從1G到5G，移動通信發(fā)展之路

■吳軍

大部分人談到歷史的時候，關(guān)注的是國家的興衰、王朝的更替，往往忽視了科技的力量。

“文津圖書獎”得主、計算機(jī)專家吳軍博士新著《全球科技通史》，從科技視角串聯(lián)歷史，以能量和信息兩條主線，分遠(yuǎn)古科技、古代科技、近代科技和現(xiàn)代科技四個部分，詳細(xì)描述了數(shù)萬年來農(nóng)業(yè)、工業(yè)、天文、地理、生物、數(shù)學(xué)等各個領(lǐng)域關(guān)鍵性的人物、事件及意義，繪制了一幅科技驅(qū)動歷史的恢宏畫卷，展現(xiàn)了科技疊加式進(jìn)步的魅力。

本刊特請吳軍結(jié)合書中第九章《信息時代》，就目前人們普遍關(guān)注的5G問題，做一番深入淺出的解析。

1G

掌握標(biāo)準(zhǔn)，掌握行業(yè)制高點(diǎn)

我們先從1G說起。

世界上最早的民用移動通信電話是由摩托羅拉公司發(fā)明的。在1968年的消費(fèi)電子展(CES)上，最吸引眼球的是它推出的第一代商用移動電話的原型，當(dāng)時一部這樣的電話售價2000美元，重達(dá)9公斤。幾年后，當(dāng)它開始在市面上銷售時，“體重”降到了不到3公斤，但售價還是很貴。

設(shè)備要實(shí)現(xiàn)通信，還需要讓它們都遵守一套大家都認(rèn)可的信息編碼規(guī)范，這就是通信標(biāo)準(zhǔn)，這和發(fā)電報要有標(biāo)準(zhǔn)的電報碼是一樣的道理。沒有標(biāo)準(zhǔn)，彼此就沒法溝通，是雞同鴨講。

通信標(biāo)準(zhǔn)中有兩部分最重要：一是對信息的發(fā)送和接收的描述，比如打電話時大家用的電話號碼；二是對信息編碼的方式，比如文字就是對信息的一種編碼。好的信息編碼能保證盡可能高的信息傳輸率，接近信道的容量。

在移動通信的發(fā)展過程中，每隔十多年，就會出現(xiàn)一套新的通信標(biāo)準(zhǔn)。誰掌握了標(biāo)準(zhǔn)，誰就掌握了行業(yè)的制高點(diǎn)。在早期的移動通信中，標(biāo)準(zhǔn)是以摩托羅拉為主制定的，后來被稱為1G。

2G

手機(jī)越做越小

進(jìn)入上世紀(jì)80年代，諾基亞等公司開始研制新一代的移動通信設(shè)備，并且提出了新的移動通信標(biāo)準(zhǔn)，它們在1991年開始被投入使用，我們稱之為2G。

1G和2G有什么區(qū)別？從技術(shù)上講，1G是模擬電路，2G是數(shù)字電路；從外觀上看，2G手機(jī)比1G手機(jī)小很多，更省電，而且可以方便地收發(fā)短信。

為什么2G手機(jī)可以“瘦身”？因?yàn)閿?shù)字電路可以把更多的數(shù)字芯片集成起來，用一個專用芯片取代上百個舊芯片。在摩爾定律的影響下，這種技術(shù)進(jìn)步的疊加效應(yīng)更為明顯，手機(jī)越做越小。

2G取代1G是歷史的必然，諾基亞是2G時代的領(lǐng)航者。

3G

是個“半吊子”系統(tǒng)

2G手機(jī)只能打電話、發(fā)短信，上網(wǎng)很困難。3G的通信標(biāo)準(zhǔn)將信息的傳輸率提高了一個數(shù)量級，這是一個飛躍，它使得移動互聯(lián)網(wǎng)得以實(shí)現(xiàn)，從此手機(jī)打電話的功能降到了次要的位置，而數(shù)據(jù)通信，也就是上網(wǎng)，成為主要功能。

但是，從1G到3G都存在一個大問題，那就是上網(wǎng)用的移動通信的網(wǎng)絡(luò)和原來打電話用的通信網(wǎng)絡(luò)雖然能夠一定程度地融合，但本質(zhì)上還是彼此獨(dú)立的。

