什么是5G通讯

  “5G”最近在社交媒体中是一个热门词。本人在微信中收到过不少朋友传来的关于5G的文章和视频，大多数是说到了5G时代许多科幻般的场景就会变成现实了，如无人驾驶，等等。例如有一个据说是中国工信部长的视频，他在视频中讲述了5G时代的场景：

  “早上醒来通过5G预订的无人驾驶车已经在等候你，接你去上班。在车上你可以通过5G通讯了解最新的世界大事。上班时通过5G与世界各地的客户开虚拟会议。甚至越来越多的人可以在家里上班。看足球赛直播时，每个人可以让摄像头跟踪自己喜欢的球员，360度全方位观看全息摄影的画面，……。”

  这些传说使大家对5G充满了神秘感。最近的消息告诉我们，5G这只“狼”终于要来了。世界各大无线网络运行商纷纷表示计划安装5G网络，早在今年下半年，迟到明年5G就会商用化了。这些消息使得有些网友纳闷，本来以为科幻般场景真的这么快地要实现了吗？在最近的春节聚会上，有朋友问我，5G有这么神奇吗？如果AT&T有了5G我们要换手机吗？我们能有什么新体验？要回答这些问题，先要澄清网上宣传的误区，还是从什么是通讯标准说起。由于本文是针对普通的手机用户，尽量使用通俗的语言作普及性的解释，避免使用技术术语。

1.  什么是无线通讯标准？

  中国有许多方言，南北方言相差甚远。如果苏州人对兰州人讲苏州话，兰州人听不懂，反之亦然。因此大家学普通话，彼此就能交流了。普通话就是中国人相互交流的标准。同样，在无线通讯中也需要参与通讯的各方按标准的规定才能交流。无论手机与座机通话还是手机与手机通话，手机必须与附近的基站建立无线通讯。用什么无线电技术，什么格式，什么时候可以发射和接收都需要有一个规定，这就是无线通讯的标准。一旦有了标准，各个手机制造厂，无线网络设备制造厂可以按标准研发产品，各个厂制造的产品可以相互交流。如果没有标准，各个厂家各自为政，那么它们产品无法互通，例如摩托罗拉的手机就无法与爱立信的基站通讯，这是无线通讯运行商不愿意看到的情况。

  在上世纪八十年代摩托罗拉发明了移动电话，俗称“大哥大”，开启了手机通讯的时代。那时虽然只有摩托罗拉一家，既造手机也造基站，手机与基站的通讯也有技术规范，因此它被叫作第一代无线通讯的标准，及“1G”（Generation – 代）。由于1G是基于模拟信号技术，只能满足语音通信，不能支持数据通信的要求，因此世界各个无线通讯设备公司，无线通讯技术公司和无线通讯运行商在一起开会，商定下一代（2G）的无线通讯标准，要到达什么技术目标，采用什么技术等等。采用什么技术牵涉到将来专利带来的利润，因此各公司尽量推荐自己的技术作为标准。所以标准的制定是一个漫长的过程，要开无数次的会议，最后通过投票决定每个细节。我曾经代表摩托罗拉参加过2G标准的其中一个工作委员会的标准制定工作，冗长的会议有点令人厌倦。2G有两个标准，一个是以美国高通的CDMA技术为基础的标准，后来主要被美国和韩国等地的运行商采用，如美国的Verizon。另一个标准叫GSM，被世界各地的运行商广泛采用，如AT&T，中国移动等。2G采用了数字技术，不仅能支持语音通话，还有短信功能，此功能在十多年前非常受欢迎，被用户广泛使用。那时的中国的电视节目通过短信与观众互动，运行商在短信业务上得到了丰厚的利润。十年前开始运用的3G也是数字技术，进一步提高了数据的传输速度，一般在125Kbps – 2Mbps,有了彩信功能，能传照片了。随之而来的应用是能接上互联网，但是多数是简化了的网页。3G催生了智能手机的诞生。3G有3种标准。除了2G发展而来的CDMA， WCDMA，还有在中国移动专用TD-CDMA。现在最新的标准是第四代。4G的标准“三国归晋”，统一一个标准LTE。现在AT&T和Verizon都用同一个4G标准。4G进一步提高了数据传输速度，可达到100Mbps，支持多媒体功能，从而支持了更多更强大的应用，如在线看视频，上传照片和视频，全功能地访问互联网网页，随之许多著名的手机社交应用程序得到了推广，如微信。

  以下表格概括了各代无线通讯标准的主要性能：

通讯标准	技术名称	主要技术指标	主要应用
1G	AMPS，NMT	模拟通讯	打电话
2G	GSM， CDMA	2G：2.7 / 9.6 Kbps 2.5G: 115–384 Kbps	打电话，短信
3G	WCDMA, CDMA2000, TD-CDMA	125 Kbps – 2 Mbps	打电话，短信，彩信，互联网接入
4G	LTE	100 Mbps	打电话，短信，彩信，互联网接入，多媒体应用（视频，音乐，照片）

2.  5G 标准

  知道了什么是无线通讯标准及其发展史，就比较容易回答什么是5G的问题了。5G就是即将来临的下一代无线通讯标准。它采用了更先进更复杂的无线电技术，从而可以支持更高的数据传输速度，除了能给用户带来更好的应用和体验外，还能支持“物联网”的应用的开发，例如在本文开头提到的那些场景。本文不详细介绍5G的技术细节，归纳主要的性能和指标如下：

