5G将是一个彻底的失败通信技术

无线通信产业已经发展了四代，目前正处于5G产业化前夕，是当下到一个最热的话题，5G如何发展，前景如何，是各个方面包括学术界、产业界、投资界以及政府都非常关心的。另外，中国已经启动6G研究的消息也见诸报端，未来无线通信产业如何发展，是不是会继续有6、7、8、9G，也引起了大家的关切。为了回答这些问题，我们首先简单地回顾一下无线通信产业发展的历史。

无线通信产业是由需求和技术两个轮子驱动前进的。早在1947年，贝尔实验室的科学家就提出了蜂窝通信的概念，其中的核心技术是频率复用和切换。基于这一概念，贝尔实验室于1978年研制出先进移动电话系统(Advanced Mobile Phone Service，AMPS)，这就是第一代移动通信系统。AMPS是一个模拟通信系统，采用频分多址(FDMA)的复用技术，主要技术手段是滤波器，容易受噪声的干扰，语音质量较差。

随着集成电路技术的发展，第二代移动通信系统采用了数字技术，并采用TDMA和信道编码技术，使得通信系统向宽带化发展，语音质量得到了较大的改善。 其中欧洲制定的GSM系统非常成功，至今仍在广泛使用。

20世纪90年代互联网蓬勃发展，顺应这一时代要求，产业界制订了3G标准用以实现移动互联网。3G采用了高通公司开发的CDMA技术。CDMA一度被认为是一个神奇的技术，高通公司宣称CDMA的频谱效率可以达到AMPS的18倍，但是实践表明这个观点太过于浮夸了，CDMA存在自干扰问题，其频谱效率只比GSM高10%左右，并且3G的主流标准WCDMA的系统设计过于复杂，导致部署成本比较高，所以一直无法替代GSM系统。

第四代移动通信采用了OFDM技术，从根本上克服了CDMA的技术缺陷，并且简化了系统设计，成就了一代成功的移动通信系统。OFDM如何克服CDMA的缺陷，具体可以参考我的《通信之道-从微积分到5G》。

如果我们稍微总结一下，可以发现，1G发掘出了移动通信的巨大需求，但是采用了比较落后的技术体制，因此长不大。2G进行了数字化革命，从而获得巨大成功。3G是为了新出现的移动互联网需求而诞生，但是在技术上走了弯路，全球的3G业务都不是太成功;而4G回归了正确的技术路线，目前4G业务蓬勃发展。

随着4G的成功商用，按照无线通信十年一代的发展规律，产业界开始了5G的研发。按照业界目前的一般口径，5G在2020年左右开始规模商用。中国政府已经为5G分配了500MHz的频谱，三大运营商也已经在多个城市开展了商用实验，商用前的准备工作正在紧锣密鼓地进行。 很多人认为5G牌照会在年内(2019)发放。

对于5G的讨论，也要从技术和需求两条线来讨论。

无线通信技术体制

无线通信产业基本上可以用“端管云”三个字进行概括。 端就是终端，包括电脑， PAD，手机等。云就是存储在网络上的内容，如新浪、百度、淘宝的数据中心，而管就是连接终端和云之间的这条通道。

端管云

这条管道可以分为两段。一段是终端到基站(或者路由器)，这段是无线通信，也叫空中接口;另一段是基站到云，是有线通信。 云都是挂在因特网上的，因此因特网是这条管道当中必经之路。 移动通信有核心网，基站首先挂在核心网上，再连接到因特网。核心网主要是起运营支撑作用，比如身份的识别，计费等等。 而另一个体系是大家都熟悉的WiFi，没有核心网，路由器是直接戳到因特网的。 这就构成了两大生态体系，也就是传说中的CT和IT，它们之间的合作与竞争将贯穿无线通信产业的走向。

在无线通信产业当中，空中接口这一段的产值，包括终端和基站，占绝大部分。如果做一个类比，通信网络可以类比人体的循环系统或这神经系统。 骨干网的部分可以类比中枢神经或者主动脉，虽然容量很大，但是只有几条。骨干网络的销售额不大，但是占据战略制高点;而空中接口部分相当于神经末梢或者毛细血管，数量庞大，占据无线通信产业的主要市场份额。

有线网络现在都光纤化了。光纤的发明是基于高锟的理论，他因此获得诺贝尔奖。 光纤的容量大，成本低，彻底改变了人类通信的面貌。最早的光纤线路的速率只有45Mbps，后来以令人乍舌的速度发展，目前一根光纤已经可以达到1Tbps。 而光纤要比同等长度面条便宜，这是真正的高科技。 早期光纤只用于骨干线路(比如北京和上海之间)，随着成本的降低，目前光纤已经入户了。 由于光纤的存在，有线网络的主要工作在于怎么组织和利用光纤的容量，如IPV6，SDN等等，基本上是逻辑性的工作，总体来说是比较简单的。

空中接口部分就比有线网困难多了。在有线通信当中，信号在一个精心制造的介质里面传播，无论是铜线还是光纤，信号质量非常好，随便搞搞就能达到很高的速率。 而无线信号的传播环境就恶劣得多得多。 无线电波在传播过程中衰减很快，还受到建筑物、山体、树木的阻挡，很多时候需要经过反射或者穿透障碍物才能达到接收机。 并且，无线电波不是规规矩矩地沿着规定的路线走，会走到不希望的地方，造成对他人的干扰。 但是无线通信有一个好处，就是摆脱了线的束缚，可以拿着手机随便走，这种便利性是有线通信所无法比拟的。 所以尽管挑战很大，无数的研究者前仆后继，攻克无线通信当中的道道难关。

网络分层协议

刚才说的这些事，背后是网络的分层结构。比如上图就是一个网络的7层协议模型，非专业的读者不必深究，只需要知道网络是分层工作的就好了。 最底下的一层叫物理层，其他的可以和合并起来叫高层。 物理层是处理物理信号的，比如电或者是光，就是如何把信息转换成可以用来传输的电信号或者光信号。 物理层解决的是通信能力的问题，或者是带宽的问题。有了这么多的带宽之后，怎么组织和利用是高层要做的事。

这个和邮政系统非常类似。 物理层相当于运送信件或者包裹的方式，可以是马车，汽车、轮船、飞机，这提供了运送的能力。但是寄信的时候，我们要在信封上写通信地址，要跑到邮局交给柜台，后然分拣打包装车，到了目的地后要有邮递员送到收信地址，这些都是高层做的事情。

（编辑：核心网）

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