别“狂吹”5G了！
转自：瞭望智库（zhczyj）
作者：铁流
1月17日，华为创始人兼CEO任正非在接受媒体采访时说：
“5G实际上被夸大了它的作用，也被更多人夸大了华为公司的成就……实际上现在人类社会对5G还没有这么迫切的需要……不要把5G想象成海浪一样，浪潮来了，财富来了，赶快捞，捞不到就错过了。5G的发展一定是缓慢的。”
此前一段时间内，“5G”是舆论场的“宠儿”，俨然被塑造成了万能的“救世主”形象，似乎5G引领的未来已经触手可及；更有很多人对中国的5G发展高度乐观，“中国是5G领跑者”、“中国主导5G时代”等观点传播甚广。
而任正非的话让人不得不反思：5G是否只是看上去十分美好？
同时我们也看到，美国运营商对5G并不感冒，美国总统特朗普的团队甚至考虑由政府主导5G网络建设；而中国方面的运营商似乎也并没有表现出人们想象中那样高的兴趣。
抽丝剥茧，对于5G，看法不能流于表面。
5G技术发育到底到了什么水平？实际商用的效果怎样？人们对5G究竟有无迫切的需求？中国在5G领域的实力和地位，是不是真的可言“主导”？热议之下，库叔来冷静地讲一讲。
当年的一场“联想投票门”，引起舆论的巨大关注，但也造成了很多人的误解。比如把“编码”炒得过热，甚至把LDPC和Polar（5G编码技术）等同于5G标准。实际上，编码只是5G关键技术之一，而且在提升传输效率上还称不上最关键的技术。
那么，5G关键技术有哪些呢？请看下图。
（图为5G关键技术）
就调制、编码、多址、组网、多天线等方面看，很多是沿用老技术，而一些新技术不成熟、不可用，或者传输增益有限。
先来看编码，被热炒的LDPC和Polar，对系统效率的提升其实并不明显。据业内人士分析，其主要意义在于实现了一个理论极限，代表了人类对自然界探索的里程碑，而对实用效率的提升意义有限。
再看多址接入方面，多址是移动通信的核心技术领域，第一代到第四代移动通信（即1G到4G）分别采用了FDMA、TDMA、CDMA和OFDM技术。现在5G多址技术的主流看法是NOMA（国内外设备商的各种五花八门命名的技术都是NOMA的修改版本）。
新的技术意义何在？
据业内人士介绍：
NOMA（非正交多址接入）是NTT Docomo于2014年9月首先倡导的。其思想是发射端不同的用户分配非正交的通信资源。在正交方案当中，如果一块资源平均分配给N个用户，那么受正交性的约束，每个用户只能够分配到1／N的资源。NOMA摆脱了正交的限制，因此每个用户分配到的资源可以大于1／N。在极限情况下，每个用户都可以分配到所有的资源，实现多个用户的资源共享。
虽然理想很丰满，但经数学证明，NOMA路线的频谱效率增益严格为零。
类似情况在4G时代也发生过。
在4G标准制定中，爱立信主推的SC-FDMA作为LTE的上行多址方案，是OFDM的一种变体。爱立信宣称该方案能够降低峰均比，降低对终端功放的要求。然而，之后的研究和实践表明，SC-FDMA所带来的对导频设计的负面影响，甚至超过它的带来的好处，其综合性能还不如OFDMA简单的削波方案。但即便如此，爱立信通过自身影响力，将SC-FDMA纳入了4G通信标准专利。这种做法虽然增加了爱立信公司在4G标准的话语权，能够收到更多专利费，但却拉低了整个系统的运行效率。
再看多天线技术。5G宣传的是超多天线技术（mass MIMO）。MIMO（多天线技术）是最近20多年的热门议题，确实是有潜力的，是提高通信能力的一个方向。但通过多年研究发现，仍然难以实现从实验室到市场的实用转化，未能实现商业应用。
