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全民5G时代:一个被人为夸大的「技术跃进」 | 循迹晓讲

颜方平 循迹晓讲 2020-10-22




循迹晓讲

用文化给生活另一种可能


作者:陈无术

图片/排版/校对:循迹小编


全文约4200字,大约需要10分钟

本文首发于循迹晓讲

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10月14日凌晨,美国苹果公司正式推出新一代移动终端——iPhone12 系列(iPhone 12 mini,iPhone 12,iPhone 12 Pro,iPhone 12 Pro Max)。


▲iPhone12 系列渲染图 图源于网络


这是苹果公司有史以来,第一次推出 4 款不同尺寸、型号的新 iPhone。为了迎合全球市场需求,新系列的全部机型都支持5G毫米波标准。


而在5G网络方面,iPhone12 系列有一个名为Smart Data Mode的模式,会根据应用带宽分配4G或5G,用户可以指定某些需要大量数据的App才使用5G网络,例如视频等,而文字聊天这种用4G网络足够。


让iPhone12手机不仅兼顾5G网络,同时起到省电的作用。


▲5G移动设备逐渐成为大众的宠儿 图源于网络


近年来,5G是听的比较多的一个名词。首先是因为这个名词和我们的生活息息相关——它直接决定了我们选购什么样的手机。


目前正处于一个移动通信技术代际转换的时期,是否选购带5G功能的手机,将是我们在选购手机的时候一个十分重要的考虑因素。


但绝大多数用户而言,5G就仅仅只是个名词而已,对它的了解顶多也就是“速度非常快”,再没有其他。


这也就给了很多骗子可乘之机,比如某打着“教授”旗号的骗子总喜欢称国内某厂商的5G是“顶尖科技”,“让美国人提心吊胆”。


在当前的网络环境下,这样的煽动性言论很容易给人产生误导,要想不上当受骗,就必须厘清一些最基本的技术问题。

 

01
5G到底是什么?

朋友们应该记得,我们的手机上网,最早是GPRS,被认为是GSM网络向第三代移动通信系统过度的技术,也就是2.5代通信技术,也可以被称作2.5G。


之后,3G网络出现,也就是第三代移动通信技术,传输速率可达到数百kbps,初步达到了高速网络的水平。


4G的出现,让移动通信的网络传输速率达到100Mbps,远高于曾经的3G,是一项革命性的变革。


▲1980-2020年,移动通信终端的发展 图源于网络


因为网速达到了相当的高速,移动终端可以做更多的事情,不仅能实现语音通信,更可以实现多媒体通信、远端控制,终端用户可以享受高质量的信息服务,甚至实现宽带无线化。

 

正是基于4G取代3G时出现的变革,当5G到来的时候,人们才得以尽情发挥想象力,把5G描述为一次新的变革和飞跃,希望5G能够带来更多、更广泛的应用场景,推动一场科技革命。


很多人认为,4G的速度已经非常快,为什么还要将速度提升到5G的水平呢?这是因为4G虽然速度已经足够快,但在它既有技术的条件下,速度、频谱、延迟都已经达到了极限。


5G是一项技术创新,它突破了4G的极限,得以实现更高可靠度、更低延迟、更大规模的通信。


例如,在4G技术下机器通信的规模是有限的,有时候身处数万人的球场中观看足球比赛,手机上网的速度就会非常慢,这是因为一定范围内移动终端的数量密度超过了4G基站所能承受的极限。


▲5G技术的实现给未来智能社会的成型提供了基础 图源于网络


5G则大大提高了通信规模,可以在很小的面积内实现超过100万个终端的通信,不仅能够容纳更多手机用户上网,更重要的是它将能够部署足够多数量的传感器,实现大规模物联网的高效部署。

 

在5G网络的大容量背景下,运营商可以为用户定义多个虚拟网络,就像生物学实验中的切片一样,这被称为端到端网络”切片”。


每个这样的网络切片都可以完全根据客户的特定需求进行定制,除了普通手机用户之外,工厂的生产线可以获得更低延迟、更高可靠性的专用网络切片,能够自动控制和监视联网机器人。

 

不过,对于普通的手机用户来说,5G网络相对于4G网络的提升可能不会太明显,因为4G已经足够快,可以支撑现有智能设备的几乎全部高速网络需求,5G更快的速度提升的边际效应已经不大了。

 

