5G到底 是 什么 ？它 能 成为 创造 未来 的 新 科技 吗？ (1) What exactly is 5G? Can it be the new technology that creates the future? (1)

各位 同學 大家 好 我 是 李永樂 老師 ||||||Li Yongle| Hello everyone, I’m Teacher Li Yongle

有壹個 小朋友 給我 發來 私信 說 a||||| A child sent me a private message saying

他 特別 崇拜 歷史 上 的 科學家 和 發明家 He especially admires scientists and inventors in history

比如說 瓦特 改良 的 蒸汽機 ||improved||steam engine For example, Watt’s modified steam engine

把 人類 帶入 了 蒸汽 時代

法拉第 發明 了 發電機 又 把 人類 帶入 了 電氣 時代 Faraday|||||||||| Faraday invented the generator and brought mankind into the electrical age

現在 我們 已經 處於 了 計算機 時代 和 互聯網 時代 |||in||||||

他 就 想問 我

如果 幾百年 後 我們 回頭 再 去 看 的話

現在 哪壹種 新 技術 的 誕生 |||||birth

能夠 把 人類 帶入 更加 高層次 的 未來 呢

其實 無論是 蒸汽機 發電機 還是 電子計算機 actually|||||computer

它們 的 背後 都 是 牛頓 麥克斯韋 ||||||Maxwell

法拉第 愛因斯坦 這樣 偉大 的 科學家 A great scientist like Faraday Einstein

所 開拓 出來 的 新 的 理論 |developed||||| New theories developed

在 這些 新 的 理論 的 支持 下 新 的 技術 層出不窮 |||||||||||emerge endlessly With the support of these new theories, new technologies emerge in endlessly

而 這些 技術 又 可以 用 在 And these techniques can be used in

工業 農業 運輸 等等 各個領域 ||transportation|| Industrial and agricultural transportation and other fields

