5G时代：经济增长新引擎

通信的本质是信息传输。人本身是生物信息体，语言、书籍、电报、电话等都是针对人来设计的，而5G是第一次全面针对物而不是人的通信标准，各项指标已经远远超越人的极限。以后的通信将分为面向人的通信与面向物的通信。互联网也将逐渐从针对人的消费互联网向针对物的产业互联网发展。

通信是什么

“鸿雁”是中国古代对书信传递的标志性描述，《汉书·苏武传》中记载了鸿雁传书的故事，中国通信界的最高学府北京邮电大学曾经有个非常著名的BBS（Bulletin Board System，论坛）也是用“鸿雁传情”命名的。在古代通信中，人是信息的产生者，也是最终的接收和使用者，所以所有的通信方式都是围绕人来设计的，但同时也受限于人的生理特性。

烽火台是古代军事通信的重要手段，虽然可以传输很远的距离，但因为只有有烟和无烟两种状态，所以传输的信息量非常少。电视剧《长安十二时辰》展示了长安城中每隔300步就有一个的瞭望楼，通过一套传递体系可以快速准确地通报情况。虽然传输距离很近，但信息量变大了！

从今天的角度来看，“烽火台通信”和“望楼通信”都是无线通信、可见光通信和数字通信。但这两套通信体系都是给人设计的，所以在距离、信息量传输上不能超出人的生理极限，如视距。但可以通过资源互换，达到性能的转换，如利用距离换取信息量——距离越远，人眼分辨率越低，传输的信息量就越小；反之，距离越近，人眼分辨率越高，传输的信息量就越大。

今天通信系统的设计，还是遵从资源互换这个朴素理念。现代通信系统中可以互换的资源还不多，包括时间、空间、频率、码字。如果能找到更多的通信资源，我们会有更好的信息交互体验。

在机械力、电力、光电加入通信中后，通信范围和效率大幅度上升，电报、电话的使用让我们突破了视距约束，而移动通信的出现更是让随时随地任何人之间的通信成为可能。

通信的数学模型和信息的量化描述是由香农完成的。沿着香农指明的方向，人们在现代通信之路上一路狂奔，却突然发现，人，成了信息系统的瓶颈！

今天，计算机、手机终端产生的数据量远远超出一个人产生的数据量，只靠面向人的通信方式已经无法把海量数据传输出去。我们无法想象用人类的语言去描述一个联网游戏中各个角色的位置和动作。

同样，作为通信接收者的人，对海量数据也是应接不暇。

那么，今天我们使用的通信，到底是什么呢？

自从光电技术被引入通信中后，信息通道就不再是架构在人与人之间，而是架构在收发设备之间，人只是信息的产生者和消费者。我们使用手机上网或打电话，传递的是人可以认知的信息，但在传输过程中，大量的编码、调制将生成更多的信息，并消耗手机里的很多资源，而我们只关心自己可以感知到的信息。就好比当我们将中文信息告知翻译人员，翻译人员再告知外方人员时，我们关心的是信息本身，而不关心翻译人员消耗了多少脑细胞。归根结底，这还是面向人的通信，光电设备只是通道而已。面向人的通信有个重要特点：人是信息的最初发起者和最终消费者。

随着自动化、智能化的不断普及，包括传感器、控制器在内的各种机器开始被赋予越来越强大的功能。例如，我们会设置一个自动上报数据的温度传感器，显示在信息终端上。这个过程一旦设定好，即使没有人的参与，各种设备也会自动产生信息、传送信息、展示信息。这就是典型的面向物的通信。在这个过程中，物体被赋予了主动产生信息、主动通信、主动接收信息的功能，人不一定是信息的最初发起者和最终消费者了！

1993年7月5日《纽约客》刊登了一句著名的话：“在互联网上，没有人知道你是一条狗。”1995年，IETF（Internet Engineering Task Force，互联网工程任务组）设计的IPv6（Internet Protocol Version 6，互联网协议第6版）则号称可以“为地球上的每一粒沙子都提供一个IP地址”。通信已经不再是面向人的专属，而是开始面向物了。

