5G的关键技术到底是什么?

　　5G是“第五代移动通信”的简称，它是由“第三代合作伙伴计划组织”(简称为3GPP)制定的第五代移动通信技术标准。3GPP是一个国际标准化组织，目前的成员包括欧洲、北美、日本、韩国和中国等国的相关行业机构。

　　

 

　　5G与4G相比较其主要优势：更高的网速、更大的容量和更低的时延。这些特点有可能拓宽移动通信的应用领域，尤其是对于实时性要求很高、存在极高的相对运动、需要海量机器链接的应用场景。对于普通大众来说，5G最大的诱人之处是“网速极快”。据报导，5G的网速将是4G的几十倍甚至几百倍。据说目前的演示系统已经达到了每秒225MB的下载网速，这相当于不到一秒钟就可以下载完一部高清大片。

　　

 

　　5G最显著的特点就是“网速极快”。那么5G又是凭借什么关键技术获得这个优势呢?让我们大家一起开动脑筋，做如下的一些简单的思想实验。

　　假设，你往平静的水面投下一个石子，就会激起水波，水波向四周传播，导致远处水面上漂浮的树叶随着水波动荡，这个现象毫不奇怪。但是，假如你试着像物理学家一样思考这个现象，结果会怎样呢?你在A处投下石子，就是在A处施加了力，而B处的树叶动荡了，说明B处的树叶受到了作用力。尽管你在A处投下的石子并没有击中B处的树叶，但是，B处的树叶却受到了A处的力的作用，这说明水波把A处的力传递到了B处，产生了一种“超距作用”。再假设你连续往水面投下石子，远处树叶不但会动荡，而且，树叶动荡的幅度与你投下石子的重量有关系;树叶动荡的快慢与你一个一个投下石子的快慢有关系;它在动荡过程中位置与时间的关系(何时上浮、何时下沉)与你投下的石子接触水面的时间有关系。因此，假如你采用某种精巧的设计，就可以用投下一系列石子的方法向树叶传递信息。

　　

 

　　其实，移动通信不是手机到手机的通信，而是一种“蜂窝”状架构，每一个蜂窝小区有一个基站，所有基站通过光纤、电缆、网线与电话交换网和因特网链接在一起：

　　

　　图1 蜂窝移动通架构信示意图

　　A手机通过“基站——有线网络——基站”的接力方式完成与B手机的通信。这里的“接力”与体育比赛中的接力赛类似，只是这里交接的是信息，而不是接力棒。

　　

　　图2 手机通信链路示意图

　　当然，以上架构可以简化地看作为A手机与B手机的通信，只要内心里面不要忘记其真正的架构。

　　

　　图3 简化的手机到手机通信链路

　　假设我们认为地面有线网络是无限快的，那么，手机的网速就取决于“手机——基站——手机”这一段无线通信的信息传递速率。或者，可以简单地认为就是手机到手机的无线通信速率。那么如何提高手机与手机的无线通信速率呢?这就要回到前文提到的“精巧的设计”了。什么样精巧的设计使得无线通信得以完成呢?

　　

 

　　我们暂时还用向水里投石子的例子来比喻。假设你采用的是一系列完全相同的石子，就是假设这些石子的重量和形状都完全相同。你再用完全相同时间间隔，一颗接着一颗，持续不断地向水里投石子，远处的树叶就会以一种周而复始的恒定方式动荡，这时，树叶是得不到信息的。就好像你发出一个连续不断的“啊——”音，别人就不知道你在说什么一样。你要向树叶传递信息，就必须或者向水里投下不同的石子，或者以不同的时间间隔投石子，反正必须有变化，而且，这种变化可以“编码”，使其与你想传递的信息关联，你才可以向树叶传递你的信息。就比如你只有发出高低不同、轻重不同、快慢不同的声音，才能向别人传递信息一样。无线通信也一样。假如A手机发出一种不变的电磁波，那么接收该电磁波的B手机也得不到信息。A手机必须发出一系列不同的电磁波，接收该系列电磁波的B手机才能够收到信息。我们把A手机发出的一系列不同的电磁波称为“波形”。那么，能够传递信息的波形最少需要多少个呢?最少只需要两个!我们让其中一个波形用“0”表示，而另一个波形用“1”表示，就可以用一串“01010011”编码形成信息，最著名的例子是ASCII编码。最多可以用多少个波形呢?可以任意多，比如我们日常用的汉语方块字，就相当于用了很多很多的波形，而日常用的英文，相当于只有26个波形。当然，每一个英文字母、每一个汉文方块字、每一个阿拉伯数字、每一个常用符号，都已经被标准化地对应了一个“01010011”的二个符号的序列。现在你大概可以猜到如何提高A手机向B手机发送信息的速率了。唯有两种办法可以做到：

