5G：一场广泛而深刻的通信变革

5G：一场广泛而深刻的通信变革

​2019年6月6日工信部向中国移动、中国电信、中国联通和中国广电四家公司颁发了5G运营牌照，2019年成为了我国的5G元年。

近年来，美国政府把打压华为的5G市场作为一个重要的手段。而任正非在接受法国《观点》周刊采访时声称：“5G应用以后你就知道，将来美国可能是落后国家。”

5G真的有这么重要吗？5G真的对经济发展有这么大的作用吗？ 3G和4G出现无非是让人们更多地使用手机来获取资讯、购物、社交和打游戏，5G究竟能给人们的生活带来什么样的变化，竟成为了全球瞩目的焦点？

今天，铁哥首先带领大家来追溯一下移动通信的发展历史，回顾1G、2G、3G和4G对人们生活的影响，然后再来谈谈5G与它的前辈们相比，有什么不同。​

蜂窝移动通信系统

5G的全称是“第五代蜂窝移动通信系统”。什么是“蜂窝移动通信系统”呢？原来，在移动通信技术发展的早期阶段，都是采用大区制通信方式的。所谓大区制，就是一个基站的覆盖范围非常大，一般可以达到几十公里甚至上百公里的覆盖半径。这样，在一个城市建设一个基站就可以了。这种大区制通信系统的好处是建设成本低，但是它有一个致命的缺点，就是网络容量很小——由于频率资源的限制，一个基站只能容纳几十至几千用户。

随着移动用户数量的增加，人们开始寻求增加网络容量的方法。在上个世纪60年代，美国贝尔实验室提出了蜂窝系统的概念，其主要思想包括三个方面的内容：

（1）    由众多的小功率发射机替代大功率发射机，每个发射机只提供较小范围的无线覆盖（覆盖半径从几百米至几公里）；

（2）    每个基站分配可用频率资源的一部分，相邻和相近基站分配的频点各不相同；

（3）    距离较远的基站可以重复使用相同的频点，并保证同频干扰处于系统可容忍的水平。

采用这样的组网方式，一个城市将由许多基站来覆盖，频率在网络中可以重复使用，从而在有限的频谱资源上提供较大的容量。

图1 蜂窝移动通信系统的几何模型

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1-4G蜂窝移动通信系统

第一代蜂窝移动通信系统（1G）最早出现于美国，称为AMPS。随后欧洲的一些国家和日本等相继推出了自己的1G系统。中国于1987年引进了英国的TACS系统组建1G网络，其手机在我国俗称为“大哥大”。1G系统首次实现了真正意义上的公众移动通信，其网络覆盖了全球众多的国家和地区。

图2 大哥大—1G手机

但是1G系统有其明显的不足之处，如：采用模拟制式，系统抗干扰能力较差，语音质量不高；技术标准不统一，使用的频段也不同，使得用户无法在不同国家之间漫游；功能简单，只能传输语音业务；通信保密性差等。

随着数字通信技术的发展，2G系统应运而生。大家所熟知的GSM是由欧洲电信标准协会（ETSI）开发的，也是全球应用最为广泛的2G系统（从1991年第一个GSM网络开通至今，它仍然承载了全球大部分移动用户的语音业务，其生命力不可谓不顽强啊）。其实，最早出现的2G系统并不是GSM，而是美国的DAMPS。但是，DAMPS推广不利，被GSM后来者居上了。GSM之后的2G新星则是同样大名鼎鼎的IS-95CDMA 系统。凭借着优良的通信质量以及低辐射、高保密性等特点，IS-95系统在GSM几乎一统天下的江湖中抢占了一席之地。

IS-95 CDMA系统是美国的高通公司开发的，在此之前，高通不过是一个默默无闻的小公司而已。如今的情况大家都看到了，高通已经成为了通信业界少数的几个“大哥大”级的公司。

相比于1G，2G系统最大的优势是语音质量高、抗干扰能力强、网络容量进一步增大、成本大幅降低，这都是数字化带来的红利。但人类的欲望是无止境的，当语音移动通信的问题被几乎完美地解决后，人们又在琢磨：能不能用手机上网呢？能不能用手机发图片呢？能不能用手机看电影、追剧呢？于是通信业的专家们开始在2G系统的基础上添添补补，增强它们的数据传输能力，这就是所谓的B2G（后2G）系统。如GPRS、EDGE、CDMA2000 1X等。

然而，再好的三轮车依然是三轮车，永远也赶不上汽车的速度。最好的B2G网络所能达到的实际网速也就是100kbps左右，用这网速追剧显然是力不从心。于是国际电信联盟（ITU）开始制定3G移动通信标准。

在3G时代，高通公司成为了最大的赢家。3G的三个国际标准WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA，都是基于CDMA技术开发的。3G的典型网速可以达到几Mbps至几十Mbps。在此期间，智能手机横空出世了。人们发现，手机不仅可以用来打电话，还能打游戏、购物、聊天、追剧……。人们的很多生活习惯被一部小小的手机改变了。