5G之前所有的通信系统都是以人为中心来设计的，偶尔会兼顾物，但5G给出的三个并列的应用场景中就有专门针对海量物体连接的mMTC，也有针对面向物的高可靠低时延的uRLLC。互联网也将依托5G从消费互联网渗透到产业互联网。

这为通信打开了一片新天地，为产业开辟了一个新战场，为社会提供了一个新机会！

通信科技的缘起

从麦克斯韦到赫兹，电磁波不再神秘；从马可尼到贝尔，人可以操纵电磁波来进行通信；奈奎斯特让数字通信成为可能，香农开创的信息论则让人类开启了信息社会。

现代信息和通信技术产业的鼻祖是英国人麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831—1879），虽然他是经典电动力学的创始人、统计物理学的奠基人之一，但就信息和通信技术而言，他最重要的工作成果是1855—1864年发表的三篇论文：《论法拉第力线》《论物理的力线》和《电磁场的动力学理论》。1865年，麦克斯韦预言了电磁波的存在，并用理论推导出电磁波的传播速度等于光速，指出光是电磁波的一种形式。这三篇划时代的论文后来被他整理到其科学著作《电磁理论》中。

1888年，德国物理学家赫兹（Heinrich Rudolf Hertz，1857—1894）用实验验证了电磁波的存在，将实验过程记录在《论动电效应的传播速度》一文中。这个实验不仅验证了麦克斯韦理论的正确性，而且开创了无线电学科的新时代，具有划时代的意义，以至频率的单位都是用他的名字赫兹（Hz）命名的。更重要的是，在赫兹那次著名的实验中，他发现了一个经典物理学无法解释的不和谐现象，从而撬动了经典物理学体系的根基，直接导致了后续量子学科的诞生。

当时，14岁的意大利少年伽利尔摩·马可尼（Guglielmo Marconi，1874—1937）还在家中接受良好的教育，而且有自己的实验室，并由一名大学物理教授做指导。1894年，赫兹去世，马可尼了解到赫兹所做的实验，于是马上动手发明了一套电磁收发装置；

1895年，他在父亲的蓬切西奥（Pontecchio）庄园成功地将无线电信号发送了1.5英里（2.4千米）的距离；

1896年，他在英国获得了这项发明的专利权，成为世界上第一台实用的无线电报系统的发明者，随即他成立了著名的马可尼无线电报与信号公司；

1922年又创建了著名的英国广播公司（British Broadcasting Corporation，BBC）。马可尼公司目前已经是英国最大的通信和IT（信息技术）设备提供商之一。

ICT产业自诞生之初，就与专利有着深深的联系。有意思的是，虽然马可尼早在1896年就在英国申请到了无线电的发明专利，并完成了第一次横跨大西洋的无线电波传送、第一次SOS紧急信号的使用和第一次公共无线电广播，但美国最高法院还是在1943年宣布马可尼的无线电专利无效，认定尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla，1856—1943）（没错，那个著名的汽车品牌就是以他的名字命名的）享有无线电专利。个中原因众说纷纭，其中一种说法是这样美国政府可以避免付给马可尼公司专利使用费。

虽然电报的发明使人们可以非常方便地随时发送文字信息，但语音、图像、视频这些更加丰富的信息还是无法通过电报传输。终于，1876年3月10日，亚历山大·格雷厄姆·贝尔（Alexander Graham Bell，1847—1922）通过有线电话第一次传出了清晰的声音，虽然是个求助的声音，但电话的发明对人类社会的影响力已经无法用语言描述。