　　1、 A手机每秒钟向B手机发送更多的波形;

　　2、 A手机发出的每一个波形代表更多的信息。

　　假设你在1/1000000秒时间内发送一种波形，过了1/1000000秒就发送另一个波形，这样，你在一秒钟内就可以发送1000000个波形，可以想到，这样就可以传递更多的信息。这个现象按照我们日常的语言说法就是波形“变化很快”，稍微专业一点的说法就是电磁波“频率很高”。其实波形变化很快就是频率很高，意思是相同的。这就是采用上面所说的1的方法。

　　那么，如何应用上面所说的2的方法呢?

　　假设我们设计的通信系统只有2个波形，分别用“↑”和“↓”，如下图所示：

　　

　　图4 2元通信系统示意图

　　这就是最普通的2元通信系统。A手机发出一个波形，比如“↑”，B手机就收到一个代码“1”，一个波形代表一个信息(专业说法是1比特信息)。这样简单，但是效率不高。那么，怎么样让一个波形代表更多的信息呢?请看下图。

　　

　　图5 4元通信系统示意图

　　这个通信系统一共有4种波形，所以称为4元通信系统，每一种波形代表2个比特信息。A手机发出一个波形，比如“↑”，B手机就收到一个代码为“01”的信息，该信息具有2比特的信息量。假如按照同样的频率发送波形，4元通信系统的信息速率就是2元通信系统的2倍。

　　再看下图：

　　

　　图6 8元通信系统示意图

　　这个通信系统一共有8种波形，所以称为8元通信系统，每一种波形代表3个比特信息。A手机发出一个波形，比如“↑”，B手机就收到一个代码为“010”的信息，该信息具有3比特的信息量。假如按照同样的频率发送波形，8元通信系统的信息速率就是2元通信系统的3倍。

　　现在读者知道了，我们可以采用上文1和2的技术提高信息传输速率。当然，我们也可以既用1又用2来更加有效地提高信息传递的速率，而5G也正是这样提高信息传输速率的，这就是5G的关键技术!也许读者会有这样的疑问：如此高大上的5G，就用了这么简单的技术?难道没有其它更加奇妙的技术?我要告诉大家，5G确实有一些奇妙的技术。但是，这些技术只能提高信息传输速率不到一倍，或者充其量几倍而已。要几十倍、几百倍地提高速率，唯有我总结的这两种“关键”技术，或者说是这两种技术的结合，别无其它选择。

　　

 

　　那么，采用这两种技术的后果是什么呢?因为任何选择在获得收益的同时，也必然会付出代价。那么5G的代价是什么呢?

　　其一，提高电磁波的频率，就必然导致高频电磁波的“视距传播”。什么是高频电磁波的“视距传播”呢?简单地说，较低频率的电磁波可以“绕射”、“透射”方式传播。比如我们现在用的4G，你在室内或者大楼背后，眼睛根本看不见移动基站，但是你的手机仍然可以与基站保持通信。因为此时的电磁波可以“绕射”或者“透射”到你的手机，你手机发出的电磁波，也可以“绕射”或者“透射”到基站。一旦5G采用了更高频率的(比如6GHz以上频率)电磁波，那么，只要你肉眼视线看不到基站，就是手机通信的盲区。假如5G用到极高频率的电磁波——毫米波，盲区问题就将非常非常严重。怎么办呢?5G的解决方法只有一条：采用无数多的小型基站，到处覆盖，将比现在的4G基站多千倍、万倍，才可能达到4G的覆盖水平。

