5G真的改变社会吗?（上）

章池生

有人说2019年是5G商用元年，原来只有通信行业关注的5G突然变成了媒体热点，频频登上头条。5G概念从专业领域走进普罗大众视野。

自媒体和专家经常引用一句话“4G改变生活，5G改变社会”，喧嚣浮躁的媒体说对了吗？5G真的能够改变社会吗？答案既是肯定的，又存在着许多变数。为什么？不妨让我们从人类信息传输的发展史说起。

信息传输，由香农开始

有线通信与无线通信+

“这里是FMl03.8交通频道……”这句话听起来熟悉吗？无论是已经沦为“古董”的转盘拨号电话还是越来越罕见的AM/FM广播收音机;无论过去拨号冲浪必备的“猫”还是现在可以移动上网的智能手机……作为通信设备，它们都遵循着通信行业的祖师爷——·香农的信息论原理。

在香农的信息论原理中，提出了一个信息传输模型。模型中，通信包含三个要素：信源、信道和信宿。

利用电话线、同轴电缆、光纤作为信道介质是有线通信，利用电磁波传播的就是无线通信。怎样利用电磁波来实现通信？最基本方法就是把包含信息的信号加载到载波（一个正弦波）之上。这个过程称为调制，反向的过程则称为解调。

模拟信号与数字信号+

早在19世纪70年代，从美国人贝尔（大名鼎鼎的贝尔实验室就是以他命名）发明电话开始，人类就开始利电磁波传播信号。例如利用电磁波振幅的调制技术：信号强，发送的电磁波振幅增大;如果接收的电磁波振幅小，则意味信号弱，输出话音小。这种技术被称为调幅（AM）。而如果利用电磁波频率来表征信号，则称为调频（FM）。

无论调幅还是调频，都是把模拟的物理量，作为信号加载到载波上。然而，模拟通信有个本质缺陷：信号在传播过程中损耗极大。

毕竟无线通信条件非常恶劣，传输过程中充满了电磁波特性造成的传输衰落、路径损耗。再加上多径效应、远近效应、多普勒效应，以及各种噪声干扰。随着信息传输距离的增长，损耗越来越严重，最终导致解调信号极度失真。所以无线传输诞生很长一段时间内，人们一直受到远距离无线传输信号质量差的困扰。

这个问题直到20世纪40年代·PCM技术诞生后，才得以解决。其思路是把模拟量信号变成离散的O和1二进制数字，然后再加载到载波上。除此之外，在传输信道上加入解码与编码过程。这样就使得由O和1构成的二进制数字编码信息，在信道中传输时，即使有所损耗失真，也很容易被无损解码，然后重新调制，恢复原状。在信道中，通过一段接一段地“解码一重调制”过程无限中继，使得长距离通信，特别是高带宽通信成为可能。

而我们现在使用的无线移动通信，都是采用的数字通信模式。

频分多址、时分多址与码分多址+

以上介绍的原理，都是基于“信源——信宿”的单线简化通信模式。但是在现实中的大型移动通信系统，每一个通信结点既是信源又是信宿，形成的是多点对多点的网状复杂通信模式。这时候，就涉及了多址技術，顾名思义，就是在无线通信网络中不同结点地址的区分识别的技术。

多址技术可以通过不同的方式实现：在同一时间，不同的手机利用不同的频率和其他手机通信，叫频分多址（FDMA）;在同一频率上，不同的手机利用不同的时间间隔轮流和其他手机通信，叫时分多址（TDMA）;同一时间同一频率，不同的手机利用编码区分不同的通信对象，则是码分多址（CDMA）。3G的核心技术就是围绕CDMA展开的，4G采用的核心技术则是正交频分多址OFDMA。

有了以上的基础框架和各种技术支撑，科学家和工程师们不断研发各种新技术突破，从而推动整个移动通信系统一次又一次升级换代，向前演进。

波澜壮阔的5G前时代+

无论3G、4G还是5G，这其中的G代表Generation（代）的意思。5G指的是第五代移动通信技术，它是目前主流4G网络下一代升级。说起5G，咱们先捋一捋5G之前各个时代无线通信技术的变革，其实从1 G发展到5G无非就是上述各种基础技术不断突破。

1G时代模拟移动通信+

看过上世纪末古早港片的同学，应该对剧中黑社会老大拿在手里特别拉风，扔出去还可以砸死人的手机有着深刻印象。那时候的手机，体积有一个砖头大小，在有线电话与寻呼机还是主流的社会中，堪称霸气外露的奢侈品。因此，在国内还有一个霸气的别名——“大哥大”。

而“大哥大”所代表的时代，就是移动通信的1G时代。

20世纪70年代，作为全球美国曾经通信行业以及半导体行业圣地的AT&T贝尔实验室，就推出了蜂窝通信系统。之后无线通信行业的先锋——美国摩托罗拉公司，20世纪80年代初推出了基于模拟通信技术的第一代移动通信系统AMPS。它采用滤波器实现频分多址（FDMA）技术，短时间内横扫市场，取代了寻呼系统。

