深入探討5G的歷史、現(xiàn)在與未來

未來取決于連通性（connectivity）。從人工智能和自動(dòng)駕駛汽車到遠(yuǎn)程醫(yī)療和混合現(xiàn)實(shí)，再到迄今為止無法想象的技術(shù)，所有我們希望能夠讓我們的生活變得更容易、更安全、更健康的事情都需要高速、永遠(yuǎn)在線的互聯(lián)網(wǎng)連接。

先不用說流媒體視頻的泛濫，只是為了跟上新的連接設(shè)備和交通工具的爆炸式增長(zhǎng)，移動(dòng)產(chǎn)業(yè)都需要研發(fā)新的技術(shù)，這種技術(shù)名為5G——之所以這么命名，是因?yàn)樗堑谖宕鸁o線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

5G將為你的手機(jī)帶來10G/s 的速度。 這比當(dāng)今手機(jī)的4G 速度快了600多倍，比谷歌光纖提供的家庭寬帶服務(wù)快了10倍——速度足以在25秒內(nèi)下載一部4K高清電影，或者同時(shí)在線觀看幾部電影。

不管怎樣，美國運(yùn)營商承諾，到2020年，5G將在美國普及。但第一批5G網(wǎng)絡(luò)的速度不會(huì)這么快。5G不是單一的技術(shù)或標(biāo)準(zhǔn)，而是不同技術(shù)的組合，部署它們可能需要一種與構(gòu)建4G網(wǎng)絡(luò)完全不同的方法。

運(yùn)營商已經(jīng)推出了Demo和試點(diǎn)項(xiàng)目，展示了5G帶來的性能巨大飛躍。不過，速度最快的，還是基于“毫米波”（millimeter wave）技術(shù)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，但這種技術(shù)可能在未來幾年內(nèi)不會(huì)被廣泛使用。

與此同時(shí)，運(yùn)營商可能會(huì)建立基于其他技術(shù)的5G網(wǎng)絡(luò)，這些技術(shù)比現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)更快，但可以在很大程度上依賴現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施。

5G不僅僅是速度提升；5G技術(shù)還應(yīng)該能夠幾乎實(shí)時(shí)地服務(wù)大量設(shè)備。這是至關(guān)重要的，因?yàn)樵谖磥韼啄?，?lián)網(wǎng)的汽車、環(huán)境傳感器、恒溫器和其他設(shè)備的數(shù)量將會(huì)大幅度增加。

5G的率先部署非常重要。 美國各行各業(yè)的行業(yè)專家和政治家都警告稱，如果中國或其它國家能夠更快地為5G部署奠定基礎(chǔ)，美國公司可能會(huì)落后。

為了到2020年實(shí)現(xiàn)全國范圍內(nèi)部署5G的目標(biāo)，政府必須向運(yùn)營商開放更多的無線頻譜; 運(yùn)營商必須迅速擴(kuò)展其基礎(chǔ)設(shè)施; 硬件制造商需要?jiǎng)?chuàng)造新一代的設(shè)備，準(zhǔn)備好應(yīng)對(duì)5G浪潮。

我們是如何從1G到5G的？

第一代移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)，建于20世紀(jì)70年代末和80年代，是基于模擬技術(shù)的。聲音未經(jīng)加密通過無線電波傳送，任何人都可以使用現(xiàn)成的組件竊聽對(duì)話。

第二代移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)建于20世紀(jì)90年代，是基于數(shù)字化技術(shù)的——使得加密通話成為可能，無線頻譜的利用也更有效；同時(shí)，撥號(hào)互聯(lián)網(wǎng)或早期DSL服務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸也成為可能。

第三代移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)給數(shù)字網(wǎng)絡(luò)帶來了帶寬提升，并帶來了智能手機(jī)革命。

