为什么发展5G？

  自上世纪八九十年代以来，每隔十年就会有新一代移动通信技术问世（2G、3G、4G、5G以及处于研发阶段的6G）。为什么有了4G，我们还要发展5G呢？这些合乎情理的问题实际上却很难回答。

  本文基于法国原子能委员会电子与信息技术实验室（CEA-Leti）系统部电信团队的工作（详见“了解更多”），简要介绍了5G的关键技术，以及这些技术对环境、气候、生命健康和社会生活的影响。

1. 电信技术简史

  欲了解电信发展史的更多细节，请各位读者参阅维基百科相关链接。

  在本章，我们仅对大事年表中具有里程碑意义的事件进行评述，并直接从上述参考资料中摘录。

  最早的通讯始于南北美洲人民使用的烟雾信号，以及非洲的鼓声。在中世纪，“山顶的塔楼可以传递命令和战略意图，但那时的信息量很小，放在现代可能仅占1B，内容仅限于诸如：敌人近在眼前了。”

  1782年，西多会的修士多姆·戈泰（Dom Gauthey）发明了声管，并将该发明的记录寄给法国科学院。

  还有一些值得我们留意的重要时间节点，如，“在法国，电力的发展催生了电话的时代。1794年，法国工程师克劳德·沙佩（Claude Chappe）发明了第一个电报系统。而第一个声学电话，或称传声筒[1]是由罗伯特·胡克（Robert Hooke）于17世纪60年代发明的。“传统款式”电话则是由亚历山大·贝尔（Alexander Bell）和埃利沙·格雷（Elisha Gray）于1876年各自独立发明的。然而，早在1849年，安东尼奥·莫奇（Antonio Meucci）就设计了第一个可以通过电线传输语音的设备。

  自1880年起，附属于邮局的电话网络开始运作，这将推动邮局电报和电话（PTT）的诞生。

  1901年，古列尔莫·马可尼（Guglielmo Marconi）在加拿大和英国之间实现了第一次无线电传输，他也因此获得了1909年的诺贝尔奖。

  自1880年起，附属于邮局的电话网络开始运作，这将推动邮局电报和电话（PTT）的诞生。

  1901年，古列尔莫·马可尼（Guglielmo Marconi）在加拿大和英国之间实现了第一次无线电传输，他也因此获得了1909年的诺贝尔奖。

  1941年，随着对讲机的问世，电信史也迎来了一个新的里程碑。对讲机是一种真正的便携式无线电收发器，能够建立起短距离的无线电通信。1947年，晶体管[2]的发明取代电子管，微型化时代宣告到来。”

  然而，到1945年才真正拉开现代电信史的帷幕，第一部笨重的非蜂窝模拟手机的诞生。

  这便是移动通信时代及其后续时代的开始，时至今日以及发展到5G，在未来还将迎来6G（图1）。

2. 5G究竟是什么？

  “5G”是继2G、3G和4G技术之后的第五代移动网络。2G推动了手机的发展（语音通话和短信），3G促进了智能手机的发展（互联网连接、应用程序访问、通过手机发展社交网络），4G带来了更快的速度，并且允许用户通过智能手机更方便地观看视频。而5G则能够将宽带和移动性结合起来。在理想场景下，使用新频段可将吞吐量提升10倍，而将传输时间缩短10倍[4]。

  总的来说，目前固定电信网络可以提供高功率且可靠的服务，而移动网络，主要指无线网络，则拥有更高的自由移动优势。5G的部署依赖于一种新的无线电接口（新无线电-NR），该接口能够在新的频段上有效地运行。5G将基于具有不同的物理特性的三类频段，具体频段如图2所示。

• 

  700 MHz频段。自2015年底已分配给运营商用于4G部署。此类频段能提供非常好的覆盖，但带宽仅在10-20 MHz之间
• 3400-3800 MHz频段（3.4-3.8 GHz）。该频段在覆盖范围和速度之间提供了一个良好的折中效果，被欧洲确定为“5G核心”频段。该频段允许部署空分复用技术。
• 26-28 GHz和40 GHz频段，为极高频（EHF）的“毫米级”频段，迄今为止仅用于卫星或基础设施链路。该频段提供的带宽从100到400 MHz不等。目标数据率在小范围的覆盖区中非常重要。

