新科技快速指南系列之“5G”:历史、现在与未来

关注:487     发表时间:2018-12-20 16:23:45

5G仍然让人感觉很遥远。但是这些碎片正在拼凑在一起。

新科技快速指南系列之“5G”:历史、现在与未来

未来取决于连通性(connectivity)。从人工智能和自动驾驶汽车到远程医疗和混合现实,再到迄今为止无法想象的技术,所有我们希望能够让我们的生活变得更容易、更安全、更健康的事情都需要高速、永远在线的互联网连接。

先不用说流媒体视频的泛滥,只是为了跟上新的连接设备和交通工具的爆炸式增长,移动产业都需要研发新的技术,这种技术名为5G——之所以这么命名,是因为它是第五代无线网络技术。

5G将为你的手机带来10G/s 的速度。 这比当今手机的4G 速度快了600多倍,比谷歌光纤提供的家庭宽带服务快了10倍——速度足以在25秒内下载一部4K高清电影,或者同时在线观看几部电影。

不管怎样,美国运营商承诺,到2020年,5G将在美国普及。但第一批5G网络的速度不会这么快。5G不是单一的技术或标准,而是不同技术的组合,部署它们可能需要一种与构建4G网络完全不同的方法。

运营商已经推出了Demo和试点项目,展示了5G带来的性能巨大飞跃。不过,速度最快的,还是基于“毫米波”(millimeter wave)技术的移动网络,但这种技术可能在未来几年内不会被广泛使用。

与此同时,运营商可能会建立基于其他技术的5G网络,这些技术比现在的网络更快,但可以在很大程度上依赖现有的基础设施。

5G不仅仅是速度提升;5G技术还应该能够几乎实时地服务大量设备。这是至关重要的,因为在未来几年,联网的汽车、环境传感器、恒温器和其他设备的数量将会大幅度增加。

5G的率先部署非常重要。 美国各行各业的行业专家和政治家都警告称,如果中国或其它国家能够更快地为5G部署奠定基础,美国公司可能会落后。

为了到2020年实现全国范围内部署5G的目标,政府必须向运营商开放更多的无线频谱; 运营商必须迅速扩展其基础设施; 硬件制造商需要创造新一代的设备,准备好应对5G浪潮。

我们是如何从1G到5G的?

第一代移动无线网络,建于20世纪70年代末和80年代,是基于模拟技术的。声音未经加密通过无线电波传送,任何人都可以使用现成的组件窃听对话。

第二代移动无线网络建于20世纪90年代,是基于数字化技术的——使得加密通话成为可能,无线频谱的利用也更有效;同时,拨号互联网或早期DSL服务的数据传输也成为可能。

第三代移动无线网络给数字网络带来了带宽提升,并带来了智能手机革命。

无线频谱,指的是不同无线电波频率的整个范围,从最低频率到最高频率。美国联邦通信委员会(FCC)规定了谁可以使用频率的哪些范围或“波段”,以及用于什么目的,以防止不同用户干扰彼此的信号。

传统上,移动网络主要依赖低频段和中频段,这些频段可以很容易地覆盖很大的范围并穿越墙壁。但现在这些频段已经非常拥挤,以至于运营商开始转向更高的频谱范围。

第一批3G网络是在21世纪初建立的,但是它们在美国的推广速度很慢。人们很容易忘记,当最初的iPhone在2007年发布时,它甚至不支持3G速度,更不用说4G了。

当时,芬兰公司诺基亚仍然是世界上最大的手机制造商,这在很大程度上要归功于欧洲在2G部署和采用方面的领先地位。与此同时,日本在3G覆盖和移动互联网使用方面远远领先于美国。

但是在2008年7月,第一批支持3G功能的iPhone进入人们的口袋后不久,美国的应用经济就真正开始了。 那个月,苹果发布了App Store,几个月后,第一批使用谷歌 Android 操作系统的手机开始在美国上市。

很快,曾经被视为奢侈品的智能手机被认为是必需品,因为苹果和谷歌推广了这些设备,而 Facebook 给了人们一个留在这些设备上的理由。

在苹果和谷歌以及 Facebook 等应用的推动下,美国率先转向了4G,随着运营商扩张和升级网络,这带来了巨大的就业和创新增长。

与此同时,由于美国公司为应用程序经济设定议程,诺基亚和日本手机制造商开始在智能手机行业失去市场份额。

世界各地的运营商已经开始为5G构建测试网络,尽管这项技术的核心规范始于2011年,直到2018年6月才完成。

然而,很难确定实际正在测试的是什么。例如,去年AT&T宣布将在20个城市推出名为“5G Evolution”的产品,但批评人士称这种5G品牌具有欺骗性,因为AT&T在这些网络中使用的技术,实际上就是竞争对手T-Mobile 已经在使用的4G 技术。

与此同时,包括AT&T在内的运营商正在测试高速“毫米波”网络。尽管今天的智能手机无法连接到5G网络,但由于Verizon推出了“5G Home”服务,消费者终于有机会体验到5G了。

