02.11 5G時代，人類通訊網絡的偉大革新

2019年，5G開始基礎建設，無疑是全球關注的焦點。

2020年，5G將正式開始商用。進一步促進移動互聯網的發展，更重要的是促進移動互聯網和物聯網的整合，進而全面落地大數據、雲計算和人工智能等相關技術。

5G標準的落地，為萬物互聯提供了基礎性的支撐。而萬物互聯必然會帶來萬物智能，為廣大的傳統行業提供更多的發展機遇。א

5G通訊技術科譜

》》》電磁波基礎

要說5G，不懂點電磁波是不行的。

日常生活中，除了原子電子之外，剩下的幾乎全是電磁波，紅外線、紫外線、太陽光、電燈光、wifi信號、手機信號、電腦輻射、核輻射等等。

只要是波，就逃不過三個參數：波速、波長、振幅。

電磁波的速度是恆定的光速，因此不需考慮：波長(或頻率)、振幅(不考慮方向)，其中頻率對於電磁波來說，尤為重要。

頻率越高，對應著電磁波的波長越短，能量越高，衰減越快，穿透性越差，散射越少，對人體傷害越大。א

》》》電磁波分類

長的電磁波波長能到1億米

，頻率3Hz，1秒鐘三個波。如果用來通信的話，等你一句話說完，就可以過年了。

稍微正常點的電磁波，波長几萬米，用這通信，就一個字：穩！江河大山都擋不住，甚至能穿透幾十米深的海水。(海水導電，是電磁波的剋星)

不過就這點頻率，只能勉強攜帶點信息，發一個hello，大概需要半小時，也就比寫信稍微強點。因為超長波實在是穩，一般用在岸臺向潛艇單向發送命令。

再短點，幾十米波長的電磁波，頻率就到了百萬赫茲MHz級別，能攜帶的信息就很可觀了，一句話至少能說利索了。而且照樣還能跑很遠，幾百公里不在話下，所以收音機廣播、電報、業餘無線電一般用這個頻段。

假如你困在荒島上，有個飛機路過，趕緊用121.5MHz呼救，這是民用緊急通信頻率，還有個軍用緊急通信頻率243MHz，這些都是不加密的公共頻率。

波長再短點，到了1米~1釐米。一方面，雖然衰減已經很明顯了，但一口氣還能跑個百十公里，夠用；另一方面，頻率到了GHz級別，能攜帶足夠多的信息，不但話能說利索了，還有多餘功夫讓你加個密什麼的。所以這個波段是通信的焦點，什麼1G2G3G4G，什麼衛星通信雷達通信，全在這，統稱微波通信。

到了毫米級，電磁波就跑不了多遠了，雖然毫米波不太發散，但很容易被周邊物質吸收或反射，幾乎沒啥穿透性，用來通信很雞肋，不過用在導彈導引雷達或微波爐上棒棒的。

但畢竟頻率超過了30GHz，攜帶的信息量實在太饞人，要不還是試試吧！於是，5G來了。

繼續往下數，來到微米級。毫無疑問，能攜帶的信息量繼續倍增，但波長0.7微米的電磁波就已經是可見光了。可見光都見過吧，別說穿牆了，一張紙都夠嗆，想接著按照7G8G9G的套路肯定走不通啊。然後，就有了

激光通信，發射端和接收端必須瞄得準準的，中間還不能有阻擋。

波長到了0.3微米，也就是300納米，就是我們熟知的紫外線，終於對人體有害了。太陽光裡的紫外線大約佔了4%，如果你一天能曬上半小時太陽的話，那麼前面提到的那些電磁波輻射基本可以無視了。

波長200納米的紫外線，在太陽光中幾乎是沒有的，所以在陽光太強時，紫外線通信就成了激光通信很好的補充，不但隱蔽性更好，還不用對得那麼準，在幾公里的距離上非常好用，是近些年軍事通信的研究熱點。

