章池生

有人說2019年是5G商用元年，原來只有通信行業(yè)關注的5G突然變成了媒體熱點，頻頻登上頭條。5G概念從專業(yè)領域走進普羅大眾視野。

自媒體和專家經(jīng)常引用一句話“4G改變生活，5G改變社會”，喧囂浮躁的媒體說對了嗎？5G真的能夠改變社會嗎？答案既是肯定的，又存在著許多變數(shù)。為什么？不妨讓我們從人類信息傳輸?shù)陌l(fā)展史說起。

信息傳輸，由香農(nóng)開始

有線通信與無線通信+

“這里是FMl03.8交通頻道……”這句話聽起來熟悉嗎？無論是已經(jīng)淪為“古董”的轉(zhuǎn)盤撥號電話還是越來越罕見的AM/FM廣播收音機;無論過去撥號沖浪必備的“貓”還是現(xiàn)在可以移動上網(wǎng)的智能手機……作為通信設備，它們都遵循著通信行業(yè)的祖師爺——·香農(nóng)的信息論原理。

在香農(nóng)的信息論原理中，提出了一個信息傳輸模型。模型中，通信包含三個要素：信源、信道和信宿。

利用電話線、同軸電纜、光纖作為信道介質(zhì)是有線通信，利用電磁波傳播的就是無線通信。怎樣利用電磁波來實現(xiàn)通信？最基本方法就是把包含信息的信號加載到載波（一個正弦波）之上。這個過程稱為調(diào)制，反向的過程則稱為解調(diào)。

模擬信號與數(shù)字信號+

早在19世紀70年代，從美國人貝爾（大名鼎鼎的貝爾實驗室就是以他命名）發(fā)明電話開始，人類就開始利電磁波傳播信號。例如利用電磁波振幅的調(diào)制技術(shù)：信號強，發(fā)送的電磁波振幅增大;如果接收的電磁波振幅小，則意味信號弱，輸出話音小。這種技術(shù)被稱為調(diào)幅（AM）。而如果利用電磁波頻率來表征信號，則稱為調(diào)頻（FM）。

無論調(diào)幅還是調(diào)頻，都是把模擬的物理量，作為信號加載到載波上。然而，模擬通信有個本質(zhì)缺陷：信號在傳播過程中損耗極大。

畢竟無線通信條件非常惡劣，傳輸過程中充滿了電磁波特性造成的傳輸衰落、路徑損耗。再加上多徑效應、遠近效應、多普勒效應，以及各種噪聲干擾。隨著信息傳輸距離的增長，損耗越來越嚴重，最終導致解調(diào)信號極度失真。所以無線傳輸誕生很長一段時間內(nèi)，人們一直受到遠距離無線傳輸信號質(zhì)量差的困擾。

這個問題直到20世紀40年代·PCM技術(shù)誕生后，才得以解決。其思路是把模擬量信號變成離散的O和1二進制數(shù)字，然后再加載到載波上。除此之外，在傳輸信道上加入解碼與編碼過程。這樣就使得由O和1構(gòu)成的二進制數(shù)字編碼信息，在信道中傳輸時，即使有所損耗失真，也很容易被無損解碼，然后重新調(diào)制，恢復原狀。在信道中，通過一段接一段地“解碼一重調(diào)制”過程無限中繼，使得長距離通信，特別是高帶寬通信成為可能。

而我們現(xiàn)在使用的無線移動通信，都是采用的數(shù)字通信模式。

頻分多址、時分多址與碼分多址+

以上介紹的原理，都是基于“信源——信宿”的單線簡化通信模式。但是在現(xiàn)實中的大型移動通信系統(tǒng)，每一個通信結(jié)點既是信源又是信宿，形成的是多點對多點的網(wǎng)狀復雜通信模式。這時候，就涉及了多址技術(shù)，顧名思義，就是在無線通信網(wǎng)絡中不同結(jié)點地址的區(qū)分識別的技術(shù)。

