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从1G到5G ,通信史上的五次变革你都经历了什么?

核心提示:通过5代通信技术的革新,成功将纸张、线缆等有限制的传输渠道全部改造成为看不见、摸不着的无线信号,由此不仅缩短了世界的宽度,更拓宽了人与宇宙的联系。回顾移动通信技术的发展简史,有人说1G解决了人与人之间联系,而5G将实现万物之间的连接。究其本质,移动通信技术的发展是在改变人类与这个世界的连接方式。

今天在早点摊买煎饼的时候,无意间听到大婶正在跟儿子讨论现在要不要换手机的话题。

大婶:“你坚持半年再换,人家36Kr都说了明年5G手机就上了”

儿子:“5G正式商用要在2020年,今年换一台用一年半刚好再换”

母子的对话看似语不惊人,但确让我不禁先后加蛋、加肠、加豆浆,就是为了听完整段对话。

大婶:“5G不就比4G多1G么?以前3G到4G也就是网速快点,店里有wifi你用得着么?”

儿子:“现在的4G网络打游戏不够快,去工体看球还发不出去朋友圈,有时明明信号满格就是上不去网。我问了36Kr的人,他们都说5G手机就自动解决了”

听完整段对话,小编发现大家对于5G的误解可是太深了,你真的了解5G到底是个啥吗?

5G即第五代移动通信网络,这里的G就是Generation,也就是“代”的意思了。在5G出现之前,移动通信网络经历了4G/3G/2G/1G的变革,在变革的过程中甚至还出现了如2.75G、3.5G、4.5G这样的半代升级。归根结底,人类为了改变信息的传递方式,通过发明创造将有界限的一切正在转变成无线(限)的。通俗的说,人类为了实现可以“打着滚”传递信息的美好愿景,和一切实体信息载体展开了长期的斗争。通过5代通信技术的革新,成功将纸张、线缆等有限制的传输渠道全部改造成为看不见、摸不着的无线信号。由此不仅缩短了世界的宽度,更拓宽了人与宇宙的联系。

既然这5代通信技术的发展对人类有如此重要的意义,让我们先来简单回顾一下移动通信技术的发展简史。

1G时代:虽然只能打电话,但是莫名其妙有很多小姐姐硬塞我BP机号。

2G时代:在教室、走廊、宿舍、厕所看遍全网txt小说。

3G时代:每周四更新,一定要用手机第一时间追漫画。

4G时代:正版流媒体取代了手机里的盗版avi,视频都是在线看。

5G时代:人人都是《头号玩家》,老铁我们绿洲见。

自1876年贝尔用电流传递声音开始,人类之间的距离因此缩短。但是聪明的人类怎么能被一根线束缚呢?在1986年,第一代移动通信系统在美国芝加哥诞生,人类终于实现了边走边打电话的梦想。而对于小编来说,拥有一台大哥大,那是儿时从未实现的生日愿望。

在1G网络时代,摩托罗拉8000X大行其道,拥有一台大哥大那就是“权力“和”地位“的象征。不过由于1G网络采用模拟讯号传输,存在语音品质低、信号不稳定、覆盖不够广、串号、盗号等问题,1995年2G网络到来了。

(1G手机:使用FDMA技术)
1G网络的前身实际上是军用无线通讯工具,后经商用后进入消费级市场。因为通讯协议本身在创立之初就没有考虑到安全、可靠性等方面,所以仅仅9年就被更加完善的2G网络取代。

2G网络最大的变化是采用了数字调制,不仅安全性更高,而且声音品质有极大改善,相比1G还多了数据传输的服务,速率达到9.6 kbit/s -14.4 kbit/s。得益于此,发短信成为当时最时髦的交流方式。尽管当时全球网民数量接近4千万,但没有一个是手机用户,大家还在使用速度28.8kbps-33.6kbps的有线拨号网络连接“有限”的世界。

