5G真的改變社會嗎?（上）

章池生

有人說2019年是5G商用元年，原來只有通信行業關注的5G突然變成了媒體熱點，頻頻登上頭條。5G概念從專業領域走進普羅大眾視野。

自媒體和專家經常引用一句話“4G改變生活，5G改變社會”，喧囂浮躁的媒體說對了嗎？5G真的能夠改變社會嗎？答案既是肯定的，又存在著許多變數。為什么？不妨讓我們從人類信息傳輸的發展史說起。

信息傳輸，由香農開始

有線通信與無線通信+

“這里是FMl03.8交通頻道……”這句話聽起來熟悉嗎？無論是已經淪為“古董”的轉盤撥號電話還是越來越罕見的AM/FM廣播收音機;無論過去撥號沖浪必備的“貓”還是現在可以移動上網的智能手機……作為通信設備，它們都遵循著通信行業的祖師爺——·香農的信息論原理。

在香農的信息論原理中，提出了一個信息傳輸模型。模型中，通信包含三個要素：信源、信道和信宿。

利用電話線、同軸電纜、光纖作為信道介質是有線通信，利用電磁波傳播的就是無線通信。怎樣利用電磁波來實現通信？最基本方法就是把包含信息的信號加載到載波（一個正弦波）之上。這個過程稱為調制，反向的過程則稱為解調。

模擬信號與數字信號+

早在19世紀70年代，從美國人貝爾（大名鼎鼎的貝爾實驗室就是以他命名）發明電話開始，人類就開始利電磁波傳播信號。例如利用電磁波振幅的調制技術：信號強，發送的電磁波振幅增大;如果接收的電磁波振幅小，則意味信號弱，輸出話音小。這種技術被稱為調幅（AM）。而如果利用電磁波頻率來表征信號，則稱為調頻（FM）。

無論調幅還是調頻，都是把模擬的物理量，作為信號加載到載波上。然而，模擬通信有個本質缺陷：信號在傳播過程中損耗極大。

畢竟無線通信條件非常惡劣，傳輸過程中充滿了電磁波特性造成的傳輸衰落、路徑損耗。再加上多徑效應、遠近效應、多普勒效應，以及各種噪聲干擾。隨著信息傳輸距離的增長，損耗越來越嚴重，最終導致解調信號極度失真。所以無線傳輸誕生很長一段時間內，人們一直受到遠距離無線傳輸信號質量差的困擾。

這個問題直到20世紀40年代·PCM技術誕生后，才得以解決。其思路是把模擬量信號變成離散的O和1二進制數字，然后再加載到載波上。除此之外，在傳輸信道上加入解碼與編碼過程。這樣就使得由O和1構成的二進制數字編碼信息，在信道中傳輸時，即使有所損耗失真，也很容易被無損解碼，然后重新調制，恢復原狀。在信道中，通過一段接一段地“解碼一重調制”過程無限中繼，使得長距離通信，特別是高帶寬通信成為可能。

而我們現在使用的無線移動通信，都是采用的數字通信模式。

頻分多址、時分多址與碼分多址+

以上介紹的原理，都是基于“信源——信宿”的單線簡化通信模式。但是在現實中的大型移動通信系統，每一個通信結點既是信源又是信宿，形成的是多點對多點的網狀復雜通信模式。這時候，就涉及了多址技術，顧名思義，就是在無線通信網絡中不同結點地址的區分識別的技術。

多址技術可以通過不同的方式實現：在同一時間，不同的手機利用不同的頻率和其他手機通信，叫頻分多址（FDMA）;在同一頻率上，不同的手機利用不同的時間間隔輪流和其他手機通信，叫時分多址（TDMA）;同一時間同一頻率，不同的手機利用編碼區分不同的通信對象，則是碼分多址（CDMA）。3G的核心技術就是圍繞CDMA展開的，4G采用的核心技術則是正交頻分多址OFDMA。

有了以上的基礎框架和各種技術支撐，科學家和工程師們不斷研發各種新技術突破，從而推動整個移動通信系統一次又一次升級換代，向前演進。

波瀾壯闊的5G前時代+

無論3G、4G還是5G，這其中的G代表Generation（代）的意思。5G指的是第五代移動通信技術，它是目前主流4G網絡下一代升級。說起5G，咱們先捋一捋5G之前各個時代無線通信技術的變革，其實從1 G發展到5G無非就是上述各種基礎技術不斷突破。

1G時代模擬移動通信+

看過上世紀末古早港片的同學，應該對劇中黑社會老大拿在手里特別拉風，扔出去還可以砸死人的手機有著深刻印象。那時候的手機，體積有一個磚頭大小，在有線電話與尋呼機還是主流的社會中，堪稱霸氣外露的奢侈品。因此，在國內還有一個霸氣的別名——“大哥大”。

而“大哥大”所代表的時代，就是移動通信的1G時代。

20世紀70年代，作為全球美國曾經通信行業以及半導體行業圣地的AT&T貝爾實驗室，就推出了蜂窩通信系統。之后無線通信行業的先鋒——美國摩托羅拉公司，20世紀80年代初推出了基于模擬通信技術的第一代移動通信系統AMPS。它采用濾波器實現頻分多址（FDMA）技術，短時間內橫掃市場，取代了尋呼系統。