多址技術(shù)可以通過不同的方式實現(xiàn)：在同一時間，不同的手機利用不同的頻率和其他手機通信，叫頻分多址（FDMA）;在同一頻率上，不同的手機利用不同的時間間隔輪流和其他手機通信，叫時分多址（TDMA）;同一時間同一頻率，不同的手機利用編碼區(qū)分不同的通信對象，則是碼分多址（CDMA）。3G的核心技術(shù)就是圍繞CDMA展開的，4G采用的核心技術(shù)則是正交頻分多址OFDMA。

有了以上的基礎框架和各種技術(shù)支撐，科學家和工程師們不斷研發(fā)各種新技術(shù)突破，從而推動整個移動通信系統(tǒng)一次又一次升級換代，向前演進。

波瀾壯闊的5G前時代+

無論3G、4G還是5G，這其中的G代表Generation（代）的意思。5G指的是第五代移動通信技術(shù)，它是目前主流4G網(wǎng)絡下一代升級。說起5G，咱們先捋一捋5G之前各個時代無線通信技術(shù)的變革，其實從1 G發(fā)展到5G無非就是上述各種基礎技術(shù)不斷突破。

1G時代模擬移動通信+

看過上世紀末古早港片的同學，應該對劇中黑社會老大拿在手里特別拉風，扔出去還可以砸死人的手機有著深刻印象。那時候的手機，體積有一個磚頭大小，在有線電話與尋呼機還是主流的社會中，堪稱霸氣外露的奢侈品。因此，在國內(nèi)還有一個霸氣的別名——“大哥大”。

而“大哥大”所代表的時代，就是移動通信的1G時代。

20世紀70年代，作為全球美國曾經(jīng)通信行業(yè)以及半導體行業(yè)圣地的AT&T貝爾實驗室，就推出了蜂窩通信系統(tǒng)。之后無線通信行業(yè)的先鋒——美國摩托羅拉公司，20世紀80年代初推出了基于模擬通信技術(shù)的第一代移動通信系統(tǒng)AMPS。它采用濾波器實現(xiàn)頻分多址（FDMA）技術(shù)，短時間內(nèi)橫掃市場，取代了尋呼系統(tǒng)。

在那個時間段，西歐跟進推出類似的TACS系統(tǒng)，加上北歐的NMT、日本的PCS，統(tǒng)稱為1G。摩托羅拉是1G時代的霸主，占有超過50%市場份額。

2G時代數(shù)字移動通信+

因為模擬通信的先天不足，存在話音質(zhì)量低、保密性不夠等問題，市場急需新的無線通信技術(shù)。隨著大規(guī)模集成電路與數(shù)字信號處理技術(shù)出現(xiàn)，到了20世紀90年代，眾多歐洲國家成立電信標準組織，推出了·GSM系統(tǒng)。它的顯著特征是采用前文中提到的數(shù)字編解碼，取代模擬信號以提升通話質(zhì)量。這時的通信技術(shù)采用了時分多址技術(shù)（TDMA），將一個頻率同時分給八個手機輪流占用信道，擴大系統(tǒng)容量。GSM的大規(guī)模運用宣告2G時代到來。

在2G時代，盡管摩托羅拉在全球移動通信市場仍然占據(jù)巨大份額，但由于公司里模擬通信部門的強勢，讓它延誤了技術(shù)革新的先機。反而是歐洲的愛立信、諾基亞、阿爾卡特等公司，借助數(shù)字移動通信技術(shù)普及的大勢迎頭趕上。從此移動通信行業(yè)進入戰(zhàn)國群雄逐鹿，多頭爭霸的局面。

值得一提的是此時有一個“小玩家”高通公司。它把用于軍事通訊領域的碼分多址技術(shù)（CDMA）“軍轉(zhuǎn)民”，在同一頻率上采用不同編碼尋址多個手機。這一技術(shù)可以使無線信道傳輸容量比起TDMA提升一個數(shù)量級，語音質(zhì)量更好。高通試圖用這一技術(shù)挑戰(zhàn)2G時代主流的GSM標準，可惜未能成功。不過當時韓國支持高通，在其國內(nèi)建立了CDMA|S-95系統(tǒng)標準。為下一個時代，高通和三星的崛起埋下伏筆。