我們 稱之為 通用 技術 |call it|| We call it universal technology

如果 站 在 現在 的 視角 |||||perspective (1) If you stand in the current perspective

去 看 未來 的 通用 技術 的話 If you look at the general technology of the future

那 我 想 應該 是 5G 人工智能 和 雲 計算 ||||||||cloud|

相結合 的 技術 combined|| combined technology

這種 技術 壹定 能夠 將 人類 帶入 更加 輝煌 的 未來 ||||||||brilliant||

那 麽 我們 今天 就 想來 討論 壹下

這些 技術 中 的 第壹個 5G 技術

我們 首先 來回 顧壹下 ||discuss|review

移動 通訊 技術 它 的 發展 歷程

移動 通訊 技術

通訊 其實 是 人類 與生俱來 的 壹種 需要 ||||inherent|||

比如說 從 這個 商周 時代 |||Shang-Zhou|

我們 中國 建 烽火臺 |||beacon tower We build beacon towers in China

就是 為 了 實現 遠距離 快速 通訊 對 吧 |||achieve||||right|

這個 非洲 他們 用 大鼓

壹個 部落 的 人 敲 鼓 然後 隔壹段 有 壹 個人 接力 ||||beat|||after a while||||

這樣 壹來 就 可以 把 信號

快速 地 傳播 到 幾十 公 裏 之外 的 壹個 部落 了 ||spread||||miles|||||

但是 在 人類 找到 電信號 之前

通訊 技術 其實 都 沒有 什 麽 太大 的 突破

直到 人們 發現 了 無線電波

人們 才 找到 了 壹種 容量 大 保密性 好 |||||||confidentiality|

又 安全 又 快 的 這種 通訊 方式

那 如果 我們 把 最近 這壹 百多年 的 這個 通訊 技術

來 做 壹個 總結 的話 |||summary|

最快 的 其實 就是 在 最近 的 這 幾十年

我們 把 它 分成 了 幾個 階段

1980 年 到 1990 年

1990 年 到 2000 年

2000 年 到 2010 年

和 2010 年 到 2020 年

我們 大概 可以 把 它 分成 這 麽 幾個 階段

1980 到 1990 年

我們 稱之為 1G 時代

1990 到 2000 2G 時代

2000 到 2010 3G 時代

2010 到 2020 4G 時代

那 麽 每壹代 無線通訊 技術 都 有 什 麽 特征 呢 |||||||||features|

顯而易見 它 速度 越來越快 了 對 吧 obviously||||||

首先 我們 先 來說 1G

第壹代 無線通訊 技術

那 麽 在 1960 年代 美國 有個 貝爾實驗室 ||||||Bell Labs

這個 貝爾實驗室 的 科學家 就 提出 了 壹種 理論

說 我們 可以 通過 壹種 方式 進行 無線通訊 ||||||conduct|

這種 方式 叫什 麽 呢 叫 移動 蜂窩 |||||||hive

我們 經常 聽說 蜂窩 數據網 ||||data network

妳 知道 蜂窩 數據 是 什 麽 意思 嗎 |||data|||||

其實 就是 每壹個 信號 塔 覆蓋 壹個 小塊 的 區域 ||||tower|covers||small area||

很 多個 信號 塔 覆蓋 很 多個 區域

這些 個 小區 壹個 壹個連 起來 就 好像 蜂窩 壹樣 |||||||||like

就 可以 實現 通訊 了

這就 叫 所謂 的 移動 蜂窩 技術

這種 技術 後來 在 1979 年 的 時候

被 日本 電報 電話公司 第壹個 用 在 商業 上

它 在 東京 開展 了 這項 服務

從此 之後 歐洲 美國 也 都 開始 1G 時代 了

那 麽 中國 的 這個 1G 服務 開 始於 1987 年 ||||||||began in|

也 就是 我們 留在 很多 人 記憶 中 的

那個 大哥大 是 吧 |big brother||

那 就是 1G 時代 的 產物

漸漸 的 1G 已經 不能 滿足 人們 的 要求 了 gradually|||||||||

因為 1G 傳輸 的 是 模擬信號 ||transmission|||analog signal

它 只能 傳輸 語音 不能 傳輸 文字 是 吧

而且 保密性 能 也 很 差

它 這個 通話質量 也 不好 ||call quality||

於是 就 出現 了 2G then||||

也 就是 第二代 移動 通信 技術

第二代 移動 通信 技術

它 采用 的 就 已經 是 數字信號 了 |uses|||||digital signal|

數字信號 的 意思 就是 妳 給我 壹段 語音 |||||||voice

我 把 這段 語音 進行 采樣 |||||sampling I sample this speech

采樣 了 之後 把 它 轉化成 壹 個數 字 |||||convert to||number|

然後 我 再 把 這個 數字 變成 二進制 |||||||binary (1)

用 這個 二進制 數傳 輸過去 對 不 對 ||||output|||

通過 這種 方法 我 就 可以 實現

既 能 傳輸 語音 又 能 傳輸 文字 both|||||||

而且 我還 可以 對 信息 進行 加密 ||||||encryption

中國 的 這個 2G 是 始於 1996 年

我們 突然 發現 人 拿 了 壹個 手機

不光 可以 打電話 還 可以 發短信 壹 毛錢 壹條 ||||||||one cent Not only can you make phone calls, you can also send text messages for one dime a piece

大家 還 記得 那個 時代 嗎

我還 可以 玩 貪吃蛇 對 吧 |||Snake|| I can still play Snake, right?