在那个时间段，西欧跟进推出类似的TACS系统，加上北欧的NMT、日本的PCS，统称为1G。摩托罗拉是1G时代的霸主，占有超过50%市场份额。

2G时代数字移动通信+

因为模拟通信的先天不足，存在话音质量低、保密性不够等问题，市场急需新的无线通信技术。随着大规模集成电路与数字信号处理技术出现，到了20世纪90年代，众多欧洲国家成立电信标准组织，推出了·GSM系统。它的显著特征是采用前文中提到的数字编解码，取代模拟信号以提升通话质量。这时的通信技术采用了时分多址技术（TDMA），将一个频率同时分给八个手机轮流占用信道，扩大系统容量。GSM的大规模运用宣告2G时代到来。

在2G时代，尽管摩托罗拉在全球移动通信市场仍然占据巨大份额，但由于公司里模拟通信部门的强势，让它延误了技术革新的先机。反而是欧洲的爱立信、诺基亚、阿尔卡特等公司，借助数字移动通信技术普及的大势迎头赶上。从此移动通信行业进入战国群雄逐鹿，多头争霸的局面。

值得一提的是此时有一个“小玩家”高通公司。它把用于军事通讯领域的码分多址技术（CDMA）“军转民”，在同一频率上采用不同编码寻址多个手机。这一技术可以使无线信道传输容量比起TDMA提升一个数量级，语音质量更好。高通试图用这一技术挑战2G时代主流的GSM标准，可惜未能成功。不过当时韩国支持高通，在其国内建立了CDMA|S-95系统标准。为下一个时代，高通和三星的崛起埋下伏笔。

3G时代移动互联网+

到了20世纪末，随着互联网蓬勃发展，人们已经不满足于仅仅用手机实现通话功能，移动上网业务成为紧迫的刚需。虽然在2G时代后期，各大技术厂家基于GSM标准，先后开发了·GPRS（2.5G）、EDGE（2.75G）手机上网技术，但是受限于TDMA技术的信道带宽利用率，当时人们利用手机上网的体验就一个字：卡。

这时候，之前并不太受市场待见的CDMA技术开始崛起。

在CDMA通信系统中，多个信源传输的信号不依靠不同的频率或时间区分，而是用不同的编码序列区分。这使得多个CDMA信号在同一信道中可以互相重叠传输，每个信号都能完全利用传输信道的带宽，极大地提高了信道带宽的利用率。

再加上当时由法国电信发明，通信史上一个里程碑——Turbo码的诞生，让移动通信传输带宽利用率第一次逼近了香农定理计算的信道带宽上限，移动网速也从2G时代低于64Kbps（干比特每秒）将提高到2Mbps（兆比特每秒），为未来iPhone带来的智能手机革命做好了准备。

不过，由于商业以及政治因素，3G技术在全球并未形成统一标准，而是演变成了三大标准“三国演义”局面：以欧洲几大通讯巨头为主的3GPP组织，继承GSM推出的WCDMA;以北美和韩国主导的3GPP2组织力推CDMA2000;而咱们中国，则搞出了我们自己的技术标准——TD-SCDMA。

而在这个过程中，2G时代的“新手玩家”高通公司，借助CDMA技术专利和芯片授权崛起，在三大标准中利益均沾，是3G时代技术博弈的最成功案例。

4G时代智能手机革命+

3G时代，高通凭着在CDMA上的提前布局，获得了专利上的霸权，招来所有企业乃至政府的一致警惕。但是打破高通霸权的，却不是之前与其竞争的几大公司，而是一个专业技术组织IEEE（电气电子工程师学会），它在20世纪末搞出了一个·WiMax标准。

WiMax标准不再使用CDMA技术，而使用了OFDMA（正交频分多址）技术，不但可以继续提升传输速率10倍，而且从根本上克服CDMA的自干扰缺陷，简化了系统设计，绕过高通的CDMA专利壁垒。

虽然后来WiMax标准受到由3GPP组织研发的·LTE以及LTE-Advanced冲击，没能成为主流移动通信标准。但是后者却是继承了OFDMA的技术理念，并将其发扬光大。之后全球主流运营商和技术供应商纷纷跟进，放弃CDMA，采用LTE-Advanced。3G时代未能通过协商统一的标准，4G时代在市场驱动下逐步走向统一。

4G时代另一个显著变化是，因为高速數据流量为智能手机上网提供了条件，所以通信网络企业开始退居幕后，智能手机企业走向舞台中央。摩托罗拉、诺基亚、爱立信的手机业务被苹果公司iPhone彻底击败，退出历史，苹果一举成为智能手机时代的大赢家。三星、谷歌也借助安卓手机成为大赢家。华为公司利用其他通信网络企业衰退和自身智能手机业务兴起，成了4G时代第一阵营的大玩家。

这一切，终于为5G时代的技术与行业变革写下伏笔。

（未完待续）