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| 本文作者： 奕欣 | 2016-10-21 10:00 |
编者按：以高通为代表的一些公司正在重新定义网络——一个可以连接一切事物的网络，从无人机到外科手术器械，一切皆有可能在无线 5G 网络里实现。本文发布于 FastCompany，作者 Sean Captain，由莫小夏和何忞编译，雷锋网做了不改动原意的编辑，未经许可不得转载。
Michael Coghlan／Flickr
无线技术，解释起来得用一大堆缩写、术语还有数字。如果要进行市场推广，可能让人听起来一头雾水，于是业界将其简化为“4G”，就是现在我们手机使用的技术（也被称作“LTE”，即“长期演进 Long-term Evolution”的简称）。
而目前，众多高科技公司已经开始谈论 5G 的发展。其中的佼佼者高通发布了它的第一个 5G 调制解调器芯片——Snapdragon X50，应用于手机及其他设备中。毋庸置疑，5G 会比 4G 更快。但是更令人兴奋的是，5G 技术可以为我们带来数百个甚至数亿个新的在线设备发明。
对于普通人来说，谈到 5G，我们会想到更快的下载速度，更流畅的高像素视频效果，但其实新的标准所带来的将是一个全新的互联世界。在新世界里，无人机可以成队列飞行；几十亿个无线传感器可以持续不断地监测地球的各个方面情况；地球这一端的医生可以远程指挥另一端的机器人在手术台上操纵手术刀……最终，国界将会消失，家庭和办公室的界限也不再明显。
这些并不只是对未来世界的推测，其中的一些场景已经发生。“5G 仍然是基于 LTE 概念发展的，”技术研究公司 Gartner 的无线技术调查员 Akshay Sharma 说。很多目前应用于 4G/LTE 的技术，比如为手机加装额外的天线以实现 GOOSE 实时通信，仍会是 5G 技术的基础。
高通的新产品 X50 芯片使得 5G 技术的应用进程更加明朗
工程师兼高通产品经营投资伙伴 Serge Willenegger（他拥有超过 50 个无线技术专利） 说：“新的技术实际上是一个梯度，是很多个过去技术进步阶梯的一个总和。”Snapdragon X50 调制解调器包含了新的 5G 技术和其他正在发展的技术。
但是，你的下一个手机，或者下下一个手机，应该还都不是 5G 制式的。因为高通预测，X50 调制解调器使用的技术特点最早会在 2018 年形成一个开放的全球性的标准。Willenegger 说：“不进行测试的话，你什么都不会知道。所以应尽早开始该领域的实验。” 高通认为，现在离实验开始的时间越来越近了，设备制造者和无线运营商大约会在 2017 年下半年开始尝试新技术。
如果一切进展如高通所愿，那么这个芯片将会在 2018 年进入最终产品。尽管韩国希望在2018年冬季奥运会上展示5G 网络，但实际上，5G 技术可能会在2019年以后得到广泛应用。当然，Qualcomm 公司也会面临来自其他芯片制造者的激烈的竞争，比如英特尔和三星，并且它可能并没有正确地预测最终的标准。英特尔不再为 5G 技术实验和样机提供可改编程序的芯片，在能够提交一个可以与 5G 移动网络部署相一致的芯片设计之前，它会一直等待。
物理学原理、政府法规、企业兴趣等等方面的复杂交缠使得 5G 技术需要重新考虑不仅仅是公众可以如何应用，而是这个商业应该如何运转。5G 技术正在面临的挑战甚至可能需要等到未来的 6G 技术来解决。
不仅仅是多了一个G
如果你只是听说过 5G，你第一时间想到的应该是它的速度。目前，最好的 4G 或是最先进的 LTE 技术，普通下载速度可以达到 225M/s，技术演示上可达 1G/s。这个结果已经很惊人了，因为回到 2010 年 LTE 刚刚起步的时候，最快的速度仅仅是12M/s。这期间该领域取得了巨大的进步，接着 5G 技术将这些进步综合起来，未来可达到 10G/s。
如此快的速度会导致什么结果呢？我们尚不可知，但是至少有两件事情一定会发生。Willenegger 说：“更高性能的产品会以一种完全不同于设想的方式为我们所用。”