02
5G的应用场景


与4G取代3G不一样,5G并不能一下子完全取代4G。根据GSMA Intelligence的报告,到2025年,全球15%的移动连接将通过5G进行,4G的使用率约为59%,高于2018年的43%。


4G使用率的提升主要是因为动态频谱共享和载波聚合技术,该技术可以使运营商为4G、5G使用相同的频道。


而随着手机用户逐渐向5G过度,4G通道可能会向智能家居设备以及尚未使用5G的用户开放,而随着4G手机用户向5G用户迁移,4G网络的速度可能会得到提升。

 

▲2021-2025年全球移动5G连接数量预测(十亿)图源于网络


这一判断的根本出发点还是在于,4G本身已经属于高速网络通信,5G的速度再快,对普通用户的体验提升意义不大。


况且,5G的使用者,其流量套餐是有限的,速度快也就意味着用尽流量的时间更短。而清晰度更高的视频也需要视频服务提供者和用户的存储容量更大,在体积和能耗不发生大变化的前提下大大增加容量,在现有技术条件下是非常难以实现的。

 

5G真正能够大展身手的应用领域还是在商用和工业领域。


这些领域的设备大多是功能较为单一的物联设备,与智能手机之类功能强大的终端相比,这些设备不需要过大的存储容量,也不需要能够随时打开4K乃至8K视频的网速带宽。


在5G的高可靠性和低延迟下,可以实现控制的高速同步,如远程手术、自动驾驶,推动工业体系的数字化、智能化,保障工业互联网中的各个环节、用户与工业设备之间、设备与设备之间互联互通。

 

03
神话般的高速


5G那么好,为什么要推广它并不容易呢?因为这当中有很多单纯以技术手段难以解决的固有问题。


不管什么高新技术,它都要遵循一定的物理规律,5G也不例外要实现更高速率的传输,就必须使用频率为24GHz和28Ghz的高频率毫米波。

由于波速=波长×频率,无线电波的传输速度是光速,频率越高,波长就越短,当频率达到24GHz的时候,波长就在10毫米左右。

 

电磁波与机械波不同,它不依赖介质传播。电磁波的本质是以波动形式存在的电磁场,进入传输介质中的任意一点,它附近存在电场差异,于是就会在介质中形成瞬时电流,电磁波的能量就因为有这样的瞬时电流而耗散。


▲中国4G用户数(单位:万)图源于网络


波长越短的电磁波,其波峰和波谷距离就越近,介质中某一点附近的电场差异就越大,瞬时电流越大,电磁波能量损耗也就越快。这就导致了超高频率的电磁波,穿透力很差,几乎隔着一堵墙,就接收不到信号了。

 

除了穿透能力差之外,传输距离短也是一个很大的问题


在发射功率不变的情况下,波的能量是一定的,频率越高,波的振幅衰减就越大,也就是说波的传播距离就越短。


同时电磁波在空气中传播,它会与空气中的分子形成电磁共振,就像军人迈着整齐的步伐踏过桥梁,引起的共振就会把桥震塌,电磁波也会因为点磁共振而被大气吸收。


氧气的共振会吸收60GHz和120GHz附近的电磁波,水蒸气的共振会吸收22GHz和183GHz附近的电磁波。



▲一个4G基站的覆盖范围,需要大约4个5G基站来覆盖 图源于网络


如果要想维持稳定的高速,使用毫米波的5G,大约每隔150米就必须有一座5G通信基站,这与4G基站仅需每个一两公里甚至数公里建设一个,简直是天壤之别。


美国运营商T-mobile的技术总监曾经表示,在人口密集的都市区域,毫米波5G的建设规模永远难以显著提升,用途只能局限于5G热点的小型装置。


▲2014-2019年,不同类型基站的比例(单位:%) 图源于网络


换句话说,人口密集的都市区域,所谓5G仅仅是室外的大Wi-Fi。更不用说广阔的乡村、郊区、高速公路,每隔150米就要布设一座5G基站,这是绝对不可能实现的,除非让大地插满基站塔台。

 

04
实际的体验

神话般的高速,只能由毫米波来实现。但毫米波由于其传输距离短、穿透力差的问题,使其应用的范围实在太窄,绝大多数时候,人们只能使用较慢版本的5G网络,而用不上高速的毫米波。


此时的5G速度与4G相比提升不大,甚至所谓5G就是4G而已。不过,慢速版本的4G还是比4G要快一些。

 

