為什麼說 4G 之後再也沒有 5G 了?

作者 | 發布日期 2015 年 09 月 05 日 0:00 | 分類 手機 , 網路 , 軟體、系統 follow us in feedly

在開始這個話題之前先說說無線通訊的歷史

為便於大家理解,先從終端側開始,也就是大家平常使用的手機開始,這樣大家比較容易理解,畢竟大多人只是用手機,至於通訊網無線網是怎麼回事並不清楚也不關心。但是通訊網路是為了支撐你應用的,沒有後面的通訊網無線網支撐,你的手機與一塊磚頭沒啥區別。而且手機端的需求,套用比較時髦的話就是你的痛點,會影響通訊網的發展方向。所以從這裡開始說起,相信大家比較容易理解,畢竟大多數人不是通訊專家。



還記得 BB call、大哥大嗎,以前看香港電影裡面黑社會老大後面都有一個拿電話的小弟,那電話跟磚頭似的,很大很笨重,那就是大哥大,那叫一個威風一個羡慕啊。當然再早之前的手搖電話、磁石電話,大部分人大概都沒有見過實物,只是在戰爭電影裡見過,到現在我們手機能上網、看電影、能拍照、能導航,幾乎無所不能,這幾年的通訊發展尤其是無線通訊的發展,速度之快。以前看似科幻影片中的情形,現在在我們身邊實現了,電子科技是人類發展最快的一個產業,短短 100 多年的發展歷程超過我們想像。

雷鋒網配圖

▲ 當年的大哥大

從最初 1973 年美國摩托羅拉公司發明模擬無線通訊,推出了世界上第一台無線通訊終端,也即是上面說的大哥大,到後來的功能機,以 NOKIA 為代表,到現在的蘋果推出的智慧手機時代。終端的功能越來越強大,已不再是單純的打電話,而是一個個人行動終端,隨時隨地實現行動網路連線。終端的更新換代也越來越快,今天 3G 明天 4G,新名詞、新概念、新技術似乎天天都有,逼得我們手機用戶也要經常換新機,否則就跟不上時代了。

前幾年蘋果 4 出來體驗了一把 3G 的高速資料服務,說實話經常連不上,速度也沒有宣傳的那麼快,流量費還經常超標。這不剛用沒幾年,又說要上 4G 了,還記得 3G、4G 宣傳上的那個人臉對比圖嗎?給大家看看,多麼誇張。

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那 4G 快到人臉部皮膚都變形了。自從 4G 發牌後,網上就流傳著這樣一個段子:

「4G 環境下,如果你睡覺時忘記關流量了,第二天起來房子就歸電信公司了。」

可見這速率多快。結果 4G 很多人還沒用上,現在又開始宣傳 5G 了,這更新換代也太快了。5G 號稱的上網速度比 4G 還要快上千倍,這速度估計不敢想像,下載一部電影大概要秒殺了。

從技術角度來講,第一代類比通信大哥大到數位通信 GSM 那是有革命性的技術飛躍的,模擬通信抗干擾差,機器整合度及智慧化都不高,號稱的大哥大可以砸死人,就是說它太大太笨重了。到了數位通信時代的 GSM,代表性的如 NOKIA 手機,由於當時的電腦技術及軟體技術都有了很大提升,集成度也大大提高,手機已經做得非常的小巧精緻,而且由於數位通信的抗干擾及保密能力大大加強,通話也更清楚安全了。用戶體驗瞬間提高了,GSM 得以迅速發展普及。

當年 NOKIA 就是趁著這波大潮迅速崛起,成長為一個全球矚目的大型公司,全球通信界的大哥大。寫到這裡想起之前看網路的一個節目:一中國老兄 1993 年花了 1.7 萬人民幣買了一部大哥大,但這不是最貴的,最貴的是又花了 1.75 萬才上得了網,也就是說他為了能用這部電話,總共花了 3.45 萬。1993 年的 3.45 萬那是多大的金額呀。

但是隨後的幾年,使用過手機的都知道,除了在更小、待機長、一些花邊的山寨特色功能等上面做做文章外,沒什麼革命性的功能出現。這時候的手機基本是比價格,中國更是這擅長這些,深圳華強北滿大街打造手機的,各家的手機已經差不多,無論是功能還是品質,基本沒什麼本質區別。