在2G时代有三种网络制式标准被发明出来,一种是最终被大规模使用的GSM(Global System for Mobile Communication),它是由3GPP开发的开放标准,最终被欧洲列国定为标准,后经爱立信、诺基亚等公司推广到全球。GSM的核心技术是TDMA(Time Division Multiple Access),它的特点是将一个信道平均分给8个通话者使用,一次传输一个用户的语音,每个用户享受1/8的信道时间。但因为每一次轮换的间隔只有0.577ms,所以我们几乎感知不到信号是在实时切换的。举例来说,就好像8个人站成一队轮流说话,每个人只能说一个字,这个字只会传输给特定的人,因为语速快到不到1毫秒,所以无论说多少字接收方听到的都是连贯的。但这种技术最大的瓶颈在于用户数量受限,在GSM 900Hz频率下,一个基站只有124个信道,每个信道最多8个人同时使用,也就是说最高992个人同时使用。这也就是为啥以前遇到地震,在学校总打不出去电话报平安的原因。

(三种技术的接通情况:不同颜色代表用户)
面对TDMA的缺陷,另一种更加先进的技术CDMA(Code Division Multiple Access)出现了。这项技术的核心是利用扩展频谱通信,通过发送调制、接收解调的方式让所有用户同时使用同一个频段。举例来说,就好像60个人站成一队同时说话,但因为接收方知道这60个人所说的不同“方言”,所以只能接收到特定“方言”的内容,其他的直接过滤掉。这也就意味着在保证通信质量的情况下,CDMA网络可以至少容纳1600个人同时使用,这可以帮助运营商少建基站。

(美国高通公司创始人:欧文·雅各布)
你绝对想不到的是,CDMA技术的前身最早是由一位好莱坞明星——海蒂·拉玛发明的,最初设想用于鱼雷的制导,但未能如愿。后来,高通公司的创始人欧文·雅各布将这项军用通讯技术,成功应用在了民用移动通信上。说起大名鼎鼎的欧文·雅各布,有通信背景的网友一定不会陌生,他所著的《通信工程原理》(Principles of Communication Engineering)至今仍被认为是通信界圣经宝典,成为无数箐箐学子的必备教材。没有这位“倔”老头的坚持,或许5G要再推迟5-10年才能到来。

2G时代,手机再也不仅仅是接打电话的工具。

随着数据流量服务兴起,移动多媒体音视频服务横空出世,像彩信、手机报、壁纸和铃声的在线下载也成为了热门服务。人类再一次用科技改变了信息的传递方式,除了语音通话,短信成为人与人沟通的重要桥梁。海量的信息传递,也让移动互联网展露雏形。

(2G时代:一代人的记忆)
然而在这个时代,不论是GPRS、EDGE还是CDMA 1X其资费还是相当昂贵的,几十K每秒的下载速度还无法支撑视频之类的多媒体应用,再加上当时的功能手机性能偏弱,2G时代虽引入了数据网络,但其应用场景主要是以文字为主。那时小编刚好读初中,每个月看小说需要花费10-20MB的流量,这在当时算是不小的开销了。

3G时代,互联网浪潮席卷全球。

移动互联网也借由第三代移动通信技术的发展踏上了高速发展的世界列车。在这个时代,可以触屏操控、支持安装各类应用软件的智能手机大行其道。手机再也不仅仅是接收信息的窗口,更是产生大量信息的平台,手机行业在这个时代产生了不可思议的逆转,一个水果图标的公司异军突起将北欧神话斩于马下,一个时代王者就此褪去光环。

2G网络诞生之后的13年,在2008年5月,国际电信联盟正式公布第三代移动通信标准,TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000成为三大国际标准。说到3G还有一个标准不得不提,那就是Wimax。这个以IEEE协会为背景的3G协议虽也曾经成为国际标准之一,甚至有望最先推出4G网络,但因内部只看利益不重科技发展,最终导致联盟分崩离析。

三大国际标准中的CDMA网络相比其它二者具有频率规划简单、系统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容量、软切换等优势。更重要的是,CDMA成为3G网络时代的根本底层技术,可以说,没有高通公司在CDMA技术上的创新,我们就无法跨越到移动互联网时代。

实际上3G时代的主要技术演进是在用户容量和网络速率两个方面,用户容量,简单说就是改善单个基站同时可以服务的用户数量。而网速的提升对于移动互联网的发展,可是带来了前所未有的红利。在2.75G时代,理论最高的下载速度为48KB/s,在3G时代这个速度提升到了512KB/s,而在3.75G时代(HSPA+)速度最高达到了2688KB/s~5376KB/s(21Mbps-42Mbps)。

