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
05
5G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!
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