5G时代的变革畅想

　　21世纪1 0年代以后，随着LTE-Advanced步入佳境，4G移动通信在全球越来越普及。这个时候，无论是研发与生产厂商，还是普通用户，都在呼唤传输流量更大、速度更快、稳定性更佳的新技术。5G，呼之欲出。

新技术特性

　　为了从4G向5G进军，3GPP在原有移动通信技术体系中，引入若干新特性。依靠这些新的技术特性，来满足全社会日益提升的移动通信需求：
　　毫米波（ mmWave）
　　传统移动通信工作频段集中在3GHz以下，到了4G时代，无线通信的编码技术效率已经接近香农极限，意味着同一频率下的通信带宽接近理论天花板。要继续提升性能只能拓展更高频段，所以技术人员开始尝试将无线通信载波波长减小到毫米级。随着波长减小，载波频率提高，无线通信的带宽也就得以扩大。毫米波技术在理论上可以让无线通信带宽达到300GHz。
　　虽然在实际应用中，由于外界环境对某些频段的干扰——（空气中氧气、水蒸气与电磁波的共振），以及现有技术瓶颈，无线通信无法覆盖所有毫米波频段。但即使这样，5G可用频段所带来的带宽，相比4G时代的100Mbps带宽，依然可增长10～100倍，达到1～10Gbps，都赶上光纤有线通信速度了。
　　大规模多进多出（ Massive MIMO）
　　在传统无线通信技术中，是一根传输天线对应一条信息通路。随着通信频段升高，我们注意到早期智能手机的外置天线已经消失。而毫米波技术出现，使得通信载波的波长继续变短，相应的天线长度也可以减小到10mm以下。这使一个移动终端（如手机）里面可以安装多天线，形成密集的天线阵列。在通信时，采用多天线发送，多天线接收模式，通过空间复用，在不增加传输功率与带宽情况下，大幅提升无线通信的传输速率。
　　波束赋形
　　基于大规模多进多出的天线阵列，让波束赋形在无线移动通信上得以实现。波束赋形技术源于军事技术，运用于军舰、飞机等的雷达上面。大名鼎鼎的美国宙斯盾作战系统，其核心技术之一相控阵雷达系统就运用了这个技术。它主要是通过控制多天线阵列的射频信号相位，使得多个叠加的通信电磁波能够精准指向移动终端（如民用领域的手机），同时可以实现波束追踪，根据移动终端的实时位置调整波束。这个技术可以提升信号传输的精准指向性，增加传输距离，减少用户间干扰，极大提高系统容量。
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　　按照准确定义，毫米级电磁波的波长为1～10mm，则其频率范围应该是30～300GHz，但是实际上，毫米波只是约定俗成的名称，业界末对其频率范围进行严格规定。一般认为，频率范围在20GHz（波长15mm）～300GHz之间的电磁渡都可以算毫米波。

