5G不只是比4G多1G
第三代互聯(lián)網(wǎng)要想普及，還需要對全球的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行進(jìn)一步的升級。
今天5G是一個(gè)熱門的話題。為什么我們需要5G？很多人說網(wǎng)速快，其實(shí)4G的網(wǎng)速在絕大多數(shù)情況下已經(jīng)足夠用了，即使看高清視頻也足夠快。實(shí)際上，今天對很多人來講，4G的流量太貴才是無限制上網(wǎng)的主要障礙，而非網(wǎng)速。某些地方信號(hào)不好上不了網(wǎng)，那不是技術(shù)的問題，而是基站建設(shè)和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)建設(shè)的問題。
今天只有在一種特殊的情況下，4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)不夠用，那就是在一個(gè)很小的區(qū)域內(nèi)，如果有太多人要上網(wǎng)，比如我們在前面第六章中提到的上萬人在一個(gè)會(huì)場里的情況。這個(gè)道理其實(shí)很簡單，根據(jù)信息論中關(guān)于信息傳輸率的香農(nóng)第二定律，當(dāng)試圖用比信道容量更快的速率傳輸信息時(shí)，出錯(cuò)率不是1%、5%，也不是20%、50%，而是100%。也就是說，那時(shí)沒有人能夠上網(wǎng)。我們今天采用的4G通信，基站覆蓋半徑通常在1.5千米左右（4G基站之間的距離通常在2~3千米），在城市里可能會(huì)更密集一點(diǎn)。而在這方圓一千米的范圍內(nèi)，總?cè)藬?shù)是有限的，并且人們也不會(huì)同時(shí)上網(wǎng)，因此分給每個(gè)上網(wǎng)人的帶寬是夠用的。但是，遇到上述情況時(shí)，所有人加在一起總的傳輸率就超過了信道的總帶寬，導(dǎo)致大家無法上網(wǎng)。即便總的傳輸率略低于信道的容量，由于信息在傳輸?shù)倪^程中難免要出錯(cuò)，需要重傳，當(dāng)信道很忙碌時(shí)，錯(cuò)誤率會(huì)很高，通信就極不穩(wěn)定。理解了這一點(diǎn)就不難想象，當(dāng)IoT開始普及，如果在一個(gè)范圍內(nèi)要同時(shí)上網(wǎng)的設(shè)備數(shù)量增加兩個(gè)數(shù)量級（100倍左右），那么今天的4G網(wǎng)絡(luò)是不夠使用的，就會(huì)出現(xiàn)像前面說的那種“會(huì)場擁堵”的問題。這時(shí)候，就需要總的傳輸率更快，而且并發(fā)處理通信請求能力更強(qiáng)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)了。我們把新的網(wǎng)絡(luò)稱為5G。
從4G到5G，通信帶寬增加是最明顯的特征，這一點(diǎn)是怎么做到的呢？有人覺得多建基站，提高基站的功率，這其實(shí)是誤解。功率的提高雖然能夠讓遠(yuǎn)離基站的地點(diǎn)信號(hào)增強(qiáng)，網(wǎng)速有所改進(jìn)，但是一個(gè)基站所能提供的總的通信量是一個(gè)常數(shù)。至于單純增加基站的數(shù)量也是不可行的，因?yàn)榛�站之間會(huì)打架。更何況，在城市里，太多大功率的基站會(huì)讓周圍的電磁波輻射太強(qiáng)，對人也不安全。誰要是不相信可以戴一個(gè)（封閉的）金手鐲到發(fā)射塔下面站一會(huì)兒，手肯定就會(huì)被燒傷。因此提高移動(dòng)通信的帶寬需要想別的辦法，所幸的是香農(nóng)早就告訴大家答案在哪里，那就是提高無線通信的頻率范圍。
無線通信的頻率是無法向下擴(kuò)展的，一是因?yàn)槟切╊l率已經(jīng)被占用了，二是因?yàn)槟軌驍U(kuò)展的范圍有限，因此它只能向上擴(kuò)展，也就是讓無線電波的頻率增加。目前華為提出的過渡型5G標(biāo)準(zhǔn)頻率是6GHz（吉赫），比目前4G標(biāo)準(zhǔn)所采用的2GHz上下的頻率要高得多，而高通提出的5G最終標(biāo)準(zhǔn)采用的頻率高達(dá)28GHz。我們知道，無線電波的頻率越高，它繞過障礙物的能力就越差，比如說當(dāng)它被提高到可見光的頻率時(shí)，你隨便用張紙、用塊布就能擋住它。當(dāng)然我們今天無線通信的頻率還沒有這么高，但是在城市里高樓大廈會(huì)嚴(yán)重影響通信。怎么辦？最簡單的辦法就是在提高通信頻率的同時(shí)，把基站建得非常密，這樣你的附近就有基站，而通信信號(hào)也不需要傳太遠(yuǎn)。