接下來就和通信無關了，波長到了納米級就成了X光。

最後，波長短到了0.01納米以下，這就是聞之色變的伽馬射線，來自核輻射，全宇宙最強的能量形式之一！若是要毀滅一個星系，伽馬射線是不二之選。

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》》》微波通信

為什麼頻率越高，能攜帶的信息就越多？以數字信號為例，信息就是一串串的1和0，所以先搞清楚怎樣用電磁波表示1和0。

第一種方法叫“調幅”，基本思路是調整電磁波的振幅，振幅大的表示1，振幅小的表示0。收音機的AM就是調幅，缺點頗多。

第二種方法叫“調頻”，基本思路是調整頻率來表示1和0。用密集的波形表示1，疏鬆的波形表示0。收音機的FM就是調頻，優點多多的。

很顯然，在單位時間內，發出的波越多，能表示的1和0就越多，換句話說，頻率越高能攜帶的信息就越多。

這樣算起來，頻率800MHz意味著每秒產生800萬個波，都用來表示1和0的話，1秒鐘可以傳輸100M數據，這速度很快啊！為啥我們感覺不到呢？

古語有云，重要的事情說三遍，通信也是如此。無線電拔山涉水，弄丟幾個1,0太正常了，防止走丟的土辦法就是抱團。比如，用一萬個連續的1表示一個1，哪怕路上走丟了兩千個1，最後咱還能認得這是1。因為特徵太明顯，很容易被破解。

軍用為了防止被破解，要用很複雜的組合來表示1和0，中間說不定還有很多無效信息，各種跳頻技術擴頻技術，還不停變換組合，總之越花哨越好。為了保證傳輸效率，軍用頻率就比民用高很多。就目前來說，頂級破解技術還幹不過頂級加密技術，這裡不包括尚未成熟的量子通信。א

》》》基站天線

振盪電路插個天線就可以產生電磁波，用特定方法改變電磁波的頻率或振幅，變成各種複雜的組合，這個過程叫調製。對應的，豎個天線就能收到空中的電磁波，按預定方法變回1,0，這個過程叫解調。

把電磁波發到空中，或者把空中的電磁波收下來，都需要天線，別以為現在手機光溜溜的就不需要天線了。手機與手機是無法直接通信的，而是通過周邊的基站與別的手機聯繫。

5G的第一個關鍵技術：大規模多天線陣列。大白話就是，增加天線的數量，不是增加一個兩個，而是幾百個。

多天線加毫米波，對比原先的少天線加釐米波，無線電傳播的物理特徵肯定不一樣，得重新建立信道模型。

天線一多，不但能解決毫米波衰減的問題，傳輸效率、抗干擾等性能也是蹭蹭漲，算是5G必須課。

曾與華為齊名的大唐電信於2015年率先發布了256大規模天線，引爆全球通信業，一時風光無限！可惜後來突然閃崩，淪落到賣科研大樓求生，令人唏噓。א

》》》全雙工技術

基站天線搞定，下面就輪到終端機的天線了，這貨也有術語：全雙工技術。

一般手機的通信天線只有一個，收發信號交替進行，費勁的很！全雙工技術，就是把發信號的天線和收信號的天線分開，收發信號同時進行。

大體上分兩個思路，其一，物理方法，比如在倆天線之間加屏蔽材料；其二，信號處理，比如無源模擬對消等。

2016年4月華為宣佈已於成都5G外場率先完成第一階段5G關鍵技術驗證，測試結果完全達到預期。其中兩個重要驗證就是大規模天線技術和全雙工技術。א

》》》從1G至4G的接入技術

從IG到4G手機數據的接入技術，定義了各個發展階段。舉個例子(數字是胡謅的)：

假設手機基站用100Hz表示1，105Hz表示0，這時又接進一個新電話，那新電話的1可以用110Hz，0用115Hz，如果再來新電話，依次類推。

這就是1G的思路，簡稱FDMA。

1G是模擬蜂窩移動通信，但因為是模擬通信，抗干擾性差，同時簡單的FDMA技術使得頻率複用度和系統容量都不高。

這樣2個電話就用掉了從100Hz到115Hz的頻段，佔用的15Hz就叫帶寬。外行也看出來了，這路子太費帶寬了。好在那會的手機只是傳個語音，數據量不大，但也架不住手機數量的增加，很快就不夠用了！

換個思路，大家都用100Hz表示1，105Hz表示0，但是第1秒給甲用，第2秒給乙用，第3秒給丙用，只要輪換的好，5Hz的帶寬就夠3個手機用，就是延時嚴重點而已。這就是2G的思路，簡稱TDMA。