但这个服务提供的是固定无线服务,而非无线的。

5G的未来

运营商、电子产品制造商和一些政界人士担心,如果美国推出5G的速度太慢,就会重蹈欧洲和日本的移动产业的覆辙。

美国尤其担心中国,2018年1月泄露的一份美国国家安全委员会文件证明了这一点,这个文件提议,建立一个国有化的5G网络,以对私营公司进行补充。

人们担心,如果中国率先采用5G网络,其蓬勃发展的科技产业将创造下一个全球移动平台;5G也可以让中国在人工智能竞赛中占据优势。

连接到网络的设备越多,数据就越多。用于训练算法的数据更多可能意味着更好的人工智能应用。

为了更快地建设5G网络,电信行业宣称,它需要获得使用更多无线频率的授权,在基础设施建设方面,也需要更少的监管。

最常见的5G概念是毫米波技术,它利用了无线频谱的高频段,那里有大量未使用的带宽。

正是这种技术可以实现10G的速度,但是这需要付出巨大的代价。 毫米波信号在长距离上不太可靠,很容易被树木、人甚至雨水等障碍物干扰。

为了实现移动应用,运营商需要在城市中部署大量的小型接入点,而不是像今天这样依赖几个大型的基站就够了。

毫米波接入点可能会变得像烟雾探测器一样小,但实际上它们需要无处不在。就像你家里的Wi-Fi路由器一样,这些接入点需要连接到有线网络中。

部署所有这些额外的接入点并将它们连接到互联网将会很昂贵,也会耗费大量时间。

为了抵消这些成本,无线行业正在寻找技术解决方案。

例如,包括Facebook和一些电信公司在内的电信基础设施项目正在开发一种名为Terragraph的天线,这种天线可以让无线接入点相互连接,而不是完全依赖有线连接来进行回程。

一项对Verizon在休斯顿的试点5G网络的独立研究发现,毫米波比预期的更有弹性,但是全国范围内的毫米波网络可能需要几年时间才能建成。

因此,世界各地的运营商现在转向无线频谱的“中频段”,其中包括Wi-Fi路由器和一些移动电话网络使用的频段。它不如高频段快,因为可用带宽更少,但是信号可以传播得更远、更可靠,这使得使用大型发射塔覆盖区域成为可能。

FCC已经批准了一些提案,允许运营商使用一些目前用于军用雷达和卫星通信的中频段频谱,但美国落后于已开始拍卖中频段频谱的韩国,还落后于中国,后者为5G保留了大量中频段频谱。

FCC还计划拍卖更多的高频段频谱,并正在推进拍卖中频段频谱的提议。但是根据Recon Analytics的数据,运营商从购买使用频谱的授权到实际使用频谱可能需要几个月或几年的时间,因为升级现有的基站需要时间。

这一过程不仅涉及体力劳动,而且要得到州或地方政府的授权。

消费者权益保护者担心,对5G的狂热正在破坏公众对无线行业的监督。例如,FCC在2017年取消了其网络中立保护,令人怀疑的是,更少的监管会导致对5G和其他宽带基础设施的更多投资。

2018年,它以帮助运营商更快地建设5G网络为由,投票否决了州和地方关于无线设备放置的规定。与此同时,T-Mobile和Sprint正在推动监管机构批准这两家公司的合并,理由是它们将能够更快、更高效地部署5G。

更少的监管和更少的运营商可能会导致5G使用价格,选择也更少。

消费者组织Public Knowledg的副总裁哈罗德·费尔德(Harold Feld)警告说,如果没有监管,运营商可能会选择不在低收入或农村地区建设5G网络,因为这可能会降低利润率。

即使5G立即可用,市场上也很少有设备可以利用它。

中国制造的小米MIX 3智能手机(5G版)和摩托罗拉的5G Moto Mod预计将于2019年上市。苹果预计在2020年之前不会发布5G手机。

所以,5G仍然让人感觉很遥远。但是这些碎片正在拼凑在一起。

One More Thing:名词解释

频谱(The Spectrum)

无线电波频率,从最低频率(3kHz)到最高频率(300GHz)。 FCC规定了谁可以使用频率的范围或频带,以防止用户信号互相干扰。

低频段(Low-Band Frequencies)

低于1GHz的频段,传统上用于广播电台、电视以及移动网络;它们很容易覆盖很大的范围,并穿过墙壁,但是现在这些频段太拥挤了,以至于运营商正转向更高的频谱范围。

中频段(Mid-Band Spectrum)

范围从1GHz到6GHz,用于蓝牙、Wi-Fi、移动网络和许多其他应用。它对运营商很有吸引力,因为它提供了大量带宽,与毫米波频段范围相比,挑战更少。问题是FCC需要向运营商开放更多的频谱。

毫米波

24 GHz或30 GHz以上的无线频谱范围,这取决于你问谁。这是频谱中相对不拥挤的部分,有足够的带宽,这意味着运营商可以实现更快的速度。但是毫米波信号在长距离上不太可靠。

未授权的频谱(Unlicensed Spectrum)

未授权给特定运营商的频谱,例如现在用于家庭Wi-Fi的范围。运营商计划通过在未授权的频段上提供服务来扩大他们的授权频谱。

延迟(Latency)

设备通过网络响应其他设备需要多长时间。更快的响应时间是5G的一大优势,这对于紧急警报系统或自动驾驶汽车来说是至关重要的。

网络分层(Network Slicing)

在一家运营商的基础设施上创建“虚拟网络”的做法,每个基础设施都有不同的属性。例如,汽车可以连接到一个能够使延迟最小化的虚拟网络,而智能手机可以连接到为流式视频优化的网络。


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