3G時代移動互聯(lián)網(wǎng)+

到了20世紀末，隨著互聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展，人們已經(jīng)不滿足于僅僅用手機實現(xiàn)通話功能，移動上網(wǎng)業(yè)務成為緊迫的剛需。雖然在2G時代后期，各大技術(shù)廠家基于GSM標準，先后開發(fā)了·GPRS（2.5G）、EDGE（2.75G）手機上網(wǎng)技術(shù)，但是受限于TDMA技術(shù)的信道帶寬利用率，當時人們利用手機上網(wǎng)的體驗就一個字：卡。

這時候，之前并不太受市場待見的CDMA技術(shù)開始崛起。

在CDMA通信系統(tǒng)中，多個信源傳輸?shù)男盘柌灰揽坎煌念l率或時間區(qū)分，而是用不同的編碼序列區(qū)分。這使得多個CDMA信號在同一信道中可以互相重疊傳輸，每個信號都能完全利用傳輸信道的帶寬，極大地提高了信道帶寬的利用率。

再加上當時由法國電信發(fā)明，通信史上一個里程碑——Turbo碼的誕生，讓移動通信傳輸帶寬利用率第一次逼近了香農(nóng)定理計算的信道帶寬上限，移動網(wǎng)速也從2G時代低于64Kbps（干比特每秒）將提高到2Mbps（兆比特每秒），為未來iPhone帶來的智能手機革命做好了準備。

不過，由于商業(yè)以及政治因素，3G技術(shù)在全球并未形成統(tǒng)一標準，而是演變成了三大標準“三國演義”局面：以歐洲幾大通訊巨頭為主的3GPP組織，繼承GSM推出的WCDMA;以北美和韓國主導的3GPP2組織力推CDMA2000;而咱們中國，則搞出了我們自己的技術(shù)標準——TD-SCDMA。

而在這個過程中，2G時代的“新手玩家”高通公司，借助CDMA技術(shù)專利和芯片授權(quán)崛起，在三大標準中利益均沾，是3G時代技術(shù)博弈的最成功案例。

4G時代智能手機革命+

3G時代，高通憑著在CDMA上的提前布局，獲得了專利上的霸權(quán)，招來所有企業(yè)乃至政府的一致警惕。但是打破高通霸權(quán)的，卻不是之前與其競爭的幾大公司，而是一個專業(yè)技術(shù)組織IEEE（電氣電子工程師學會），它在20世紀末搞出了一個·WiMax標準。

WiMax標準不再使用CDMA技術(shù)，而使用了OFDMA（正交頻分多址）技術(shù)，不但可以繼續(xù)提升傳輸速率10倍，而且從根本上克服CDMA的自干擾缺陷，簡化了系統(tǒng)設計，繞過高通的CDMA專利壁壘。

雖然后來WiMax標準受到由3GPP組織研發(fā)的·LTE以及LTE-Advanced沖擊，沒能成為主流移動通信標準。但是后者卻是繼承了OFDMA的技術(shù)理念，并將其發(fā)揚光大。之后全球主流運營商和技術(shù)供應商紛紛跟進，放棄CDMA，采用LTE-Advanced。3G時代未能通過協(xié)商統(tǒng)一的標準，4G時代在市場驅(qū)動下逐步走向統(tǒng)一。

4G時代另一個顯著變化是，因為高速數(shù)據(jù)流量為智能手機上網(wǎng)提供了條件，所以通信網(wǎng)絡企業(yè)開始退居幕后，智能手機企業(yè)走向舞臺中央。摩托羅拉、諾基亞、愛立信的手機業(yè)務被蘋果公司iPhone徹底擊敗，退出歷史，蘋果一舉成為智能手機時代的大贏家。三星、谷歌也借助安卓手機成為大贏家。華為公司利用其他通信網(wǎng)絡企業(yè)衰退和自身智能手機業(yè)務興起，成了4G時代第一陣營的大玩家。

這一切，終于為5G時代的技術(shù)與行業(yè)變革寫下伏筆。

（未完待續(xù)）