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通信網(wǎng)絡(luò)進行進一步的升級。
今天5G是一個熱門的話題。為什么我們需要5G？很多人說網(wǎng)速快，其實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移動通信網(wǎng)絡(luò)不夠用，那就是在一個很小的區(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會場里的情況。這個道理其實很簡單，根據(jù)信息論中關(guān)于信息傳輸率的香農(nóng)第二定律，當試圖用比信道容量更快的速率傳輸信息時，出錯率不是1%、5%，也不是20%、50%，而是100%。也就是說，那時沒有人能夠上網(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），在城市里可能會更密集一點。而在這方圓一千米的范圍內(nèi)，總?cè)藬?shù)是有限的，并且人們也不會同時上網(wǎng)，因此分給每個上網(wǎng)人的帶寬是夠用的。但是，遇到上述情況時，所有人加在一起總的傳輸率就超過了信道的總帶寬，導致大家無法上網(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，需要重傳，當信道很忙碌時，錯誤率會很高，通信就極不穩(wěn)定。理解了這一點就不難想象，當IoT開始普及，如果在一個范圍內(nèi)要同時上網(wǎng)的設(shè)備數(shù)量增加兩個數(shù)量級（100倍左右），那么今天的4G網(wǎng)絡(luò)是不夠使用的，就會出現(xiàn)像前面說的那種“會場擁堵”的問題。這時候，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的移動通信網(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，這其實是誤解。功率的提高雖然能夠讓遠離基站的地點信號增強，網(wǎng)速有所改進，但是一個基站所能提供的總的通信量是一個常數(shù)。至于單純增加基站的數(shù)量也是不可行的，因為基站之間會打架。更何況，在城市里，太多大功率的基站會讓周圍的電磁波輻射太強，對人也不安全。誰要是不相信可以戴一個（封閉的）金手鐲到發(fā)射塔下面站一會兒，手肯定就會被燒傷。因此提高移動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展的，一是因為那些頻率已經(jīng)被占用了，二是因為能夠擴展的范圍有限，因此它只能向上擴展，也就是讓無線電波的頻率增加。目前華為提出的過渡型5G標準頻率是6GHz（吉赫），比目前4G標準所采用的2GHz上下的頻率要高得多，而高通提出的5G最終標準采用的頻率高達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，比如說當它被提高到可見光的頻率時，你隨便用張紙、用塊布就能擋住它。當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嚴重影響通信。怎么辦？最簡單的辦法就是在提高通信頻率的同時，把基站建得非常密，這樣你的附近就有基站，而通信信號也不需要傳太遠。
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，因為通信距離的縮短可以被解決。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)就會下降到100人。這樣每個人能夠分到的帶寬就可以增加兩個數(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其實是兩類不同行業(yè)的人，從兩個不同的視角解讀IoT，以及由它推進的技術(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。事實上，從1G到4G，雖然從用戶的角度講只是移動通信速度的增加，但是從技術(shù)上講，這種變化有兩條主線，一個是標準的進步，另一個則是網(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通信電話是由摩托羅拉公司發(fā)明的。在1967年的國際消費類電子產(chǎn)品展覽會（CES）上，最吸引眼球的是由它推出的第一代商用移動電話的原型。當時一部這樣的電話售價2 000美元，重達9千克！但是幾年后，當它開始在市面上銷售時，其重量就降到了不到3千克，當然售價還是很貴。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，因此它對于移動電話的判斷是，使用者不會超過100萬。當然后來的結(jié)果大家都知道，AT&T作為通信技術(shù)的引導者錯過了那一次機遇，而摩托羅拉從此成為移動通信的領(lǐng)導者，并且主導了第一代的移動通信標準的制定。
移動通信從一開始，其實就是無線和有線的結(jié)合�；�站和手機之間是無線通信，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的通信，可以讓更多的手機入網(wǎng)，而且保證了基站之間通信的穩(wěn)定。進入20世紀80年代，諾基亞等公司就開始研制新一代的移動通信設(shè)備并且提出新的移動通信標準。1991年，它們開始投入使用。為了區(qū)分這兩代不同的移動通信標準，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手機比1G的大哥大手機要小很多，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，能夠以非常快的速度迭代。在2G手機中，一個專用芯片可以取代過去大哥大上百個芯片。再往后，使用更有效的CDMA（碼分多址）標準的3G移動通信出現(xiàn)了，信息的傳輸率提高了一個數(shù)量級。這是一個飛躍，它使移動互聯(lián)網(wǎng)得以實現(xiàn)，從此手機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都存在一個大問題，那就是移動通信的網(wǎng)絡(luò)和原有的通信網(wǎng)絡(luò)雖然能夠彼此相通，卻彼此獨立，移動通信的網(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覺得有點荒唐，但是如果我們了解了當時以摩托羅拉和諾基亞為代表的移動通信公司和以AT&T為代表的傳統(tǒng)電信公司是多么水火不容，就不難理解這一點了。事實上，在從2G到3G過渡的時代，摩托羅拉公司甚至搞出了一個銥星計劃，通過66顆衛(wèi)星建立一個完全獨立的移動通信網(wǎng)絡(luò)，完全不依賴于現(xiàn)有的電話系統(tǒng)。銥星計劃最終破產(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為用戶數(shù)量不夠不能讓成本降下來，而是這個計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之前相對獨立的移動網(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。基站之間的帶寬不足，再加上手機端到端的通信要經(jīng)過好幾級的轉(zhuǎn)發(fā)，手機之間通信其實是非常復雜的。
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。不僅基站之間光纖的帶寬增加了，端到端通信時的信息轉(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)，通過云計算實現(xiàn)了很多虛擬化，以增加靈活性和網(wǎng)絡(luò)各個基帶的流量平衡�？傊�，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。今天我們其實還在使用兩個移動互聯(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，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時代，只要是在家用網(wǎng)絡(luò)稍微多一點的地方，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)就會融合為一個更為完整的產(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的，任何試圖搭建一個獨立的、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。且不說衛(wèi)星通信的帶寬要比手機和基站通信窄得多，能夠服務(wù)的手機數(shù)量極少，就算手機和衛(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數(shù)量級，衛(wèi)星本身會成為瓶頸。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（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，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，雖然我們有時可以講情懷，但是搞工程還是要講科學基礎(chǔ)的。對這種逆潮流而為的所謂創(chuàng)新的態(tài)度，是衡量每一個人科技素養(yǎng)的試金石。
最后，讓我們一同來思考一個問題。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。因為當我們的移動設(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，但是這件事只有當主干網(wǎng)的帶寬跟上之后才會成為可能。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，那是因為其他人沒有進行同樣的數(shù)據(jù)下載，否則，要么主干網(wǎng)擁堵導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，真想達到大家理想中的便利性，還有很多工作要做。