我還 可以 拿 手機 拍照

那個 時代 的 功能 機 |||function|

留給 了 我們 很多 的 美好 的 回憶

漸漸 的 這個 2G 也 不能 滿足 人們 的 需要 了

因為 它 傳輸速率 實在 太慢 了 ||transmission speed|||

於是 3G 就 呼之欲出 了 |||emerged| So 3G is about to come out

3G 的 出現 是 伴隨 著壹 系列 的 新 技術

舉 幾個 比較 重要 的 raise||||

比如說 有壹個 新 技術

就是 高通公司 研發 的 CDMA 技術 ||research and development|||

CDMA 也 叫做 碼分多址 技術 |||code division multiple access|

這種 技術 出現 了 之後

徹底改變 了 這個 無線通訊 的 這個 行業 的 面貌 completely changed||||||industry||landscape

93 年 的 時候 CDMA 就 成為 行業標準 了

99 年 的 時候 國際電信聯盟 |||International Telecommunication Union

就 把 CDMA 定為 了 3G 的 基礎 技術 之壹 |||designated as||||||

那 我們 聽說 過的 比如 CDMA2000

那 WCDMA 什 麽 TDSCDMA

其實 都 是 CDMA 時代 的 三種 不同 的 技術標準

雖然 說 技術 上 從 2000 年 開始

CDMA 就 已經 成熟 了

3G 就 已經 成熟

但是 直到 2008 年 3G 才 普及 開

大部分 人 都 喜歡 用 2G 手機

為什 麽 呢

那 是 因為 那個 時候 缺乏 殺手 級 的 應用 |||||||level|| That's because of the lack of killer apps back then

所以 賣 功能 機 的 廠商 |||||manufacturer Therefore, manufacturers who sell feature phones

比如說 摩托羅拉 諾基亞

他 憑 借賣 手機 就 能 賺 到 盆滿 缽 滿 |by|reselling||||earn||a full bowl|bowl|full

結果 2008 年 的 時候 技術 突然 突破 了

這個 壹 大批 智能手機

以及 它們 的 應用 突然 出現 了

人們 突然 發現 原來 手機 這 麽 好玩

不光 可以 打電話 發短信

我還 可以 幹 很多 其他 的 事 對 不 對 ||do|||||||

於是 人們 紛紛 投向 了 智能機 的 市場 ||one after another|turned to|||| So people have invested in the smart phone market

3G 也 就 逐漸 地 普及 起來 了

盡管 3G 時代 其實 來 的 並不 太久 despite||||||not too|

但是 人們 已經 迫不及待 地 |||can't wait|

研究 第 4 代 移動 通訊 技術

那 就是 4G 了

4G 相比 於 3G 還是 那句話 ||to|||

它 速率 有 很大 的 壹個 提升 對 吧 |rate|||||||

技術 也 有 很多 的 進步

比如說 有壹個 技術 叫做 OFDMA 技術 ||||OFDMA technology|

叫 正交 頻分多址 技術 |Orthogonal|Frequency Division Multiple Access|

這種 技術 是 什 麽 意思 呢

就是 以前 我們 通信 的 時候 用 電磁波 |||||||electromagnetic waves

那 麽 每壹個 信號 的 電磁波 頻率

不能 是 重疊 的 是 吧 ||overlapping|||

咱們 倆 信號 中間 還得 隔 壹 段

否則 的話 頻率 互相 影響 Otherwise, the frequencies affect each other

信號 不 就 幹擾 了 嗎 |||interfere||

但是 正交 頻分多址 技術

它 可以 在 同壹個 頻段 內 傳輸 很 多個 信號

為什 麽 呢

因為 這些 信號 彼此 是 正交 的

我們 可以 這 麽 理解

就是 壹個 信號 最強 的 時候

其他 信號 壹 定都 為 零 |||||zero

那 這樣 壹來 它們 之間 雖然 都 在 壹個 頻段 內

但是 它們 卻 不會 彼此 幹擾 對 吧 ||actually|||||

這就 OFDMA 技術

在 壹 大批 新 技術 帶領 之下 4G 就 出現 了

在 4G 時代 平均 的 網速

可以 達到 幾十 兆比特 每秒 |||terabits|

8 個 比特 是 1 個 字節 ||||byte

所以 相當於 下載速度

是 10 兆 字節 每秒 左右 是 吧 |trillion||||| It's about 10 megabytes per second, right?

