5G时代：5G如何改变世界

5G、6G之后，人类的移动通信技术还会不断向前发展。那么，未来人类的信息传输会往哪些方向发展呢？

通信网络需要延伸到遥远的宇宙

在人类目前所能接触到的环境——天空、地面、地下、水中——都实现网络覆盖后，人类的信息通信网络会延伸到遥远的太空。6G之后，人类的触角不应该只停留在地球上，深入探索宇宙是一个必须面对的课题。届时，人类不仅可登陆月球、火星进行科学研究，甚至长期居留，还可能到达更遥远的星球。

6G之后的人类通信，必须面向遥远的宇宙，而在火星这样近地球的星球上，应该建立起与地球进行信息传输的通信网络。在月球或火星上建立地面站，或通过多颗通信卫星中继对星球的表面进行覆盖，构建起星球与地球之间的通信体系。

只有建立起地球和某个星球之间的通信系统，这个星球才会纳入地球的生活系统中，人们才有可能对其进行系统考察研究，并真正了解这个星球的情况。拥有了通信系统后，地球上的人类和其他星球的交流会变得通畅，不同星球的人生活在一个体系中，远在太空的人类也不再孤独。

最早建立起的地球与其他星球的星地通信，采用的是超长波和长波，可以实现较好的远距离传输，也比较容易建立。但是这样的网络传输的信息量小，带宽较小，无法真正做到大量信息的传输。这就需要采用超高频的厘米波进行网络部署，并通过多颗卫星进行信号中继，最终实现较大带宽的传输。可以在近地星球中建立起一个以地球为核心的通信网络，这个网络可以支持最初的文字和语音通信，最终实现高速度、高清晰度的视频通信。

在宇宙间通过多颗卫星建立起类似于地面站的通信网络，把多个星球连接起来，这种高效率通信网络的形成，可以让大量的科研活动，从单一的、不连续的、难以全面监测的观察研究，转变为连续的、全面的、系统的研究。不过，对于浩瀚的宇宙，人类所知还不够多，一个覆盖更广的宇宙通信网，将是人类迈向宇宙的重要一步。未来更长远的目标，是在其他星球进行科学考察和研究，进行人类移民，而要达到这些远大目标，建立起星球与地球之间畅通的通信联系，是最基本的要求。

这样的通信网络不应该是单点、偶然、不连续的通信，也不能速度低，信息少，为此，不仅要考虑采用何种技术，是用无线电波、光波，还是其他介质，还要研究如何满足宇宙通信长距离、高速度、抗干扰的要求。可以考虑在月球、火星这些近地星球上建立地面站进行通信覆盖，并建立大型通信转发站提供稳定的网络支撑。

宇宙通信除了要考虑采用哪些传输技术，以保证进行长距离传输，实现较大的带宽和较高的速度，抵抗宇宙间的各种干扰，实现高安全性以外，还要考虑能源的供应。在其他星球上建立星地通信，如何提供能源支持是个大问题，还有待技术不断发展，争取早日最终解决。

