5G：创造未来的新技术

每当我们翻开人类科技的历史，总是会看到一个个光辉的名字，例如改良蒸汽机的瓦特带领人类进入了蒸汽时代，发明发电机的法拉第又把人类带入了电气时代。现在，我们已经处在了电子时代和互联网时代，人类仿佛已经上天入地无所不能了。那么，如果在几百年后，我们再回头来看，又会是哪一种新技术的诞生，会带领人类进入更高层次的未来呢？

瓦特改良的蒸汽机

其实，无论是蒸汽机、发电机还是电子计算机，它们的背后都是牛顿、麦克斯韦、法拉第、爱因斯坦等伟大的科学家开拓的新的科学理论，当它们被应用在工业、农业、交通、娱乐、消费、医学等各个领域上，我们称这种技术为通用技术。如果让我说出现在的通用技术，我想应该是5G、人工智能和云计算技术的结合，它们必将把人类带入全新的科技时代。今天，我想和大家聊聊这里的第一个技术, 这就是已经走入成千上万普通人生活的5G技术。

01移动通讯技术的发展

通讯是人类与生俱来的需求。从商周时期开始的烽火台，其实就是为了快速远距离通讯而建立的 。非洲人用特制的大鼓传递信息，通过接力的方法能够将信息传递到几十公里之外。几千年来，人类的通讯手段一直没有本质的提升。直到电信号发明之后，人类才找到了一种速度快、距离长、容量大、准确度高、保密性好的通讯方式。5G，就是第五代移动通讯技术，我们首先来回顾一下前面几代移动通讯技术。

1G（约1980~1990）  

上个世纪60年代，美国贝尔实验室提出了移动蜂窝理论。每一个信号塔覆盖一个小格子的区域，这些小格子彼此拼接，就像蜜蜂的蜂窝一样，实现大面积的移动通讯。

移动蜂窝网络

1979年，日本电报电话公司在东京开通了全球第一个商用蜂窝网络。此后，欧洲、美国也陆续开通了无线通讯业务。中国的无线通讯业务开始于1987年，使用的终端就是保留在许多人记忆中的大哥大。

第一代移动通讯采用的是模拟信号，只能传输语音，它会将语音信号转化成电信号，然后让一个高频电磁波信号的频率或者振幅随着低频电信号变化，这个过程叫做调制。接收方接收到信号后再进行解调，就能够获得原始信息了。

这个过程传输的语音品质低，安全性差，人们急需用数字信号取代模拟信号，这就是2G。

2G（约1990-2000）

第二代移动通讯技术采用的是数字信号。也就是用数字0和1来表示信息，与计算机的原理类似。当我们要进行通话的时候，会对信号进行采样，再把采样出的结果进行编码，转化成二进制进行传输。接收方接收到信号后，还要进行解码。通过更高的采样率，能够对信号进行更高品质的传输，而且还可以对信息进行加密。

1992年，第一个2G移动网络在芬兰开通，1996年开始，中国开通了2G网络。在我们的记忆中，各种各样的功能机就是2G时代的产物，它们不光能通话，还能发短信，玩游戏，给我们留下了许许多多美好的回忆。

2G时代的功能机

3G（约2000-2010）

渐渐地，2G网络的速度已经不能满足人们的需求了，第三代移动通讯技术3G呼之欲出。3G相比于2G，传输速率有数量级的提升。1989年，高通公司推出了用于无线数据产品的码分多址技术，也就是CDMA技术，它的出现永久性地改变了全球无线通信的面貌，并且到了1993年成了行业标准。1999年，国际电信联盟把CDMA作为3G基础技术，我们常听说的CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA等说法，就是3G时代被广泛应用的三个标准。

虽然技术上早已成熟，但是直到2008年，3G才开始在世界范围内普及，主要原因是缺少杀手级的应用。人们不知道利用手机除了发短信和打电话还能干什么。功能机霸主诺基亚和摩托罗拉依靠卖手机赚得盆满钵满。但是，科技的发展就是这样迅速，2008年开始，智能机突然出现，人们发现原来手机的功能远远不止打电话和发短信这么简单，人们可以用它收发邮件、远程会议、联网玩游戏。3G时代，随着新型手机和应用的出现，在世界范围内普及了。

