)中利益均沾，是3G時(shí)代技術(shù)博弈的最成功案例。

4G時(shí)代智能手機(jī)革命+

3G時(shí)代，高通憑著在CDMA上的提前布局，獲得了專(zhuān)利上的霸權(quán)，招來(lái)所有企業(yè)乃至政府的一致警惕。但是打破高通霸權(quán)的，卻不是之前與其競(jìng)爭(zhēng)的幾大公司，而是一個(gè)專(zhuān)業(yè)技術(shù)組織IEEE（電氣電子工程師學(xué)會(huì)），它在20世紀(jì)末搞出了一個(gè)·WiMax標(biāo)準(zhǔn)。

WiMax標(biāo)準(zhǔn)不再使用CDMA技術(shù)，而使用了OFDMA（正交頻分多址）技術(shù)，不但可以繼續(xù)提升傳輸速率10倍，而且從根本上克服CDMA的自干擾缺陷，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，繞過(guò)高通的CDMA專(zhuān)利壁壘。

雖然后來(lái)WiMax標(biāo)準(zhǔn)受到由3GPP組織研發(fā)的·LTE以及LTE-Advanced沖擊，沒(méi)能成為主流移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)。但是后者卻是繼承了OFDMA的技術(shù)理念，并將其發(fā)揚(yáng)光大。之后全球主流運(yùn)營(yíng)商和技術(shù)供應(yīng)商紛紛跟進(jìn)，放棄CDMA，采用LTE-Advanced。3G時(shí)代未能通過(guò)協(xié)商統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，4G時(shí)代在市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下逐步走向統(tǒng)一。

4G時(shí)代另一個(gè)顯著變化是，因?yàn)楦咚贁?shù)據(jù)流量為智能手機(jī)上網(wǎng)提供了條件，所以通信網(wǎng)絡(luò)企業(yè)開(kāi)始退居幕后，智能手機(jī)企業(yè)走向舞臺(tái)中央。摩托羅拉、諾基亞、愛(ài)立信的手機(jī)業(yè)務(wù)被蘋(píng)果公司iPhone徹底擊敗，退出歷史，蘋(píng)果一舉成為智能手機(jī)時(shí)代的大贏家。三星、谷歌也借助安卓手機(jī)成為大贏家。華為公司利用其他通信網(wǎng)絡(luò)企業(yè)衰退和自身智能手機(jī)業(yè)務(wù)興起，成了4G時(shí)代第一陣營(yíng)的大玩家。

這一切，終于為5G時(shí)代的技術(shù)與行業(yè)變革寫(xiě)下伏筆。

（未完待續(xù)）