3. 技术方面：相比于4G，5G的关注点如下：

3.1. 超高速

  5G能够在很短的时间内交换大量的数据，且可靠性高。

  2020年3月的疫情管控期间，拥有一个强大和可靠的网络来维持信息交换的重要性得以体现，依靠网络，可以开展如远程办公、虚拟课堂、远程医疗咨询等活动，一些应用领域甚至出乎预料。

  5G的部署促进了使用协作平台与提升服务质量。

3.2. 大量并发连接

  许多设备（每平方公里多达几百万台）可以被连接，且不会出现流量损失或服务崩溃的情况。

  大量并发连接可以促进日常生活中物联网（Internet of Things，IoT[5]）的大规模发展，着重个性化服务、能源网的智慧、节能管理（例如，只有在有路人经过时才打开路灯或商店橱窗）以及工业数字化（例如，可以更方便地重新配置生产线）。

3.3. 网络虚拟化

  5G将依赖于虚拟化的网络[6]。虚拟化指的是依靠软件来模拟硬件功能，并创建一个虚拟系统。因此，虚拟网络[7]的核心，也就是处理最重要流量传输的通信设备将发生改变。其将不再如4G时代一般，由物理设备承载，而是由软件来取代。

  这种虚拟化可以分散算力，使其尽可能地靠近用户端，称为边缘计算（edge computing）。此外，虚拟化还允许在相同的基础设施上，根据使用情况分配不同的带宽性能，称为网络切片（network slicing）[8]。主要例子包括：低延迟的自动驾驶汽车及远程手术，具备更高流量的虚拟或增强现实，以及海量连接的物联网和传感器。

3.4. 有源天线

  通过以往的技术，网络会在大范围内不加区别地向各个方向发送信号（伞状广播）；而5G中部署的有源天线可将信号限制到用户个人所在区域。此外，5G技术还允许用户在空间上正交，从而增大容量。

3.5. 能耗优化

  5G使用了使基础设施处于待机状态的机制，以减少非高峰期，如夜间或人口稀少地区的能量消耗。

4. 5G和气候问题

  围绕5G的争议重点之一在于数字科技行业对环境的影响。环境问题涉及领域极为广泛，5G只是九牛一毛，却的确难辞其咎。

  如图4所示，在温室气体（GHG）排放方面，数字技术行业现已超过航空业（4%），且这一比例仍在继续增加。考虑到数字产业庞大的用户群，在应对气候问题方面，我们还有很多工作要做。法国参议院已经就此提出了一些建议；ARCEP（法国电子通信和邮政监管机构）在2019年也发布了关于这一问题的简报。

  在数据交换量相同时，5G要比4G的能效更高。但5G还将开辟新的应用领域，预计流量将进一步增加，产生所谓的反弹效应[9]。

  没有人能够预测5G未来还会有哪些全新应用。技术创造新的机会；社会孕育新的应用。在手机诞生之初，开发与设计人员认为短信（SMS）不够人性化，只是一个微不足道的小工具。但出乎他们意料的是，在实际应用中，短信却切实满足了用户的需求，并取得了长足的发展。

  5G的某些技术应用场景将有可能消除或减少其他行业所排放的温室气体。例如，居家办公现已成为一种趋势，新冠肺炎疫情期间，广泛的居家办公使很多人免遭通勤之苦，他们不必在高峰期匆忙地赶路，因而避免了堵车。此外，一些重要的服务也可以通过远程形式开展，例如，可以控制机器人实现远程医疗、护理和手术，这样的模式可以空出相关区域，有利于节约资源。

  在工厂，得益于物联网的运用，生产线变得更加灵活，更容易重新配置，更模块化，报废率更低……但显然并不是每个领域都如此一帆风顺。5G的应用是一个重要的政治和社会议题，不仅关乎在该领域内从业的技术人员、工程师或研究人员，而是关乎包括他们在内的整个社会（图5）。

  是否有必要提升用户意识，以规范良好的行为？汽车司机都明白，高速行驶的油耗更高。但鲜有人意识到，使用4G手机看电影的能耗是通过光纤下载到电脑上再观看的10倍。如今的消费者对这种额外消耗可谓一无所知，就连缴费账单上也遍查不到。

