從1G到5G，移動通信發展之路
吳軍
大部分人談到歷史的時候，關注的是國家的興衰、王朝的更替，往往忽視了科技的力量。
“文津圖書獎”得主、計算機專家吳軍博士新著《全球科技通史》，從科技視角串聯歷史，以能量和信息兩條主線，分遠古科技、古代科技、近代科技和現代科技四個部分，詳細描述了數萬年來農業、工業、天文、地理、生物、數學等各個領域關鍵性的人物、事件及意義，繪製了一幅科技驅動歷史的恢宏畫卷，展現了科技疊加式進步的魅力。
本刊特請吳軍結合書中第九章《信息時代》，就目前人們普遍關注的5G問題，做一番深入淺出的解析。
1G
掌握標準，掌握行業制高點
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明的。在1968年的消費電子展(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，當時一部這樣的電話售價2000美元，重達9公斤。幾年後，當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。
設備要實現通信，還需要讓它們都遵守一套大家都認可的信息編碼規範，這就是通信標準，這和發電報要有標準的電報碼是一樣的道理。沒有標準，彼此就沒法溝通，是雞同鴨講。
通信標準中有兩部分最重要：一是對信息的發送和接收的描述，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儘可能高的信息傳輸率，接近信道的容量。
在移動通信的發展過程中，每隔十多年，就會出現一套新的通信標準。誰掌握了標準，誰就掌握了行業的制高點。在早期的移動通信中，標準是以摩托羅拉為主制定的，後來被稱為1G。
2G
手機越做越小
進入上世紀80年代，諾基亞等公司開始研製新一代的移動通信設備，並且提出了新的移動通信標準，它們在1991年開始被投入使用，我們稱之為2G。
1G和2G有什麼區別？從技術上講，1G是模擬電路，2G是數字電路；從外觀上看，2G手機比1G手機小很多，更省電，而且可以方便地收發短信。
為什麼2G手機可以“瘦身”？因為數字電路可以把更多的數字芯片集成起來，用一個專用芯片取代上百個舊芯片。在摩爾定律的影響下，這種技術進步的疊加效應更為明顯，手機越做越小。
2G取代1G是歷史的必然，諾基亞是2G時代的領航者。
3G
是個“半吊子”系統
2G手機只能打電話、發短信，上網很困難。3G的通信標準將信息的傳輸率提高了一個數量級，這是一個飛躍，它使得移動互聯網得以實現，從此手機打電話的功能降到了次要的位置，而數據通信，也就是上網，成為主要功能。
但是，從1G到3G都存在一個大問題，那就是上網用的移動通信的網絡和原來打電話用的通信網絡雖然能夠一定程度地融合，但本質上還是彼此獨立的。
今天的人回頭來看這件事可能會覺得荒唐，但如果我們瞭解當時移動通信和以AT&T(美國電話電報公司)為代表的傳統電信公司是多麼水火不容，就不難理解這一點了。
水火不相容使得獨立的移動網絡無法受益於網絡技術的快速進步。2G和3G時代用手機打一個電話實際上經過的物理路徑很長。
3G的系統是半吊子系統，雖然標示稱網速很高，但是實際網速並不快。
不過，4G很快就出現了。
4G
變快是結果，不是原因
4G有什麼革命性的進步呢？有人說是網速變快。但這是結果，不是原因。4G一方面使用了扁平的網絡結構，減少了端到端通信時信息轉發的次數，同時增加了基站之間光纖的帶寬。
更重要的是，它同時利用了互聯網和電信網絡的技術進步，這兩種技術的融合才使得4G的速度比3G快很多。但還不是完全統一，這是個重要的事實。
雖然4G時代從理論上講移動通信的網速可以變得很快，但如果很多人同時上網，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大會，參會者近萬，會場裡無論是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氣。這一方面是因為總的網速不夠快，另一方面是因為很多人同時和基站通信，基站成了瓶頸。
通常，一個基站覆蓋範圍是1000米半徑(基站之間的距離一般為2至3公里)，正常情況下，這方圓一公里範圍內的人不會都同時上網，因此分給每個上網的人的帶寬是夠用的，但當大家都要發照片時，總的傳輸率超過了信道的總帶寬，根據香農第二定律，出錯率是100%，於是大家都發不了。
客觀地講，4G在絕大部分時候是能夠滿足我們目前的上網需求的，但未來會有更多的智能設備登場，它們要同時上網，就會出現“會場擁堵”。
怎麼解決這個問題？有人會想到繼續增加帶寬。這是一種自然而然、頗為合理的想法。雖然在4G基礎上增加2至3倍的帶寬並非難事，但如果想增加1至2個數量級就辦不到了。因為這一方面要求大大增加基站的功率，基站周圍就會因為電磁波輻射太強而變得不安全；另一方面，要想增加帶寬，就要增加通信的頻率範圍，但無線通信的頻率無法向下擴展，只能向上擴展，而無線電波的頻率越高，它繞過障礙物的能力就越差，當它高到可見光的頻率時，你隨便用張紙就能擋住它，何況城市裡林立的高樓。
怎麼辦？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，這樣就不怕被建築物阻攔了。
5G
真正融合成一個網絡
基於上述想法，5G的概念就被提出來了。
相對4G是在1000米範圍內建一個基站，5G是在百米半徑的範圍內建基站，目前的方案是基站距離平均為兩三百米。
手機和基站的距離縮短，會帶來三個好處：建築物干擾的問題得到解決；更少的人分享帶寬；由於基站通信範圍從1000米減少到100米，功率可以降低兩個數量級，這樣，基站周圍電磁波輻射也會大大降低。
當5G的基站密集到兩三百米甚至不到100米就有一個的時候，我們家裡或許就不需要安裝Wi-Fi了。這樣，互聯網和通信網絡才真正融合成一個網絡，這無疑將是一次通信的革命。
總結
每一代都有主導型公司
從1G到2G，實現了從模擬電路到數字電路的飛躍；
從2G到3G，實現了從語音通信到數據通信的飛躍；
從3G到4G，實現了移動通信網絡和傳統電信網絡的融合，將雲計算等互聯網技術用於移動通信，使得不同區域之間的流量能夠動態平衡，大大提高了帶寬的使用率；
從4G到5G，可以實現移動互聯網和有線互聯網的徹底融合。這樣，萬物互聯才會成為可能。
5G的到來會對我們的生活、工作產生哪些影響？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架構建設，從事基礎架構建設的企業都將從中受益。所以，5G傳聞一出，連製造電線杆的企業股票都瘋漲了。
其次，任何致力於將各種網絡融合的努力都是順勢而為，任何試圖搭建一個獨立的、單純基於無線技術的努力都是逆流而動。數月前，有領導問我：以現在的技術再開發類似於銥星的通信系統，是否可行？我說完全沒有必要，因為那是逆流而動。從1G到5G，將各種網絡融合是一個大趨勢。
再次，極快的網速可以刺激開發很多需要高速互聯網的應用。
總結半個多世紀以來移動通信的發展歷程，我們只需記住四個要點：單位能量的信息傳輸率越來越高；網絡不斷融合；設備的輻射越來越小；每一代都會有新的主導型公司出現，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。
來源：解放日報