2G是數字通信，抗干擾能力大幅提高。讓手機不再只有語音、短信等單一功能，還可以更有效率的接入互聯網。

再到後來，數據量越來越大。在各自的信號前面加上序列碼，再揉成一串發送，接收端按序列號只接受自己的信號。就好像快遞員一次性送了一疊信過來，大家按照信封上的名字打開各自的信。

這就是3G的思路，簡稱CDMA。

3G網絡能夠處理圖像、音樂、視頻流等多種媒體形式，提供包括網頁瀏覽、電話會議、電子商務等多種信息服務。

再發展就是正交頻分多址技術，把2個互不干擾的正交信號揉成一串發送。所謂正交信號，和量子力學的疊加態有點類似。把信號疊在一起發送，就是4G的思路，簡稱OFDMA。

4G智能手機湧現。4G刺激了互聯網應用的繁榮，即時消息、網上購物、網上支付、在線視頻和在線遊戲等等應用層出不窮。

每個終端在網絡上都有一個地址，所以這種讓很多手機一起打電話的技術，從1G到4G，統稱：多址接入技術。א

》》》5G“新多址接入技術”

新多址接入技術：稀疏碼多址接入、非正交多址接入、圖分多址接入……好吧，有點雲裡霧裡了，總體思路就是疊加更多信號或者把前面的技術混到一起。

5G要實現10Gb/秒的峰值速率、1百萬的連接數密度、1毫秒的時延，必須要先解決這三大關鍵技術。

2016年4月，華為的第一階段“關鍵技術驗證”，主要也是驗證這仨技術。

新多址接入採用濾波正交頻分複用、稀疏碼多址接入、極化碼，結合大規模天線，吞吐率提升10倍以上，在100MHz帶寬下，平均吞吐量達到3.6Gb/秒。

全雙工採用了無源模擬對消、有源模擬對消和數字對消三重對消框架，可以實現113dB的自干擾消除能力，獲得了90%以上的吞吐率增益。

2017年6月，華為完成第二階段“多種關鍵技術融合測試及單基站性能測試”。

在200MHz帶寬下，單用戶下行吞吐率超過6Gb/秒，小區峰值超過18Gb/秒，配套業內首個小型化5G測試終端，單個5G基站可同時支持上百路超高清4K視頻。

2018年9月，華為完成第三階段“基於獨立組網的5G核心網關鍵技術與業務流程測試”。

這三個階段測試，華為均以100%通過率順利完成。א

》》》5G芯片組網處理

無數用戶要組成網絡，分配傳輸資源和指揮交通一樣讓人頭大，一條道路分配不合理，半個城市就得跟著癱瘓。所以，華為完成關鍵技術驗證後，又花了2年時間才進行獨立組網測試。

5G要處理的數據量遠大於4G，所謂數據就是1、0，但凡涉及1、0的東西，基本都用芯片。控制電磁波發射要用射頻芯片，編碼解碼要用基帶芯片等等，這些也屬於5G核心關鍵技術。

2019年1月24日，華為發佈了全球首款5G基站核心芯片：天罡，以及，全球首款單芯片多模5G基帶芯片：巴龍5000。既然是世界首款，免不了拿下N個全球第一。

5G的主流頻率是28GHz，有能力處理這個頻段的芯片，目前是4家。

高通是最早的，三星是唯一做到39GHz的，華為是工藝最先進的，英特爾是哪裡都不掉隊的。

華為2018年2月發佈的這款巴龍5G01芯片，因塊頭太大無法用在手機上，2019年1月就推出了手機使用的巴龍5000，同時還沒耽誤手機處理器芯片麒麟和服務器芯片鯤鵬，這進展還是不錯的！א

》》》5G國際通用標準

“5G”實際上指的是一個行業標準，即“第五代移動通信技術標準”。

5G標準化的組織主要是國際電信聯盟(ITU)和是由“第三代合作伙伴計劃組織”(3rd Generation Partnership Project，簡稱為3GPP）負責制定的。

3GPP是一個標準化機構。目前其成員包括中國、歐洲、日本、韓國和北美的相關行業機構。

ITU：2015年6月，該組織完成5G願景的研究。2017年6月完成IMT-2020(5G)最小技術指標要求的制定，確定14項性能指標的詳細定義、適用場景等，並完成一系列支持IMT-2020候選技術提交及技術評估工作的關鍵文件。