(3G网络的诞生改变了手机行业格局)
更快的网络、更智能的手机,两者就这样产生了化学反应,让没有一点点防备的我们彻底“沦陷”。微博、微信、淘宝、手机QQ、校内网……,一系列过去在PC上才能使用的网络服务在手机上竟然有更好的体验。在公交车、地铁、火车、电梯甚至如厕之类的碎片时间中,智能手机取代了报纸杂志,海量信息就这样源源不断地通过数据网络展现在手机屏幕之上。我无时无刻不抓着我的手机,生怕错过每一条社交消息,每一个偷菜提醒。而邻桌的同事再也不怕上班时间错过最好的炒股买卖时机。远在北半球的表姐再也不用担心昂贵的话费与漫长的信件邮递,每周都与家人视频通话。

第三代移动通信网络的出现,更进一步缩短了人与人之间的距离,面对全球各个国家和地区的最新动态,电视、报纸、杂志这些传统传播途径的效率远不及互联网上的一条快讯。我们每一天都被各种消息包围,手机软件的推送消息成为了这个世界上到到达率最高的传播管道。移动互联网面临的唯一障碍就是——高昂的使用费用。

4G时代,全面数字化时代的大跃进。

3G网络推出4年后,第四代移动通信技术正式发布了。相比3G,4G网络在规范上前所未有的统一,全球均采用3GPP组织推出的LTE/LTE-Advanced标准,最新标准下空中接口的关键技术放弃了CDMA转投OFDM。OFDM是一项非常复杂的技术,如果完全讲透可能再加5000字也不够。从技术命名上来看,OFDM即Orthogonal Frequency Division Multiplexing,中文翻译过来是正交频分复用。简单的来说,使用一组正交载波来传送信息,该载波组一般具有形式如E={e^jt, e^2jt, e^3jt, ..., e^kjt}, j表示虚数单位, T是一个符号的持续时间,如果在集合E里边任意取两个载波作一下内积可得:不同子载波之间内积为0,这就是正交。再简单的来说,在一个载波周期里,每个载波的频谱零点和相邻载波的零点重叠,但因为是正交所以他们可以不想不干扰承载各自的信息。

(OFDM技术的简单运行过程)
当然了,小编我对OFDM的技术原理也是假明白。但在技术特性上,OFDM的优点是可以消除或减小信号波形间的干扰,对多径衰落和多普勒频移不敏感,提高了频谱利用率,可实现低成本的单波段接收机。可以说OFDM与3G时代的CDMA技术是完全不同的两个技术,这对于3G时代贡献最大的高通无疑是不公平的。高通发现自己原有的技术路线与大方向不同后,迅速收购了在OFDM领域拥有领先技术的Flarion公司,并凭借自身深厚的技术积淀以及研发能力,依然成为了4G标准中拥有LTE技术最多的企业。LTE网络大规模的MIMO技术应用提升了频率复用度,跨载波聚合能获得更大的频谱带宽从而提升数据速率。移动主宰一切序幕就此拉开。

4G时代的下载速度已经从刚开始的12.5MB/s发展到今天的175MB/s,资费也由初期的10元/M降低到了几十元/不限量的水平。就连传统的语音电话业务也升级成为VoLte,采用数据流量进行通话。面对如此之大的数据洪流,视频成为4G时代的最大风口。

高速的网络让视频缓存变得不易察觉,抖音、快手、西瓜视频都是在这一波流量大潮中发展成现象级应用。手机端实时联网打游戏的人数首次超过PC端。在3G时代,使用数据流量观看视频是一种极度炫富的行为,因为当时不仅数据流量费用昂贵,而且速度也远不如有线WI-FI。而在4G时代,不限量套餐的出现让普通用户也无需担心一不小心房子就归了运营商,期盼已久的提速降费成为现实。可以说现在出门,不管是旅游还是吃饭,一进门先找免费Wwi-FI的人是越来越少了。移动支付也借着网速提升的大潮迅速普及。试想一下,在3G时代如果你TD-SCDMA也就是移动3G网络来进行微信支付,动辄500ms以上的延迟会让整个支付过程变得异常尴尬,不信?请抬头看看大婶的犀利目光。