  是否应该加强对数据使用的监管？法国参议院在6月发布的一份关于数字技术行业影响的报告中建议，应当进一步规范数据消费，终止无限制数据套餐的使用。

  是否应该推动数字服务的生态设计？ARCEP[10]提出，在疫情封控期间，内容出版商应努力简化其线上内容。随着远程办公的使用量急剧增加，这样的做法可以确保网络仍能正常运行。ARCEP认为，在对抗臃肿软件（bloatware）方面，我们还有很多工作要做：当流量不受限制时，软件往往会开发体量庞大的附属功能，但同时也会为网速较慢的国家开发性能相当的轻量级版本。此外，值得注意的是，电信业一直保证着各“G”（2G、3G、4G和5G）之间的向后兼容性，这种兼容性常常以系统累加为代价，同样会造成冗余。因此，或许需要重新思考这种向后兼容的模式。

  长期来看，流量的增长是由智能手机数量的增加、用户数量的增加和单个用户平均流量的增加共同导致的，其中视频内容消费的增加是最主要的因素。图5显示了从2014年第一季度到2021年第一季度全球每月网络数据和语音总流量的变化趋势，以及移动网络上数据流量的同比百分比变化[11]。2021年第一季度，移动网络的月度数据流量总量超过66艾字节（EB）[12](10¹⁸字节)。

5. 5G与健康

  2020年6月29日，法国参议院空间规划和可持续发展委员会举办了关于5G的健康和环境影响的圆桌会议。会上，法国食品、环境和职业健康安全机构（ANSES）提到，在过去20年里的各类数据和出版物已累积了庞大的信息，这些信息覆盖了2.5 GHz以下的所有频段，包括Wi-Fi、2G、3G和4G。

  自2015年底以来，700 MHz频段已被分配给运营商用于部署4G以及5G。相关部门已对该频段设定了高风险阈值，以较好地控制其对健康的影响。

  ANSES还解释说，在6-10 GHz之间，电磁波对人体的渗透力逐渐降低，与生物体的相互作用趋于其表面。之后将用于5G，特别是万物互联方面的26 GHz频段现已称为各大媒体热议的焦点，这是因为人体对这种波的吸收仅限于皮肤表面100 μm。

  关于3.5 GHz频段（5G的核心频段），ANSES表示，目前相关信息仍稍显不足。尽管在2.5 GHz频段观察到的影响机制同样适用于3.5GHz频段，但ANSES更倾向于在相关的研究报告公开发表之前持保留意见。此外，各国的不同机构也纷纷就此问题发表了看法，并一致采用上述外推法。法国电信联盟（FFT）指出，德国、奥地利、芬兰、挪威、丹麦、爱尔兰和荷兰当局均同意，在4G背景下的分析结论是毋庸置疑的，世界卫生组织和欧盟委员会也持同样观点。因此，3.5 GHz频段的高风险阈值保持不变，与2.5 GHz频段相同[13]。

  然而，在高风险测量方面，与前几代相比，5G有一个重要的变化。在4G中，网络会在大范围内无差别地发送信号（即伞状广播）；而在5G中，天线为有源天线，信号广播仅限于通信智能手机所在的区域（详见3.4活动天线）。

  这意味着，只有用户正在使用手机时，天线才向其发送信号。这一点改变了受电磁辐射风险的情况，它可因用户使用智能手机情景不同而不同。5G之争远未结束，科学研究也必将继续进行。总之，需要记住，我们受到电磁辐射风险的主要原因在于使用手机（更确切地说，是手机发出的电磁辐射）和数据消费。

6. 理解5G的关键——数字通信理论

  在通信领域，确定两个或多个实体之间的通信方式是很有必要的。因此，监管机构选择频域来组建通信。

  在没有障碍物的情况下，电磁波从天线传播到空间，频率越高衰减越快。

  接收器，比如任何电子设备，会因电子的热振动受到噪声干扰，噪声与环境温度成正比。通常使用信噪比（SNR）来描述噪声与信号功率的关系，。

  1948年，克劳德·香农（Claude Shannon）提出了信道容量（capacity of a channel）（也称为香农极限）[14]，该概念是信息理论的一个重要结论，能够反映通信的理论容量上界。