1877年7月9日，贝尔电话公司成立。

1879年，贝尔退出了贝尔电话公司，但这并不影响贝尔电话公司日后成为美国电信业巨头。1925年1月1日，AT&T（美国电话电报公司）收购了西方电子公司的研究部门，成立了一个叫作“贝尔电话实验室公司”的独立实体，后改称贝尔实验室。这是一个在ICT产业传奇的实验室，后面的很多故事都发生在这里。

因为提交专利申请比伊莱沙·格雷（Elisha Gray，1835—1901）早了两个小时，所以美国法院判定电话的发明权属于亚历山大·贝尔，虽然贝尔使用的是磁石电话，而格雷使用的是液体电话。1922，贝尔在加拿大逝世。美国国会2002年6月判定意大利人安东尼奥·梅乌奇（Antonio Meucci，1808—1889）为电话的发明者，并由美国众议院发布了269号决议声明，而加拿大众议院随即重申贝尔是电话的发明者。

无论“电话之父”的称号属于谁，电话的发明彻底改变了人类社会的信息交互方式，语音这种最直接的交流方式不再受地理和时间的限制。

电话的发明，还极大地推动了科技的发展。1927年，就职于AT&T公司的哈利·奈奎斯特（Harry Nyquist，1889—1976）发现了著名的奈奎斯特采样定律：如果对某一带宽的有限时间连续信号（模拟信号）进行采样，且在采样率达到一定数值时，根据这些采样值可以在接收端准确地恢复原信号。为不使原波形产生“半波损失”，采样率至少应为信号最高频率的两倍。这个定律在我们日常生活中的一个应用是关于声音的：人能发出的声音最高频率大概是4kHz（千赫），所以，模拟电话机的采样频率就是4kHz的两倍，即8kHz；而能听到的最高频率大概是20kHz，录制音乐的CD采样频率为44.1kHz，是20kHz的两倍多一点。

奈奎斯特1924年进入贝尔实验室工作直到退休。他有一个缺憾：

虽然他发现了这个定律，但没有从数学上加以证明。完美的数学证明是由他后来在贝尔实验室的同事、传奇人物香农完成的。

奈奎斯特采样定律对科技发展的巨大作用在于它告诉了我们用数字信号无失真恢复模拟信号的可能性。今天，我们进入了数字通信时代，这要感谢奈奎斯特。毕竟，当初用于电话的双绞线只能用来传输模拟语音信号，正是得益于奈奎斯特采样定律，电话才可以连接上调制解调器传输数字信号实现上网。

1948年，是ICT产业值得纪念的一年。这一年，在贝尔实验室工作的香农在《贝尔系统技术杂志》（Bell System Technical Journal）上连载发表了具有深远影响的论文《通信的数学理论》和《在噪声中的通信》。在这两篇论文中，香农阐明了通信的基本问题，给出了通信系统的模型，提出了信息量的数学表达式，并解决了信道容量、信源统计特性、信源编码、信道编码等一系列基本的科学和技术问题。这两篇论文成了信息论的奠基性著作。香农因此被称为“信息论之父”，他也是数字通信理论的奠基人。

70多年后的今天，第五代移动通信开始在全球商用，依然遵从着香农定理。

野蛮生长的第一代移动通信

1976年，美国摩托罗拉公司的工程师马丁·库珀首先将无线电应用于移动电话。同年，国际无线电大会批准了将800/900MHz频段用于移动电话的频率分配方案。1978年底，美国贝尔实验室研制成功全球第一个移动蜂窝电话系统——先进移动电话系统（Advanced Mobile Phone System，AMPS）。5年后，这套系统在芝加哥正式投入商用并迅速在全美推广，获得了巨大成功。同一时期，欧洲各国也不甘示弱，纷纷建立起自己的第一代移动通信系统。瑞典等北欧四国在1980年研制成功NMT–450移动通信网并投入使用；联邦德国在1984年完成了C网络（C–Netz）；英国则于1985年开发出频段在900MHz的全接入通信系统（Total Access Communications System，TACS）。此外，日本的JTAGS、法国的Radiocom2000和意大利的RTMI也都是第一代移动通信系统（1G）的制式。