“万物互联”改变社会

　　正因为上述核心技术的应用，让5G时代的通信系统性能指标达到了—个前所未有的阶段。这些提升概括起来就是高带宽、低延迟、海量连接、容量巨大。正如前面所提到，5G技术通信带宽提高到1～10Gbps，相比4G时代增长10～100倍;而通信延迟从4G时·代的100ms下降到1ms;在每平方公里内可同时支持以百万计的连接数。
　　这些性能上提升的意义，可不仅仅是我们一般人所理解的高清电影在线看;王者荣耀不掉线;双11剁手秒下单……5G带来的最大改变就是通过通信技术无限赋能，使得从人与人的通信走向人与机器，机器与机器（ M2M）通信，实现万物互联。它可以改变各行各业的应用和业务形态，催化出超乎想象力的发展，进而改变着这个社会。
　　增强型移动宽带（ eMBB）
　　eMBB解决的，主要还是人们的通信需求。其实概括起来，现阶段人们的通信需求，无非就是文字、语音、视频三种形式信息的传输，其中视频传输对网络带宽与速率要求最高。而5G技术带来的超大带宽与传输速率，能够轻松满足所有这些需求——毕竟就算喜欢看高清视频的带宽消耗大户，所需无线传输速率也不过30Mbps左右，这种传输速率需求完全不会对5G网络造成任何负担。
　　再考虑到不久的将来，虚拟现实（ VR）或者增强现实（AR）技术可能在无线通信应用层面得到普及。因为这种沉浸式的体验对传输速率要求更高，预计所需的无线传输率大概会是高清视频的30倍，需要达到1Gbps左右。而即使这样巨大的数据量，带宽能达到1～10Gbps的5G网络在理论上仍然足以支持。所以说eMBB应用，几乎已经代表个人無线通信应用场景需求瓶颈的终结。
　　海量物联网（Massive IoT）
　　如果eMBB解决了人与人的通信需求，那么海量物联网则是真正意义上的“万物互联”，根据3GPP的定义，海量物联网指的是每平方公里至少有1 00万台设备无时无刻不在连接。
　　可以想象，智能家居把家里的每一个智能家电，连接到用户手机。让我们远程操纵家里扫地机器人做清洁，或者在回家前提前打开空调调节温度。而家里的水表、燃气表、电表连接到服务供应商，则是免去了户主交费的麻烦。对于个人来说，它带来的是便捷省心的新生活模式。
　　再从智能家居扩大到智慧城市，海量互联网让市政管理单位可以知道每个基础设施的状态，每天进行精准有效的管理。哪怕大街上某一盏路灯坏了;某一段水管漏了;某一个垃圾桶满了，都能第一时间反馈给相关部门，并得到及时解决。
　　同样，在物流行业，物流公司可以通过海量物联网实现精细化管理，网购包裹、物流运输车辆以及快递无人机，都能得到最准确的实时监控。（详见《科学Fans》2018年11期《开门，机器人送快递了！》）
　　关键任务型服务（ MCS）
　　在社会系统或组织架构运作过程中，总有某些至关重要的决定因素，这些因素的故障或缺失会导致难以估量的负面影响。这些因素被称为关键任务（ Mission Critical），而针对这些因素提供的服务则是关键任务型服务。如工厂的自动流水线;城市管理的电力系统;关乎性命的医疗健康系统;以及科幻感十足的自动驾驶等。 　　这些服务对安全性要求极高，所以它们对通信的网络延迟非常敏感。试想，一辆在公路上飞驰的无人驾驶汽车，如果因为哪怕0.01s的网络延迟卡顿而导致失控，后果是极其严重的。特别某些服务背后更涉及到海量的云数据计算——如果一个城市里，每时每刻有成百上千的无人驾驶汽车在公路上行驶。每一辆车要随时随地，几乎无延迟地了解周边的路况与其他车辆信息，这只有在信号传输时延低于1 ms的5G网络支持下，才有可能实现。
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　　区块链业务是2018年以来才被主流技术界所关注的新应用，它超出3GPP预测范围，是海量物联网和关键任务型服务交叉领域出现的新事物。笔者个人猜想，类似多细胞生物每个细胞都拥有和表达生物个体全套基因的能力，区块链将在M2M机器通信普及过程中“吃掉”大量的冗余通信带宽和计算能力，是真正意义上的5G刚需和杀手应用。
　　所以，我们可以说只有5G技术的普及应用，才能保障这些关键任务型服务能够智能化、自动化安全运作。

5G面临的挑战

　　畅想5G普及后的前景，理想是丰满的。但我们也要意识到，从美好远景到最终实现，中间要走的路还是漫长的，这涉及到互联网以及通信行业、投资界以及政府的判断以及博弈。具体而言，5G技术现阶段面临三大挑战。

高成本5G技术VS.低成本可替代技术

　　5G技术的确能带来无线通信质量的大幅提升，但移动通信基站的建设运营成本会大幅提高。毕竟，5G的新技术特性，使得其基站覆盖半径大幅降低。传统基站覆盖半径500m左右，而5G技术所需要的纳基站覆盖半径仅100～200m，皮基站只有50～100m，飞基站更是20～50m。这意味着覆盖同样大小地区，5G需要基站数量将会远超4G，达到目前的3～9倍。
　　而在这个大前提下，部分相关业界人员倾向用基于传统技术的解决方案，代替5G满足各种应用需求。简而言之相当于“低配版”的5G。
　　例如4G时代的LTE-Advance，其实已经能够满足现有个人通信业务，包括直播、远程培训、多人线上会议等通信服务。而目前尚未普及的AR、VR技术，它们1Gbps的通信速率需求，其实已经可以通过最后一公里的光纤接入得到满足。
　　除此之外，物联网因为对传输带宽要求不高，采用传输距离远，覆盖范围广的低频带宽无线通信技术就可以实现，甚至GPRS应用就能满足部分需求。而对于关键任务型服务，同样有很多绕开5G技术的解决方案，如工业自动化领域，通用电气、西门子等传统工业巨头倾向于使用专网技术来解决;自动驾驶领域等则可以利用混合组网模式，由组网中的局域网解决低延时和高可靠性问题。

