編者按：以高通為代表的一些公司正在重新定義網絡——一個可以連接一切事物的網絡，從無人機到外科手術器械，一切皆有可能在無線 5G 網絡里實現。本文發布于 FastCompany，作者 Sean Captain，由莫小夏和何忞編譯，雷鋒網(公眾號：雷鋒網)做了不改動原意的編輯，未經許可不得轉載。
Michael Coghlan／Flickr
無線技術，解釋起來得用一大堆縮寫、術語還有數字。如果要進行市場推廣，可能讓人聽起來一頭霧水，于是業界將其簡化為“4G”，就是現在我們手機使用的技術（也被稱作“LTE”，即“長期演進 Long-term Evolution”的簡稱）。
而目前，眾多高科技公司已經開始談論 5G 的發展。其中的佼佼者高通發布了它的第一個 5G 調制解調器芯片——Snapdragon X50，應用于手機及其他設備中。毋庸置疑，5G 會比 4G 更快。但是更令人興奮的是，5G 技術可以為我們帶來數百個甚至數億個新的在線設備發明。
對于普通人來說，談到 5G，我們會想到更快的下載速度，更流暢的高像素視頻效果，但其實新的標準所帶來的將是一個全新的互聯世界。在新世界里，無人機可以成隊列飛行；幾十億個無線傳感器可以持續不斷地監測地球的各個方面情況；地球這一端的醫生可以遠程指揮另一端的機器人在手術臺上操縱手術刀……最終，國界將會消失，家庭和辦公室的界限也不再明顯。
這些并不只是對未來世界的推測，其中的一些場景已經發生。“5G 仍然是基于 LTE 概念發展的，”技術研究公司 Gartner 的無線技術調查員 Akshay Sharma 說。很多目前應用于 4G/LTE 的技術，比如為手機加裝額外的天線以實現 GOOSE 實時通信，仍會是 5G 技術的基礎。
高通的新產品 X50 芯片使得 5G 技術的應用進程更加明朗
工程師兼高通產品經營投資伙伴 Serge Willenegger（他擁有超過 50 個無線技術專利） 說：“新的技術實際上是一個梯度，是很多個過去技術進步階梯的一個總和。”Snapdragon X50 調制解調器包含了新的 5G 技術和其他正在發展的技術。
但是，你的下一個手機，或者下下一個手機，應該還都不是 5G 制式的。因為高通預測，X50 調制解調器使用的技術特點最早會在 2018 年形成一個開放的全球性的標準。Willenegger 說：“不進行測試的話，你什么都不會知道。所以應盡早開始該領域的實驗。” 高通認為，現在離實驗開始的時間越來越近了，設備制造者和無線運營商大約會在 2017 年下半年開始嘗試新技術。
如果一切進展如高通所愿，那么這個芯片將會在 2018 年進入最終產品。盡管韓國希望在2018年冬季奧運會上展示5G 網絡，但實際上，5G 技術可能會在2019年以后得到廣泛應用。當然，Qualcomm 公司也會面臨來自其他芯片制造者的激烈的競爭，比如英特爾和三星，并且它可能并沒有正確地預測最終的標準。英特爾不再為 5G 技術實驗和樣機提供可改編程序的芯片，在能夠提交一個可以與 5G 移動網絡部署相一致的芯片設計之前，它會一直等待。
物理學原理、政府法規、企業興趣等等方面的復雜交纏使得 5G 技術需要重新考慮不僅僅是公眾可以如何應用，而是這個商業應該如何運轉。5G 技術正在面臨的挑戰甚至可能需要等到未來的 6G 技術來解決。
不僅僅是多了一個G
如果你只是聽說過 5G，你第一時間想到的應該是它的速度。目前，最好的 4G 或是最先進的 LTE 技術，普通下載速度可以達到 225M/s，技術演示上可達 1G/s。這個結果已經很驚人了，因為回到 2010 年 LTE 剛剛起步的時候，最快的速度僅僅是12M/s。這期間該領域取得了巨大的進步，接著 5G 技術將這些進步綜合起來，未來可達到 10G/s。
如此快的速度會導致什么結果呢？我們尚不可知，但是至少有兩件事情一定會發生。Willenegger 說：“更高性能的產品會以一種完全不同于設想的方式為我們所用。”