第一代移动通信系统虽然取得了巨大成功，但因为是基于频分复用技术（Frequency Division Multiple Access，FDMA）和模拟调制技术，所以容量受限、信号质量欠佳、安全性差，而且因为缺乏统一组织，第一代移动通信系统有制式纷杂、无法互联互通、无法全球漫游的缺陷。

渐入佳境的第二代移动通信

欧洲电信标准化协会通过GSM，让移动通信标准的制定流程规范化、国际化。取得巨大成功的GSM标准，为之后的移动通信标准制定确定了基本规则。

1982年，欧洲电信标准化协会的前身欧洲邮政电信管理会议（CEPT）成立了移动特别行动小组（Group Speciale Mobile），该小组得到了对有关泛欧数字移动通信系统的诸多建议进行改进的授权，开始组织新的移动电话标准的制定。1986年，欧共体统一将900MHz预留为GSM频段；

1987年确定了GSM900的各种参数，同时，来自欧洲13个国家的15个成员单位签署备忘录，成立了全球移动通信系统协会（Global System for Mobile Communications Association，GSMA）。

1988年，欧共体委员会批准成立欧洲电信标准化协会，总部设在法国南部的尼斯。1989年，移动特别行动小组的职能被移交给欧洲电信标准化协会，虽然沿用了GSM的缩写，但含义已经改为全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications）。随着1800MHz被加入GSM系统中，标准化进程开始步入正轨。

在制定GSM标准的过程中，来自全球通信领域的各大公司和组织都提出了自己的建议，几乎涵盖了当时可以想到的所有技术方案。

有的公司基于第一代移动通信的FDMA技术进行改进，希望能平稳过渡到2G；

1989年，成立了4年的美国高通公司推出了CDMA解决方案，并迅速提出了IS–95及其相关标准，这在当时从技术上看是最先进的，但产业成熟度比较低；而作为折中的TDMA（Time division multiple access，时分多址）方案也被提了出来，虽然技术难度高，但对扩大用户规模有很大帮助；同时，在第一代移动通信系统中大放异彩的摩托罗拉公司启动了铱星计划，计划通过太空的66颗卫星实现移动通信，最大限度地实现网络覆盖。

大量不同的技术方案，使欧洲电信标准化协会试图领导的第二代移动通信系统遇到了巨大的阻力。

在多重压力下，新的规则诞生了！

如图1–2所示，标准制定者、政府和运营商之间形成了博弈关系：标准制定者负责全球性标准的制定，政府负责最关键的频谱准入谈判和制式选择，运营商负责商业运营和互联互通谈判。这种兼顾各方利益同时又相互制约的规则，使得产业链中的企业和政府都参与其中。

1991年，第一个GSM呼叫在芬兰实现；

1992年，第一条GSM短信实现；

1993年，澳大利亚成为第一个使用GSM的非欧洲国家，GSM国际化的脚步就此迈开，新的规则开始走向全球；

1995年，GSM登陆北美，全球用户超过了1000万，全球移动通信系统协会举办了全球范围的世界移动大会，该大会一年一届，一直延续至今，是全球规模最大的移动通信界盛会。1996年，中国开始部署GSM网络。2003年GSM推出了EDGE（Enhanced Data Rate for GSM Evolution，增强型数据速率GSM演进）技术，可以让用户以40kbps的速率上网，而在此之前数据的传输速率只有9.6kbps。

在GSM高歌猛进的时候，高通公司提出的IS–95成为2G国际标准，也是最早实现商用的基于CDMA技术的移动通信标准。

2G的重大意义在于制定了之后移动通信标准制定的规则。首先是由高校科研机构、设备商、运营商等进行“头脑风暴”，完成下一代移动通信的愿景规划和指标设计，给出各自的关键技术；然后由3GPP、IEEE等组织完成提案收集和整理，并形成统一意见；最后提交给国际电信联盟进行决议，形成国际标准，由各国政府去实施。这一过程（如图1–3所示）形成了标准制定执行的一个完整规则周期。从愿景指标、系统框架到国际标准，这一步步走来，往往需要10年左右的时间。所以，全球通信产业从2G以后，每10年左右会向前演进一代。

