【转】全民5G时代：一个被人为夸大的「技术跃进」 | 循迹晓讲
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作者：陈无术
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10月14日凌晨，美国苹果公司正式推出新一代移动终端——iPhone12 系列（iPhone 12 mini，iPhone 12，iPhone 12 Pro，iPhone 12 Pro Max）。
▲iPhone12 系列渲染图 图源于网络
这是苹果公司有史以来，第一次推出 4 款不同尺寸、型号的新 iPhone。为了迎合全球市场需求，新系列的全部机型都支持5G毫米波标准。
而在5G网络方面，iPhone12 系列有一个名为Smart Data Mode的模式，会根据应用带宽分配4G或5G，用户可以指定某些需要大量数据的App才使用5G网络，例如视频等，而文字聊天这种用4G网络足够。
让iPhone12手机不仅兼顾5G网络，同时起到省电的作用。
▲5G移动设备逐渐成为大众的宠儿 图源于网络
近年来，5G是听的比较多的一个名词。首先是因为这个名词和我们的生活息息相关——它直接决定了我们选购什么样的手机。
目前正处于一个移动通信技术代际转换的时期，是否选购带5G功能的手机，将是我们在选购手机的时候一个十分重要的考虑因素。
但绝大多数用户而言，5G就仅仅只是个名词而已，对它的了解顶多也就是“速度非常快”，再没有其他。
这也就给了很多骗子可乘之机，比如某打着“教授”旗号的骗子总喜欢称国内某厂商的5G是“顶尖科技”，“让美国人提心吊胆”。
在当前的网络环境下，这样的煽动性言论很容易给人产生误导，要想不上当受骗，就必须厘清一些最基本的技术问题。
朋友们应该记得，我们的手机上网，最早是GPRS，被认为是GSM网络向第三代移动通信系统过度的技术，也就是2.5代通信技术，也可以被称作2.5G。
之后，3G网络出现，也就是第三代移动通信技术，传输速率可达到数百kbps，初步达到了高速网络的水平。
4G的出现，让移动通信的网络传输速率达到100Mbps，远高于曾经的3G，是一项革命性的变革。
▲1980-2020年，移动通信终端的发展 图源于网络
因为网速达到了相当的高速，移动终端可以做更多的事情，不仅能实现语音通信，更可以实现多媒体通信、远端控制，终端用户可以享受高质量的信息服务，甚至实现宽带无线化。
正是基于4G取代3G时出现的变革，当5G到来的时候，人们才得以尽情发挥想象力，把5G描述为一次新的变革和飞跃，希望5G能够带来更多、更广泛的应用场景，推动一场科技革命。
很多人认为，4G的速度已经非常快，为什么还要将速度提升到5G的水平呢？这是因为4G虽然速度已经足够快，但在它既有技术的条件下，速度、频谱、延迟都已经达到了极限。
5G是一项技术创新，它突破了4G的极限，得以实现更高可靠度、更低延迟、更大规模的通信。
例如，在4G技术下机器通信的规模是有限的，有时候身处数万人的球场中观看足球比赛，手机上网的速度就会非常慢，这是因为一定范围内移动终端的数量密度超过了4G基站所能承受的极限。
▲5G技术的实现给未来智能社会的成型提供了基础 图源于网络
5G则大大提高了通信规模，可以在很小的面积内实现超过100万个终端的通信，不仅能够容纳更多手机用户上网，更重要的是它将能够部署足够多数量的传感器，实现大规模物联网的高效部署。
在5G网络的大容量背景下，运营商可以为用户定义多个虚拟网络，就像生物学实验中的切片一样，这被称为端到端网络”切片”。
每个这样的网络切片都可以完全根据客户的特定需求进行定制，除了普通手机用户之外，工厂的生产线可以获得更低延迟、更高可靠性的专用网络切片，能够自动控制和监视联网机器人。
不过，对于普通的手机用户来说，5G网络相对于4G网络的提升可能不会太明显，因为4G已经足够快，可以支撑现有智能设备的几乎全部高速网络需求，5G更快的速度提升的边际效应已经不大了。
