5G时代,万物互联——从新一代通信技术谈起

2018年12月,中国的5G研发测试顺利通过,标志着从2019年起,5G的商用阶段即将到来,事实上,很多人对这个新名词十分熟悉,但对这一技术可能带来的改变并没有确实的心理准备。

首先什么是5G?顾名思义5G就是第5代移动通信技术(The 5th generation)的简称。

在这里先扒拉一下历代移动通信的简史:

1986年第一代移动通信技术(1G)诞生,采用模拟信号的方式直接将声音信号转化为电磁波,然后在接收端再转换回声音信号,这两个过程分别叫调(tiao,二声)制和解调(tiao,二声)。这一代系统有两个很严重的问题,第一是模拟信号受环境影响十分严重,品质极低,所以没有办法传递数字信号,也就没有办法传递数据。第二是没有全球性的规范标准,各国之间的信号传递是不通的。


1994年中国开始引进2G技术,也就是我们所说的GSM(全球通信协议)、TDMA(时分多址)、CDMA(码分多址)技术,相比于第一代移动通信技术,2G最重要的技术特点是由于引入了数字调制技术,可以发送数字信号,就可以发送短信,并且可以上网了,不过受信号带宽影响2G时代的网速大概只有9-14Kbit,在国内移动和联通使用的是GSM标准、而电信则使用了CDMA技术,有趣的是,这个时代还有一种技术也在身活中出现了,这就是小灵通,所谓的无线市话(Personal handy-phone system)简称PHS,使用的就是TDMA技术,不过随着3G时代的到来,TDMA技术由于缺乏发展前景迅速退出历史舞台,而这也是移动通信国际标准竞争的开始。

如果说2G时代中国只能使用国外制定的标准的话,3G时代就是中国开始参与标准制定的开始。3G时代采用的依旧是数字传输系统,但由于采用更先进的复用技术以及新的通信频谱,使得相对于2G标准的10Kbit龟速,一下子提升至了2Mbit/s,是2G时代的140倍,从3G起,中国开始提出新的制式标准TD-SCDMA,中国移动使用的就是这个标准,而中国联通和中国电信分别采取国际通用的WCDMA以及CDMA2000技术,2007年乔帮主发布iphone,让智能手机浪潮席卷全球,而08年iphone3G开始支持3G技术,使得人们可以在手机上直接浏览电脑网页,视频通话等一系列应用,让人们第一次真正步入移动多媒体互联时代。2009年起,工信部向三大运营商发放牌照,中国正式进入3G时代。

2013年12月,工信部向三大运营头商颁发了4G的TD-LTE牌照,也就是说从2014年起,中国正式进入4G时代。4G相比3G最大的特点就是快,实际上第4代通信技术是将3G的数字通信性能极大的扩展,也就是提升上网性能,理论的上网速度是1Gbit/达到3G的50倍左右,实际体验也在10倍左右。4G时由于数字通信与语音通话是共享带宽,在使用通话功能时会自动将通信制式切换回3G。但不管怎么说4G时代才是真正的移动时代,现在我们几乎时时刻刻都在进行网络通信,人类正式进入移动通信时代。


波束赋形

现在,5G的时代即将到来,我们准备好了吗?5G时代最大的特点是使用了更高频的波段-毫米波,科学家告诉我们频率越高,天线越短,1G、2G时代天线都是可见的,到3G时代的天线就已经是内置的了(和技术进步没关系,现在让苹果做个1G的手机天线还得那么长),而到了5G,我们使用的不再是天线,而是天线矩阵,信号不再是全域发射,而是通过波束赋形定向发射,信号更高、更快、更强。事实上5G的实际上网速度又是4G时代的10倍左右,当然这也可能意味着上网的流量费更贵了。


5G天线矩阵

但我们要理解的一件事是,技术的出现不仅仅代表技术本身,还会引起社会关系的剧烈变迁。

3G技术的出现使得移动互联网开始普及,4G技术出现不只使得视频通话普及更带动了一大批产业的发展,大量的基于移动互联网的企业开始诞生,基于移动客户端的各项服务蓬勃发展起来,基于互联的共享单车服务开始出现,种种让生活更便利的服务都是由于4G的高速通信网络的出现才开始诞生的。

5G技术的出现带来的不仅是更快的上网体验,看视频更方便了,上网速度提升带来的不止是体验的变迁,同前几代通信技术的提升一样,在接下来的5G时代,由于网络的进一步飞速提升,带来的可能是生活方式的质变。