  由于可靠传输受到香农极限的制约，无数研究工作都旨在逼近香农极限。在给定的带宽和信噪比（SNR）下达到极限容量，这意味着能够以最高效的方式利用资源。

  传输系统的能效（energy efficiency）的定义为：信息位（包括已传输和已接收的信息）与用于传输和接收这些信息模块的能耗的比值，单位为位/焦耳（bit/J）。该物理量适用于通信系统中的任何实体，小到用户，大到整个网络。

  频谱效率，单位为bit/s和bit/Hz，表征了波形调制技术，该技术允许信息比特在可用频段内的传输[15]。高频谱效率传输意味着高信噪比，因此也意味着高传输率。然而，这中高效率是以能效为代价的。因此，信息理论给出的最佳状态近似于频谱效率和能耗之间的权衡。

  由于可靠传输受到容量限制，逼近容量极限一直是无数研究工作的主题。实现给定带宽和SNR下的速率极限，意味着可以以最高的效率利用资源。信息论指出，频谱效率和能效之间始终存在权衡。

  高能效的可靠传输必然会导致频谱效率降低，相比之下，频谱效率较高的系统必然需要消耗更多能量，才能维持相同数量的比特传输。

  面对数字消费的指数增长，人们已经研究出一种新的后4G标准，以满足未来二十年的需求。现代通信系统（4G）已经达到信息论所定义的容量极限，为扩大容量，5G目前有两种选择。

• 由于信道容量与带宽呈线性相关，因此分配新的频谱就能增加网络容量。3.5GHz和20-40GHz之间的“毫米级”频段（根据波长的数量级而得名）已被保留给5G。如前文所述，自由空间的衰减随着频率的增加而增加，因此频率更高的波段传播起来更困难。因此，人们开始尝试使用集中能量的天线，或增加接入点的数量。后者发展到极致时，会降低通信系统传输功率以及传输设备带来的电磁辐射风险，相当于对4G时代引入的小型蜂窝的延伸。然而，接入点的增加会给运营商带来额外成本，这也是目前部署放缓的原因。
• 由于频谱稀缺且昂贵，5G标准采用了一个替代方案：空分复用，该技术能让几个用户在空间中同时通信而且互不干扰。这项技术的基础在于数字处理集成的发展，以及频率增加催生的小型网络天线。

7. 空分复用：5G的关键技术

  空分复用的基础在于大规模MIMO天线阵列的使用，其原理为不同用户发出的信号在空间上的“正交化”（orthogonalization见文末总结）。正交化意味着通过对信息的处理，两个用户可以同时通信且互不干扰。人脑的机制与之相类似，我们的大脑之所以可以解码两个同时进行的对话，都要归功于我们的两只耳朵，以及后续的信息处理过程。

  通过调整每根天线上信号的相位和振幅，可以找到一组参数，使得相关用户的信号在某一方向上叠加相增（信号增强），而在其他用户的方向上相消（信号减弱为0）。

  图9显示了四个用户在正交信号空间上的功率分布。具有400根天线的接入点被放置在中心位置。对于所有的配置，相关用户方向上（蓝色方块）的接收功率最大（-60 dB），而其他用户方向上的接收功率则为零。

  在这个例子中，4个用户可以在相同的频谱中同时交换信息而不产生干扰，因此容量增加了4倍。

  理论上，人们可以借助N个天线阵列和N个数字传输通道，实现对N个用户的复用服务。该系统的复杂性要比前几代高得多。

  需要注意的是，目前5G系统在3.5 GHz频段有N=64根天线，在毫米波段则有约100根天线。图10为诺基亚及Cea/Leti分别设计开发的两套天线系统，其中，Cea/Leti的系统包括一个含有400个天线单元的演示器。

8. 总结

• 5G依赖于一种新的无线电接口技术（新无线电-NR），能够有效地在新的频段上运行。它具有三类不同且物理特性互补的频段。
• 5G同时具备超高吞吐量和同步大规模连接的优势，这主要得益于有源天线，可将信号限定传输到用户所在的区域。
• 在流量相同的情况下，5G的能效较高，温室气体排放比前几代要低得多。但未来5G流量或将大量增加，可能会抵消其对全球变暖产生的积极影响。
• 空分复用通过使用大量天线阵列，允许多个用户在同一时间进行通信而互不干扰。

 