至于原因，其实不难理解。据业内人士分析，多天线技术最初从军事雷达领域而来，但转入民用则面临与天空完全不同的复杂地形等环境，难以控制成本就成了其商业转化的命门。
就组网而言，CoMP相对于4G时代的SFR/MLSFR也几乎是零增益，甚至可说是负增益。
再说一下前段时间被热炒的时分双工（TDD），前段时间，有文章称“今天全世界的5G技术都是TDD技术”，然而，这种说法容易引起误会，需要说明。
5G的蓝图中，用的并不是时分双工，而是全双工。
4G时代，TDD-LTE采用时分双工，FDD-LTE采用频分双工。全双工简单的说就是集成了时分双工和频分双工的优点，实现鱼和熊掌可以兼得。
【注：TDD指上下行传输采用同一个信道，主要优势在于收发间不会产生干扰、上下行信道切换灵活等；FDD采用两个独立的信道可以同时进行数据传输，主要优势在通信速度高、抗外部干扰性能更好等。】
只是，全双工同样停留在实验室，无法商用。因此，仍然只能拿老技术——时分或频分双工凑合着用，而无法取得实质性突破。
所以，在这些关键技术上，现在所谓的5G的技术升级没有传说中的那么神奇，很多新技术增益有限、或尚不成熟难以实用，部分专利甚至在技术上有“开倒车”之嫌。
正是因此，有人将现在的5G称之为商用概念，而不是技术迭代，将之称为4.9G。我们当前与真正的“5G”，尚有距离。
说了这些提升有限、不成熟，但5G的网速是实实在在“肉眼可见”的提高，这是怎么做到的呢？
方法其实颇为“简单粗暴”，就是扩大占用的频段、加大投资基站的密度、提升芯片数据处理速度等手段。
以频谱资源来说，5G准备用1个G左右的带宽。要知道，GSM（中国移动的2G网络）整个移动才5M带宽，3G是20M带宽，4G是60M带宽。
以此前爱立信的极限测试，网速的确惊人，测出高达20Gbps数据传输速率，但用了800M带宽。
因此，不谈细节，光看网速快慢，意义并不大。当前5G条件下的高网速，很大程度上要拜大带宽频谱所赐。
这样，问题就来了。低频点频谱非常珍贵，直接划拨800M带宽实在太奢侈。在国外，这样的黄金频率堪称天价，运营商对此必须三思而后行。
那么，如果现在要部署5G，就必须用高频。
但高频的覆盖能力差。低频率（2G使用的频率段）的频谱资源衍射能力能够覆盖数平方公里，而高频率（比如Wifi使用的频率段）的频谱资源衍射性通常不会超过一个20平米的房间。也就是说，用黄金频率建1个基站，其覆盖范围可以媲美用高频建N个基站。
实际上，美国的5G频谱选的就是高频。
2018年11月15日，美国联邦通讯委员会（FCC）召开美国首次5G频谱拍卖会，开启28GHz毫米波5G频谱（27.5-28.35GHz频段，共计850MHz）拍卖。此前爱立信的测试也是在15Ghz这个点上前后开辟800M的宽度，即14.6到15.4Ghz之间的宽度。这些频段资源超过了过去无线通信已经使用过的频段的总和——当然，过去是在中低频率频段，而5G只能动用高频率频段。
现在5G使用高频、采用毫米波小基站的发展路线，问题就在覆盖很差，这将使最终覆盖结构非常“感人”。按照现在宣传的传输速率的标准，5G要覆盖目前全球4G覆盖的区域，基站数量至少是4G的5倍，也就是1500万至2000万个5G基站。
（图为中国电信的5G基站）
这个建设成本可想而知。这也解释了为什么运营商明知道5G是个“好东西”，却不像大家想象中那样热心。
通信领域的发展，必须充分考虑其用户对技术应用的需求。
有种说法，声称5G主要不是给人用的，而是给“物”用的，也就是说5G将大大超出过去20年无线通信发展史中以大众公共通信网络为主业的范畴。