(全球已经有320款采用骁龙处理器的手机被推出)
从另一个方面来说,越来越多杀手级应用的出现对手机性能也提出了更高的要求。如何兼容全球各个地区的网络频段、又如何保证下行速度达到峰值,如何让手机运行杀手级应用不卡顿,如何让GPS搜星更快?可以说在4G时代,越来越多的瓶颈出现在手机上而非网络。2013年12月,工信部正式颁发4G运营牌照,得益于高通QRD参考设计的交钥匙方案,众多国产手机厂商使用骁龙800系列移动平台,迅速在一个季度后推出了支持4G网络的手机。这种交钥匙的解决方案,也奠定了中国手机品牌在全球手机世界崛起的基础。时至今日,骁龙依旧是性能、网络领先行业的手机移动平台。

5G时代,每个人的生活方式都将被影响
时隔五年,第五代移动通信技术也走到了台前。很多人会问,4G的网络容量、下载速度至今也没有遇到明显瓶颈,为何还要不遗余力地研发第五代移动通信技术呢?正如早点铺大婶儿子所言,4G网络在容量上虽然提升了,但在信号覆盖、数据带宽方面依然不尽如人意。所以5G在立项之初,规范中就明确要求每平方公里100万个互联网设备接入、1毫秒延迟、更高的能效和频谱效率、每秒5Gbps的峰值下载速度等。结合当下的万物互连趋势,以及物联网、车联网、智慧医疗、VR/AR、工业4.0等关键应用的出现,5G已经不再是单一的无线接入技术,而是多种新型无线接入技术和现有无线接入技术(4G后向演进技术)集成后的解决方案总称。

5G其实离我们并不遥远了,早在2017年的10月23日,高通在香港就发布了全球首个5G调制解调器X50 Modem,并成功在28GHz毫米波段上实现了5G数据连接。那我们什么时候可以用上5G手机呢?运营商给出的正式商用时间在2020年,也就是说支持5G网络的手机会在2019年下半年大批量上市。既然规范在2017年就确定了,为何要等到2020年才能真正用上5G网络呢?首先,5G网络的基站建设不是一日之功,两年时间做到大范围覆盖已经是火箭般的速度了。其次是5G以下的频段已经没有空余资源可用了,运营商在积极推动2G网络退网的同时,也在积极探索如何解决频段匮乏的问题。

(毫米波技术将成为5G普及的关键)
频段短缺和碎片化是4G时代的重大挑战,为何不考虑毫米波频段呢?实际上并不是每一个频段都适合进行信号传输,目前业内公认适合为5G使用的新频段是使用毫米波如28GHz与 6GHz以下中低频段,如3.5GHz以及2.6Hz。找到了合适的频段,还需要解决两个技术难题。1. 氧分子对它的吸收会比低频谱明显,毫米波频谱衰减的比较快。2. 该频段穿透障碍物的能力比较差,无法穿过障碍物。目前业内领先的解决方案是高通推出的波束成型技术,它将多个天线一起向同一个目标发射具有指向性的信号,从而解决信号衰减问题,再利用反射和折射来帮助毫米波实现非视距的通信。

如果说前四代移动通信技术是依靠手机进行推动,那第五代则是车联网、物联网带来的庞大终端接入、数据流量的需求驱动技术升级。在5G时代,我们不仅需要继续改善人与人之间的沟通,还需要考虑物与物、人与物之间的通信。过去受制于接入数量、速率、成本等多方面限制,很多网络互连的体验是缺失的。比如现在很多用户家中都有IoT设备,但这些设备之间既有WI-FI、蓝牙连接,又有Zigbee、有线等连接,这些连接之间因协议不同导致互不兼容。但在5G时代,所有的IoT设备都可以使用NB-Iot、M-IoT进行接入,从而提供真正智能的物联网体验。从表面来看这是一个通信技术上的大跃进,实际上是AI人工智能技术、智能驾驶技术的最终落地。