無線頻譜，指的是不同無線電波頻率的整個(gè)范圍，從最低頻率到最高頻率。美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）規(guī)定了誰可以使用頻率的哪些范圍或“波段”，以及用于什么目的，以防止不同用戶干擾彼此的信號(hào)。

傳統(tǒng)上，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)主要依賴低頻段和中頻段，這些頻段可以很容易地覆蓋很大的范圍并穿越墻壁。但現(xiàn)在這些頻段已經(jīng)非常擁擠，以至于運(yùn)營商開始轉(zhuǎn)向更高的頻譜范圍。

第一批3G網(wǎng)絡(luò)是在21世紀(jì)初建立的，但是它們?cè)诿绹耐茝V速度很慢。人們很容易忘記，當(dāng)最初的iPhone在2007年發(fā)布時(shí)，它甚至不支持3G速度，更不用說4G了。

當(dāng)時(shí)，芬蘭公司諾基亞仍然是世界上最大的手機(jī)制造商，這在很大程度上要?dú)w功于歐洲在2G部署和采用方面的領(lǐng)先地位。與此同時(shí)，日本在3G覆蓋和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)使用方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于美國。

但是在2008年7月，第一批支持3G功能的iPhone進(jìn)入人們的口袋后不久，美國的應(yīng)用經(jīng)濟(jì)就真正開始了。 那個(gè)月，蘋果發(fā)布了App Store，幾個(gè)月后，第一批使用谷歌 Android 操作系統(tǒng)的手機(jī)開始在美國上市。

很快，曾經(jīng)被視為奢侈品的智能手機(jī)被認(rèn)為是必需品，因?yàn)樘O果和谷歌推廣了這些設(shè)備，而 Facebook 給了人們一個(gè)留在這些設(shè)備上的理由。

在蘋果和谷歌以及 Facebook 等應(yīng)用的推動(dòng)下，美國率先轉(zhuǎn)向了4G，隨著運(yùn)營商擴(kuò)張和升級(jí)網(wǎng)絡(luò)，這帶來了巨大的就業(yè)和創(chuàng)新增長(zhǎng)。

與此同時(shí)，由于美國公司為應(yīng)用程序經(jīng)濟(jì)設(shè)定議程，諾基亞和日本手機(jī)制造商開始在智能手機(jī)行業(yè)失去市場(chǎng)份額。

世界各地的運(yùn)營商已經(jīng)開始為5G構(gòu)建測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，盡管這項(xiàng)技術(shù)的核心規(guī)范始于2011年，直到2018年6月才完成。

然而，很難確定實(shí)際正在測(cè)試的是什么。例如，去年AT&T宣布將在20個(gè)城市推出名為“5G Evolution”的產(chǎn)品，但批評(píng)人士稱這種5G品牌具有欺騙性，因?yàn)锳T&T在這些網(wǎng)絡(luò)中使用的技術(shù)，實(shí)際上就是競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手T-Mobile 已經(jīng)在使用的4G 技術(shù)。

與此同時(shí)，包括AT&T在內(nèi)的運(yùn)營商正在測(cè)試高速“毫米波”網(wǎng)絡(luò)。盡管今天的智能手機(jī)無法連接到5G網(wǎng)絡(luò)，但由于Verizon推出了“5G Home”服務(wù)，消費(fèi)者終于有機(jī)會(huì)體驗(yàn)到5G了。

但這個(gè)服務(wù)提供的是固定無線服務(wù)，而非無線的。

5G的未來

運(yùn)營商、電子產(chǎn)品制造商和一些政界人士擔(dān)心，如果美國推出5G的速度太慢，就會(huì)重蹈歐洲和日本的移動(dòng)產(chǎn)業(yè)的覆轍。

美國尤其擔(dān)心中國，2018年1月泄露的一份美國國家安全委員會(huì)文件證明了這一點(diǎn)，這個(gè)文件提議，建立一個(gè)國有化的5G網(wǎng)絡(luò)，以對(duì)私營公司進(jìn)行補(bǔ)充。