今天的人回頭來看這件事可能會覺得荒唐，但如果我們了解當(dāng)時移動通信和以AT&T(美國電話電報公司)為代表的傳統(tǒng)電信公司是多么水火不容，就不難理解這一點(diǎn)了。

水火不相容使得獨(dú)立的移動網(wǎng)絡(luò)無法受益于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速進(jìn)步。2G和3G時代用手機(jī)打一個電話實(shí)際上經(jīng)過的物理路徑很長。

3G的系統(tǒng)是半吊子系統(tǒng)，雖然標(biāo)示稱網(wǎng)速很高，但是實(shí)際網(wǎng)速并不快。

不過，4G很快就出現(xiàn)了。

4G

變快是結(jié)果，不是原因

4G有什么革命性的進(jìn)步呢？有人說是網(wǎng)速變快。但這是結(jié)果，不是原因。4G一方面使用了扁平的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，減少了端到端通信時信息轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)，同時增加了基站之間光纖的帶寬。

更重要的是，它同時利用了互聯(lián)網(wǎng)和電信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)進(jìn)步，這兩種技術(shù)的融合才使得4G的速度比3G快很多。但還不是完全統(tǒng)一，這是個重要的事實(shí)。

雖然4G時代從理論上講移動通信的網(wǎng)速可以變得很快，但如果很多人同時上網(wǎng)，它不僅不夠快，甚至都可能連不上去。

2018年，我在杭州參加全國計算機(jī)大會，參會者近萬，會場里無論是4G還是Wi-Fi，都不大管用，你如果拍張照片想在朋友圈分享，能否分享成功全憑運(yùn)氣。這一方面是因?yàn)榭偟木W(wǎng)速不夠快，另一方面是因?yàn)楹芏嗳送瑫r和基站通信，基站成了瓶頸。

通常，一個基站覆蓋范圍是1000米半徑(基站之間的距離一般為2至3公里)，正常情況下，這方圓一公里范圍內(nèi)的人不會都同時上網(wǎng)，因此分給每個上網(wǎng)的人的帶寬是夠用的，但當(dāng)大家都要發(fā)照片時，總的傳輸率超過了信道的總帶寬，根據(jù)香農(nóng)第二定律，出錯率是100%，于是大家都發(fā)不了。

客觀地講，4G在絕大部分時候是能夠滿足我們目前的上網(wǎng)需求的，但未來會有更多的智能設(shè)備登場，它們要同時上網(wǎng)，就會出現(xiàn)“會場擁堵”。

怎么解決這個問題？有人會想到繼續(xù)增加帶寬。這是一種自然而然、頗為合理的想法。雖然在4G基礎(chǔ)上增加2至3倍的帶寬并非難事，但如果想增加1至2個數(shù)量級就辦不到了。因?yàn)檫@一方面要求大大增加基站的功率，基站周圍就會因?yàn)殡姶挪ㄝ椛涮珡?qiáng)而變得不安全；另一方面，要想增加帶寬，就要增加通信的頻率范圍，但無線通信的頻率無法向下擴(kuò)展，只能向上擴(kuò)展，而無線電波的頻率越高，它繞過障礙物的能力就越差，當(dāng)它高到可見光的頻率時，你隨便用張紙就能擋住它，何況城市里林立的高樓。

怎么辦？最簡單的辦法就是在提高通信頻率的同時，把基站建得非常密，這樣就不怕被建筑物阻攔了。

5G

真正融合成一個網(wǎng)絡(luò)

基于上述想法，5G的概念就被提出來了。

相對4G是在1000米范圍內(nèi)建一個基站，5G是在百米半徑的范圍內(nèi)建基站，目前的方案是基站距離平均為兩三百米。

手機(jī)和基站的距離縮短，會帶來三個好處：建筑物干擾的問題得到解決；更少的人分享帶寬；由于基站通信范圍從1000米減少到100米，功率可以降低兩個數(shù)量級，這樣，基站周圍電磁波輻射也會大大降低。