回想十几年前开始的 4G 技术时，他如是说：“2004 年十一月，有一个关于现在应该叫做 4G 技术的研讨会，”高通工程高级副总裁 Durga Prasad Malladi（他拥有多达 233 个专利）回忆道，“我跟 Willenegger 都在。我记得那天是选举日，小布什赢得了第二个任期，一个名叫奥巴马的无名政治家突然声名鹊起，我们面临着将要消除种族歧视迎来新总统的时刻，正在谈论无法预知的未来。（正像当时对 4G 技术无法预知一样迷茫）”
距离 4G 的第一次研讨会两年之后，苹果公司发布了 iPhone，开启了智能手机的变革时代，之后的智能胶囊、无人机、智能手表、健身追踪器、虚拟现实、Snapchat、Tinder、Pokemon Go等等基于 4G 的应用便如雨后春笋般出现。在大多数人还在使用 3G （第一代 iPhone 还不支持）时开始研究 4G 技术师是很了不起的一件事。
但是 5G 的另一种速度可能更加重要——快速响应时间。每一个网络都有延迟，在你点击网页或者计算机接收信号的时候。现今，延迟的数量级在数十毫秒。测试公司 OpenSignal 发现美国 Sprint 电话公司的 4G 最短延迟在66ms；AT&T延迟最长，为85ms。在语音通话情况下，这个延迟是可以接受的（100ms以下均可接收）。但是对于不久的将来，这个时间还是太长。比如，汽车和货车的制造商已经着手研究共享信息的自动车队，当车队需要离得更近时，头车速度会减慢。
5G 技术将使用更小的数据包和更快的处理过程（基于摩尔定理），希望使延迟先减小到 5ms，如果有必要，将减至 1ms，这基本上就能达到“即时”了。对每个无线数据这样处理会产生一些技术上的负面作用，但是 5G 网络可以在有需要的情况下实现这样低的延迟时间。比如，一个亚马逊的无人机编队，在拥挤的城市飞行时，如果出现数十毫秒的延迟，将可能发生问题。
这个技术的全名叫做“超可靠低延迟通信技术（ultra-reliable low latency communication ）”。这到底有多可靠？错误率大致低于一亿分之一，这个错误率已经安全到可以让外科医生通过互联网来控制手术器械。“当然，”Malladi 说道，“我们还有很长的路要走。但是，如果我们有了这个能力，我们一定会这么做。”
尽管，5G 技术广为人知的是它快速移动庞大数据能力，但是 5G技术也是为新设备较慢地传输少量数据而设计的，比如环境或其他功能的传感器。便宜的云网络和强大的人工智能技术正在为传感数据的发展创造一个大有作为的环境。
举例来说，行星上或工厂机器上的传感器会收集并形成大量的数据流。但是其他地方如农场的土壤湿度传感器或水深测量传感器，每小时只会发出少量信号。目前，网络建设工作正处在与设备进行联系的重要起步阶段。电话或是视频流的可靠性非常重要（无人机队和机器人手术的可靠性当然也非常重要）。对传感器到网络间传输数据偶然的错误是很致命的，这种错误可能会毁掉一个布满传感器的行星上的网络。
5G技术使用一种“无连接接入”的方法，它要求更少的网络连接。诺基亚 （这家曾经的手机公司现在专注于研发网络硬件）的5G 发展经理 Jason Elliott说：“简单从字面上理解，假设有一个数据包和一个电台频道，只需要电台对准数据包，我们就能得到它。‘无连接接入’就像是你向朋友扔球，无需先把球放在盘子里再递给对方，你可以直接扔给他。”
伟大的光谱追逐
众所周知光速是恒定的，但通过使用更高效的算法和更强大的芯片来编码和解码信号，无线工程师们找到了使网络更快的方法。 5G 的真正提升来自于载波聚合——同时使用几个无线信号，如 700 MHz频带和 1900 MHz频带的光谱。简单的说这就像在高速公路增加更多车道，不过它更像是从几个不同的、可能相隔数英里的高速公路来进行组合车道。“这样你才能聚合所有你可以找到的无线电资产，以便递送出可能实现的最高速率，”Willenegger 说。
早在 4G 时代，这个过程就已经开始了，它集合了任何两个 20 或更多可能的频段的手机，可以下载大型电视游戏，或者上传高清 Snapchat 视频。5G 想做的远不止这些。我们知道 iPhone 7 有两个天线，三星 Galaxy S7 有四个，他们的下一代 5G 产品则可能有 36 个或更多，而所有这些都集成在一个一毛钱硬币大小的芯片上。