5G时代万物互联,由于网速的进一步加快,5G速度足够改变工业及产业形态。

首先5G的到来让自动驾驶技术的普及成为可能,自动驾驶技术已经从最开始的遥不可及,到现在出现了曙光,事实上制约自动驾驶的早已不再是模式识别的困难,例如,当前的全自动码头全部都使用自动化技术,管理者只需通过全自动化的控制中心对整个码头进行居中调度。

事实上,目前制约无人驾驶技术的一个最重要问题还是通信延迟。

举个例子,同样条件下汽车时速80km/h,只存在1秒的双向延迟的情况下,从接受信号,计算出处理结果,返回结果并反应时,汽车已经跑出去了22(80000/3600)米还要多,这种延迟效果上路只有车毁人亡的结局。而当网速足够快且信号稳定时,能够维持毫秒级别的延迟时,同样条件下同一辆车的移动距离只有两厘米左右。这种条件下,远程控制的自动驾驶技术才有可能真正落地。

其次,便利的超远程的服务交付技术成为可能,这种服务交付包括但不限于远程医疗、远程教学、超远程会议等等。在此之前,因为高延迟的存在,远程服务的效果并不是很好,比如远程医疗场景,在秒级的延迟情况下医生使用机械臂进行手术,可能血管都飙血了,止血钳还没有来得及拿出来。但是毫秒级的延迟则远远低于人的反应时间,实时的远程服务就有了可能,医生能够通过实时通信提供远程医疗,通过实时的信号传输和机械手臂进行远程工作来实现远程医疗服务,教师能够通过5G通信和VR技术实现远程的教学服务。

在5G时代,传输秒速最高能达到10Gb,这意味着传输一部高清电影只需要1秒钟,这种情况下远程VR(Virtual reality虚拟现实)服务的数据传输效率有了可靠保证,远程服务器能将云端的数据信息迅速传递至客户端,即使是3D数据信号也能够保持极快速度传输。具有VR实景的游戏场景可能在5G时代第一次出现,我们能够体验真实的VR实景游戏,甚至建立远程VR会议、虚拟现实旅行等一系列难以想象的应用场景。

在高速信息通信的基础设施建立之后,更重要的是工业端的生产模式也会产生改变,云服务将成为切实可靠的服务手段,而不单是现有的网盘模式,原本的网盘服务模式受制于网络信息传输速度的限制没有办法让生产与服务的模式变革,但由于通信速度的进一步增加,使得在云端存储工业数据成为更便捷的选项,许多服务就变得可以轻型和定制化的,工业服务可以进一步的拆分与托管,原本的商业服务可以变为租用云服务,并通过云端提供客户的定制服务,比如说同样的商业数据原本存储在云端需要几个小时甚至十几个小时,才能将几十G的信息加载到服务器上,而现在只需要几秒钟,那单纯的服务提供者将不再需要购买昂贵的服务器,只需租用数据的使用权,并利用弱终端提供服务操作即可,定制化、轻型化、更有效的服务类型可以出现。


另外,在5G时代我们能想象的一个更为重要的未来场景是真正的实现万物互联,通过传感器技术和高性能通信模块,在未来至少在家电产业内部会兴起智能化的浪潮,越来越多的家用产品进入智能联网时代,个人的手持终端能够无缝衔接全部的家用电子设备,在未来我们可以远程控制自己家中的电器等一系列电子设备,通过低功耗的无线网络与传感器在人工智能的协调下实现全家居的智能管理。

通过整合现有的互联网资源,5G时代能够带给人的想象还有很多,比如未来一个显而易见的经济模式是追踪经济崛起,很大程度上解决信息不对称的问题,这需要依靠区块链技术、人工智能等技术的高度整合。区块链是比特币的底层技术模式,人们通过比特币认识到了区块链技术的价值,简单来说区块链技术就是通过适度的非中心化及冗余结构确保数据的可溯、稳定及可信。当然由于基础设施的不健全,目前所有的区块链技术效率都极低,远远不能达到商用的要求,但不可否认的是,当5G时代到来,区块链技术成熟,新的溯源经济将是很大一块蛋糕。生活也会带来很大的便利,由于我们的个人终端能够实时联网,未来由于区块链技术的普及任何有效的商品都可以通过区块追踪来实现溯源,每一件商品都能找到其全部的生产者、生产时间、经手人等一系列信息,甚至二手商品交易也能知道任何一件商品的不同部件的全部生产经历,过手交易的次数等等,每个人都有唯一可查的交易识别码,司法存证、信息公证等一系列信用服务都能以极低廉的价格实现,只要实现了真实信息与区块信息的实名登记,那所有的个人公告、遗嘱宣告的服务都能以很微低廉的代价在网络上实现,这些数据在网络上都能实时可查,个人的家用设备通过微芯片及传感器技术能以很低廉的代价实现唯一可辨识,人们能够以十分低廉的价格实现互信。