与4G取代3G不一样，5G并不能一下子完全取代4G。根据GSMA Intelligence的报告，到2025年，全球15%的移动连接将通过5G进行，4G的使用率约为59%，高于2018年的43%。
4G使用率的提升主要是因为动态频谱共享和载波聚合技术，该技术可以使运营商为4G、5G使用相同的频道。
而随着手机用户逐渐向5G过度，4G通道可能会向智能家居设备以及尚未使用5G的用户开放，而随着4G手机用户向5G用户迁移，4G网络的速度可能会得到提升。
▲2021-2025年全球移动5G连接数量预测（十亿）图源于网络
这一判断的根本出发点还是在于，4G本身已经属于高速网络通信，5G的速度再快，对普通用户的体验提升意义不大。
况且，5G的使用者，其流量套餐是有限的，速度快也就意味着用尽流量的时间更短。而清晰度更高的视频也需要视频服务提供者和用户的存储容量更大，在体积和能耗不发生大变化的前提下大大增加容量，在现有技术条件下是非常难以实现的。
5G真正能够大展身手的应用领域还是在商用和工业领域。
这些领域的设备大多是功能较为单一的物联设备，与智能手机之类功能强大的终端相比，这些设备不需要过大的存储容量，也不需要能够随时打开4K乃至8K视频的网速带宽。
在5G的高可靠性和低延迟下，可以实现控制的高速同步，如远程手术、自动驾驶，推动工业体系的数字化、智能化，保障工业互联网中的各个环节、用户与工业设备之间、设备与设备之间互联互通。
5G那么好，为什么要推广它并不容易呢？因为这当中有很多单纯以技术手段难以解决的固有问题。
不管什么高新技术，它都要遵循一定的物理规律，5G也不例外。要实现更高速率的传输，就必须使用频率为24GHz和28Ghz的高频率毫米波。
由于波速=波长×频率，无线电波的传输速度是光速，频率越高，波长就越短，当频率达到24GHz的时候，波长就在10毫米左右。
电磁波与机械波不同，它不依赖介质传播。电磁波的本质是以波动形式存在的电磁场，进入传输介质中的任意一点，它附近存在电场差异，于是就会在介质中形成瞬时电流，电磁波的能量就因为有这样的瞬时电流而耗散。
▲中国4G用户数（单位：万）图源于网络
波长越短的电磁波，其波峰和波谷距离就越近，介质中某一点附近的电场差异就越大，瞬时电流越大，电磁波能量损耗也就越快。这就导致了超高频率的电磁波，穿透力很差，几乎隔着一堵墙，就接收不到信号了。
除了穿透能力差之外，传输距离短也是一个很大的问题。
在发射功率不变的情况下，波的能量是一定的，频率越高，波的振幅衰减就越大，也就是说波的传播距离就越短。
同时电磁波在空气中传播，它会与空气中的分子形成电磁共振，就像军人迈着整齐的步伐踏过桥梁，引起的共振就会把桥震塌，电磁波也会因为点磁共振而被大气吸收。
氧气的共振会吸收60GHz和120GHz附近的电磁波，水蒸气的共振会吸收22GHz和183GHz附近的电磁波。
▲一个4G基站的覆盖范围，需要大约4个5G基站来覆盖 图源于网络
如果要想维持稳定的高速，使用毫米波的5G，大约每隔150米就必须有一座5G通信基站，这与4G基站仅需每个一两公里甚至数公里建设一个，简直是天壤之别。
美国运营商T-mobile的技术总监曾经表示，在人口密集的都市区域，毫米波5G的建设规模永远难以显著提升，用途只能局限于5G热点的小型装置。
▲2014-2019年，不同类型基站的比例（单位：%） 图源于网络
换句话说，人口密集的都市区域，所谓5G仅仅是室外的大Wi-Fi。更不用说广阔的乡村、郊区、高速公路，每隔150米就要布设一座5G基站，这是绝对不可能实现的，除非让大地插满基站塔台。
神话般的高速，只能由毫米波来实现。但毫米波由于其传输距离短、穿透力差的问题，使其应用的范围实在太窄，绝大多数时候，人们只能使用较慢版本的5G网络，而用不上高速的毫米波。