如果 妳 再 加入 壹些 新 的 技術 比如 像 載波 聚合 ||||||||||carrier|wave aggregation

那 妳 就 可以 讓 網速 達到 千兆比特 每秒 |||||||1 gigabit|

也 就 相當於 下載速度 每秒鐘

可以 下載 100 兆 字節 左右 是 吧

這個 速度 就 非常 快

那 麽 更 高 的 數據 傳輸速率 就 催生 了 更 多 的 應用 ||||||||spurred|||||

所以 移動 互聯網 時代 就 正式 來臨 了 ||||||arrived|

人們 現在 已經 熟悉 了 |||familiar with|

用 手機 去 買菜 打車 去 看 電影 玩遊戲

甚至 上網 學習

於是 又 催生 了 像 今日 頭條 抖音 快手 B 站 ||||||headline|Douyin||| So it gave birth to the B station like today's headline Douyin Kuaishou

西瓜 視頻 這樣 的 短 視頻 平臺 ||||||platform

新型 的 互聯網 巨頭 像 美團 滴滴 |||giant||Meituan|Didi

也 都 無疑 不 得益於 4G 的 發展 ||||benefit from|||

就連 現在 發紅包 我們 都 不 去 買 紅包 來發 了

都 直接 在 手機 上 轉個 賬 就 結束 了 是 吧 |||||transfer|account|||||

我們 回顧 壹下 移動 通訊 技術 的 發展 簡史 |review|||||||brief history

就 會 發現

每隔 10 年 左右 通訊 技術 就 會 進步 壹代 every||||||||one generation

那 現在 到 了 2020 年 了

於是 5G 技術 正式 到來 了

那 下面 我們 就 來 討論 壹下 5G

以及 5G 毫米波 技術 ||millimeter wave|

5G 其實 還分 兩類

我們 來 介紹 壹下

工信部 的 統計 告訴 我們 Ministry of Industry||statistics||

在 2020 年 的 1 月份 到 11 月份

中國 出貨 手機 有 1.44 億部 |shipments|||million units

在 這些 手機 裏面 有 51.4% 都 是 5G 手機 |||inside|||||

而且 在 2020 年 的 後 半年

每壹個 月 中國 的 5G 手機 出貨量

都 占 總 出貨量 的 60% 以上 |account for|total|||

所以 中國 正在 跑步 進入 5G 時代

那 麽 5G 相比 於 4G 到底 有什 麽 優勢 呢

我們 可以 總結 三條

那 就是 高速率 低 延遲 和 大容量 ||||latency||large capacity That is high speed, low latency and large capacity

