作者：孙松林
出版社：中信出版出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
5G时代：经济增长新引擎试读：
5G时代：经济增长新引擎孙松林 著中信出版集团推荐序一 5G赋能之道中国工程院院士 刘韵洁通信网络技术一直深刻地影响着经济发展和社会进步。2019年，世界各国陆续加大了对5G的研发和应用力度。2019年6月6日工信部发放了5G商用牌照，中国正式开启5G商用之路，各行各业都在积极探索5G赋能之道，数字经济迎来了发展的新篇章。技术进步是经济发展的基本条件，也是思维升级的必然结果。作为重要的信息基础设施，5G为未来网络的发展提供了有力支撑，它与云计算、人工智能、大数据、区块链等技术的相互赋能，将加速物联网、工业互联网的发展，成为经济发展的新动力。以5G为代表的数字技术在构建数字经济新格局的同时，也将深深地影响社会发展。在3G/4G时代，移动互联网不但引爆了消费领域的经济，而且将互联网思维深入人心，在提高社会生产力的同时，调整了生产关系，对社会产生了深远影响。5G将继续加速深化这一过程，进一步改变社会。5G的三大场景：增强移动宽带、海量机器类通信、超高可靠低时延通信，将移动通信带入了场景定制的新网络时代。单一网络已经无法满足丰富的业务应用，多场景的提出不但可以满足各种业务需求，而且为下一代标准的制定提供了良好的基础。未来的世界是网络的世界。本书作者孙松林教授基于对通信行业二十多年的研究与思考，从信息通信发展历史的时间维度、5G系统演进的技术维度、应用创新的商业维度等，多角度全方位地阐述了当下5G产业的全景，相信对读者深入了解信息通信产业，尤其是5G技术的方方面面，会有较大的帮助。推荐序二 4G改变生活，5G改变社会中国工程院院士 戴浩中国移动通信行业在经历了“1G空白，2G跟随，3G突破，4G发展”的历程后，迎来了5G时代。以中国信息通信研究院（CAICT）、中国通信标准化协会（CCSA）、TD联盟等组织为首的智库，以中国电信、中国移动、中国联通、华为、中兴、信科等中国企业为主力的中国力量，在工信部的领导下，共同努力，使得中国在世界5G舞台上发挥着举足轻重的作用。目前，中国数字经济已经初具规模，在国际上有着越来越重要的影响力。同时，云计算、大数据、人工智能等技术已经在很多领域得到了很好的应用，而5G的应用无疑将加速这些技术更快地进入社会的各个角落，为数字经济带来新动力。5G带来了三大应用场景，最早商用的增强移动宽带，将助燃之前已经火爆的以视频、移动支付等为代表的消费互联网领域，进一步催生移动互联网的新业务；海量机器类通信将为物联网的大规模建设提供有力的支撑；超高可靠低延时通信将大大助力工业互联网、车联网中的新应用。“4G改变生活，5G改变社会”，我们期待着继4G在消费互联网大放异彩之后，5G可以赋能金融、能源、农业等各行各业，真正成为数字经济发展的新引擎。《5G时代：经济增长新引擎》一书从通信发展史、5G特色和技术特点入手，重点论述了5G对数字经济的加速作用。作者孙松林教授结合自己二十余年在通信领域的经验积累和产业认知，系统阐述了具有划时代意义的5G通信体系，并从技术影响产业这个维度进行了深入思考。书中还有作者对移动通信技术和产业发展的深入见解，相信会给读者带来很多启发。全书深入浅出，勾勒了通信产业全景，回顾了中国通信行业的发展历程，讲解了5G最重要的核心技术，分析了5G时代的产业特色。对于ICT行业人士来说，本书是一本开阔视野的拓展书籍；对于其他行业人士来说，本书是一本难得的行业入门材料。同时，书中有作者在技术和产业上的大量思考，相信对读者肯定会有很多的启发。自序 5G开启经济发展新篇章2019年是5G商用元年，大众对科技新技术投入了越来越多的关注，5G也在这个过程中慢慢成长为一颗新星。5G究竟是什么？移动通信技术走到5G时代，中国的通信业在世界舞台上占据着什么样的地位？5G又会给我们的生活带来什么样的变化呢？契合着时代的节拍，移动通信技术按照约10年一代的速度不断更迭前进，每一代的出现不但在技术上进行跨越式的颠覆，而且在产业上形成巨大的推动力，进而全面加速社会经济的发展。虽然人类一直在追求交流之美，但移动通信技术从未如今天这般对我们的社会和生活产生如此巨大而深远的影响，以至世界各国争相以国家战略的高度来研发和部署最新通信技术。5G产业链加速布局我们作为普通用户，往往通过信息终端和运营商营业厅对通信行业产生初步的认知，但这只是冰山一角。通信产业内部具备丰富的生态，有着从核心网至用户终端、自预研至产品实现的完整产业环境，并仍在不断地扩张和重组；移动通信技术有其固有的发展规律，并在香农定律的框架下不断推陈出新。通信产业链，从专利标准、芯片器件、设备网络到业务应用，是一个与时俱进、快速演变的物种，由其衍生出来的业界形态所构成的小社会，也像人类社会一样不断前进。