3GPP：它是全球影響最大的通訊標準化機構，主要協調各組織形成通訊領域的標準制定。

據悉，3GPP明確5G將包含兩個版本，2018年6月完成Release 15(R 15),2019年9月完成Release 16(R16)。

根據3GPP此前公佈的5G網絡標準制定過程，5G整個網絡標準分幾個階段完成。

R15階段，預計到2018年6月，完成獨立組網的5G標準(SA)，支持增強移動寬帶和低時延高可靠物聯網，完成網絡接口協議。

R16階段，預計在2019年12月，完成滿足ITU（國際電信聯盟）全部要求的完整的5G標準。整個5G標準在ITU會議上全面通過，預計還要到2020年。

5G技術標準由3GPP確定之後，也會經過ITU國際電信聯盟認定。一定程度上，ITU成員代表是其所在國及政府立場，ITU的會議通過，某種程度上相當於“蓋章”認定，代表一項標準的方案被承認為最後的官方結果，也意味著這一國際標準的正式確定。

這次標準發佈一共有50家公司參與，中國有中國電信、中國移動、中國聯通、華為、中興、大唐電信等16家，美國8家，歐洲8家，日本13家，韓國5家。

在信道編碼問題上，歐盟一直用Turbo碼，美帝高通習慣用LDPC碼，華為擅長用Polar碼。於是，第一回合歐萌就被幹掉了，不但積累的Turbo技術打了水漂，還得重新學LDPC和Polar。

信道編碼分“控制信道編碼”和“數據信道編碼”，高通的方案是兩者都用LDPC碼，華為的方案是數據信道用你家的LDPC碼，控制信道用Polar碼。

然後，聯想對華為的方案投了反對票。因為分歧過大，當天只確定數據信道用LDPC碼，至於控制信道擇日再議。

再次投票時，高通、三星、英特爾、愛立信等巨頭蒐羅了31家公司組成陣營，要求全部用LDPC碼，華為則組織了包括聯想在內的55家公司力爭。

最終，華為Polar成為控制信道編碼，高通LDPC成為數據信道編碼，大家平分秋色。א

5G通訊網絡的發展歷程

5G網絡作為第五代移動通信網絡，其峰值理論傳輸速度可達每秒數10Gb，這比4G網絡的傳輸速度快數百倍，整部超高畫質電影可在1秒之內下載完成。

研究和試驗表明，在28GHz的超高頻段，以每秒1Gb以上的速度，成功實現了傳送距離在2Km範圍內的數據傳輸。

此前，世界上沒有一個企業或機構開發出在6GHz以上的超高頻段實現每秒Gb級以上的數據傳輸技術，這是因為難以解決超高頻波長段帶來的數據損失大，傳送距離短等難題。

三星電子利用64個天線單元的自適應陣列傳輸技術，使超高頻段數據傳輸技術的成功。不僅保證了更高的數據傳輸速度，也有效解決了移動通信波段資源幾近枯竭的問題。

2014年5月13日，三星電子宣佈，其已率先開發出了首個基於5G核心技術的移動傳輸網絡，並表示將在2020年之前進行5G網絡的商業推廣。

2016年8月4日，諾基亞與電信傳媒公司貝爾在加拿大完成了5G信號的測試。在測試中諾基亞使用了73GHz範圍內的頻譜，數據傳輸速度也達到了現有4G網絡的6倍。

2017年8月22日德國電信聯合華為在商用網絡中成功部署基於最新3GPP標準的5G新空口連接，該5G新空口承載在Sub 6GHz（3.7GHz），可支持移動性、廣覆蓋以及室內覆蓋等場景，速率直達Gbps級，時延低至毫秒級；同時採用5G新空口與4G LTE非獨立組網架構，實現無處不在、實時在線的用戶體驗。