當(dāng)5G的基站密集到兩三百米甚至不到100米就有一個的時候，我們家里或許就不需要安裝Wi-Fi了。這樣，互聯(lián)網(wǎng)和通信網(wǎng)絡(luò)才真正融合成一個網(wǎng)絡(luò)，這無疑將是一次通信的革命。

總結(jié)

每一代都有主導(dǎo)型公司

從1G到2G，實(shí)現(xiàn)了從模擬電路到數(shù)字電路的飛躍；

從2G到3G，實(shí)現(xiàn)了從語音通信到數(shù)據(jù)通信的飛躍；

從3G到4G，實(shí)現(xiàn)了移動通信網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)的融合，將云計算等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)用于移動通信，使得不同區(qū)域之間的流量能夠動態(tài)平衡，大大提高了帶寬的使用率；

從4G到5G，可以實(shí)現(xiàn)移動互聯(lián)網(wǎng)和有線互聯(lián)網(wǎng)的徹底融合。這樣，萬物互聯(lián)才會成為可能。

5G的到來會對我們的生活、工作產(chǎn)生哪些影響？首先，基站距離縮短到兩三百米，單位面積的基站密度就要比4G增加百倍，這是一個巨大的國家級的基礎(chǔ)架構(gòu)建設(shè)，從事基礎(chǔ)架構(gòu)建設(shè)的企業(yè)都將從中受益。所以，5G傳聞一出，連制造電線桿的企業(yè)股票都瘋漲了。

其次，任何致力于將各種網(wǎng)絡(luò)融合的努力都是順勢而為，任何試圖搭建一個獨(dú)立的、單純基于無線技術(shù)的努力都是逆流而動。數(shù)月前，有領(lǐng)導(dǎo)問我：以現(xiàn)在的技術(shù)再開發(fā)類似于銥星的通信系統(tǒng)，是否可行？我說完全沒有必要，因?yàn)槟鞘悄媪鞫鴦印?G到5G，將各種網(wǎng)絡(luò)融合是一個大趨勢。

再次，極快的網(wǎng)速可以刺激開發(fā)很多需要高速互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。

總結(jié)半個多世紀(jì)以來移動通信的發(fā)展歷程，我們只需記住四個要點(diǎn)：單位能量的信息傳輸率越來越高；網(wǎng)絡(luò)不斷融合；設(shè)備的輻射越來越小；每一代都會有新的主導(dǎo)型公司出現(xiàn)，1G是摩托羅拉，2G是諾基亞，3G、4G是蘋果、谷歌和高通，而5G是華為。

書摘

生活在今天的我們是幸運(yùn)的

我們正身處技術(shù)爆炸的時代。2017年全世界專利申請的數(shù)量超過800萬件。雖然這里面有不少水分，但是總數(shù)依然相當(dāng)驚人。如果再看專利的增長速度，則更為驚人。以世界上最難獲取的美國專利為例，2003—2015年的13年間，美國專利商標(biāo)局批準(zhǔn)了300萬項專利，這個數(shù)量超過了美國專利商標(biāo)局自1802年成立到2002年底200年間所批準(zhǔn)專利的總和。

除了專利申請量驚人，今天科技的另一個特點(diǎn)是讓我們感覺眼花繚亂。虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能、無人駕駛汽車、基因編輯、大數(shù)據(jù)醫(yī)療、區(qū)塊鏈和虛擬貨幣等，我們在媒體上每天都能看到這些概念，但是它們意味著什么？為什么會一夜之間冒出來？對我們的生活將產(chǎn)生什么影響？今后還會出現(xiàn)什么新的技術(shù)名詞？

科技進(jìn)步日新月異，不僅給我們帶來了好的生活，也讓當(dāng)下的人們產(chǎn)生了很多焦慮和恐懼。通常，人們的焦慮和恐懼源于對周圍的世界缺乏了解，對未來缺乏把控。要想緩解和消除這種焦慮和恐懼，需要搞清楚下面三件事情。

首先，科技在大宇宙時空中的地位和作用，即它在經(jīng)濟(jì)和社會生活中的角色，以及它在歷史上對文明進(jìn)程的推動作用。前者是從空間維度上看，后者是從時間維度上看。