按照目前對5G網(wǎng)絡(luò)的設(shè)想，基站之間的距離將從過去2~3千米銳減到200~300米，這樣就帶來了三個(gè)明顯的好處。首先，采用了更高的頻率通信所帶來的受建筑物干擾的問題，因?yàn)橥ㄐ啪嚯x的縮短可以被解決。其次，更少的人分享帶寬。我們假定在大中城市里半徑一千米范圍里的人口是1萬人，那么方圓百米范圍內(nèi)就會(huì)下降到100人。這樣每個(gè)人能夠分到的帶寬就可以增加兩個(gè)數(shù)量級。最后，由于基站的通信范圍可以從1千米減少到100米，功率可以降低兩個(gè)數(shù)量級。這樣，雖然城市里基站的數(shù)量增加了百倍，但是電磁波輻射反而大大地下降了。當(dāng)然，有了5G，我們前面講到的各種有關(guān)IoT的需求就都能夠滿足了。這便是從通信的角度來看待IoT。
結(jié)合我們前一節(jié)所講的內(nèi)容，第三代互聯(lián)網(wǎng)和5G其實(shí)是兩類不同行業(yè)的人，從兩個(gè)不同的視角解讀IoT，以及由它推進(jìn)的技術(shù)革命。那么這兩種視角是否有足夠大的交集，甚至能否相融呢？答案是肯定的。事實(shí)上，從1G到4G，雖然從用戶的角度講只是移動(dòng)通信速度的增加，但是從技術(shù)上講，這種變化有兩條主線，一個(gè)是標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)步，另一個(gè)則是網(wǎng)絡(luò)的不斷融合。
我們還是先從1G說起。
世界上最早的民用移動(dòng)通信電話是由摩托羅拉公司發(fā)明的。在1967年的國際消費(fèi)類電子產(chǎn)品展覽會(huì)（CES）上，最吸引眼球的是由它推出的第一代商用移動(dòng)電話的原型。當(dāng)時(shí)一部這樣的電話售價(jià)2 000美元，重達(dá)9千克！但是幾年后，當(dāng)它開始在市面上銷售時(shí)，其重量就降到了不到3千克，當(dāng)然售價(jià)還是很貴。在摩托羅拉之前，AT&T是世界電信產(chǎn)業(yè)的霸主，它也不覺得移動(dòng)通信有什么必要性。如果大家不愿意坐在椅子上打電話，使用無繩電話就好，因此它對于移動(dòng)電話的判斷是，使用者不會(huì)超過100萬。當(dāng)然后來的結(jié)果大家都知道，AT&T作為通信技術(shù)的引導(dǎo)者錯(cuò)過了那一次機(jī)遇，而摩托羅拉從此成為移動(dòng)通信的領(lǐng)導(dǎo)者，并且主導(dǎo)了第一代的移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)的制定。
移動(dòng)通信從一開始，其實(shí)就是無線和有線的結(jié)合�；�站和手機(jī)之間是無線通信，但是基站之間卻是通過線路連通的。這樣做有很多好處，不僅把空中有限的帶寬用于手機(jī)的通信，可以讓更多的手機(jī)入網(wǎng)，而且保證了基站之間通信的穩(wěn)定。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，諾基亞等公司就開始研制新一代的移動(dòng)通信設(shè)備并且提出新的移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)。1991年，它們開始投入使用。為了區(qū)分這兩代不同的移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，以前的被稱為1G，即第一代的意思，新的則被稱為2G。
從表面上看，2G手機(jī)比1G的大哥大手機(jī)要小很多，更省電，而且收發(fā)短信方便。從技術(shù)上講，1G是模擬電路的，2G是數(shù)字電路的，而數(shù)字電路本身受益于摩爾定律，能夠以非�？斓乃俣鹊�代。在2G手機(jī)中，一個(gè)專用芯片可以取代過去大哥大上百個(gè)芯片。再往后，使用更有效的CDMA（碼分多址）標(biāo)準(zhǔn)的3G移動(dòng)通信出現(xiàn)了，信息的傳輸率提高了一個(gè)數(shù)量級。這是一個(gè)飛躍，它使移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)得以實(shí)現(xiàn)，從此手機(jī)的語音通話功能降到了次要位置，而數(shù)據(jù)通信（包括瀏覽網(wǎng)絡(luò)）成為主要功能。但是，從1G到3G都存在一個(gè)大問題，那就是移動(dòng)通信的網(wǎng)絡(luò)和原有的通信網(wǎng)絡(luò)雖然能夠彼此相通，卻彼此獨(dú)立，移動(dòng)通信的網(wǎng)絡(luò)并不依賴于已經(jīng)搭建好的通信網(wǎng)絡(luò)自成一體。今天我們回過頭來看這件事會(huì)覺得有點(diǎn)荒唐，但是如果我們了解了當(dāng)時(shí)以摩托羅拉和諾基亞為代表的移動(dòng)通信公司和以AT&T為代表的傳統(tǒng)電信公司是多么水火不容，就不難理解這一點(diǎn)了。事實(shí)上，在從2G到3G過渡的時(shí)代，摩托羅拉公司甚至搞出了一個(gè)銥星計(jì)劃，通過66顆衛(wèi)星建立一個(gè)完全獨(dú)立的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，完全不依賴于現(xiàn)有的電話系統(tǒng)。銥星計(jì)劃最終破產(chǎn)了，這倒不是摩托羅拉的技術(shù)不夠好，甚至不是像一些人想象的那樣因?yàn)橛脩魯?shù)量不夠不能讓成本降下來，而是這個(gè)計(jì)劃從一開始就違背了單位能量傳遞信息必須越來越有效的科技發(fā)展的大趨勢。