2017年12月21日，在國際電信標準組織3GPP RAN第78次全體會議上，5G NR首發版本正式發佈，這是全球第一個可商用部署的5G標準。

2018年6月14日，3GPP全會（TSG#80）批准了第五代移動通信技術標準。（5G NR）獨立組網功能凍結。加之2017年12月完成的非獨立組網NR標準，

5G 已經完成第一階段全功能標準化工作，進入了產業全面衝刺新階段。

此次SA功能凍結，不僅使5G NR具備了獨立部署的能力，也帶來全新的端到端新架構，賦能企業級客戶和垂直行業的智慧化發展，為運營商和產業合作伙伴帶來新的商業模式，開啟一個全連接的新時代。

2018年7月6日，愛立信攜手英特爾以及早期5G服務供應商，完成了3.5GHz頻段端到端的非獨立組網標準（NSA）5G數據呼叫。

2018年9月12日，愛立信表示，已與美國移動運營商T-Mobile US簽署價值35億美元、為期多年的供貨協議，以支持T-Mobile US的5G網絡部署，這是愛立信獲得的最大5G訂單。

2018年10月19日，愛立信攜手Qualcomm將28 GHz加入5G商用頻段。

2018年12月7日，工業和信息化部許可中國電信、中國移動、中國聯通自通知日至2020年6月30日在全國開展第五代移動通信系統試驗。

中國電信獲得3400MHz-3500MHz共100MHz帶寬的5G試驗頻率資源；

中國聯通獲得3500MHz~3600MHz共100MHz帶寬的5G試驗頻率資源；

中國移動獲得2515MHz~2675MHz、4800MHz~4900MHz頻段的5G試驗頻率資源。

2019年3月31日前，中國聯通方面將在全國範圍內逐步停止使2555MHz~2575MHz頻率，中國電信方面將逐步停止使用2635MHz~2655MHz頻率。 א

5G的應用場景和意義

國際電信聯盟召開的ITU-RWP5D第22次會議，確定了5G的三個應用場景：

5G的好處體現在它有三大應用場景：增強型移動寬帶、超可靠低時延、海量機器類通信。

也就是說5G可以給用戶帶來更高的帶寬速率、更低更可靠的時延和更大容量的網絡連接。

這圖解釋一下：三個角上的三句話是5G的三大功能特點，藍色小塊是應用場景，小塊越靠近哪個角就說明對這個功能的依賴越大。後來，這三個角又改成了四個：連續廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接、低時延高可靠。

5G網絡的主要目標是讓終端用戶始終處於聯網狀態。5G網絡將來支持的設備遠遠不止是智能手機——它還要支持智能手錶、健身腕帶、智能家庭設備如鳥巢式室內恆溫器等。

5G網絡中看到的最大改進之處是它能夠靈活地支持各種不同的設備。除了支持手機和平板電腦外，5G網絡將還需要支持可佩戴式設備，例如健身跟蹤器和智能手錶、智能家庭設備如鳥巢式室內恆溫器等。

在一個給定的區域內支持無數臺設備，這就是科學家的設計目標。

在未來，每個人將需要擁有10~100臺設備為其服務。

5G網絡已成功在28千兆赫(GHz)波段下達到了1Gbps，相比之下，當前的第四代長期演進(4G LTE)服務的傳輸速率僅為75Mbps。

5G網絡意味著超快的數據傳輸速度。 未來5G網絡的傳輸速率可達10Gbps，這意味著手機用戶在不到一秒時間內即可完成一部高清電影的下載。

就技術而言，5G就三句話：網速快、信號廣、延時少。但技術帶來的改變卻超越了想象力，5G是全信息化的基石，完全可以實現當年物聯網吹過的牛：萬物互聯。א

5G的商用預期

工信部此前發佈的《信息通信行業發展規劃（2016-2020年）》明確提出，2020年啟動5G商用服務。

根據工信部等部門提出的5G推進工作部署以及三大運營商的5G商用計劃，我國將於2017年展開5G網絡第二階段測試，2018年進行大規模試驗組網，並在此基礎上於2019年啟動5G網絡建設，最快2020年正式推出商用服務。

2018年9月5日，中國聯通發佈“5G+視頻”推進計劃，將在5G產業鏈上開拓更多場景應用。中國三大運營商已經披露了在全國幾十個城市進行的試點工作計劃。

到2020年，5G將為用戶提供光纖般的接入速率，“零”時延使用體驗，千億設備的連接能力、超高流量密度、超高連接數密度和超高移動性等多場景的一致服務，實現

“信息隨心至，萬物觸手及”的願景。א