随后的3G、4G、5G都是遵循这个规则来制定通信标准的。这种规则的设定，可以最大限度地保障移动通信的技术先进性、标准实施的可行性和产业的成熟度。

基于移动通信技术的现状，学术界和产业界都会对下一代技术进行愿景描述，进而细化为技术指标。这是一个多维画像的过程，需要确保学术界不能冒进，不能脱离目前产业能力的基础；同时，产业界也不能过于束缚手脚、贪恋市场、缺乏科学想象力。愿景的确定基本上确定了下一代移动通信技术的发展方向，如3G的数据通信、4G的高速数据通信和5G的万物互联。

群雄纷争的第三代移动通信

CDMA技术是第三代移动通信的关键技术。与2G主流使用的TDMA技术相比，CDMA技术具有抗干扰能力强、接入用户数量多等优 点 ， 非 常 适 合 大 规 模 用 户 的 网 络 。 3GPP 起 初 只 是 力 推 W–CDMA（Wideband Code Division Multiple Access，宽带码分多址）标准，但已经觉醒而且意志坚定的中国力主推出TD–SCDMA（Time Division–Synchronous Code Division Multiple Access，时分–同步码分多址）标准，以此抗衡由高通主导的3GPP2提出的CDMA2000（Code Division Multiple Access 2000，3G移动通信标准）标准。

在商用市场上，高通首先选择韩国作为突破口，倾全力将韩国打造成CDMA典范，再将累积的技术经验等应用到美国市场，进而再进入中国市场，最终慢慢向全世界扩张。高通通过独有的大量的CDMA专利，占据了产业链最高端，主导了整个3G时代。

IEEE利用OFDM技术提出的IEEE 802.16e也与3G抗衡。

惊艳面世的第四代移动通信

OFDM是第四代移动通信的关键技术，因为下载速率达到100Mbps，人们惊呼可以彻底不要网线了。如此高速率的无线带宽，让人们开始对移动通信的无限可能展开了想象。借助3G时代移动互联网的普及，4G将移动互联网在消费领域的作用发挥到了极致，同时将通信产业链延拓到诸多消费行业运营商，如移动支付、物流等。

虽然全球试图统一标准，但最终还是分为TD–LTE和FDD–LTE两大阵营，与其同时发布的IEEE 802.16m很快也销声匿迹了。

高通早在2005年8月11日就以6亿美元的代价并购无线设备公司Flarion，获得了4G核心技术OFDM/OFDMA的使用权，继续主导着4G时代。无论是3GPP的LTE还是IEEE的802.16m都需要向高通公司缴纳专利费。

在4G发展后期，产业界已经感受到物联网海量接入的压力，虽然先后制定了一些标准，一些国家和地区还发布了针对物联网设备的号段，但通信网络已经不堪重负。曾经有专家提出是否需要建立一张物联网专网，而不是与4G电信网混用。这个问题，在5G时代得到了解决。

有一种观点认为，移动通信系统现象级的成功主要源于极为快速的技术创新和迭代。从1G到5G，移动通信系统已经完成了从模拟通信到 数 字 通 信 、 从 纯 电 路 交 换 到 全 IP 交 换 、 从 FDMA 到OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交频分多址）的数次技术更新，每一次更新都带来了更快的速度、更低的时延和更多的特性，也带来了更好的用户体验（参见表1–1中1G~5G的技术和性能对比）。

5G被一些专家诟病没有重大的技术革新，这有很多原因，最根本的原因是5G没有突破香农定律，另外一个标志性的技术原因是5G没有提出新的多址方式。

注：图中速率均不考虑载波聚合。