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参考资料及说明

封面图片：[来源：Pixabay]

本文基于法国原子能委员会电子与信息技术实验室（CEA/Leti）系统部电信团队的工作，由克里斯托弗·德拉沃（Christophe Delaveaud）、埃里克·梅尔西埃（Eric Mercier）、卡米列·希罗德（Camille Giroud）、卡米列·德克鲁瓦（Camillee Decroix）和罗兰·布兰潘（Roland Blanpain）共同参与撰写。

[1] “绳索电话”或“酸奶电话”，是由两个易拉罐、硬纸杯或类似形状的物体用电线连接而成的声学电话装置（不依靠电力系统）。(https://fr.wikipedia.org/wiki/T%C3%A9l%C3%A9phone_%C3%A0_ficelle)

[2] “晶体管是一种具有三个有源电极的半导体器件，它通过输入电极（双极晶体管的基极和场效应晶体管的栅极）控制输出电极（双极晶体管的集电极和场效应晶体管的漏极）上的电流或电压。”(https://fr.wikipedia.org/wiki/Transistor)

[3] “切换是指为使手机或智能手机（在GSM中称为移动台（MS），在3G和4G网络中称为“用户设备”）在不中断通话或数据传输的情况下更换无线小区而实施的一系列操作。”(https://fr.wikipedia.org/wiki/Handover)

[4] Arcep, “Grands dossiers : la 5G”（5G是个大文档）：https://www.arcep.fr/la-regulation/grands-dossiers-reseaux-mobiles/la-5g.html

[5] “物联网，或称IoT，是互联网与实物、场所和环境之间的相互联系。” (https://fr.wikipedia.org/wiki/Internet_des_objets)

[6] 这里用的是“未来”，因为截至本文写作之日（2022年5月31日），5G的核心网络仍基于不允许分片的4G核心网络（图3）。这种模式被称为5G NSA（Non Stand Alone，非独立）。5G SA（独立）预计将在未来几个月内部署，但该部署不会立刻在所有国家生效。因此，网络切片技术不会立即投入使用，最早也要到2022年底。

[7] 核心网络正在向5G演进：https://www.ericsson.com/fr/blog/3/2021/9/le-coeur-de-reseau-evolue-vers-5g

[8] 网络切片的用途：https://reseaux.orange.fr/actualites/5g-network-slicing

[9] ARCEP Note No. 5 “数字技术的碳足迹”，2019年10月21日：“从长远来看，能效的提高不足以抵消流量的增加。因此，通过反弹效应（……），一项技术发展看似可以在长期使用中减少温室气体排放，但由于其允许的使用量倍增，可能会导致整体排放增加。” https://www.arcep.fr/uploads/tx_gspublication/reseaux-du-futur-empreinte-carbone-numerique-juillet2019.pdf

[10] ARCEP Note No. 5 “数字技术的碳足迹”，2019年10月21日：https://www.arcep.fr/uploads/tx_gspublication/reseaux-du-futur-empreinte-carbone-numerique-juillet2019.pdf

[11] Ericsson mobility report, June 2021. https://www.ericsson.com/en/reports-and-papers/mobility-report

[12] 一个字节是由8个比特组成的一组；一个艾字节（EB，exabyte）相当于1000拍字节（PB，petabytes）或十亿吉字节（GB，gigabytes）。

[13] 法国电信联盟主席尼古拉·盖林（Nicolas Guérin）在参议院区域规划和可持续发展委员会6月29日举行的关于5G对健康和环境影响的圆桌会议。https://www.senat.fr/les_actus_en_detail/article/impacts-sanitaires-et-environnementaux-de-la-5g.html

[14] Shannon. “A Mathematical Theory of Communication.” The Bell System Technical Journal 27.3 (1948), pp. 379-423. https://people.math.harvard.edu/~ctm/home/text/others/shannon/entropy/entropy.pdf

[15] Digital Communications 5th Edition. Proakis. McGraw Hill, (2007), OR W. Gappmair, “Claude E. Shannon: the 50th anniversary of information theory,” in IEEE Communications Magazine, vol. 37, no. 4, pp. 102-105, April 1999, doi: 10.1109/35.755458. https://www.leti-cea.com/cea-tech/leti/english/Pages/Leti/About-Leti/mission-organization.aspx