运营商VS.互联网企业

　　早在4G时代，随着智能手机和移动互联网的兴起，互联网企业就开始逐渐取代运营商，成为无线通信业务的主要红利获得者。而运营商们的传统通信业务已经被互联网企业的OTT^①业务挤压到了边缘，原有三大王牌业务语音、漫游、短信已经或者即将消亡，仅剩无线流量业务成为营收主体。即使无线流量业务，其服务价格在政府提速降价的管制压力下也在不断下降。几大运营商2018年以来发力的流量上网卡业务，叫好不叫座，增量不增利，主要收益同样让互联网企业获得。
　　因此，5G时代的各种应用，看似丰富，却与电信运营商关系不大。即使这些应用流行火爆起来，主要受益者依然是互联网行业。对于运营商来说，一方面是巨大的5G基建投资费用，另一方面却是为他人作嫁衣的尴尬前景。这是一个神奇的悖論，让运营商推动5G技术的动力不足。
　　所以我们能够期待的，是通信运营商能够借着5G契机，改造自身企业基因，改变行业游戏规则，找到赢利点，那么一切皆有可能。
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　　移动通信基站是建设于固定区域，覆盖周边一定范围的移动信号交换结点。在4G肘代，基站的布局思路是“宏站覆盖为主，小站定向补充”。在5G时代，基站建设趋势是小型化，从大到小分别有微基站（MicroCell）、纳基站（NanoCell）、皮墓站（ PicoCell），甚至飞基站（FemtoCell）。
　　①OTT
　　全称Over The Top，指通过互联网向用户提供各种应用服务。这种应用仅利用运营商的网络，服务由运营商之外第三方提供。如互联网电视、在线语音视频等。
　　②CTI
　　CTI技术是从传统的计算机电话集成（Computer Telephony Integration）技术发展而来的，如今已经发展成“计算机电信集成”技术（Computer Telecommunication Integration），即“T”已经发展成“Telecommunication”，这表示目前的CTI技术不仅要处理传统的电话语音，还要处理包括传真、电子邮件等其他形式的信息媒体。
　　③NFV
　　网络功能虚拟化（Network Function Virtualization），是一种对于网络架构（ network architecture）的概念，即利用虚拟化技术，将网络节点阶层的功能分割成几个功能区块，分别以软件方式实作，而不再局限于硬件架构。

运营商Vs.技术供应商

　　5G面临的前两个挑战，都涉及到建设成本过高。而其重要原因之一，在于技术供应商方面。
　　一直以来，在无线通信领域，都是由技术供应厂商为运营商提供整套网络和服务方案，方案主要由集成软硬件设备构成。这种“黑盒子”式的集成技术提供模式，让技术供应厂商处于市场垄断地位，从而导致基站建设成本过高。不仅如此，每一次网络升级换代或者新增应用服务，大量的硬件设备，软件系统会被淘汰或者全新采购。从1 G演进到2G、3G、4G，从短信到彩信，CTI^②到彩铃，莫不如此。这和IT界计算机硬件、软件操作系统、应用软件的划分使用和升级模式形成鲜明对比。
　　为了解决这一问题，国内外的运营商以及相关企业计划推进无线接入方案的开源化，服务应用的虚拟化NFV^③，以此打破原有技术供应商垄断。2016年，Facebook、谷歌、诺基亚就共同发起了TIP（电信基础设施）计划，希望通过提供开源的服务器和基站，让IT企业具有提供移动通信网络基础设施的能力。2018年，中国移动、美国AT&T、德国电信、日本DOCOMO等运营商均已加盟的开放式无线接入网络（Open-Radio AccessNetwork，简称O-RAN）联盟，旨在通过推广基于开源架构的白盒基站，打破原有通信技术供应商的行业垄断情况，降低运营成本。
　　根据移动通信行业十年一代的历史规律，1G与3G的过渡性质较大，2G、4G则是商业模式应用的成功。业界认为5G移动通信可能从2020年开始登场，但是真正大范围部署预计要等到2025年。本文所畅想的5G应用场景，前途是光明的，但道路是曲折的。未来究竟会怎么样，让我们拭目以待。
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　　传统基站的无线接入设备，由供应商将网络功能软件直接集成在硬件上，被称为“黑盒子”。而白盒基站的无线接入设备，采用开源软件加通用硬件，可打破原有供应商依靠“黑盒子”形成的垄断