手机应用

4G（约2010-2020）

尽管3G时代到来并没有多久，人们已经开始迫不及待地研究4G，也就是第四代移动通讯技术了。OFDMA（正交频分多址技术）是4G的核心技术之一，在此之前，人们要同时传输几个信号，需要把它们的频率分开，中间还要有一定的频率间隔，这就限制了传输信号的速度。而OFDMA技术能够让多个信号利用同一段频率进行传输，这些信号是彼此正交的，我们可以理解成当一个信号最强的时候，其他信号都为零，这样它们就彼此不干扰了。

正交频分多址技术

在4G时代，平均网速可以达到每秒几十M比特，相当于每秒下载速度10M字节左右，通过载波聚合等新技术的应用，峰值速率可以达到千兆比特级别，也就是每秒下载速率达到百兆量字节。更高的数据传输速率，催生了更多的应用，移动互联网时代正式来临。人们渐渐习惯于用手机打车买菜，用手机看电影玩游戏，甚至用手机上网学习。因此催生了今日头条、抖音、快手、b站等一系列视频平台。新兴的巨型互联网企业如美团、滴滴等，也无一不得益于4G的发展。甚至于，以前过年都给孩子包红包，现在也变成了网上转账。

4G时代

回顾以上的过程，我们会发现：从移动互联网诞生至今大约40年，差不多每10年就有一代新的移动互联网技术。如今到了2020年，第五代移动互联网技术5G终于如约到来了。

02 5G和5G毫米波技术

许多小伙伴今年已经换了5G手机。根据工信部的统计，2020年1到11月，我国5G手机累计销售了1.44亿部，占到了手机总出货量的51.4%。而且从趋势图上看，2020年后半年，5G手机出货量占比都在60%以上。中国的手机市场正在加速进入5G时代。

5G相比于4G，到底有什么优势呢？我们可以总结三个特点：高速率、低延迟、大容量。

2.1高速率  

4G时代，通常情况下平均网络速率可达百兆比特每秒，折合下载速率每秒10M字节左右。也许我们感觉：网络已经够快了。但实际上，这种速率完全无法满足更高的需求，比如4K视频数据的传输、VR/AR技术传输的要求，再比如自动驾驶汽车一天产生的数据量可达4000G，用这样的速率也达不到要求。

而5G可以在4G的基础上再提升一个量级，平均网络速度可达到1Gbps，峰值速率可以达到2Gbps，大约是4G峰值的20倍。国外有个小伙对比了4G和5G的峰值速率，证实了这个结果。

为什么5G比4G快呢？除了各种技术的优化以外，5G所使用的电磁波的物理特性也是原因之一。

信息论的奠基者香农曾经给出过一个公式，叫做香农公式：

C=W log₂(1+S/N)

这里，W表示频段带宽，S表示平均信号功率，N表示噪声功率。S/N也叫做信噪比，C就表示理论上每秒钟能准确传输的信号极限。这个公式告诉我们: 在信噪比一定的情况下，带宽越宽，理论传输上限就越大。

香农

在通讯领域，为了防止不同的信息互相干扰，300GHz以下的电磁波频段不是随意使用的，而是有要求的。比如中国政府会将通讯频段分配给各个运营商，中国移动在900MHz频段附近拥有的2G上下行频段就是885-909MHz和930-954MHz，上下行频段带宽各24MHz。除了民用无线通信之外，还有军用雷达、卫星定位等等需要用到电磁波的地方，它们也会各自抢占一些频段。随着用户越来越多，传统频段变得十分拥挤。

相比于2G、3G和4G，5G的频率带宽大得多。国际上通行的5G标准频段有两个，一个是6GHz以下的无线电频段，称为sub-6；另一个是24GHz以上的无线电频段，这里电磁波的波长在mm量级，所以称为毫米波。

比如：中国移动在sub-6频段就拥有2515~2675MHz和4800-4900MHz两个5G频段，带宽分别是160M和100M，比之前4G的带宽宽得多。根据香农公式，拥有了更大的频段带宽，就具有更大的理论传输速率上限（香农极限）。