(5G的超级速度,将改变无线网络的原有生态)
在5G时代,“先下后用”这一个概念将被终结,理论最高数千兆级的速度让一切下载行为都在顷刻间完成。这甚至要比家里的100Mbps的有线宽带快一百倍。以《延禧攻略》为例,70集电视剧在5G网络下只需要几十秒就可以全部缓存到手机中,家用有线宽带最快也得半个小时。除了下载,未来我们的手机也不用配备非常大的存储空间,因为所有的数据都可以不用存在本地。举例来说,过去想体验4K电影或者8K VR是很困难的一件事。前者因为这些资源动辄40GB~100GB,一般的移动设备根本放不下。后者则因为需要线缆连接,无法做到真正的随时随地沉浸体验。然而这些问题在5G时代统统都不是问题,因为当速度、时延都不是瓶颈时,用户根本不会察觉到这些数据是从云端实时缓存的。

(vivo此前公布的5G手机,采用高通X50调制解调器)
目前vivo、OPPO、小米都已经宣布成功基于可商用手机完成了5G信令和数据链路的连接,据官方透露首批支持5G的手机将在2019年上半年正式发布并采用7nm的骁龙855平台,首发的品牌不出意外就是这三家了。

(基于5G网络下的万物互联)
说了半天移动通信技术,我的煎饼还没吃。这让我不禁畅想在未来,卖煎饼的大婶可以云开店,即在煎饼店里放置两个机械手,通过5G网络进行远程摊煎饼的工作。这样即便是不在店中,依然可以保证煎饼的品质和店面收入。而这样的场景在4G网络下是无法实现的,原因在于现有网络的时延几十毫秒,大婶接收实时画面与反馈动作之间存在时差,这就会导致煎饼的料理失败。工业4.0智慧工厂、远程医疗等行业同样也是如此,不论是在工厂干活还是在医院做手术,都容不得延迟,这时5G的低时延特性就尤其重要。

(智能驾驶技术示意图)
对于车联网来说,5G技术改变的可不是车内智能系统下歌速度更快了。结合AI人工智能,智能驾驶将极大降低交通事故率,同时优化出行效率。简单地说未来的智能驾驶不仅仅具备主动探测车辆前后左右是否有障碍,还需要具备车与车、车与人、车与路的三方交互。这就要求基于5G网络下,数据的传输和处理要比人类大脑反应还快。举例来说,当我从家出发去公司这一个决策制定后,我的车就要实时的与路上其他的车辆、红绿灯、交通网进行数据互通。它不仅要规划躲避拥堵的路线,还需要知道我车辆前后左右的其他车辆接下来的行驶轨迹,从而以允许的最高速度同行。

说到这里,你是不是认为我吃香菜上头了,都出现幻觉了?这个展示我在CES、MWC、智博会等活动上已经看到过很多次了。它是基于高通推出的V2X通信方案实现,是对摄像头、雷达、激光雷达的补充,通过低延迟、高可靠性、高吞吐量这几个特性,来为智能驾驶提供通信服务。

(无线通信技术的出现,缩短地理上的距离界限)
有人说1G解决了人与人之间联系,而5G将实现万物之间的连接。究其本质,移动通信技术的发展是在改变人类与这个世界的连接方式。正如我们儿时用纸杯制作的土电话一般,人们迫切地希望分享信息。而信息的分享加速了互联网的发展,人与人的沟通再也不受制于地域的限制,一切皆因那没有边界的无线通信技术。回顾人类通信技术发展史,从2G到5G的这十几年间,有一家公司既不生产手机也不卖通信基站,却在30年通信史中持续不断地为行业做出了卓越的贡献。可以说,如果没有这家公司的积极创新,就不会有现如今的智能手机、智能家居、智能穿戴等一切依托于SOC芯片和网络的设备。这家公司就是美国高通公司,一个在5G时代依然保持高速创新,率先推出5G解决方案的伟大技术公司。相信在5G正式商用后,高通公司在手机移动平台、网络通信等方面还会有划时代的技术推出。

在过去,距离是衡量时间的一种方式,那时车马邮都很慢,一生只够爱一个人。而移动通信网络的出现和发展,从根本上改变了整个世界相互连接、沟通和计算的方式。也让人们拓展了对世界的认知,打破了地理位置对信息传递的界限。随着5G时代的到来,人和人的沟通更亲密,更高效,也让物质、医疗、文化、艺术、科技等各种领域的信息传递变得眨眼即到。移动通信技术解决的是人类生活问题,5G则是让人类的生活更加智能与美好。面对即将到来的5G时代,你准备好了么?

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