从最初群雄纷争的第一代模拟移动通信到现今如火如荼的第五代智能数字移动通信，短短几十年间，移动通信产业逐渐从无序到有序，从弱小到强大，性能指数级提升，应用海量爆发。移动通信产业展现出的巨大能量，令人叹为观止。移动通信产业链中的各个环节，在不同时代会出现合并、分裂等演化进程。2G语音时代的“短信段子手”，实质是内容提供商，而在内容提供商与电信运营商之间还存在着服务提供商，各方共同构成了业务内容链条分支。此链条分支在3G/4G的移动互联网时代被数据业务合并为业务内容平台，极大地扩张了移动通信的产业版图。移动通信产业链的变化，直接冲击了传统媒体产业，催生了短视频等移动网络媒体的大规模发展。这种对原有产业形成挑战甚至冲击的态势，在5G时代将随着多样化应用场景的实施而更加明显。移动互联网是基于3G/4G移动通信技术发展出来的新兴产业，同时又反作用于移动通信产业，影响着当前正在发展中的5G移动通信产业形态。这种相互促进的作用力不断推动着5G移动通信产业的物种进化，但其发展趋势却凸显了与移动互联网类似的垄断趋势——在产业版图扩张的同时，各环节越来越聚焦于若干巨头公司。巨头公司对中小企业呈吞并之势，并出现了巨头间较大体量的竞争。在专利与标准的群雄逐鹿间，技术与产品的飞速更迭下，面对着产业融合与分化的各种机遇与未知，我们迎来了5G时代。我们期待着5G新业务的爆发可以造就新时代的独角兽，也期待着5G完成重构产业链的历史使命。技术融合是实现5G价值的关键通信技术及其衍生的业务，有的从出现之初就注定了其悲剧式的结局，即在完成开疆拓土的任务后，就悲壮谢幕，如小灵通之于网通电信；有的不知在哪里就会给我们一个大大的惊喜，如4G时代催生的移动支付和短视频业务。5G技术标准的制定具有划时代的意义，因为它与软件定义网络、网络资源虚拟化、区块链等数字技术相互赋能，引入了人工智能、边缘计算等新技术，真正实现了通信技术与信息技术的深度融合。在此之前，信息技术只是局部地渗入到通信系统中，而5G首次以信息化理念对移动通信系统本身进行了深入改造。无论实践结果如何，5G都将在移动通信发展史上留下里程碑式的浓重一笔。此外，5G创新性地提出了增强移动宽带、海量机器类通信、超高可靠低时延通信三大业务应用场景。将之前信息基础设施中的“信息高速公路”升级为“海陆空”式的立体交通网，拓宽了物理世界与数字世界的通道，成为数字经济的催化剂。这三大场景不但有对4G技术基础的延续传承，也有对热门技术的创新应用，更有对后续技术的大胆尝试。通过这样的融合和创新，5G显现出了强大的技术实力，为产业赋能提供了更加广阔的空间。通信与信息技术的深度融合令5G得以深入影响当前技术的应用规律，更丰富的业务场景令5G全面地催化各产业变革。我们有理由相信，5G时代的到来将彻底改变我们的社会，改变每个人的生活方式。5G改变新时代的经济社会今天的工业、农业、能源等产业，在经过网络信息化、人工智能、大数据等技术的洗礼后已焕然一新，但在很多方面仍差强人意。5G的到来恰似一缕春风，将加速智能化新技术在各产业中的渗透，为数字经济的发展带来新格局。虽然我们难以准确预言第一个由5G爆发的产业，但可以预见由5G带来的不可阻挡的多产业蓬勃发展趋势。科学技术是第一生产力，社会主义的根本任务是解放和发展生产力。马克思主义政治经济学把生产力的发展归结为三个方面：“发挥着作用的劳动的社会性质”“社会内部的分工”[1]“脑力劳动特别是自然科学的发展”。而在如今的数字经济中，5G则是实现资源高效分配的有力工具，在生产力发展的三个方面均将发挥积极作用，并将成为经济增长的新引擎。增长不等于发展，5G的到来不仅可以带来直接或者间接的经济增长，更重要的是可以提高各产业的运行质量和总体效益，优化产业结构，在为供给侧提供发展动力的同时，为需求侧提供更多的市场选择。5G在提高生产力、加速产业进步的同时，将构建数字经济生态中新型的生产关系。本书以5G的发展与沿革为切入点，在深入浅出地阐述核心技术的同时，讨论了5G对社会、经济发展的诸多影响。重点分析了信息通信产业的发展规律和趋势，提出了很多新颖的观点，希望这些论述可以作为进一步探讨的基础。[1] 马克思.资本论（第三卷）［M］.北京：人民出版社，2004：96.第一部分 5G时代应运而生从1G到4G，移动通信一代代走来，人们早已耳熟能详，所以5G的出现并不让人觉得意外，而且可以预知下一代是6G。5G的到来，因为中美贸易摩擦、因为华为，显得格外令人瞩目。通过各种信息渠道，我们能够获知大量5G相关的资讯，因此对5G并不感到陌生。但是，人们或许会困惑，在媒体中反复出现的5G，究竟与4G有哪些不同，又有哪些不同凡响之处？对于移动通信系统而言，每一代技术的出现必然有其革命性的进步，不仅在技术上有跨越式的颠覆，在产业上也存在着巨大的影响力。