如果在未来，中国移动使用毫米波，频段前景就更加广阔了。3GPP标准中定义的5G毫米波的频率范围在24GHz-100GHz之间，带宽远远超过了之前2G、3G、4G以及5G的sub-6频段的带宽总和。这就好像是之前居民开车总是挤在一条小马路上，想尽一切办法优化交通工具，但是道路依然拥挤。5G毫米波就好像新开辟了一大片道路，道路宽了，速度自然就快了。

据估计，sub-6 5G网络将会比4G网络速度提升5倍，而用毫米波的5G信号传输数据，会比sub-6再提升4倍的速率。于是，毫米波5G速率将会达到4G速率的20倍，它完全可以满足4K、8K视频、AR和VR视频等数据传输速率的要求。应该说：要达到5G最高速率要求，就必须使用5G毫米波。

举例来说，现在的VR眼镜戴的时间长了会头晕， 原因主要是视频数据传输不够快，清晰度不够，延迟比较高。如果采用5G网络，将图片渲染等工作放在云端，减轻终端的工作量，通过毫米波将大量数据传送到VR眼镜上，就能增加图像的清晰度，同时极大地降低延迟，这样就不会让人产生眩晕的感觉。

这种技术一个最直接的应用就是教学。例如要展示一个物理、化学过程或者生物学上的结构，利用VR技术再合适不过了。大家可以想象这样一副情景：通过5G高速稳定的连接，上一节课是生物课，同学们刚刚从细胞里完成了畅游，亲眼看到甚至触摸到各种细胞器，了解了它们的功能。下一节课是历史，同学们又变成了项羽身边的侍卫，亲身体验了鸿门宴的过程。再下一节课，同学们又要和远在北京的同学们通过VR技术一起开班会。我所说的这些，现在已经有了许多尝试，而如果要解决眩晕等问题，让它真正用在日常的教学中，5G毫米波技术也是必不可少的。

人大附中学生正在使用VR系统学习“人体血液循环”课程

教师：辇伟峰、和渊

人大附中学生正在使用VR系统研究双缝干涉实验

教师：宓奇

2.2低延迟

相比于4G，5G的第二个特点是低延迟。我们现在使用4G网络时，延迟在几十毫秒量级。玩王者荣耀和吃鸡的时候，延迟往往是决定胜负的条件之一。而在自动驾驶、工业机器人、无人机等领域，延迟可能是导致事故的原因。

例如：如果一辆自动驾驶汽车以120km/h的速度运动，50ms的延迟意味着1.7米的移动距离。而使用5G技术之后，空口延迟可以下降到1ms以下，这个延迟只会造成3.3cm的移动。如果使用5G毫米波，延迟可以下降到0.1ms量级，基本实现了无延时通讯。而现在，要实现这个量级的延迟只能使用有线网络。5G毫米波技术让无线网络能够在工业领域替代有线以太网。

空口延迟

再举一个需要低延迟的应用场景——远程医疗。上世纪80年代末的时候，一群科学家在斯坦福研究院开始了战地手术机器人的研发，希望能提升复杂的战场上的医疗水平，让医生可以远程对士兵进行手术。一家名为直觉外科的公司随之成立，将这项技术迅速完成商业化，垄断手术机器人市场近三十年的达芬奇机器人就此诞生。医生操作控制台，通过机械系统就能完成手术。由于这种机器人可以实现远程控制，又能完成放大图像、对医生的手进行除颤等操作，比起外科医生，这个机器人可能更加精巧。5G毫米波技术会助力此类远程手术操作更加完善。如果再配合上人工智能，机器人通过几万次的练习，甚至可能代替人类医生进行手术。

医生利用达芬奇机器人手术的情景

2.3大容量

5G的第三个优势在于容量大。4G网络理论上支持每平方公里2000个连接，一旦连接达到上限，速度会变得非常缓慢。例如在体育馆观看比赛的时候，就会出现有网络信号强度标识，但是怎么也上不了网的情况。这种情况其实就类似于堵车，虽然路很宽，但是车太多了一样寸步难行。

5G支持每平方公里100万个连接。不光能实现每个人的手机都能随时随地上网，更是未来实现万物互联的基础。例如现在的可穿戴设备、智能家居、智慧城市等，都需要这样的技术支持。5G是实现万物互联的基础。