此时的5G速度与4G相比提升不大，甚至所谓5G就是4G而已。不过，慢速版本的4G还是比4G要快一些。
使用1GHz到6GHz之间频段的5G被称为中频段5G。波长更长一些，具有比毫米波更广的覆盖范围与更强的穿透力。
最早推出中频段5G的运营商是美国的Sprint电信公司，他们的频段是2.5GHz，平均的下载速度在100Mbps左右。
▲不同形态的4G基站 图源于网络
理论上，4G网络的下载速度应该也能达到100Mbps，但由于这样那样的损耗，4G实际下载速度只能达到理论值的一半，这让5G显现出了速度上的优势。中频段5G的传输范围依然不能达到4G的水平，约为4G的一半，可能要500米到1000米之间的距离就必须修建一座基站。
综合考虑发射范围和传输速率，中频段5G与4G也就打了个平手。
目前，在中国和韩国，绝大多数5G基站的建设都是中频段，不过要在美国推广中频段5G确并不容易，因为这一频段中的大部分频带已经被其他既有网络占用了。
▲5G基站 图源于网络
比如卫星影像供应商和卫星手机服务，就占用了3.7GHz到4.2GHz之间的频段，能留给5G的频段不多。其实，在韩国也有类似问题，而中国由于相应的服务目前还比较少，尚未显现出来，但不代表这个问题不存在。
另外还能使用的是低频段的5G，它的覆盖能力更大，但它在速度上相比4G的优势就更小，有时候反而比4G更慢。
如前所述， 5G最重要的应用之一是在工业转型和工业4.0领域，它可以将无线连接贯穿于整个企业、工业、制造、服务过程中，很多新的想法也将实现。
而5G网络的高容量特性，也可以在极小的区域内尽可能多地部署监控摄像头，同时向服务器传输监控录像，乃至于植入人脸识别、步态识别、芯片定位等信息，更好的实现精确到点的精细化监控。
▲天津市第一中心医院与北京积水潭医院远程“连线”，手术室内，机器人在对患者进行手术。
但不管是远程手术，还是自动驾驶，都不可能因为有了5G而自动加速成熟。5G只能够为自动驾驶和半自动驾驶车辆提供更好的通信体验，能够与路边基础设施和其他车辆进行更快的通信。
但这些都仅仅是在现有技术上的使用场景提升，而不是更新的技术。
5G的本质是基础设施，它是基础设施的升级，本身并不能直接带来整个技术的升级，只是为随时可能出现的新技术提供应用的土壤。
技术的创新升级，还是要依靠方方面面的因素，比如科研环境、人才环境、基础研究等等。
人们永远不可能因为高速公路修的更宽，就让汽车跑得更快，要让汽车跑得更快，还是得汽车工业发生技术革新，而这与修高速公路并没有关系。
▲2018年全球5G设备市场份额占比 图源于网络
此外，5G的市场竞争也十分激烈，目前并没有哪个国家或者哪一家5G设备的供应商绝对领先。
确实也有某些企业，依靠大量的出口补贴和极端便宜的人力资源（如996）大规模压缩成本，使其在外国市场短时间获得价格优势，但这种优势是不可持续的，很多国家的运营商考虑到这种价格优势的不可持续性，担忧未来可能出现的风险，因而排除了这样价格便宜的供应商。
因而也就可以看出，那些骗子口中的国内某厂商“让美国人提心吊胆”是多么的荒谬可笑。
▲ 知名分析公司Omdia的最新研究再次将韩国列为5G部署的领先国家。韩国已经确立了5G技术部署的早期市场领导者地位，其次是瑞士和科威特，美国排名第四，中国排名第六，英国排名第七。截至3月底，韩国的应用已经达到588万用户。图源于网络
在5G投入商用的进度上，世界上首个商用5G网络在韩国，2019年4月开始面向个人消费者。
美国、瑞士也在差不多时间向个人消费者提供了5G服务。英国、阿联酋、意大利、西班牙、科威特都是2019年6月开始提供服务，摩纳哥、德国是2019年7月，之后是中国，2019年10月开始提供5G服务。
▲ 联通和移动的5G套餐 图源于网络
不过，5G的资费比较昂贵，一些并不富裕的国家，尤其是月收入都不到1000元的人，可能这辈子也不可能用上5G，可是4G却要逐渐退出历史舞台了，他们会被历史的洪流丢下吗？
（完）