的确，目前全球宣传5G的主线，即“万物相连”或称为“物物连接”。
不过这里却有一个问题，目前所谓物物连接的很多场景，要么不需要5G，要么不敢信赖公众性的无线通信。
虽然很多媒体在报道中将物联网和5G“捆绑”在一起。但其实物联网并非必须配合5G应用。因为现有物联网主要是追求长寿命，设置一个物联网节点，肯定不希望1-2天内就去更换一次，且大量应用都是低速、小数据量的通信连接，用2G、3G、4G就行了。
以目前全世界最大规模的物联网应用案例——ofo自行车智能锁为例。其使用的NB-IOT其实就是华为和中国电信北京公司合作出的简化版、删减版4G，且只需要用很小的通信容量。
无独有偶，不久前，国内运营商进行了物联网芯片招标，中标斩获大单的物联网芯片用的就是2G。
所以，物联网，至少当前的物联网，和所谓万物互联，和5G没有必然联系。
而另一个被热捧的应用方向——无人驾驶，先不提无人驾驶技术本身是否成熟，即便是谷歌搞的无人车，也是“胖终端”的无人驾驶，接受信号而做出反应的过程是放在车上。而把5G和无人驾驶联系在一起的则是“瘦终端”模式，做出决策是在“遥远”的服务器，这种做法是存在极大隐患的。现有条件下，用5G网络来搞无人驾驶，可以说是自找麻烦，人为创造了黑客顷刻间把现代社会彻底打乱的空间，这后果看看《速度与激情8》可知一二。
（图片来自电影《速度与激情8》片段）
目前，人流超高密度区的通信需求，是5G可行的潜在应用方向。此前曾出现十一黄金周期间，由于游客过于密集，直接导致杭州西湖附近的4G网络瘫痪的状况。为了应对类似情况，中国移动开始力推4G基站密集组网。如果5G组网的性价比能够优于4G基站密集组网（当然，现在5G在这方面控制成本的难度相当高），这有可能成为当下5G一个不错的应用方向。
因此，目前5G的“杀手级”应用仍然在水面之下，需要交给时间去发掘。
Wifi传输速度这么高（远远高于5G宣称的速度），但无线电信运营商仍然能够生存下来，这是为什么呢？
因为用户对于普遍覆盖（任何地点任何时间都能接入）的网络是刚需，比较而言超高网速反而并非必需。
用户在离开WIFI的情况下，必须也要有通信网络。也就是说，在任何生活角落，都能保持信息连接，因为在最紧要的时候这个信息连接是能救命的。
而Wifi或者此前存在的WiMax做不到这一点，其只能覆盖很小的领域，或者试图覆盖整个城市但效果却千疮百孔。WiMax也因此被LTE击败，连带导致押宝WiMax的加拿大北电和摩托罗拉破产。
（图为2009年1月14日加拿大多伦多北电网络公司办公楼前拍摄的北电网络标识，两天后公司宣告破产）
然而，按照现在5G毫米波小基站的发展方向，追求的主要是传输速率。原因如我们前面所说，5G需要建设数倍于4G的基站，才能以其现在宣传的标准，要覆盖目前全球4G覆盖的区域，成本极其高昂，使得运营商缺乏足够兴趣。
因此，如果没有行之有效的商业模式，运营商不具备建设一张普遍覆盖的5G网络的能力，那么这就偏离了用户的刚需。
综上，从基建成本和实际需求来看，建设覆盖全国的5G网络并不现实，也不必要。那么，5G组网就不能实现了吗？
并非如此。
从技术上来说，4G和2G是非常成功的两代技术，而5G处境和3G有些类似。正如过去2G+3G的组网模式，未来5G完全可以采用类似的组网模式。
由于5G不太可能形成一张普遍覆盖的通信网络，就必须采用4G来完成广域覆盖。事实上，3GPP就搞出了“4G基站为主+5G基站为辅”的组网方式，也就是用4G完成广域覆盖，5G基站建在大城市人流密集区域。这其实也是国外运营商选择的主流组网方式。