万物互联

有一个很有趣的段子：美国有一个15岁的小女孩，是重度twitter用户，她妈妈一怒之下把她的手机没收了。她只好用任天堂游戏机发twitter，她妈妈又把游戏机没收了。她又用wii游戏机发帖子，他妈妈把wii也没收了，结果，她用LG智能冰箱发了一条帖子。

人们预言：在未来，只有20%的5G设施用于人和人之间的通讯，而80%的设施都是用于人和物、物和物之间的通讯。人们已经开始了这方面的尝试，例如张江就有人工智能岛，岛上有无人驾驶的汽车，智能垃圾桶，巡查的无人机、水下机器人、智慧路灯、自动灌溉、智能电网、自动送餐机器人等等未来科技产品，而这些现代化的设备都是通过5G网络相连的。

张江人工智能岛

总之，每一次移动通讯技术的提升，都是从量变到质变的过程。随着5G网络的普及，更多传统的行业会被5G影响，还会有许多新的行业被5G创造出来。

03 5G毫米波面临的挑战

毫米波相对于sub-6GHz具有压倒性优势的同时，由于物理特性的原因，毫米波技术也面临两个挑战。

首先：毫米波相比于4G和sub-6GHz频段 ，拥有更高的电磁波频率，根据科学家们的研究：频率越高的电磁波，在空气中传播时衰减越快，每个4G基站可以覆盖附近一公里的面积，sub-6GHz基站的覆盖面积比4G稍小，而每个毫米波5G基站覆盖面积更小。为了达到与4G同样的覆盖效果，必须要部署比4G基站更多的5G基站。

其次，毫米波由于波长太短，衍射能力相对较弱，所谓衍射是指波可以绕过障碍物继续向前传播的现象。波长越长，衍射能力越强，例如声波就能绕过不太高的墙到达另一侧，但是广播就不能。毫米波的波长比4G、sub-6GHz都要短，衍射能力比较差，几乎只能进行视距传播——基站能“看到”的地方，才能有信号。如果遇到墙、汽车、大树的遮挡，甚至下雨和手的遮挡，都有可能造成信号削减或遮蔽。

不过，由于毫米波相比于sub-6GHz在信息传输能力上的优势，技术人员想到了一个又一个办法去解决这些困难。

例如：研究人员设计了波束赋形技术。5G毫米波波长短，天线也短，在手机中可以布置多个天线，形成所谓相控天线阵列。通过多个天线之间的干涉，让更多的电磁波集中于一个方向发射，而不是向各个方向散射。

波束赋形技术

而且，多天线技术还可以实现波束追踪。也就是根据用户的位置移动，调整各个天线的相位，让赋形后的波束能够一直跟着用户。这就好比激光笔与灯泡的区别，传统天线好像灯泡，可以照亮周围整个屋子里的人，而激光笔则可以持续指向或追踪单个用户。波束赋形与波束追踪技术不仅可以让毫米波可以传得更远，同时也可以减少通信过程中对其它非目标对象的干扰。

再比如，关于物体遮挡问题，则可以有效利用反射波来解决。传输过程中，电磁波可以在建筑物上进行反射，通过波束跟踪技术准确识别有效波束并加以利用，用户仍然可以保持跟基站之间的连接。在用户不停移动的过程中，用户与各个基站之间的波束质量会发生变化，为了维持稳定持续的连接，可以通过波束切换技术，让用户与不同基站间进行快速的波束切换。

波束切换

通过波束赋形、波束追踪、波束切换等一系列先进的波束管理技术，以及利用波束反射的特性，5G毫米波面临的挑战被一个个攻克，移动环境下，毫米波易被遮挡正在被解决。

总之，5G中低频的 Sub-6 GHz 和毫米波具有各自不同的性能优势，前者可以为5G提供广域覆盖，奠定了5G的基础，而后者通过丰富的频谱资源进一步提升5G连接速度，充分释放5G应用的潜能，它们之间的互相配合、互相补充，是实现 5G 完整和最优用户体验的关键。

04中国的5G毫米波发展情况

中国政府早在2017年就批准了毫米波5G的测试计划，2020年3月，工信部《关于推动5G加快发展的通知》中明确指出：将结合国家频率进度安排，组织开展毫米波设备和性能测试，并适时发布5G毫米波频段使用规划。这些都表明：中国正在小步快跑奔向毫米波5G技术。