回想十幾年前開始的 4G 技術時，他如是說：“2004 年十一月，有一個關于現在應該叫做 4G 技術的研討會，”高通工程高級副總裁 Durga Prasad Malladi（他擁有多達 233 個專利）回憶道，“我跟 Willenegger 都在。我記得那天是選舉日，小布什贏得了第二個任期，一個名叫奧巴馬的無名政治家突然聲名鵲起，我們面臨著將要消除種族歧視迎來新總統的時刻，正在談論無法預知的未來。（正像當時對 4G 技術無法預知一樣迷茫）”
距離 4G 的第一次研討會兩年之后，蘋果公司發布了 iPhone，開啟了智能手機的變革時代，之后的智能膠囊、無人機、智能手表、健身追蹤器、虛擬現實、Snapchat、Tinder、Pokemon Go等等基于 4G 的應用便如雨后春筍般出現。在大多數人還在使用 3G （第一代 iPhone 還不支持）時開始研究 4G 技術師是很了不起的一件事。
但是 5G 的另一種速度可能更加重要——快速響應時間。每一個網絡都有延遲，在你點擊網頁或者計算機接收信號的時候。現今，延遲的數量級在數十毫秒。測試公司 OpenSignal 發現美國 Sprint 電話公司的 4G 最短延遲在66ms；AT&T延遲最長，為85ms。在語音通話情況下，這個延遲是可以接受的（100ms以下均可接收）。但是對于不久的將來，這個時間還是太長。比如，汽車和貨車的制造商已經著手研究共享信息的自動車隊，當車隊需要離得更近時，頭車速度會減慢。
5G 技術將使用更小的數據包和更快的處理過程（基于摩爾定理），希望使延遲先減小到 5ms，如果有必要，將減至 1ms，這基本上就能達到“即時”了。對每個無線數據這樣處理會產生一些技術上的負面作用，但是 5G 網絡可以在有需要的情況下實現這樣低的延遲時間。比如，一個亞馬遜的無人機編隊，在擁擠的城市飛行時，如果出現數十毫秒的延遲，將可能發生問題。
這個技術的全名叫做“超可靠低延遲通信技術（ultra-reliable low latency communication ）”。這到底有多可靠？錯誤率大致低于一億分之一，這個錯誤率已經安全到可以讓外科醫生通過互聯網來控制手術器械。“當然，”Malladi 說道，“我們還有很長的路要走。但是，如果我們有了這個能力，我們一定會這么做。”
盡管，5G 技術廣為人知的是它快速移動龐大數據能力，但是 5G技術也是為新設備較慢地傳輸少量數據而設計的，比如環境或其他功能的傳感器。便宜的云網絡和強大的人工智能技術正在為傳感數據的發展創造一個大有作為的環境。
舉例來說，行星上或工廠機器上的傳感器會收集并形成大量的數據流。但是其他地方如農場的土壤濕度傳感器或水深測量傳感器，每小時只會發出少量信號。目前，網絡建設工作正處在與設備進行聯系的重要起步階段。電話或是視頻流的可靠性非常重要（無人機隊和機器人手術的可靠性當然也非常重要）。對傳感器到網絡間傳輸數據偶然的錯誤是很致命的，這種錯誤可能會毀掉一個布滿傳感器的行星上的網絡。
5G技術使用一種“無連接接入”的方法，它要求更少的網絡連接。諾基亞 （這家曾經的手機公司現在專注于研發網絡硬件）的5G 發展經理 Jason Elliott說：“簡單從字面上理解，假設有一個數據包和一個電臺頻道，只需要電臺對準數據包，我們就能得到它。‘無連接接入’就像是你向朋友扔球，無需先把球放在盤子里再遞給對方，你可以直接扔給他。”
偉大的光譜追逐
眾所周知光速是恒定的，但通過使用更高效的算法和更強大的芯片來編碼和解碼信號，無線工程師們找到了使網絡更快的方法。 5G 的真正提升來自于載波聚合——同時使用幾個無線信號，如 700 MHz頻帶和 1900 MHz頻帶的光譜。簡單的說這就像在高速公路增加更多車道，不過它更像是從幾個不同的、可能相隔數英里的高速公路來進行組合車道。“這樣你才能聚合所有你可以找到的無線電資產，以便遞送出可能實現的最高速率，”Willenegger 說。
早在 4G 時代，這個過程就已經開始了，它集合了任何兩個 20 或更多可能的頻段的手機，可以下載大型電視游戲，或者上傳高清 Snapchat 視頻。5G 想做的遠不止這些。我們知道 iPhone 7 有兩個天線，三星 Galaxy S7 有四個，他們的下一代 5G 產品則可能有 36 個或更多，而所有這些都集成在一個一毛錢硬幣大小的芯片上。
5G 的毫米波頻率足以支持 800 MHz 寬的信道，而 4G / LTE 則僅為 60 MHz