人們擔(dān)心，如果中國率先采用5G網(wǎng)絡(luò)，其蓬勃發(fā)展的科技產(chǎn)業(yè)將創(chuàng)造下一個(gè)全球移動(dòng)平臺(tái)；5G也可以讓中國在人工智能競(jìng)賽中占據(jù)優(yōu)勢(shì)。

連接到網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備越多，數(shù)據(jù)就越多。用于訓(xùn)練算法的數(shù)據(jù)更多可能意味著更好的人工智能應(yīng)用。

為了更快地建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)，電信行業(yè)宣稱，它需要獲得使用更多無線頻率的授權(quán)，在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面，也需要更少的監(jiān)管。

最常見的5G概念是毫米波技術(shù)，它利用了無線頻譜的高頻段，那里有大量未使用的帶寬。

正是這種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)10G的速度，但是這需要付出巨大的代價(jià)。 毫米波信號(hào)在長(zhǎng)距離上不太可靠，很容易被樹木、人甚至雨水等障礙物干擾。

為了實(shí)現(xiàn)移動(dòng)應(yīng)用，運(yùn)營商需要在城市中部署大量的小型接入點(diǎn)，而不是像今天這樣依賴幾個(gè)大型的基站就夠了。

毫米波接入點(diǎn)可能會(huì)變得像煙霧探測(cè)器一樣小，但實(shí)際上它們需要無處不在。就像你家里的Wi-Fi路由器一樣，這些接入點(diǎn)需要連接到有線網(wǎng)絡(luò)中。

部署所有這些額外的接入點(diǎn)并將它們連接到互聯(lián)網(wǎng)將會(huì)很昂貴，也會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間。

為了抵消這些成本，無線行業(yè)正在尋找技術(shù)解決方案。

例如，包括Facebook和一些電信公司在內(nèi)的電信基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目正在開發(fā)一種名為Terragraph的天線，這種天線可以讓無線接入點(diǎn)相互連接，而不是完全依賴有線連接來進(jìn)行回程。

一項(xiàng)對(duì)Verizon在休斯頓的試點(diǎn)5G網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立研究發(fā)現(xiàn)，毫米波比預(yù)期的更有彈性，但是全國范圍內(nèi)的毫米波網(wǎng)絡(luò)可能需要幾年時(shí)間才能建成。

因此，世界各地的運(yùn)營商現(xiàn)在轉(zhuǎn)向無線頻譜的“中頻段”，其中包括Wi-Fi路由器和一些移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)使用的頻段。它不如高頻段快，因?yàn)榭捎脦捀伲切盘?hào)可以傳播得更遠(yuǎn)、更可靠，這使得使用大型發(fā)射塔覆蓋區(qū)域成為可能。

FCC已經(jīng)批準(zhǔn)了一些提案，允許運(yùn)營商使用一些目前用于軍用雷達(dá)和衛(wèi)星通信的中頻段頻譜，但美國落后于已開始拍賣中頻段頻譜的韓國，還落后于中國，后者為5G保留了大量中頻段頻譜。

FCC還計(jì)劃拍賣更多的高頻段頻譜，并正在推進(jìn)拍賣中頻段頻譜的提議。但是根據(jù)Recon Analytics的數(shù)據(jù)，運(yùn)營商從購買使用頻譜的授權(quán)到實(shí)際使用頻譜可能需要幾個(gè)月或幾年的時(shí)間，因?yàn)樯?jí)現(xiàn)有的基站需要時(shí)間。

這一過程不僅涉及體力勞動(dòng)，而且要得到州或地方政府的授權(quán)。

消費(fèi)者權(quán)益保護(hù)者擔(dān)心，對(duì)5G的狂熱正在破壞公眾對(duì)無線行業(yè)的監(jiān)督。例如，F(xiàn)CC在2017年取消了其網(wǎng)絡(luò)中立保護(hù)，令人懷疑的是，更少的監(jiān)管會(huì)導(dǎo)致對(duì)5G和其他寬帶基礎(chǔ)設(shè)施的更多投資。