我們 現在 說 第壹條 高速率 ||||high speed

我們 都 知道 5G 的 速度快

那 麽 它 到底 有 多 快 呢

我們 把 它 和 現在 已經 很快 的 4G 做壹個 比較

4G 我們 感覺 網絡 已經 非常 快 了

它 可以 達到 100Mbps

100 兆比特

我剛 才 說 了 8 個 比特 是 1 個 字節

所以 相當於 下載速度

大約 是 10 兆 字節 每秒 about 10 megabytes per second

大概 這 麽 個 速度

那 麽 這個 速度 已經 可以 滿足 我們 通常 的 使用 了

但是 如果 要 場景 加 的 更 復 雜壹點 |||scene 1|||||

比如說 像 4K 8K 的 高清 數據流 ||||||data stream

它 傳輸 不了

比如說 AR VR 的 數據流 它 傳輸 不了

以後 要 有 自動 駕駛 汽車

自動 駕駛 汽車 壹天 的 數據量 有 4000G |||||data volume||

它 也 傳輸 不了

而 5G 可以 在 4G 的 基礎 之上 再 提升 壹個 量級

5G 的 平均 網速 可以 達到 1Gbps 是 吧

峰值 網速 可以 達到 2Gbps peak||||

2Gbps 跟 剛才 100Mbps 相比

大約 是 高 了 20 倍 是 吧

5G 的 速度 大約 可以 達到 4G 到 20 倍 以上

國外 有壹個 小夥 用 5G 和 4G 做 了 壹個 對比 ||young man||||||||

這也 證實 了 這個 結果 的確 有 這 麽 快 |confirms||||||||

它 是 它 的 20 倍

為什 麽 5G 可以 達到 4G 的 20 倍 呢

除了 壹些 新 的 技術 應用 以外

這個 5G 信號 和 4G 信號 的 物理 特性 不同

也 是 它們 速率 不同 的 壹個 原因

我們 首先 要說 壹個 公式 ||||formula (1)

信息論 有壹位 奠基者 名字 叫做 香農 ||founder|||Shannon Information theory has a founder named Shannon

這個 香農 我們 後面 會講 他 他 是 個 天才

那 麽 香農 提出 了 壹個 關於 信息論 的 壹個 公式 ||||||about||||

叫做 香農 公式 ||formula (1)

香農 公式 就是說 我們 如果 想 傳輸 壹個 信號

那 麽 傳輸 的 最大 速率 或者 叫 香農 極限 |||||||||limit

等於 什 麽 呢 equals 1|||

等於 Wlog₂(1+S/N)

這 就是 所謂 的 香農 公式

我們 來 解釋 壹下 香農 公式 什 麽 意思 ||explain||||||

首先 我們 先說 這個 C

這個 C 其實 就是 傳輸 的 速率

比如說 妳 每秒鐘 傳輸 多少 個 比特

就是 速率 的 極限

最多 妳 能 傳輸 這 麽 多

妳 再 怎 麽 編碼 再 怎 麽 調整 妳 的 設備 ||||code||||||| No matter how you code and how you adjust your device

妳 的 傳輸速率 也 不 可能 超過 這個 值 ||||||||value (1)

它 是 個 極限

然後 第二個 就是 W

W 就是 頻段 的 寬度 ||||bandwidth

什 麽 叫 頻段 寬度 呢

比如說 我們 傳輸 電磁波 信號

我 是從 900M 到 1000M

這有 100M 的 頻段 可以 給 我們 傳輸

那 我 的 頻寬 那 就是 100M |||bandwidth|||

我 如果 要 是從 1GHz 的 頻率 到 2GHz 頻率 之間

這壹段 頻率 是給 我 的

我 就 有 1G 的 頻寬

頻寬 越 寬 我 的 這個 速率 極限 就 越 大 ||wide||||||||

第三個 就是 S

這個 S 就 叫做 信號 功率 平均 信號 功率 |||||power|||

而 這個 N 就 叫做 噪聲 功率 |||||noise|

這個 傳輸 信號 的 時候 壹定 會 有 噪聲

就 比如說 那些 原子 什 麽 的 布朗運動 是 吧 |||||||Brownian motion||

這也會 產生 壹些 白 噪聲

那 麽 S/N 就 叫 信噪比 ||||||signal-to-noise ratio

信噪比 越高 那 麽 妳 傳輸速率 的 極限 就 越 大

香農 就 提出 了 這樣 壹個 公式

所以 妳 看 在 信噪比 壹定 的 情況 下

如果 妳 能夠 讓 這個 電磁波 的 頻段 越 寬

它 占有 更 寬 的 帶寬 |occupies||||bandwidth

那 麽 它 的 這個 傳輸速率 的 極限 就 會 更 大壹些

我們 來畫 壹個 電磁波 的 這個 頻段 情況 |let's draw||||||

畫壹個 頻段 情況 draw a||

比如說 這是 個 電磁波 頻段

這是 頻率 單位 是 Hz 是 吧 ||unit||Hz||

我們 原來 通訊 的 時候

大部分 都 是 在 900MHz 這個 量級 ||||||range

900MHz 附近

是 電磁波 比較 好 的 壹個 通訊 的 頻段