2022年，中国将举办冬奥会，中国决心将这场冬奥会办成一次展现我国科技力量的运动会，5G技术正是其中之一。中国联通作为赛会的运营商合作伙伴，会利用毫米波等5G技术，向观众全方位展示比赛。我们可以设想，也许联通会在雪橇比赛的雪橇前面放置一个高清摄像头，通过毫米波技术回传信号，观众们可以带上VR眼镜，享受和运动员一样紧张刺激的感觉。

在上述政策的支持下，国内毫米波产业发展非常迅速。许多国内外的企业都在积极推动毫米波技术的成熟和产品的商用化。2019年以来，国内IMT-2020工作组也有序组织了毫米波相关的测试和验证工作，并取得了积极的成果。2019年10月，高通公司携手中兴通讯成功实现中国首个基于智能手机的5G毫米波互操作性测试。2020年4月，中国手机制造厂商一加首次发布了支持毫米波的5G智能手机——一加8。这都是毫米波商用过程中在系统级别和终端产品方面的重大里程碑。

一加8

就在刚刚过去的12月，高通公司又推出了最新一代旗舰级骁龙888 5G移动平台，这个平台集成了第三代5G调制解调器及射频系统——骁龙X60，可以支持全球大部分地区5G网络，既包括 Sub-6GHz，也包括毫米波的全部主要频段，峰值速率高达7.5Gbps，是全球最快的商用5G网络速度，成为了2021年旗舰智能手机的新标杆。

高通骁龙888

根据高通的披露，目前有超过700多款采用了骁龙5G解决方案的终端设备已经发布或正在设计中。这些终端包括智能手机，移动热点、平板电脑甚至PC电脑以及一些面向企业的通讯设备，这其中众多的设备已经具备了毫米波能力。2019年中国联通合作伙伴大会在上海举行，高通携手努比亚、一加、OPPO、vivo、小米和中兴通讯共同支持中国联通的5G部署。我们期待，在2021年，5G毫米波技术在国内商用部署的步伐会更进一步。

上海5G创新发展峰会暨中国联通全球产业链合作伙伴大会

055G创造未来

在100多年前的1893年，在美国举办的哥伦比亚世博会上，天才特斯拉用自己设计的交流发电机点亮了7万盏灯泡，整个世博园区的夜晚被照得宛如白昼。

特斯拉

在成千上万年的人类历史上，人类从未见到过如此的情景，人们相信：这就是未来。

1893年的哥伦比亚世博会

那么，如果我们站在今天的角度去思考：未来应该是什么样呢？

我想，站在今天的角度看，未来就是将物理世界进行网络化和数字化，将物理世界的设计和建设过程变为数字化的过程。2018年，全球联网设备有178亿台，十年后，这个数字可能再翻上百倍，人类正在走向万物互联的新时代，只有5G技术以及后续的6G、7G技术才能够将人类社会、物理世界和信息世界实现三元融合。

在未来，信息技术、人工智能、云计算技术还可以促进各个学科的的发展，当人类实现了将物理世界完全融入信息世界之后，物理实在有时候就不那么重要了，就像纸币被移动支付和数字货币取代，物理距离被信息高速公路突破，战争从消灭对方的士兵变成了破坏对方的数据，人类将彻底进入一个全新的时代。所以说：4G改变生活，5G改变社会。

那时候的个人，不光是一个自然人，也是一个数字的人和网络的人，不光拥有物理的存在，也会拥有数字化和网络化的存在。甚至于，一旦人类的思维与网络可以实现互联，物理存在的身体也许也不是生存的必要条件，人类可以在精神层面实现永生。而这一切，也许离我们并不遥远。

电影《黑客帝国》剧照

关于改变世界的新技术，我在下一期节目中还会继续给大家介绍，一定要保持关注哦！

重点推荐

李永乐老师全新科普专栏《李老师品书：从一到无穷大》已经发布啦！用60期节目解读科普经典。李老师将会带着你沿着伽莫夫的足迹，用每天几分钟的时间了解数学、物理、生物、和宇宙的奥妙。每个购买专栏的小伙伴都能免费附赠一本最新修订版的《从一到无穷大》纸质图书（购买后添加微信mtketang007获得）更多信息请点击：《李永乐老师品书：从一到无穷大》 扫描下方二维码。