• ·       数据传输速度：可达10 Gbps, 是4G的100倍。
• ·       低功耗：由于5G的基站覆盖区域小，手机的发射功率小，可以延长电池的续航时间。
• ·       低延迟：5G的延迟只有0.1ms,这为将来的对延迟有严格要求的实时应用提供了支持，例如无人驾驶。
• ·       高容量的无线通讯装置的接入：由于5G基站覆盖面积小，在一定的范围内用更多的基站来覆盖，因此可以允许更多的通讯装置入网。每平方公里范围内可以允许一百万个通讯装置接入。这儿的“装置”不仅指手机，而且指任何具有5G通讯功能的设备，如家庭的安全监护摄像机。将来要开发本文开始时提到的那些应用，会有比现在手机用户更多的无线通讯装置接入5G网。5G为这种“物联网”的应用提供了基础和支持。

  现在可以回答朋友的问题了。那些科幻般的应用场景不是5G标准本身直接提供的，但是5G的技术指标的制定考虑到了将来这些应用对通讯的需求，因而将为这些应用提供通讯的支持。就像有了4Ｇ，微信等社交媒体产生了，可以分享视频，照片。但是微信不是4Ｇ，不是由通信技术公司发明的。即使今年下半年5G网开通了，那些科幻般的应用不会马上实现。

  对手机用户来讲，在5G网络中，现在可预见的体验是可以在线看高清电影，下载一部高清电影只需几秒钟。不过你要买一款具有5G功能的新手机噢，否则即使将来AT&T开通了5G，你的手机“看”不到5G的基站，还是只能在4G网下运行。

  5G可能带来的变化还包括替代家庭的宽带接入。由于5G的数据传输速度远高于现在家庭的宽带接入的速度，家中的路由器可以直接连5G网，或者手机也可以承担路由器功能。这只是纯技术的考虑，能否实现关键在于5G上网收费会有多贵，如果比今天的4G贵或差不多，那么有线的宽带接入还会有市场的。

3.  5G与无人驾驶

  介绍了5G后顺便谈谈与5G相关的热门话题。人工智能（AI）是近几年来热门的科技话题，而“无人驾驶”是AI领域中最热门的科研项目。几乎所有国际知名的科技公司都在进行无人驾驶项目的研发。Uber 等公司的样车已经能上路试驾了。据说广州有一家公司已经将少量无人驾驶汽车投入试营业了。有朋友问道，现在讲起5G就提到无人驾驶。但是现在还没有5G，而有许多无人驾驶的报道，5G与无人驾驶到底有什么关系？这个问题问得好！点到了目前无人驾驶研发方向的要害。

  目前各公司的无人驾驶项目专注在现在的的汽车上装上摄像头和雷达以代替人的眼睛和耳朵，用电脑代替人的大脑，根据收集到的信息，AI的算法代替人脑作处相应决定，对刹车，油门，方向盘等控制器发出指令。收集信息的有效性，AI算法的实用性是各公司无人驾驶项目的竞争点。虽然有些无人驾驶汽车已近很接近使用了，但是这仅仅是一个实验，要全面推广，让AI真正代替人来驾驶还有很长的路要走。无人驾驶应该是一个全新的交通管理系统创新，而不是仅仅改造现有汽车的控制，每辆无人驾驶汽车各自为政，比拼谁的算法好。实际道路状况千变万化十分复杂。既然电脑代替了人，为什么不利用电脑之间可以通讯的优势呢？例如在道路交叉口的信号灯，红灯绿灯是给人的看的。既然电脑代替了人，为什么不直接将“红灯”或“绿灯”的电子信号发给附近的汽车？比起用摄像头识别信号灯和颜色，这种方式不是更可靠吗？甚至道路交通管理系统可以直接对每辆车发出行车指令，停或行，行车速度等。车与车之间也可以有通讯和协调。你在高速公路开车时，如果发觉后面的车跟得太近会感到不安全。人开车时无法与后面车的驾驶员沟通，而两辆车的电脑之间可以互发信息，协调距离。以上只是一小部分例子，我们头脑风暴一下，会想出许多使无人驾驶更安全更有效率的方案。这些都会用到5G通讯系统。可以预测，将来的交通管理系统会有一系列的通讯协议和标准。那时的无人驾驶汽车公司会按标准协议研发产品，就像今天的手机厂商按同一个标准制造出五花八门的手机。

  无人驾驶时代的来临，不仅要解决技术问题，还有许多法律和保险的课题要解决。将来买了辆无人驾驶汽车，车主需要买保险吗？还是由汽车公司买保险？保险公司按什么条件定保费？人的驾驶经验将不再是考虑的因素，按汽车公司的质量记录？假如两辆无人驾驶车发生交通事故，评判事故责任的方法是什么？等等。看来新的交通系统不仅是一个全新的技术工程，也是一个社会学的工程。

  我曾不止一次对朋友们，包括在谷歌研究AI的工程师讲过，设想当年英国发明蒸汽机的时候，假如那时的工程师只是埋头研究如何将蒸汽机装在马车上，代替马匹使马车跑得更快，那么就不会有今天的铁路交通系统。无人驾驶也一样，我们需要看得更远，着眼于创造一个全新的系统。如果只埋头在改造现有的汽车，将是没有出路的。

2019年2月12日