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 同学 大家 好 我 是 李永乐 老师 有 一个 小朋友 给我发 来 私信 说 他 特别 崇拜 历史 上 的 科学家 和 发明家 比如说 瓦特 改良 的 蒸汽机 把 人类 带入 了 蒸汽 时代 Brought mankind into the steam age 法拉第 发明 了 发电机 又 把 人类 带入 了 电气 时代 现在 我们 已经 处于 了 计算机 时代 和 互联网 时代 他 就 想 问 我 如果 几百年 后 我们 回头 再 去 看 的话 现在 哪 一种 新 技术 的 诞生 能够 把 人类 带入 更加 高层次 的 未来 呢 其实 无论是 蒸汽机 发电机 还是 电子计算机 它们 的 背后 都 是 牛顿 麦克斯韦 法拉第 爱因斯坦 这样 伟大 的 科学家 所 开拓 出来 的 新 的 理论 在 这些 新 的 理论 的 支持 下 新 的 技术 层出不穷 而 这些 技术 又 可以 用 在 工业 农业 运输 等等 各个领域 我们 称之为 通用 技术 如果 站 在 现在 的 视角 去 看 未来 的 通用 技术 的话 那 我 想 应该 是 5G 人工智能 和 云 计算 相结合 的 技术 这种 技术 一定 能够 将 人类 带入 更加 辉煌 的 未来 那么 我们 今天 就 想来 讨论一下 这些 技术 中 的 第一个 5G 技术 我们 首先 来 回顾 一下 移动 通讯 技术 它 的 发展 历程 移动 通讯 技术 通讯 其实 是 人类 与生俱来 的 一种 需要 比如说 从 这个 商周 时代 For example, from the Shang and Zhou era 我们 中国 建 烽火台 就是 为了 实现 远距离 快速 通讯 对 吧 这个 非洲 他们 用 大鼓 一个 部落 的 人 敲 鼓 然后 隔 一段 有 一个 人 接力 这样一来 就 可以 把 信号 快速 地 传播 到 几十公里 之外 的 一个 部落 了 但是 在 人类 找到 电信号 之前 通讯 技术 其实 都 没有 什么 太大 的 突破 直到 人们 发现 了 无线电波 人们 才 找到 了 一种 容量 大 保密性 好 又 安全 又 快 的 这种 通讯 方式 那 如果 我们 把 最近 这 一百多年 的 这个 通讯 技术 来 做 一个 总结 的话 最快 的 其实 就是 在 最近 的 这 几十年 我们 把 它 分成 了 几个 阶段 1980 年 到 1990 年 1990 年 到 2000 年 2000 年 到 2010 年 和 2010 年 到 2020 年 我们 大概 可以 把 它 分成 这么 几个 阶段 1980 到 1990 年 我们 称之为 1G 时代 1990 到 2000 2G 时代 2000 到 2010 3G 时代 2010 到 2020 4G 时代 那么 每 一代 无线通讯 技术 都 有 什么 特征 呢 显而易见 它 速度 越来越快 了 对 吧 首先 我们 先 来说 1G 第一代 无线通讯 技术 那么 在 1960 年代 美国 有个 贝尔实验室 这个 贝尔实验室 的 科学家 就 提出 了 一种 理论 说 我们 可以 通过 一种 方式 进行 无线通讯 这种 方式 叫 什么 呢 叫 移动 蜂窝 What is this method called mobile cellular 我们 经常 听说 蜂窝 数据网 你 知道 蜂窝 数据 是 什么 意思 吗 其实 就是 每 一个 信号 塔 覆盖 一个 小块 的 区域 很多 个 信号 塔 覆盖 很多 个 区域 这些 个 小区 一个 一个 连 起来 就 好像 蜂窝 一样 就 可以 实现 通讯 了 这 就 叫 所谓 的 移动 蜂窝 技术 这种 技术 后来 在 1979 年 的 时候 被 日本 电报 电话公司 第一个 用 在 商业 上 它 在 东京 开展 了 这项 服务 从此 之后 欧洲 美国 也 都 开始 1G 时代 了 那么 中国 的 这个 1G 服务 开始 于 1987 年 也 就是 我们 留在 很多 人 记忆 中 的 那个 大哥大 是 吧 那 就是 1G 时代 的 产物 渐渐 的 1G 已经 不能 满足 人们 的 要求 了 因为 1G 传输 的 是 模拟信号 它 只能 传输 语音 不能 传输 文字 是 吧 而且 保密性 能 也 很 差 它 这个 通话质量 也 不好 于是 就 出现 了 2G 也 就是 第二代 移动 通信 技术 第二代 移动 通信 技术 它 采用 的 就 已经 是 数字信号 了 数字信号 的 意思 就是 你 给 我 一段 语音 我 把 这段 语音 进行 采样 采样 了 之后 把 它 转化成 一个 数字 然后 我 再 把 这个 数字 变成 二进制 用 这个 二进制 数 传输 过去 对 不 对 通过 这种 方法 我 就 可以 实现 既 能 传输 语音 又 能 传输 文字 而且 