這個時候買手機的選擇標準就是誰便宜買誰。當時的很多手機廠家已經轉產關門,更有業界龍頭公司甚至說要賣掉終端不再進入這個領域,因為大家覺得手機已經沒什麼可玩的,除了拼價格拼成本外,已經很難掙到錢了。

直到蘋果智慧手機的出現,賈伯斯讓全世界人民忽然眼前一亮,賈伯斯是個真正的高手,讓大家赫然發現手機原來還可以這麼玩,還能提供這麼多的功能。智慧手機的出現促進了行動網路的發展,這之後行動網路才真正開始,由於行動網路的發展,原先的無線通訊網路顯得落後了,因為原先的無線通訊網路主要是為語音服務的,也就是為了打電話用的,資料及上網能力很弱。這個時候就必須要升級無線通訊網路了,否則你的手機又變成一塊磚頭了。關於無線通訊網路發展,我們在後面的網路篇幅中詳細介紹。

說實話,你的手機很容易變磚頭,因為涉及的環節很多,任何一個環節出現問題,你的手機就會變成磚頭,不要覺得奇怪,事實就是如此。

由於終端的發展促進了行動網路的發展,行動網路的發展又逼迫無線通訊網路去進行升級換代,以支援更高的頻寬、更高的速率,倒逼無線網路不斷發展。而通訊網路的發展又促進了行動網路的發展,提供更多更好的服務,又促進終端變得更強大,相互發展相互促進形成良性迴圈,勢頭大好前途一片光明。

但是目前看,智慧手機的發展似乎也遇到了之前功能機一樣的問題,已經沒什麼革命性的功能出現了,隨著技術的逐漸成熟,估計後續同質化會越來越嚴重,白菜價機器應該很快到來。

 

說完終端史我們來說說網路發展

這個是我們今日討論重點,畢竟相對於網路,終端更簡單更容易理解,大家天天在用,不需要費太多精力解釋。

第一代類比無線通訊網路,也就是摩托羅拉公司搞的那個大哥大,70 年代橫空出世,實在是很炫的。由於太早,可能很多人沒用過。但可以肯定的告訴各位,這時的網路除了能打電話外什麼也做不了,不能發簡訊,而且打電話的效果也不怎麼樣,雜音大、多數情況聽不清,因為容易受干擾啊;很多地方沒訊號、基地台少啊;而且說不定高頻收音機在附近,還能偷聽到他打電話的內容,因為無法加密、保密性差啊。這就是第一代老古董玩意,雖然新奇也是劃時代的產品,但是用起來真心不怎麼樣,當時花高價買絕對不值。

後來的第二代數位通信網路 GSM 開始快速普及,GSM 是 1990 年代歐洲製訂出來的第二代數位通訊標準,這個不同於之前的類比通信網路,是真正現代意義上的先進通訊網路,很先進。很多人第一次接觸和使用的行動通訊系統就是這個。

而同一時期對應的美國弄出來的標準是 CDMA,這也是 2G 時代的通訊標準,當時的中國聯通使用的是 CDMA 標準,而中國行動建設的是 GSM 網路,由於 GSM 標準更有開放性且推出較早,在國際上使用的國家較多,所以 GSM 標準實際上要比 CDMA 使用範圍大,這也是當時為什麼聯通打不過中國行動的一個原因。(編按:這是中國的狀況,而台灣當年還是建制 GSM,只有亞太電信採用 CDMA)

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2G 過後出現了 3G 網路的建設,這也是智慧手機出現、行動網路發展後對無線通訊網路的必然要求,必須提供更快更寬的資料業務,這就引出了無線通訊網為什麼需要不斷升級、不斷更新換代的原因。

這裡我們也順便同情一下電信商,被這些技術搞得也是疲於奔命,不斷的升級換代,本來計劃是投資一次受益十幾年或者幾十年,但是由於技術升級,剛建好沒幾年的網路又需要升級換代了。大家看看從 GSM 推出後,後面的 GPRS / EDGE,到後面的 3G、4G,不斷的升級換代。