在那個時間段，西歐跟進推出類似的TACS系統，加上北歐的NMT、日本的PCS，統稱為1G。摩托羅拉是1G時代的霸主，占有超過50%市場份額。

2G時代數字移動通信+

因為模擬通信的先天不足，存在話音質量低、保密性不夠等問題，市場急需新的無線通信技術。隨著大規模集成電路與數字信號處理技術出現，到了20世紀90年代，眾多歐洲國家成立電信標準組織，推出了·GSM系統。它的顯著特征是采用前文中提到的數字編解碼，取代模擬信號以提升通話質量。這時的通信技術采用了時分多址技術（TDMA），將一個頻率同時分給八個手機輪流占用信道，擴大系統容量。GSM的大規模運用宣告2G時代到來。

在2G時代，盡管摩托羅拉在全球移動通信市場仍然占據巨大份額，但由于公司里模擬通信部門的強勢，讓它延誤了技術革新的先機。反而是歐洲的愛立信、諾基亞、阿爾卡特等公司，借助數字移動通信技術普及的大勢迎頭趕上。從此移動通信行業進入戰國群雄逐鹿，多頭爭霸的局面。

值得一提的是此時有一個“小玩家”高通公司。它把用于軍事通訊領域的碼分多址技術（CDMA）“軍轉民”，在同一頻率上采用不同編碼尋址多個手機。這一技術可以使無線信道傳輸容量比起TDMA提升一個數量級，語音質量更好。高通試圖用這一技術挑戰2G時代主流的GSM標準，可惜未能成功。不過當時韓國支持高通，在其國內建立了CDMA|S-95系統標準。為下一個時代，高通和三星的崛起埋下伏筆。

3G時代移動互聯網+

到了20世紀末，隨著互聯網蓬勃發展，人們已經不滿足于僅僅用手機實現通話功能，移動上網業務成為緊迫的剛需。雖然在2G時代后期，各大技術廠家基于GSM標準，先后開發了·GPRS（2.5G）、EDGE（2.75G）手機上網技術，但是受限于TDMA技術的信道帶寬利用率，當時人們利用手機上網的體驗就一個字：卡。

這時候，之前并不太受市場待見的CDMA技術開始崛起。

在CDMA通信系統中，多個信源傳輸的信號不依靠不同的頻率或時間區分，而是用不同的編碼序列區分。這使得多個CDMA信號在同一信道中可以互相重疊傳輸，每個信號都能完全利用傳輸信道的帶寬，極大地提高了信道帶寬的利用率。

再加上當時由法國電信發明，通信史上一個里程碑——Turbo碼的誕生，讓移動通信傳輸帶寬利用率第一次逼近了香農定理計算的信道帶寬上限，移動網速也從2G時代低于64Kbps（干比特每秒）將提高到2Mbps（兆比特每秒），為未來iPhone帶來的智能手機革命做好了準備。

不過，由于商業以及政治因素，3G技術在全球并未形成統一標準，而是演變成了三大標準“三國演義”局面：以歐洲幾大通訊巨頭為主的3GPP組織，繼承GSM推出的WCDMA;以北美和韓國主導的3GPP2組織力推CDMA2000;而咱們中國，則搞出了我們自己的技術標準——TD-SCDMA。

而在這個過程中，2G時代的“新手玩家”高通公司，借助CDMA技術專利和芯片授權崛起，在三大標準中利益均沾，是3G時代技術博弈的最成功案例。

4G時代智能手機革命+

3G時代，高通憑著在CDMA上的提前布局，獲得了專利上的霸權，招來所有企業乃至政府的一致警惕。但是打破高通霸權的，卻不是之前與其競爭的幾大公司，而是一個專業技術組織IEEE（電氣電子工程師學會），它在20世紀末搞出了一個·WiMax標準。

WiMax標準不再使用CDMA技術，而使用了OFDMA（正交頻分多址）技術，不但可以繼續提升傳輸速率10倍，而且從根本上克服CDMA的自干擾缺陷，簡化了系統設計，繞過高通的CDMA專利壁壘。

雖然后來WiMax標準受到由3GPP組織研發的·LTE以及LTE-Advanced沖擊，沒能成為主流移動通信標準。但是后者卻是繼承了OFDMA的技術理念，并將其發揚光大。之后全球主流運營商和技術供應商紛紛跟進，放棄CDMA，采用LTE-Advanced。3G時代未能通過協商統一的標準，4G時代在市場驅動下逐步走向統一。

4G時代另一個顯著變化是，因為高速數據流量為智能手機上網提供了條件，所以通信網絡企業開始退居幕后，智能手機企業走向舞臺中央。摩托羅拉、諾基亞、愛立信的手機業務被蘋果公司iPhone徹底擊敗，退出歷史，蘋果一舉成為智能手機時代的大贏家。三星、谷歌也借助安卓手機成為大贏家。華為公司利用其他通信網絡企業衰退和自身智能手機業務興起，成了4G時代第一陣營的大玩家。

這一切，終于為5G時代的技術與行業變革寫下伏筆。

（未完待續）