从1G到5G，移动通信发展之路

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来源：互联网
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2019-07-20
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　　从1G到5G，移动通信发展之路

　　■吴军

　　大部分人谈到历史的时候，关注的是国家的兴衰、王朝的更替，往往忽视了科技的力量。

　　“文津图书奖”得主、计算机专家吴军博士新著《全球科技通史》，从科技视角串联历史，以能量和信息两条主线，分远古科技、古代科技、近代科技和现代科技四个部分，详细描述了数万年来农业、工业、天文、地理、生物、数学等各个领域关键性的人物、事件及意义，绘制了一幅科技驱动历史的恢宏画卷，展现了科技叠加式进步的魅力。

　　本刊特请吴军结合书中第九章《信息时代》，就目前人们普遍关注的5G问题，做一番深入浅出的解析。

　　掌握标准，掌握行业制高点

　　我们先从1G说起。

　　世界上最早的民用移动通信电话是由摩托罗拉公司发明的。在1968年的消费电子展(CES)上，最吸引眼球的是它推出的第一代商用移动电话的原型，当时一部这样的电话售价2000美元，重达9公斤。几年后，当它开始在市面上销售时，“体重”降到了不到3公斤，但售价还是很贵。

　　设备要实现通信，还需要让它们都遵守一套大家都认可的信息编码规范，这就是通信标准，这和发电报要有标准的电报码是一样的道理。没有标准，彼此就没法沟通，是鸡同鸭讲。

　　通信标准中有两部分最重要：一是对信息的发送和接收的描述，比如打电话时大家用的电话号码；二是对信息编码的方式，比如文字就是对信息的一种编码。好的信息编码能保证尽可能高的信息传输率，接近信道的容量。

　　在移动通信的发展过程中，每隔十多年，就会出现一套新的通信标准。谁掌握了标准，谁就掌握了行业的制高点。在早期的移动通信中，标准是以摩托罗拉为主制定的，后来被称为1G。

　　手机越做越小

　　进入上世纪80年代，诺基亚等公司开始研制新一代的移动通信设备，并且提出了新的移动通信标准，它们在1991年开始被投入使用，我们称之为2G。

　　1G和2G有什么区别？从技术上讲，1G是模拟电路，2G是数字电路；从外观上看，2G手机比1G手机小很多，更省电，而且可以方便地收发短信。

　　为什么2G手机可以“瘦身”？因为数字电路可以把更多的数字芯片集成起来，用一个专用芯片取代上百个旧芯片。在摩尔定律的影响下，这种技术进步的叠加效应更为明显，手机越做越小。

　　2G取代1G是历史的必然，诺基亚是2G时代的领航者。

　　是个“半吊子”系统

　　2G手机只能打电话、发短信，上网很困难。3G的通信标准将信息的传输率提高了一个数量级，这是一个飞跃，它使得移动互联网得以实现，从此手机打电话的功能降到了次要的位置，而数据通信，也就是上网，成为主要功能。

　　但是，从1G到3G都存在一个大问题，那就是上网用的移动通信的网络和原来打电话用的通信网络虽然能够一定程度地融合，但本质上还是彼此独立的。

　　今天的人回头来看这件事可能会觉得荒唐，但如果我们了解当时移动通信和以AT&T(美国电话电报公司)为代表的传统电信公司是多么水火不容，就不难理解这一点了。

　　水火不相容使得独立的移动网络无法受益于网络技术的快速进步。2G和3G时代用手机打一个电话实际上经过的物理路径很长。

　　3G的系统是半吊子系统，虽然标示称网速很高，但是实际网速并不快。

　　不过，4G很快就出现了。

　　变快是结果，不是原因

　　4G有什么革命性的进步呢？有人说是网速变快。但这是结果，不是原因。4G一方面使用了扁平的网络结构，减少了端到端通信时信息转发的次数，同时增加了基站之间光纤的带宽。

　　更重要的是，它同时利用了互联网和电信网络的技术进步，这两种技术的融合才使得4G的速度比3G快很多。但还不是完全统一，这是个重要的事实。

　　虽然4G时代从理论上讲移动通信的网速可以变得很快，但如果很多人同时上网，它不仅不够快，甚至都可能连不上去。

　　2018年，我在杭州参加全国计算机大会，参会者近万，会场里无论是4G还是Wi-Fi，都不大管用，你如果拍张照片想在朋友圈分享，能否分享成功全凭运气。这一方面是因为总的网速不够快，另一方面是因为很多人同时和基站通信，基站成了瓶颈。

　　通常，一个基站覆盖范围是1000米半径(基站之间的距离一般为2至3公里)，正常情况下，这方圆一公里范围内的人不会都同时上网，因此分给每个上网的人的带宽是够用的，但当大家都要发照片时，总的传输率超过了信道的总带宽，根据香农第二定律，出错率是100%，于是大家都发不了。

　　客观地讲，4G在绝大部分时候是能够满足我们目前的上网需求的，但未来会有更多的智能设备登场，它们要同时上网，就会出现“会场拥堵”。

　　怎么解决这个问题？有人会想到继续增加带宽。这是一种自然而然、颇为合理的想法。虽然在4G基础上增加2至3倍的带宽并非难事，但如果想增加1至2个数量级就办不到了。因为这一方面要求大大增加基站的功率，基站周围就会因为电磁波辐射太强而变得不安全；另一方面，要想增加带宽，就要增加通信的频率范围，但无线通信的频率无法向下扩展，只能向上扩展，而无线电波的频率越高，它绕过障碍物的能力就越差，当它高到可见光的频率时，你随便用张纸就能挡住它，何况城市里林立的高楼。

　　怎么办？最简单的办法就是在提高通信频率的同时，把基站建得非常密，这样就不怕被建筑物阻拦了。

　　真正融合成一个网络

　　基于上述想法，5G的概念就被提出来了。

　　相对4G是在1000米范围内建一个基站，5G是在百米半径的范围内建基站，目前的方案是基站距离平均为两三百米。

　　手机和基站的距离缩短，会带来三个好处：建筑物干扰的问题得到解决；更少的人分享带宽；由于基站通信范围从1000米减少到100米，功率可以降低两个数量级，这样，基站周围电磁波辐射也会大大降低。

　　当5G的基站密集到两三百米甚至不到100米就有一个的时候，我们家里或许就不需要安装Wi-Fi了。这样，互联网和通信网络才真正融合成一个网络，这无疑将是一次通信的革命。

　　总结

　　每一代都有主导型公司

　　从1G到2G，实现了从模拟电路到数字电路的飞跃；

　　从2G到3G，实现了从语音通信到数据通信的飞跃；

　　从3G到4G，实现了移动通信网络和传统电信网络的融合，将云计算等互联网技术用于移动通信，使得不同区域之间的流量能够动态平衡，大大提高了带宽的使用率；

　　从4G到5G，可以实现移动互联网和有线互联网的彻底融合。这样，万物互联才会成为可能。