　　其二，采用更加高元的通信体制，比如256元通信系统，让一个电磁波的波形代表8比特信息，是2元系统信息速率的8倍。这样做可以吗?可以。但是，请你比较一下上面的图4和图6，你会发现什么呢?你肯定会发现：2元通信系统的2个波形之间具有非常显著的区别，而8元通信系统的8个波形之间，区别就不太显著。这个差别导致的后果是，接收到2元通信系统的一个波形，就比较容易判断，不容易误判。而收到8元通信系统的一个波形，就不太容易判断，容易误判成另一个波形。请设想一下256元通信系统，它们的波形之间的差别就会极其微小，非常容易误判。其实，任何接收机收到的信号，都是有用信号与噪声信号和干扰信号的叠加。本来差别就极其微小的波形，再经过噪声、干扰信号的污染，导致误判的概率就会大为提高，极可能无法完成通信。那么怎么办呢?其中最显著的一个方法就是提高发送信号的功率，另一个方法就是减少干扰，包括由于电磁波传播路径带来的“信号衰落”。提高发射功率带来的弊端实在太多了，完全不可取。而减少干扰和衰落的方法也有弊端。最可行的方法就是在手机附件放置许许多多微型基站，用短距离来代替高功率，同时减少干扰和信号衰落。

　　综上所述，无论是采用高频电磁波还是采用高元通信体制，其结果都会导致5G必然要采用海量的微型基站，这就是5G的关键技术，这也是5G必然付出的代价。难怪有文章说5G会淘汰WiFi。其实，如果5G真要达到几十倍甚至几百倍于4G的信息传输速率，其微型基站的数量将远远超过现在WiFi无线路由器的数量，每家每户都要买微型5G基站，恐怖吧?

　　

 

　　最后请读者再回看一下上面的图2，假如图中的有线网络(特别是因特网)没有几十倍、几百倍的网速提高，仅仅是图中的无线通信速率提高又有何用?!这与治理交通拥堵的道理是一样的，决定交通是否拥堵的关键是交通“瓶颈”，必须全面治理，仅仅解决某一段路径的拥堵意义不大。而我国有线网络之慢，一直被广泛诟病。

　　因此，如果真能够达到现在媒体所宣传的5G性能，就必然采用海量的5G微型基站覆盖，还要重新架构和建设现有的因特网。这样超大规模的投资是不是有经济效益?现在就进行这样的投资时机是否合适呢?需要决策者慎重拿捏、权衡。其实，从上世纪60年代以后，半个多世纪以来无线通信的基本理论几乎没有什么实质性的突破。换句话说，现有的无线通信基本理论，在上世纪60年代以前基本上都已经成熟了。既然如此，人们何以能够取得1G、2G、3G、4G这样飞快的移动通信技术进步呢?其实这些进步几乎完全得益于硬件技术的发展。具体的说，主要得益于大规模集成电路技术的进步，尤其是微波集成电路(射频集成电路)的进步，这些集成电路技术就是大众更为熟悉名词——芯片技术。上世纪80年代问世的第一代移动通信，采用的是模拟通信体制。当时并非不知道数字通信体制更为优越，而是当时没有合适的芯片技术支持数字通信体制的实现。再做一个假设，假如我们将今天的芯片技术用于上世纪90年代问世的GSM系统(第二代移动通信)，就会使2G的性能比现在4G的性能差不了多少。5G技术在无线通信基本理论方面也同样没有实质性的突破，其关键技术主要是“海量微型基站”。因此，如果想借5G彰显我们技术先进和创新能力爆表，而视投资效益于不顾，也不管其真实的应用效果，最终很可能会得不偿失的。

　　作者简介：

　　老谢，理工男，供职于南京某大学，数十年埋头教学与科研，虽无大成，却乐此不彼。青年时代心怀文学梦，曾与诗歌结下不解之缘。如今年近花甲，有幸结交几位青年才俊，老树发了新芽，重启文学圆梦之旅。