无论如何，人类都会把通信网络逐渐从地球延伸到宇宙中。人类生活的空间，也会从地球拓展到更远的其他星球。

人类通信要突破频谱瓶颈

长期以来，人类的移动通信必须依赖无线电进行信息传输。超长波（甚低频）的传输距离远，具有很强的穿透能力，可以进行潜艇与岸上的通信、海上导航等。长波（低频）能传输较远距离，穿透、绕射能力强，可以在大气层内的中等距离进行通信，包括进行地下岩层通信、海上导航。中波（中频）被广泛用于广播和海上导航。短波（高频）被用于远距离短波通信和短波广播。超短波（甚高频）的传输距离较远，而且带宽大大增加，被用于多种通信模式，比如：电离层散射通信（30MHz~60MHz）、流星余迹通信（30MHz~100MHz）、人造电离层通信（30MHz~144MHz），对大气层内、外空间飞行体（飞机、导弹、卫星）通信，对大气层内电视、雷达、导航、移动通信。分米波（特高频）传输距离较小，穿透和绕射能力也较弱，主要用于对流层工散射通信（700MHz~1 000MHz）、小容量（8~12路）微波接力通信（352MHz~420MHz）、中容量（120路）微波接力通信（1 700MHz~2400MHz），而4G和5G的移动通信也广泛采用这个频段。厘米波（超高频）拥有更大的带宽，但穿透能力更差，被用于大容量（2 500路、6000路）微波接力通信（3 600MHz~4 200MHz，5 850MHz~8500MHz）、数字通信、卫星通信、波导通信。毫米波（极高频）拥有更大的带宽，但传输距离更近，穿透能力差，被用于穿入大气层时的通信。为了获得更大的带宽，以前认为不可能用于移动通信的毫米波，如今也开始受到关注，用于近距离、高速度的移动通信。

对于通信而言，频谱永远是一个无法突破的瓶颈。要进行通信，必须要占用频谱资源，而有价值的频谱资源是有限的。打破频谱的限制，寻找其他的介质是一个可行的出路。我们可以把频谱扩大到太赫兹，但它的资源依然是有限的，更为重要的是，其可能还会受到太多的外在条件影响和限制。

在古老的通信模式中，最先进的通信系统是驿站，通过几十公里一处的驿站，可以在一天之内把信息传送到千里之外，但这样一个庞大、高效率的系统，只有权贵才能使用。要建立起低成本、更高效率的远距离通信，当时的技术条件不具备，人们也很难想象，如果没有一站一站的接力，如何把信息送到千里之外。

到了近代，随着通信技术的发展，人类发现了无线电的存在，电波可以传到千里之外，而且成本非常低，不需要一站一站的接力。当然，对于古代从事通信工作的人来说，电波传输不能把信息变成书面信件，用处不大，直到编码技术的出现，电波实现了把文字传到千里之外的目标。此后，电报、电话、广播、互联网的出现，完全颠覆了古代通信的功能，今天的通信更是早已脱离了驿站的模式，不需要实体的信息传输。

对于今天从事通信工作的人们来说，要进行通信，要么采用电波，要么采用光波。进行远距离的信息传输，光波和电波是当下效率最高的工具，因此，摆脱光波和电波是不可想象的。

在古代通信体系中，我们只能让马跑得更快，以提升信息传输速度。即使后来把交通工具换成汽车、火车，乃至飞机，速度的提升仍然非常有限。只有介质的改变才是革命性的，才能让信息传输的速度从原来的天、小时、分钟转变为秒、毫秒。在光波和电波的体系下进行效率提升是有价值的，但这个体系的资源和速度却又是有限的。

怎么办？要打破频谱的限制，量子通信将是突破口。

光量子通信主要基于量子纠缠态的理论，使用量子隐形传态（传输）的方式实现信息传递。科学家通过实验验证，具有纠缠态的两个粒子无论相距多远，只要一个发生变化，另一个也会瞬间发生变化。利用这个特性就可以实现光量子通信，具体实现过程为：事先构建一对具有纠缠态的粒子，将两个粒子分别放在通信双方，将具有未知量子态的粒子与发送方的粒子进行联合测量，则接收方的粒子瞬间发生变化，变为某种状态，这个状态与发送方的粒子变化后的状态是对称的，然后将联合测量的信息通过经典信道传送给接收方，接收方根据接收到的信息对坍塌的粒子进行幺正变换，即可得到与发送方完全相同的未知量子态。

在量子纠缠的过程中，一个量子态可以同时表示0和1两个数字，7个这样的量子态就可以同时表示128个状态或128个数字：0~127。一次这样的光量子通信传输，就相当于128次经典通信方式，传输效率惊人。

当前，我们对于量子通信的理解还停留在量子密钥的传输上，而未来的量子通信则可用于量子隐形传态和量子纠缠的分发。所谓隐形传态指的是脱离实物的一种“完全”的信息传送。虽然量子通信技术还处于早期实验阶段，但未来用新的通信体系打破旧有的通信体系，取代今天的光波通信和电波通信，就如同用无线通信取代驿站一样，理论上是可行的。