3G之前相對獨(dú)立的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)不僅存在巨大的通信效率問題，而且它無法受益于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速迭代�；�站之間的帶寬不足，再加上手機(jī)端到端的通信要經(jīng)過好幾級的轉(zhuǎn)發(fā)，手機(jī)之間通信其實(shí)是非常復(fù)雜的。
從3G到4G，雖然基本上沿用了原有的基站，但是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)卻有了巨大的改進(jìn)。不僅基站之間光纖的帶寬增加了，端到端通信時(shí)的信息轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)減少了，而且它利用了互聯(lián)網(wǎng)和電信網(wǎng)絡(luò)的最新技術(shù)，比如采用了分布式基站的架構(gòu)，通過云計(jì)算實(shí)現(xiàn)了很多虛擬化，以增加靈活性和網(wǎng)絡(luò)各個(gè)基帶的流量平衡。總之，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的融合使4G的速度比3G快很多。
但是4G依然沒有將所有的網(wǎng)絡(luò)融合到一起。今天我們其實(shí)還在使用兩個(gè)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，在外面我們使用4G，回到家里使用Wi-Fi。對于前者大家要按照流量付費(fèi)，而對于后者基本是包月。這種不一致源于我們前面講到的電信公司和互聯(lián)網(wǎng)公司的差異。在4G時(shí)代，只要是在家用網(wǎng)絡(luò)稍微多一點(diǎn)的地方，都需要有入戶的光纖和Wi-Fi路由器，而不能所有上網(wǎng)都使用4G。但是到了5G時(shí)代，我們可以將間隔距離只有百米的基站看作大功率的Wi-Fi，這樣對大部分家庭來講，家里的網(wǎng)絡(luò)和社會(huì)上的5G網(wǎng)絡(luò)就可以合二為一，除了需要傳輸極大數(shù)據(jù)量的個(gè)人和企業(yè)還需要專門連入光纖，大部分人使用5G網(wǎng)絡(luò)就可以解決所有的網(wǎng)絡(luò)問題。從此，互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)和通信產(chǎn)業(yè)就會(huì)融合為一個(gè)更為完整的產(chǎn)業(yè)。
從1G到5G的發(fā)展可以看出，網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展是朝著不斷融合的方向前進(jìn)的，任何試圖搭建一個(gè)獨(dú)立的、單純基于無線技術(shù)的努力都是逆流而為。今天，依然有一些人試圖再開發(fā)類似于銥星的通信系統(tǒng)，希望用它來覆蓋全球的通信。這類的新聞讓很多不懂技術(shù)的人感到興奮，甚至投資，但這完全是逆流而動(dòng)。且不說衛(wèi)星通信的帶寬要比手機(jī)和基站通信窄得多，能夠服務(wù)的手機(jī)數(shù)量極少，就算手機(jī)和衛(wèi)星通信沒有問題，衛(wèi)星之間的通信可比基站之間的帶寬低好幾個(gè)數(shù)量級，衛(wèi)星本身會(huì)成為瓶頸。就算衛(wèi)星不是通信的瓶頸，天上幾萬顆衛(wèi)星和中國地面上650萬個(gè)（2018年的數(shù)據(jù)）由高速光纖連接的基站也沒法比。這還沒有考慮由于衛(wèi)星通信距離遙遠(yuǎn)，再加上容易受氣候因素干擾，通信的穩(wěn)定性非常差（誤碼率很高所致）。因此，雖然我們有時(shí)可以講情懷，但是搞工程還是要講科學(xué)基礎(chǔ)的。對這種逆潮流而為的所謂創(chuàng)新的態(tài)度，是衡量每一個(gè)人科技素養(yǎng)的試金石。
最后，讓我們一同來思考一個(gè)問題。有了5G之后，是否還需要光纖通信？答案是，不僅需要，而且還要大幅度提高。因?yàn)楫?dāng)我們的移動(dòng)設(shè)備和IoT設(shè)備信息傳輸量劇增后，基站和基站之間的通信帶寬就必須相應(yīng)增加。雖然從理論上講5G的信息傳輸率可以是4G的幾十倍，但是這件事只有當(dāng)主干網(wǎng)的帶寬跟上之后才會(huì)成為可能。今天一些企業(yè)出于宣傳的目的講測試出的5G速度是4G的上百倍，那是因?yàn)槠渌�人沒有進(jìn)行同樣的數(shù)據(jù)下載，否則，要么主干網(wǎng)擁堵導(dǎo)致所有人都無法通信，要么大家依然使用4G的傳輸速度。目前，5G的布局剛剛開始，真想達(dá)到大家理想中的便利性，還有很多工作要做。