5G 的毫米波频率足以支持 800 MHz 宽的信道，而 4G / LTE 则仅为 60 MHz
犹如开放西部边疆一样，政府、企业正在为 5G 开发更多的无线频率—— 11 GHz ，多出的光谱目前用于地球上所有无线数据服务。 （大部分是在 20 GHz 及更高的频率，通常称为“毫米波”）。众多光谱还能用于搭载更多数据，无线信道宽度可达 800 MHz 宽，相比而言 4G 下仅为 60 MHz 宽。
之前没有人做这样的尝试，其实是有原因的。 “这是个可怕的光谱，”Willenegger 说。 “物理学定律并不支持我们（这么做）”，Malladi 补充道。 从 3G 、4G ，到现在的 5G 技术，两人已经有超过 15 年的合作; 二人在沟通上极有默契。
短波信号无法传播得太远，毕竟它们会反射。“如果你用错误的方式拿手机，可能会完全失去信号覆盖，”Malladi 说。 Willenegger 笑着说起史蒂夫·乔布斯在告诫因天线位置不佳而失去信号的 iPhone 4 使用者时说的那句著名的话“别这样拿手机就好”。
介质移动时，无线系统需不断地跟踪这些小玩意儿的轨迹。这就需要很多信号传送器。 这种盒状的传送器只有一个 iPad Mini 大小，遍布建筑物和街道周围，而并非人们想当然的信号发射塔。障碍物越多，需要的传送器越多。每一个单元和移动设备都指挥着信号——这个过程被称为“波束成型”——哪怕是在拐角处活跃着的信号也只能束手就擒。 这也是他们需要这么多天线的原因之一：大量的天线被用来相互作用，以引导波束。 这真是物理学上的一道难题。
波束在角落周围反射信号
“为什么要去那里？开发一个新区域的结果很可能是自食其果，”Willenegger 说。“原因无非是为了获取资源。那里有石油，但钻井的成本正在增加，”他用能源工业做了个比喻。“我们现在碰到的难题是水力压裂，”Malladi 补充道。
他们也在其他地方“钻井”，例如在 2.4 GHz 和 5 GHz 频率上运行的，用于 Wi-Fi 的频率。大多数 Wi-Fi 网络仍然使用较低的频率，留下大量 5 GHz 左右的容量。5G 设备可将它用于蜂窝信号，也可能只是搭载 Wi-Fi 的额外容量，因为一些通信公司也运营公共 Wi-Fi 网络。当然也可能两种情况兼而有之。
网络是一个应用程序
动态交错的频段和无线标准（权衡了延迟度，精确度和方便度的算法）需要一种迥然不同的网络，而不仅仅是另一个版本的 4G 。 它是从具有特定职责的“硬件模块”到被称之为“软件定义网络”的飞跃。 “这并不像买一个特定的盒子，去实现一个功能这么简单，”Elliott 说，“我们需要一个带服务器机架的数据中心，您可以在这些服务器上部署不同的功能”。 （和“软件定义网络”以及很多东西一样，5G 已经在 4G 系统中雏形化。）英特尔公司不仅希望能为 5G 应用出售大量的调制解调器芯片，它更希望服务器的 CPU 、RAM 和固态硬盘驱动器都能大卖一笔。
软件定义的网络仍涉及硬件的各个方面。例如，有物理路由器，但它们可以在联机状态时重新配置，以响应网络需要，加宽或缩窄它们之间的连接。
如果 5G 开始耗尽容量，可重复编程网络将变得更加重要，这并非危言耸听。应对这种不测的办法之一是共享无线电波，举例来说，如果一台 Verizon 手机在几毫秒内没有使用任何一个频率，AT＆T（美国电话电报公司）在此间隙能偷偷运行几个数据包。美国军方坦言，这将制造出高达 1000 倍的带宽增加，他们正在发起一项用于赞助工程师开发这些频谱共享技术的比赛。“包括学术界的整个行业都颇为关注。”Malladi 说。
Willenegger 开玩笑说，频谱共享可能是 6G 标准。 不过他思索了一下又接着说，新技术肯定在 5G 的基础上不断叠加、累积，量变产生质变，然后 6G 才会应运而生，频谱共享可能就是其中叠加的技术之一。 “未来将会产生 5G + ，5G Advanced，5G Turbo 诸如此类的增量。”Willenegger 说，“有人说，人类已经穷极所想，做了能做的一切，世界上不会产生什么 6G 了。”
“那可说不准，”Malladi 接道。
via fastcompany
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