总得来说,5G时代到来并不仅仅是速度更快,而是由于基础设施进一步的强化带来新的工业生产、社会生活模式的巨大变迁,新的变化一定比我所描述的变革还要多,会以我们相像不到的方式到来。

当然,我们必须看到的是,5G并不会一帆风顺的到来,5G技术至少可见的还有以下一系列问题。

首先,从5G的基础设施来讲,我们可以看到从1G发展到4G,提升通信速度的方式主要有两个方面,一方面我们可以通过提升频率的利用率,采用更加先进的编码技术实现通信速度的提升。从最开始的模拟信号,数字信号,再到后来的正交频分复用技术等等都是在有限的带宽情况下使频率的利用效率增加的方法,我们能够尽可能的压榨带宽的潜力,但这种方面越到后面越困难,速度越快这种效率的提升就越不明显。另一种方式则是通过提升通信的频率的方式实现,从最开始的长波,到后面的短波通信,再到超短波,我们使用的通信频段越来越高,设备天线越做越短,这实际上带来了两个问题,首先将信号加载到高频是需要能量的频率越高所需的能量越高,这就会带来极大的系统开销,这个虽然有影响但影响并没有那么大,更重要的问题是信号的衰减,我们知道在真空中由于不存在障碍物,信号通信不需要考虑波长,都能无衰减的从信源传递至信宿,但真实的通信场景下障碍物是遍布通信过程的,尤其是城市中遍布的高楼是常见的障碍物,频率越高的电磁波在信号传递的过程中穿透能力越强,能够轻松的穿越障碍物,但同时信号衰减也越厉害,也就是说在同样的条件下越高频的信号传递距离就越近。因此相同的覆盖面积需要建更多的基站,2G时代全中的基站数量仅为150万个,而4G所需要的基站数是400多万个,而5G所需要的基站数量保守估计在1500万个以上,5G时代光是基础设施的建设与维护费用就是4G时代的几位甚至几十倍。

其次,5G时代的配套设施建设还没有办法快速跟上,同任何一项新技术一样,新技术最开始基本都是权贵阶层的玩具,就像铝制品,最开始只有一小部分最有权贵的人才能使用,最后才逐渐拓展普及到普通市民阶层。因为新技术的诞生本身并不足以支持商业化本身,5G技术没有配套设施建设普及本身并没有意义,举个很简单的例子,电动汽车技术到现在目前已经很成熟了,但现在大部分人并不会选择使用电动汽车,其中一个最重要的问题就是电动汽车的配套设施并不完善,你走到中国哪一个地方都能很方便的找到加油站,但你走到半路想要给电动汽车快速充电,目前的设施条件不允许。因此,电动汽车的可用性就大打折扣。事实上5G的到来也面临着这样一些问题,目前我们所有的配套设施、服务、与软硬件终端都是在4G条件下运行的,5G时代即使到来我们能应用的服务还是那些。所以最初5G给我们的体验感并不会有什么实质上的差别,只有当配套设施改进跟上时,才会有本质上的差别,就是自动驾驶汽车为例,真实世界要实现自动驾驶,光有5G速度保证还不够,我们还面临着一系列诸如,道路设置更改、交规的修正,整个汽车、运输业的变革与资源整合的问题,这些问题不解决自动驾驶的普及是摆不到台面上来的。这还仅仅是整个5G生态中的一环,其它的全部应用场景需要的配套工作的体系建设工程量只多不少,所以可以想见的是在5G应用真正普及之前,所需要的设施量是非常庞大的系统工程。

但我们要相信,技术的进步总是不经意之间悄然而至,我们能看到的是技术进步,看不到的是技术进步带来的系统建设以及产业调整,更看不到的是因技术调整带来的社会生活与生产关系的调整。不可否认的是,随着这一切,我们的生活方式也许会彻底改变,你准备好了吗?

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