这样一来，既可以大幅减少5G基站高昂的建设成本，又能提升人口密集区域的网速。
从1G到4G传输能力的提升，既有系统效率的提升因素，也有暴力堆砌的因素——依靠消耗频谱资源、用性能更强的芯片和高额投资建设基站实现。
暴力提升的层面，前文已经说明。
系统效率的层面，1G到2G提升较大，但3G的提升就小了很多很多。
当年高通的宣传，CDMA将提升增益18倍，之后发现没那么高，但大家还认为CDMA比TDMA可以高5-6倍，结果最终发现这个增益只高了10%。
（图为美国高通公司，通过CDMA高通可以在全世界“收税”）
而事实上5G的情况更加极端，对比以往历次通信技术升级，其系统效率的提升不显著，主要是靠暴力堆砌提升性能。
即便3G的提升有“吹牛”的成分，但CDMA相比TDMA还是有10%的提升。而在4G时代，也有SFR、OFDM、Alamouti等重大改进，其中SFR还是中国工程师原创性技术。
SFR——软频率复用（SFR，Soft Frequency Reuse），被外国人用后改了个名字叫ICIC（Inter-cell Interference Coordination），翻译过来是蜂窝（基站）间互相作用的协调。软频率复用在近十年已经成为无线通信一个新增的大领域，现在运营商都有ICIC接口功能。SFR在实验室条件下性能提升高达100%，即便是商用条件下实战，最初的性能提升也有10%，相当于从TDMA到CDMA的效率提升，进一步的深化的MLSFR可以提升30%。
相比之下，由于4G充分运用过去几十年的技术储备，在很多方面已经接近现有理论的天花板了，目前的5G在系统效率提升方面空间实在有限。
要想打破如今的局面，需要的是少一些商业的喧嚣，静下心来，搞理论创新突破。
因为人类科技的根本性进步，都需要倚赖理论突破，否则便永远只能是量的累积，无法实现技术迭代。
5G，也是如此，基础理论的突破是必需。
目前，5G在媒体宣传和商业运作中，存在一定“神化”的风险，往往会有“5G秒天秒地秒空气”之感；另有一些媒体极力宣称5G是中国主导标准，或5G是中国伟大创新。其实，这并不客观。
在3G时代之后，全球通信厂商对高通一家独大心有余悸，因而在之后的标准制定中，大家都在玩平衡，实现决不让任何一家公司、任何一个国家一家独大。就5G标准制定而言，中国当然是一个重要参与者，但远远谈不上“主导”。
有人会用中国的专利数量说事，但实际上，通信标准专利含金量高低相差很大。至少，我们在5G时代，也没能实现高通在3G时代凭借核心专利全球征收“高通税”的能力，甚至仍然需要承担“高通税”。这也从侧面说明，专利数量尚没能给中国带来5G的主导地位。
中国在通信产业上的优势，是强大的国家决策执行力，能够集中力量，拥有三大运营商这样能够实现“村村通”的国有企业，以及一批优秀的通信设备整机厂和终端整机厂。
（图为2018年4月2日印度士兵在中印边境收到的中国联通信号短信，这条被称为“让印军崩溃的中国短信”，展示了中国通信基建的覆盖能力）
但短板也很明显，那就是核心器件尚受制于人，一旦核心器件被卡脖子，整个通信产业将遭遇重大的挫折和困难。
因此，当下，动辄“中国主导5G”，“中国5G综合实力最强”，未免有些过于乐观。我们走在前进的道路上，但道阻且长，脚踏实地不懈努力才可能让我们真正实现心中的愿景。
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