2011年，ITU推出了4G标准：LTE FDD、TD-LTE和802.16m。4G的网速更快了，游戏画面更流畅了，追剧更爽了，手机上的APP更多了。但与3G相比，4G在业务方面并未产生革命性的变革。

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5G来了

2018年6月，5G NR独立组网标准冻结，标志着5G时代的来临。5G仅仅是比4G的网速更快吗？绝非如此。5G不仅提供了极高的网速，而且将网络时延、可靠性、容量等性能大幅提升，使得5G成为一个万物互联的平台，从而可以极大地推动大量相关产业的发展。

中国信息通信研究院在其研究报告中称：“第五代移动通信技术（5G）正在阔步前行，它将以全新的网络架构，提供至少十倍于4G 的峰值速率、毫秒级的传输时延和千亿级的连接能力，开启万物广泛互联、人机深度交互的新时代。”中国电信在其《5G技术白皮书》中也写道：“5G将是引领科技创新、实现产业升级、发展新经济的基础性平台”。

通信业界为何对5G技术给予如此高的评价、寄予如此厚望？我们不妨从5G标准中所定义的三大应用场景—eMBB（增强移动宽带）、mMTC（海量大连接）、URLLC（低时延高可靠）来略窥端倪。

（1）eMBB：eMBB面向大流量的移动数据业务需求，其典型应用包括超高清视频、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）等。

所谓VR，是指利用计算机技术生成模拟环境，此模拟环境可以支持人对真实环境的一切感知，包括视觉、听觉、触觉、力觉、运动，甚至味觉、嗅觉等。AR是指通过计算机技术将虚拟信息叠加到真实的世界被人类感知，从而使人类得到超越现实的感官体验。VR和VR技术可以广泛应用在医疗、房地产、室内设计、娱乐、军事、航天等领域。

5G技术可应用于VR/AR，使其实现高质量的云化结构。云化VR/AR将大量的计算放置在云端进行，使得终端的复杂度被大大简化、成本降低，有利于VR/AR技术的普及。而5G网络凭借其高速率、低时延成为云端和终端之间进行数据传输的优质媒介。

例如，在本地进行的渲染，受限于终端GPU（图形处理器）的计算能力，分辨率仅可达到2K-4K，帧率在30fps-60fps之间。在4G网络下，通过采用4G网络传输和云端渲染，渲染能力平均可以达到4K分辨率、90fps。在5G网络下，有望将渲染能力进一步提升至8K分辨率、120fps。

（2）mMTC：物联网是信息技术发展的重要组成部分，其特点是利用通信技术将物品与网络连接，从而实现人机互连、物物互连的智能化网络。mMTC主要面向物联网的应用，具有广覆盖、低成本、低功耗、支持海量连接的特点，能够很好地满足物联网的数据传输需要。mMTC典型应用包括智慧城市、智能家居、交通运输、农业传感等。

例如，使用5G网络将家中的智能家电连接，可使主人随时了解家中设备的运行状态。通过智能分析，主人可预知设备即将发生的故障，便于及时进行处理。

在农业生产中，了解农作物的生长状态和环境参数非常重要。利用5G网络可将传感器采集的相关数据回传，利于及时采取相应的措施，保证农作物健康生长。

（3）URLLC：URLLC主要面向时延极其敏感、并要求高可靠性的业务，典型应用包括智能制造、无人机控制、自动驾驶、智能交通、远程医疗等。

在工业制造领域，5G网络支持企业实现多用户和多业务的隔离和保护，并能满足工厂内信息采集以及大规模机器间通信的需求，可以实现远程问题定位以及跨工厂、跨地域远程遥控和设备维护。5G网络的高可靠性和低时延可实现工业机器人之间以及工业机器人与机器设备之间精准高效的互动和协调，并可满足工业机器人的灵活移动性和差异化业务处理的高要求，提供涵盖供应链、生产车间和产品的全生命周期服务。

自动驾驶是汽车行业一项新兴的技术。自动驾驶不仅可以使人类免于驾驶汽车的辛苦，还可以减少道路拥堵、降低燃料消耗，而且自动驾驶比人类驾驶更为安全。但自动驾驶技术的进展很大程度上取决于汽车之间以及汽车与交通设施之间进行通信的能力，其通信时延要求降低到毫秒级，目前的通信网络难以满足这一要求。而5G网络可以实现毫秒级时延及高可靠性，使自动驾驶的车辆能够更快地应对各种不断变化的情况，做出正确的反应。

由此可以看到，5G技术的应用，将不再局限于用户间的通信联系以及个人用户的信息获取，而是涉及到了诸多行业，满足各种行业应用的通信需求，从而推动整个社会的智能化进程，这将是一场广泛而深刻的通信变革。

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