使用1GHz到6GHz之间频段的5G被称为中频段5G。波长更长一些,具有比毫米波更广的覆盖范围与更强的穿透力。


最早推出中频段5G的运营商是美国的Sprint电信公司,他们的频段是2.5GHz,平均的下载速度在100Mbps左右。


▲不同形态的4G基站 图源于网络


理论上,4G网络的下载速度应该也能达到100Mbps,但由于这样那样的损耗,4G实际下载速度只能达到理论值的一半,这让5G显现出了速度上的优势。中频段5G的传输范围依然不能达到4G的水平,约为4G的一半,可能要500米到1000米之间的距离就必须修建一座基站。


综合考虑发射范围和传输速率,中频段5G与4G也就打了个平手

 

目前,在中国和韩国,绝大多数5G基站的建设都是中频段,不过要在美国推广中频段5G确并不容易,因为这一频段中的大部分频带已经被其他既有网络占用了。


▲5G基站 图源于网络


比如卫星影像供应商和卫星手机服务,就占用了3.7GHz到4.2GHz之间的频段,能留给5G的频段不多。其实,在韩国也有类似问题,而中国由于相应的服务目前还比较少,尚未显现出来,但不代表这个问题不存在

 

另外还能使用的是低频段的5G,它的覆盖能力更大,但它在速度上相比4G的优势就更小,有时候反而比4G更慢。

 

05
一厢情愿的幻想


如前所述, 5G最重要的应用之一是在工业转型和工业4.0领域,它可以将无线连接贯穿于整个企业、工业、制造、服务过程中,很多新的想法也将实现。


而5G网络的高容量特性,也可以在极小的区域内尽可能多地部署监控摄像头,同时向服务器传输监控录像,乃至于植入人脸识别、步态识别、芯片定位等信息,更好的实现精确到点的精细化监控。

 

▲天津市第一中心医院与北京积水潭医院远程“连线”,手术室内,机器人在对患者进行手术。摄影/新京报记者 王飞


但不管是远程手术,还是自动驾驶,都不可能因为有了5G而自动加速成熟。5G只能够为自动驾驶和半自动驾驶车辆提供更好的通信体验,能够与路边基础设施和其他车辆进行更快的通信。


但这些都仅仅是在现有技术上的使用场景提升,而不是更新的技术。

 

5G的本质是基础设施,它是基础设施的升级,本身并不能直接带来整个技术的升级,只是为随时可能出现的新技术提供应用的土壤。


技术的创新升级,还是要依靠方方面面的因素,比如科研环境、人才环境、基础研究等等。


人们永远不可能因为高速公路修的更宽,就让汽车跑得更快,要让汽车跑得更快,还是得汽车工业发生技术革新,而这与修高速公路并没有关系。

 

2018年全球5G设备市场份额占比 图源于网络


此外,5G的市场竞争也十分激烈,目前并没有哪个国家或者哪一家5G设备的供应商绝对领先。


确实也有某些企业,依靠大量的出口补贴和极端便宜的人力资源(如996)大规模压缩成本,使其在外国市场短时间获得价格优势,但这种优势是不可持续的,很多国家的运营商考虑到这种价格优势的不可持续性,担忧未来可能出现的风险,因而排除了这样价格便宜的供应商。


因而也就可以看出,那些骗子口中的国内某厂商“让美国人提心吊胆”是多么的荒谬可笑。

 

▲ 知名分析公司Omdia的最新研究再次将韩国列为5G部署的领先国家。韩国已经确立了5G技术部署的早期市场领导者地位,其次是瑞士和科威特,美国排名第四,中国排名第六,英国排名第七。截至3月底,韩国的应用已经达到588万用户。图源于网络

在5G投入商用的进度上,世界上首个商用5G网络在韩国,2019年4月开始面向个人消费者。


美国、瑞士也在差不多时间向个人消费者提供了5G服务。英国、阿联酋、意大利、西班牙、科威特都是2019年6月开始提供服务,摩纳哥、德国是2019年7月,之后是中国,2019年10月开始提供5G服务。


▲ 联通和移动的5G套餐 图源于网络


不过,5G的资费比较昂贵,一些并不富裕的国家,尤其是月收入都不到1000元的人,可能这辈子也不可能用上5G,可是4G却要逐渐退出历史舞台了,他们会被历史的洪流丢下吗?


(完)


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