建立起人脑与外部芯片的传感体系

人类通信当前面临的一个重大瓶颈，是所有的通信需要通过感官进行辨识，再在大脑中对信息进行存储和计算，然后进行判断。这个过程效率相对较低，首先要通过感官系统进行感知，经过信息转换后，通过人的神经系统将信息送到大脑进行存储，经过计算并做出判断，再把信息通过神经系统送到肢体，持续性进行信息感知，同时通过肢体做出反应。这样的过程，需要多次进行信息的转换，大大影响了信息的传输速度。

人类要突破信息传输的瓶颈，就必须突破感官的限制，把很多外界的信息直接和人的大脑联系起来，不再进行多轮转换，直接进行信息传输。

可以设想的是，在人体中植入生物芯片，把生物芯片和人脑的神经系统连接起来，大量的信息不是通过感知系统进行文字、语音、图片的转换并形成信息，而是直接发送到人脑中，把这些信息存储在生物芯片上，实现碳基的生物存储、计算和硅基的存储、计算完全融合。这是人类未来通信领域的终极突破，大量的信息不是通过感官系统进行信息转换，而是直达大脑，从而重塑人类。

如今，神经元芯片已经研制成功，它是一个带有多个处理器、读写/只读存储器（RAM和ROM）以及通信和I/O接口的单芯片系统。只读存储器包含一个操作系统、LonTalk协议和I/O功能库。芯片上有用于配置数据和应用程序编程的非易失性存储器，并且二者都可以通过网络下载。也就是说，这个神经元芯片本身就是一个存储器，同时又具有通信功能。不过，它的功能还不够强大，仍需要不断完善与提升。

科学家的梦想是，未来，神经元芯片是“活”的，生物体和芯片融为一体，脑细胞和硅电路融为一体，在脑细胞中存储的信息，如知识、梦境、记忆，可以自由地在脑细胞和芯片之间进行转移、复制、提取。如果做到这一步，很多知识和相关信息不再需要通过学习这样一个漫长而复杂的过程，而是通过芯片中信息的转移，被人瞬间掌握。

届时，信息的传输不再是传统思维理解的模式：通过人类的五官进行感知，把感知的信息送到大脑中，进行分析、归纳、条理化，形成知识与记忆，再送至大脑的记忆分区进行存储。相当多的信息，可以直接跳过感官进行存储，也可以被大脑进行搜索、调用，最后参与计算与分析。这是人类信息传输方式的一次实质性改变，存储的效率会提升千倍，会对人的生物特性、伦理与道德产生巨大的冲击和影响。我们会直面“人还是人吗”的拷问，同时人与人之间的智力水平也会更加不平等，个体之间会出现巨大的差异。

为了追求更新的信息传输方式，科学家始终没有停止探索的脚步。

如今，研究人员已经可以在1平方毫米大小的硅片上安装16 000个电子晶体管和数百个电容器，然后用大脑中发现的一种特别的蛋白质将脑细胞黏到芯片上，且不是把这种蛋白质作为一种简单的黏合剂，而是把神经细胞的离子通道和半导体材料连在一起，这样一来，神经细胞的电子信号便可以传送到硅芯片上，然后通过蛋白质捕捉到脑电波的变化，把脑细胞的信息转化为电子信号，并进行解释，进行信息的存储和记录。

神经芯片上的电子元器件和活体细胞形成了彼此可以沟通的联系，神经细胞发出的电子信号被芯片的晶体管记录下来。更长远来看，这些被记录下来的电子信号可以进行理解和编译，最后把人脑的信息存储和电子信息打通，成为相互可以理解的一个完整信息系统。这样人就完成了一次改造，从生物人被改造成生物人与硅基人的融合。在一定程度上说，人开始向新的物种发展。