我 还 可以 对 信息 进行 加密 中国 的 这个 2G 是 始于 1996 年 我们 突然 发现 人 拿 了 一个 手机 不光 可以 打电话 还 可以 发短信 一毛钱 一条 大家 还 记得 那个 时代 吗 我 还 可以 玩 贪吃蛇 对 吧 I can still play Snake Snake, right 我 还 可以 拿 手机 拍照 那个 时代 的 功能 机 留给 了 我们 很多 的 美好 的 回忆 渐渐 的 这个 2G 也 不能 满足 人们 的 需要 了 因为 它 传输速率 实在 太慢 了 于是 3G 就 呼之欲出 了 3G 的 出现 是 伴随 着 一系列 的 新 技术 举 几个 比较 重要 的 比如说 有 一个 新 技术 就是 高通公司 研发 的 CDMA 技术 Is the CDMA technology developed by Qualcomm CDMA 也 叫做 码分多址 技术 CDMA is also called code division multiple access technology 这种 技术 出现 了 之后 彻底改变 了 这个 无线通讯 的 这个 行业 的 面貌 93 年 的 时候 CDMA 就 成为 行业标准 了 99 年 的 时候 国际电信联盟 就 把 CDMA 定为 了 3G 的 基础 技术 之一 那 我们 听说 过 的 比如 CDMA2000 那 WCDMA 什么 TDSCDMA 其实 都 是 CDMA 时代 的 三种 不同 的 技术标准 虽然 说 技术 上 从 2000 年 开始 CDMA 就 已经 成熟 了 3G 就 已经 成熟 但是 直到 2008 年 3G 才 普及 开 大部分 人 都 喜欢 用 2G 手机 为什么 呢 那 是因为 那个 时候 缺乏 杀手 级 的 应用 所以 卖 功能 机 的 厂商 比如说 摩托罗拉 诺基亚 他 凭借 卖 手机 就 能 赚 到 盆满 钵 满 结果 2008 年 的 时候 技术 突然 突破 了 这个 一大批 智能手机 以及 它们 的 应用 突然 出现 了 人们 突然 发现 原来 手机 这么 好玩 不光 可以 打电话 发短信 我 还 可以 干 很多 其他 的 事 对 不 对 于是 人们 纷纷 投向 了 智能机 的 市场 3G 也 就 逐渐 地 普及 起来 了 尽管 3G 时代 其实 来 的 并 不 太久 但是 人们 已经 迫不及待 地 研究 第 4 代 移动 通讯 技术 那 就是 4G 了 4G 相比 于 3G 还是 那句话 它 速率 有 很大 的 一个 提升 对 吧 技术 也 有 很多 的 进步 比如说 有 一个 技术 叫做 OFDMA 技术 叫 正交 频分多址 技术 这种 技术 是 什么 意思 呢 就是 以前 我们 通信 的 时候 用 电磁波 那么 每 一个 信号 的 电磁波 频率 不能 是 重叠 的 是 吧 咱们 俩 信号 中间 还 得 隔 一段 否则 的话 频率 互相 影响 信号 不 就 干扰 了 吗 但是 正交 频分多址 技术 它 可以 在 同一个 频段 内 传输 很多 个 信号 为什么 呢 因为 这些 信号 彼此 是 正交 的 我们 可以 这么 理解 就是 一个 信号 最强 的 时候 其他 信号 一定 都 为 零 那 这样一来 它们 之间 虽然 都 在 一个 频段 内 但是 它们 却 不会 彼此 干扰 对 吧 这 就 OFDMA 技术 在 一大批 新 技术 带领 之下 4G 就 出现 了 在 4G 时代 平均 的 网速 可以 达到 几十 兆比特 每秒 8 个 比特 是 1 个 字节 所以 相当于 下载速度 是 10 兆 字节 每秒 左右 是 吧 如果 你 再 加入 一些 新 的 技术 比如 像 载波 聚合 If you add some new technologies like carrier aggregation 那 你 就 可以 让 网速 达到 千兆比特 每秒 也 就 相当于 下载速度 每秒钟 可以 下载 100 兆 字节 左右 是 吧 这个 速度 就 非常 快 那么 更 高 的 数据 传输速率 就 催生 了 更 多 的 应用 所以 移动 互联网 时代 就 正式 来临 了 人们 现在 已经 熟悉 了 用 手机 去 买菜 打车 去 看 电影 玩游戏 甚至 上网 学习 于是 又 催生 了 像 今日 头条 抖音 快手 B 站 So it gave birth to a station like Toutiao Douyin Kuaishou B 西瓜 视频 这样 的 短 视频 平台 Short video platform like watermelon video 新型 的 互联网 巨头 像 美团 滴滴 也 都 无疑 不 得益于 4G 的 发展 就 连 现在 发红包 我们 都 不 去 买 红包 来发 了 都 直接 在 手机 上 转个 账 就 结束 了 是 吧 我们 回顾 一下 移动 通讯 技术 