而且這 3G 技術還涉及不同的世界標準(有 CDMA2000、WCDMA、TDS-CDMA),電信公司也不容易,為了建好 3G 網路,需要建制 3 套不同標準網路,相當於投資了 3 倍的錢來營運這個 3G 網路。當然由於 WCDMA 標準在全球範圍推廣早且開放性好,取得發展上的先發優勢,其他 2 個標準最後都沒落了,電信商在 CDMA2000 及 TDS-CDMA 兩個 3G 標準上的網路建設投入,差不多打了水漂,投資收益比超低。說起這個估計電信及行動哭暈在廁所,本來大家可以多發幾個獎金的,結果全給了設備商、標準商了。

後來的 4G 標準雖然做了統一,避免了重複投資,但是也分 TDD 及 FDD 兩種制式,FDD-LTE 是全球 4G 的主流標準,TDD-LTE 更適合熱點密集地區的布網。與 3G 不同,不能簡單的看作是不同的 2 個標準,實際上 TDD 及 FDD 兩種 4G 制式是各有優點、各有強項,可以認為是為解決不同場景的方案。

2013 年底中國發放了 TDD 4G 牌照,正式開始進入 4G 時代。

可惜 4G 沒建多久,很多人估計還沒來得及用上,沒體驗到 4G 是如何的快,5G 的概念就又喊得震天響了,現在最不爽的應該是電信商了。4G 剛投資建設完,又開始喊 5G 了,4G 建設投入一分錢收益還沒見到,這麼下去我電信商不是為設備商白打工了,賺點錢全買設備了。

好了,終端及網路發展的歷史基本說完了,大家對通訊發展有一個大致的瞭解,但是不要著急,我們還得說說技術層面,因為不講技術就討論不清楚我這個話題,也就不能得出我這個文章的結論。為什麼我會說「4G 之後沒有明天」。

實際上目前我們使用的通訊技術,無論是電腦、晶片、光傳輸、無線調製、編碼、摩爾定律等,這些新詞雖然夠炫夠專業,但是這些技術背後使用的理論基礎都是上個世紀五六十年代的理論,雖然發展了這麼多年,但是都沒有突破這些基礎理論,只是在這些基礎理論上的技術優化。也就是說,現在的這些產品及技術,與上個世紀五六十年代的產品本質上沒什麼區別,只不過技術上有了巨大進步,比原來的更小更快更精緻了。就像 100 年前的馬拉松比賽,雖然我們穿的鞋更好了、路面更平整了、運動員跑的比以前快了,但是本質上還是人在跑步沒變。

從類比通訊開始,無線通訊要傳輸訊號,都是透過在無線載波的基礎上加上訊號源發送並接收,這就是無線通訊,無論資料業務還是語音,都是這麼傳輸的,這個本質幾十年來一直沒變。為了更容易解釋理解,我們可以做個簡單的類比,可以把一個無線載波看成公路上的一個車道,這個車道上跑著的汽車可以看作是我們需要發送並接收的資訊。

那麼為了要傳輸更多更快的資訊(增加頻寬),不可避免的要增加車道上跑的車的數量(提高載波效率),同時大力增加車道數量(增加載波數)。這些在現有無線通訊中,都有對應的技術手段且基本已實現,類似於 FDD / TDD / OFDM 這些專業術語,就是為了增多車輛增加車道的手段,有興趣的同學可以具體深入的研究一下。

 

但是這個方法管用嗎?

車道上的車輛能無限增加嗎,當車道上都排滿了車,把道路變成停車場的時候,還能增加車的數量嗎?顯然是不能了。

那麼車道能無限增加嗎?如果土地允許的話看來是可以無限加寬道路的,修個雙向 100 個車道的道路也不是不可能。但是現實生活中土地資源是有限的,不可能這麼浪費資源去造路。那麼加層是不是可以更好的增加車道?一層二層三層,這個在城市中的高架路地鐵算是了,增加一層,理論上可以增加一倍的車道數且不增加土地面積,看來是個不錯的措施。