猶如開放西部邊疆一樣，政府、企業正在為 5G 開發更多的無線頻率—— 11 GHz ，多出的光譜目前用于地球上所有無線數據服務。 （大部分是在 20 GHz 及更高的頻率，通常稱為“毫米波”）。眾多光譜還能用于搭載更多數據，無線信道寬度可達 800 MHz 寬，相比而言 4G 下僅為 60 MHz 寬。
之前沒有人做這樣的嘗試，其實是有原因的。 “這是個可怕的光譜，”Willenegger 說。 “物理學定律并不支持我們（這么做）”，Malladi 補充道。 從 3G 、4G ，到現在的 5G 技術，兩人已經有超過 15 年的合作; 二人在溝通上極有默契。
短波信號無法傳播得太遠，畢竟它們會反射。“如果你用錯誤的方式拿手機，可能會完全失去信號覆蓋，”Malladi 說。 Willenegger 笑著說起史蒂夫·喬布斯在告誡因天線位置不佳而失去信號的 iPhone 4 使用者時說的那句著名的話“別這樣拿手機就好”。
介質移動時，無線系統需不斷地跟蹤這些小玩意兒的軌跡。這就需要很多信號傳送器。 這種盒狀的傳送器只有一個 iPad Mini 大小，遍布建筑物和街道周圍，而并非人們想當然的信號發射塔。障礙物越多，需要的傳送器越多。每一個單元和移動設備都指揮著信號——這個過程被稱為“波束成型”——哪怕是在拐角處活躍著的信號也只能束手就擒。 這也是他們需要這么多天線的原因之一：大量的天線被用來相互作用，以引導波束。 這真是物理學上的一道難題。
波束在角落周圍反射信號
“為什么要去那里？開發一個新區域的結果很可能是自食其果，”Willenegger 說。“原因無非是為了獲取資源。那里有石油，但鉆井的成本正在增加，”他用能源工業做了個比喻。“我們現在碰到的難題是水力壓裂，”Malladi 補充道。
他們也在其他地方“鉆井”，例如在 2.4 GHz 和 5 GHz 頻率上運行的，用于 Wi-Fi 的頻率。大多數 Wi-Fi 網絡仍然使用較低的頻率，留下大量 5 GHz 左右的容量。5G 設備可將它用于蜂窩信號，也可能只是搭載 Wi-Fi 的額外容量，因為一些通信公司也運營公共 Wi-Fi 網絡。當然也可能兩種情況兼而有之。
網絡是一個應用程序
動態交錯的頻段和無線標準（權衡了延遲度，精確度和方便度的算法）需要一種迥然不同的網絡，而不僅僅是另一個版本的 4G 。 它是從具有特定職責的“硬件模塊”到被稱之為“軟件定義網絡”的飛躍。 “這并不像買一個特定的盒子，去實現一個功能這么簡單，”Elliott 說，“我們需要一個帶服務器機架的數據中心，您可以在這些服務器上部署不同的功能”。 （和“軟件定義網絡”以及很多東西一樣，5G 已經在 4G 系統中雛形化。）英特爾公司不僅希望能為 5G 應用出售大量的調制解調器芯片，它更希望服務器的 CPU 、RAM 和固態硬盤驅動器都能大賣一筆。
軟件定義的網絡仍涉及硬件的各個方面。例如，有物理路由器，但它們可以在聯機狀態時重新配置，以響應網絡需要，加寬或縮窄它們之間的連接。
如果 5G 開始耗盡容量，可重復編程網絡將變得更加重要，這并非危言聳聽。應對這種不測的辦法之一是共享無線電波，舉例來說，如果一臺 Verizon 手機在幾毫秒內沒有使用任何一個頻率，AT＆T（美國電話電報公司）在此間隙能偷偷運行幾個數據包。美國軍方坦言，這將制造出高達 1000 倍的帶寬增加，他們正在發起一項用于贊助工程師開發這些頻譜共享技術的比賽。“包括學術界的整個行業都頗為關注。”Malladi 說。
Willenegger 開玩笑說，頻譜共享可能是 6G 標準。 不過他思索了一下又接著說，新技術肯定在 5G 的基礎上不斷疊加、累積，量變產生質變，然后 6G 才會應運而生，頻譜共享可能就是其中疊加的技術之一。 “未來將會產生 5G + ，5G Advanced，5G Turbo 諸如此類的增量。”Willenegger 說，“有人說，人類已經窮極所想，做了能做的一切，世界上不會產生什么 6G 了。”
“那可說不準，”Malladi 接道。
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