從空間維度上看，科技在文明進(jìn)程中的作用是獨(dú)特的，是一種進(jìn)步的力量，這是毋庸置疑的。工業(yè)革命堪稱人類歷史上最偉大的事件之一。在工業(yè)革命之前，無論是東方還是西方，人均GDP都沒有本質(zhì)的變化。但工業(yè)革命發(fā)生后，人均GDP就突飛猛進(jìn)，在歐洲，200年間增加了50倍；而在中國，短短40年就增加了10多倍。因此，古今中外任何王侯將相的功績和工業(yè)革命相比都不值一提。而工業(yè)革命的發(fā)生，就是科學(xué)推動技術(shù)，再轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的結(jié)果。這是科技在經(jīng)濟(jì)和社會生活中的重要體現(xiàn)。

從時間維度上看，科技幾乎是世界上唯獨(dú)能夠獲得疊加性進(jìn)步的力量，因此，它的發(fā)展是不斷加速的。世界文明的成就體現(xiàn)在很多方面，從政治、法律到文學(xué)、藝術(shù)、音樂等，都有體現(xiàn)。雖然總體上講，文明是不斷進(jìn)步的，但是在很多方面，過去的成就并不能給未來帶來疊加性的進(jìn)步。比如在藝術(shù)方面，歷史上有很多高峰，后面的未必能超越前面的。今天沒有人敢說自己作曲超越貝多芬或者莫扎特，寫詩超越李白或者莎士比亞，繪畫超越米開朗琪羅。但是，今天任何一個三甲醫(yī)院的主治醫(yī)生都敢說他的醫(yī)術(shù)超過了50年前世界上最好的名醫(yī)。因?yàn)獒t(yī)學(xué)的進(jìn)步是積累的，現(xiàn)在的醫(yī)生不僅學(xué)到了50年前名醫(yī)的醫(yī)術(shù)精髓，而且掌握了過去名醫(yī)未知的治療手段。今天，一個大學(xué)生學(xué)會微積分中的牛頓—萊布尼茨公式只需要兩個小時，但是當(dāng)初牛頓與萊布尼茨花了10多年時間才確立了該公式。由于科技具有疊加式進(jìn)步的特點(diǎn)，我們對它的未來更加有把握。

其次，世界達(dá)到今天這樣的文明程度并非巧合，而是有著很多的歷史必然性。19世紀(jì)出現(xiàn)大量和機(jī)械、電力相關(guān)的技術(shù)，20世紀(jì)出現(xiàn)大量和信息相關(guān)的技術(shù)，接下來會出現(xiàn)很多和生物相關(guān)的技術(shù)，這些都是有內(nèi)在邏輯性的。當(dāng)我們?nèi)媪私饬丝萍荚谌祟愇拿靼l(fā)展的進(jìn)程中是怎樣一環(huán)扣一環(huán)地發(fā)展的，我們就能夠把握科技發(fā)展的內(nèi)在邏輯，做到自覺地、有效地發(fā)展科技。

最后，我們需要找到一條或者幾條主線，從空間維度了解科技的眾多領(lǐng)域及眾多分支之間的相互關(guān)系，從而了解科技的全貌，同時從時間維度理解科技發(fā)展的過程和規(guī)律。雖然不同的歷史學(xué)家、科技史學(xué)家和技術(shù)專家會給出不同的主線，但最本質(zhì)也最便于使用的兩條主線是能量和信息。這兩條主線也是組織本書內(nèi)容的線索。而采用能量和信息作為科技發(fā)展史的主線有兩個主要原因：其一，我們的世界本身就是由能量和信息構(gòu)成的；其二，它們可以量化科技發(fā)展水平，解釋清楚各種科技之間的關(guān)系。

生活在今天的人是非常幸運(yùn)的，因?yàn)樵谶@個時代，人類首次知道了宇宙時間的起點(diǎn)、地球生命的起點(diǎn)，以及人類文明的起點(diǎn)。當(dāng)然，歷史的很多進(jìn)程還需要我們不斷了解，接下來就讓我們圍繞能源和信息這兩根主線，看看人類是如何開啟文明，發(fā)展科學(xué)技術(shù)，并利用它們改變世界的。(摘自《全球科技通史》前言，有刪節(jié))

[責(zé)任編輯：楊凡、楊本敬]

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