但是有一點還是有差異,車道只是物理位置或者高度上的不同,相互之間不會有干擾,也就是說只要國土面積夠大高度夠高,理論上你可以修無限多個車道、建無限寬的路;但是無線電波的資源是有限的,不同頻率的無線電波類似於不同位置的車道,而且由於受無線電波傳播特性的影響,能用於無線通訊的電波頻率是有範圍的,也就是說這個車道的總數是有限制的,不是無限的。既然是有限制的,那麼寬度就會受限,傳輸的速率就不可能無限增加,也就是在目前的理論基礎下,我們的車道不能無限增加。

於是為了能跑更多的車,人們就想了很多的辦法,比如編碼壓縮、TDD / FDD、OFDM、空分等,這些技術很好,也確實改進不少,但是不能本質上解決問題。就類似建高速公路,地面不夠寬了,為了增加車道怎麼辦呢,只能增加一層,如果需要繼續增加車道那就再加一層,目前的無線通訊增加速率的方式基本類似於此。沒辦法,因為沒有基礎理論上的突破,所有的改進只是優化,不是變革,只能修修補補,本質上沒有質的飛躍,無論 3G、4G 還是 5G。

但是現實生活中我們並沒有看到 2 層、3 層的高速公路,少見的高架道路也都是在市區,且是比較繁華的市中心,這是為什麼?相信大多數人都能明白這個道理,就是成本的原因,修高架或者地下立體交通,成本太高了,普通路面增加交通運力的方式只能是增加車道。

說到這裡,相信大多數人都明白了,所謂的 3G、4G、5G,說白了就是透過不斷地增加載波數量來提高頻寬,而為了增加載波數量,付出的成本越來越高,技術難度也成指數級增加,設備也越來越複雜,要求的整合度可靠性越來越高。

但這有一個邊際效應,當達到一定程度後,這樣的增加就沒有意義了,因為投入產出不划算了。這就是現實中我們沒看到多層公路的原因。

可能有些人說這無所謂啊,反正實現都是由廠家去做,我只是使用,複雜不複雜我不關心,我只要好用就行了,確實如此。這裡做個假設,如果我是一個房地產開發商,假如沒有層高及技術上的限制,我修了一個 100 層的樓賣給你,你會不會要?

由於樓高容積率也高,價錢估計比周邊普通住宅還會便宜點。但是你肯定不會要,為什麼?因為在目前我們的建築安全等基礎理論沒有大的變化前、居家生活方式還是傳統的情況下,住在這麼高樓層會存在很多問題。

這就是為什麼在基礎理論沒有突破之前,使用傳統方式一定會走到末路的原因,一定會出現達到極限走不下去的情況。除非出現基礎理論的突破,否則只會越來越困難。

還記得我們文章前面說過的話嗎?你的手機很容易變成石頭。因為隨著系統越來越複雜,實現環節越來越多,你手機變石頭的可能性只會越來越高。相信大家都有這個體會,我們在還有訊號可以打電話的時候,卻沒有 3G、4G 的訊號,不能上網。

所以我認為 4G、5G 的唬嚨該結束了,尤其是電信商該換換建網思路了,因為這麼走下去只會死路一條,沒有出路。另外勸從事 4G、5G 設備研發的同事也該換換思路了,因為說不定你很快會失業了。

那麼有沒有方案來解決這個問題?

目前看還是有。

首先一條,如果要從本質上解決這個問題,必須有基礎理論的突破,比如類似於量子通訊裡面的量子纏結等。

這些基礎理論的突破會徹底改變現有通信的方式,就像現在汽車在地上跑,你可以改為在天上飛,還可以在多維空間平行世界裡穿梭。本質都改變了,那之前所有的問題都不是問題了。

但是基礎理論從上個世紀五六十年代被發現到現在,基本沒什麼新的理論誕生了,要想突破談何容易,所以這條路短期看基本沒戲。

除此之外是否有更好的解決思路,我覺得還是有。還是以交通來類比,從鄉間小道到高速公路,從自行車到飛機火箭,這是一個立體式的交通,滿足不同的需求,不會在高速路上既跑牛車又跑飛機,也不會出現一個人在坐飛機的同時還得趕牛車。

通訊也類似,有靜止有移動,有快速有慢速,有寬頻也有窄帶,不同需求在不同時間不同空間組合,不同的方案去實現。

(本文由 雷鋒網 授權轉載) 

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