2018年，它以幫助運(yùn)營商更快地建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)為由，投票否決了州和地方關(guān)于無線設(shè)備放置的規(guī)定。與此同時(shí)，T-Mobile和Sprint正在推動(dòng)監(jiān)管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)這兩家公司的合并，理由是它們將能夠更快、更高效地部署5G。

更少的監(jiān)管和更少的運(yùn)營商可能會(huì)導(dǎo)致5G使用價(jià)格，選擇也更少。

消費(fèi)者組織Public Knowledg的副總裁哈羅德·費(fèi)爾德（Harold Feld）警告說，如果沒有監(jiān)管，運(yùn)營商可能會(huì)選擇不在低收入或農(nóng)村地區(qū)建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)檫@可能會(huì)降低利潤(rùn)率。

即使5G立即可用，市場(chǎng)上也很少有設(shè)備可以利用它。

中國制造的小米MIX 3智能手機(jī)（5G版）和摩托羅拉的5G Moto Mod預(yù)計(jì)將于2019年上市。蘋果預(yù)計(jì)在2020年之前不會(huì)發(fā)布5G手機(jī)。

所以，5G仍然讓人感覺很遙遠(yuǎn)。但是這些碎片正在拼湊在一起。

One More Thing：名詞解釋

頻譜（The Spectrum）

無線電波頻率，從最低頻率(3kHz)到最高頻率(300GHz)。 FCC規(guī)定了誰可以使用頻率的范圍或頻帶，以防止用戶信號(hào)互相干擾。

低頻段（Low-Band Frequencies）

低于1GHz的頻段，傳統(tǒng)上用于廣播電臺(tái)、電視以及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)；它們很容易覆蓋很大的范圍，并穿過墻壁，但是現(xiàn)在這些頻段太擁擠了，以至于運(yùn)營商正轉(zhuǎn)向更高的頻譜范圍。

中頻段（Mid-Band Spectrum）

范圍從1GHz到6GHz，用于藍(lán)牙、Wi-Fi、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和許多其他應(yīng)用。它對(duì)運(yùn)營商很有吸引力，因?yàn)樗峁┝舜罅繋?，與毫米波頻段范圍相比，挑戰(zhàn)更少。問題是FCC需要向運(yùn)營商開放更多的頻譜。

毫米波

24 GHz或30 GHz以上的無線頻譜范圍，這取決于你問誰。這是頻譜中相對(duì)不擁擠的部分，有足夠的帶寬，這意味著運(yùn)營商可以實(shí)現(xiàn)更快的速度。但是毫米波信號(hào)在長(zhǎng)距離上不太可靠。

未授權(quán)的頻譜（Unlicensed Spectrum）

未授權(quán)給特定運(yùn)營商的頻譜，例如現(xiàn)在用于家庭Wi-Fi的范圍。運(yùn)營商計(jì)劃通過在未授權(quán)的頻段上提供服務(wù)來擴(kuò)大他們的授權(quán)頻譜。

延遲（Latency）

設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)其他設(shè)備需要多長(zhǎng)時(shí)間。更快的響應(yīng)時(shí)間是5G的一大優(yōu)勢(shì)，這對(duì)于緊急警報(bào)系統(tǒng)或自動(dòng)駕駛汽車來說是至關(guān)重要的。

網(wǎng)絡(luò)分層（Network Slicing）

在一家運(yùn)營商的基礎(chǔ)設(shè)施上創(chuàng)建“虛擬網(wǎng)絡(luò)”的做法，每個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施都有不同的屬性。例如，汽車可以連接到一個(gè)能夠使延遲最小化的虛擬網(wǎng)絡(luò)，而智能手機(jī)可以連接到為流式視頻優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)。