的 发展 简史 就 会 发现 每隔 10 年 左右 通讯 技术 就 会 进步 一代 那 现在 到 了 2020 年 了 于是 5G 技术 正式 到来 了 那 下面 我们 就 来 讨论一下 5G 以及 5G 毫米波 技术 5G 其实 还分 两类 我们 来 介绍 一下 工信部 的 统计 告诉 我们 在 2020 年 的 1 月份 到 11 月份 中国 出货 手机 有 1.44 亿部 144 million mobile phones shipped in China 在 这些 手机 里面 有 51.4% 都 是 5G 手机 而且 在 2020 年 的 后 半年 每 一个月 中国 的 5G 手机 出货量 都 占 总 出货量 的 60% 以上 所以 中国 正在 跑步 进入 5G 时代 那么 5G 相比 于 4G 到底 有 什么 优势 呢 我们 可以 总结 三条 那 就是 高速率 低 延迟 和 大容量 我们 现在 说 第一条 高速率 我们 都 知道 5G 的 速度快 那么 它 到底 有 多 快 呢 我们 把 它 和 现在 已经 很快 的 4G 做 一个 比较 4G 我们 感觉 网络 已经 非常 快 了 它 可以 达到 100Mbps 100 兆比特 我 刚才 说 了 8 个 比特 是 1 个 字节 所以 相当于 下载速度 大约 是 10 兆 字节 每秒 大概 这么 个 速度 那么 这个 速度 已经 可以 满足 我们 通常 的 使用 了 但是 如果 要 场景 加 的 更 复杂 一点 比如说 像 4K 8K 的 高清 数据流 它 传输 不了 比如说 AR VR 的 数据流 它 传输 不了 以后 要 有 自动 驾驶 汽车 自动 驾驶 汽车 一天 的 数据量 有 4000G 它 也 传输 不了 而 5G 可以 在 4G 的 基础 之上 再 提升 一个 量级 5G 的 平均 网速 可以 达到 1Gbps 是 吧 峰值 网速 可以 达到 2Gbps 2Gbps 跟 刚才 100Mbps 相比 大约 是 高 了 20 倍 是 吧 5G 的 速度 大约 可以 达到 4G 到 20 倍 以上 国外 有 一个 小伙 用 5G 和 4G 做 了 一个 对比 这 也 证实 了 这个 结果 的确 有 这么 快 它 是 它 的 20 倍 为什么 5G 可以 达到 4G 的 20 倍 呢 除了 一些 新 的 技术 应用 以外 这个 5G 信号 和 4G 信号 的 物理 特性 不同 也 是 它们 速率 不同 的 一个 原因 我们 首先 要说 一个 公式 信息论 有 一位 奠基者 名字 叫做 香农 这个 香农 我们 后面 会 讲 他 他 是 个 天才 那么 香农 提出 了 一个 关于 信息论 的 一个 公式 叫做 香农 公式 香农 公式 就是说 我们 如果 想 传输 一个 信号 那么 传输 的 最大 速率 或者 叫 香农 极限 等于 什么 呢 等于 Wlog₂(1+S/N) 这 就是 所谓 的 香农 公式 我们 来 解释一下 香农 公式 什么 意思 首先 我们 先说 这个 C 这个 C 其实 就是 传输 的 速率 比如说 你 每秒钟 传输 多少 个 比特 就是 速率 的 极限 最多 你 能 传输 这么 多 你 再 怎么 编码 再 怎么 调整 你 的 设备 你 的 传输速率 也 不 可能 超过 这个 值 它 是 个 极限 然后 第二个 就是 W W 就是 频段 的 宽度 什么 叫 频段 宽度 呢 比如说 我们 传输 电磁波 信号 我 是从 900M 到 1000M 这有 100M 的 频段 可以 给 我们 传输 那 我 的 频宽 那 就是 100M 我 如果 要 是从 1GHz 的 频率 到 2GHz 频率 之间 这 一段 频率 是 给 我 的 我 就 有 1G 的 频宽 频宽 越 宽 我 的 这个 速率 极限 就 越 大 第三个 就是 S 这个 S 就 叫做 信号 功率 平均 信号 功率 而 这个 N 就 叫做 噪声 功率 这个 传输 信号 的 时候 一定 会 有 噪声 就 比如说 那些 原子 什么 的 布朗运动 是 吧 这 也 会 产生 一些 白 噪声 那么 S/N 就 叫 信噪比 信噪比 越高 那么 你 传输速率 的 极限 就 越 大 香农 就 提出 了 这样 一个 公式 所以 你 看 在 信噪比 一定 的 情况 下 如果 你 能够 让 这个 电磁波 的 频段 越 宽 它 占有 更 宽 的 带宽 那么 它 的 这个 传输速率 的 极限 就 会 更 大 一些 我们 来画 一个 电磁波 的 这个 频段 情况 画 一个 频段 情况 比如说 这 是 个 电磁波 频段 这是 频率 单位 是 Hz 是 吧 我们 原来 通讯 的 时候 大部分 都 是 在 900MHz 这个 量级 900MHz 附近 是 电磁波 比较 好 的 一个 通讯 的 频段 那么 国家 会 把 这些 频段 分配 给 各个 运营商 比如 中国移动 你 拿 哪个 哪个 频段