5G不平凡的诞生2017年《政府工作报告》中首次提道：加快新材料、人工智能、集成电路、生物制药、第五代移动通信等技术研发和转化。随后，2018年《政府工作报告》进一步指出，推动集成电路、第五代移动通信、飞机发动机、新能源汽车、新材料等产业发展。2019年6月6日，工信部颁发了4张5G商用牌照，引发了全社会前所未有的关注。为什么5G如此重要？它会给我们的日常生活带来什么样的影响？移动互联网在4G时代的巨大成功，让人们的生活状态被彻底改变了。人们享受着移动通信带来的便利服务，享受着生活质量的提升。今天，在中国，很多人成为“低头一族”——刷短视频、玩在线游戏、用微信聊天、购物、打车……只需一部手机就可以搞定吃穿住用行的一切需求。我们无法想象，通信技术还能如何让我们的生活更美好。对于这个问题，可以用一句话解释：“贫穷限制了我们的想象力。”1999年9月3日14点至6日14点，中国首届网络生存大赛在北京、上海、广州同时进行，大赛的目标是要依靠互联网解决现实世界中的生存问题。除了1名参赛者退赛外，其余11名参赛者艰难完赛。那时的人们在为互联网的伟大而欢呼时，估计无法想象今天用一部手机就可以创造美好生活。其实，在大赛一年后的2000年，国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）就发布了IMT–2000（International Mobile Telecommunications，国际移动电信）标准，即我们所说的3G。在3G时代，人们只是用手机刷微博、收邮件等，大量的信息沟通还是通过电话短信完成，因为那时的网络带宽太窄，能够支持的数据传送速率有限，人们不敢奢望更高的诉求。移动互联网时代由3G开启，但其真正迎来大发展是在4G出现后。4G的官方名称是“IMT–Advanced”，4G技术的标准确定和后续的商用，使用户惊讶于100Mbps（兆位每秒）的峰值接入速率已超越当时的普遍需求。而技术专家也已预见到4G将引发一场颠覆性的革命，但他们的确尚未想好4G之后的技术如何能有更加革命性的进步，所以将4G命名为“IMT–Advanced”。在4G刚刚商用的时候，因为相应的应用和服务没有被开发出来，人们感觉百兆带宽太奢侈了，高速率带来的大流量也让大家心疼资费。然而短短几年后，移动支付和短视频应用带来的巨大流量需求不由得令人感慨世事难料！香农定律规定了特定信道下通信容量的极限，只要不突破香农定律，人类可以达到的通信边界是非常明确的！然而，梦想是人类前进的最大动力！虽然4G在很多技术细节上已非常接近香农定律的极限，但通信学术界和产业界专家依然坚定前行，深入探索，总结并优化各种最新技术，最终，大家震惊地发现，原来我们的技术还可以继续向前迈一大步！2015年9月，国际电信联盟一锤定音，正式确定5G的官方名称是“IMT–2020”，其中“2020”是预期在2020年可以实现商用。5G在技术性能指标上全面超越了4G，提出了三大应用场景，打开了移动通信的新篇章！图1–1为全球移动通信标准的演进简图。3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）、3GPP2（3rd Generation Partnership Project 2，第三代合作伙伴计划2）和IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，电气和电子工程师协会）等都是制定移动通信标准的重要力量，他们基于不同的技术理念和利益，将移动通信标准变成了精彩的竞技场，各方彼此竞争，又相互合作，演绎了精彩的移动通信标准演进史。图1–1 全球移动通信标准的演进在2G时代，3GPP一枝独秀，其力挺的GSM（Global System for Mobile Communications，全球移动通信系统）标准不但将移动通信带入了数字通信时代，而且成功地给出了标准制定流程，实现了国际化进程。2G时代，美国高通公司首度登场，提出了IS-95（Interim Standard 95，暂时标准95）标准。到了3G时代，CDMA（Code Division Multiple Access，码分多址）技术大放异彩，移动通信系统主流的三个标准无一例外地使用了CDMA技术。这不但体现了技术潮流的不可阻挡，同时也是高通公司成功进行商业运作的结果。此时，IEEE基于当时最先进的OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiple，正交频分复用多址）技术，提出了无线城域网标准IEEE 802.16e。虽然该标准最终成为追加的3G标准，但未能实现大规模商用。4G时代，业界曾期望将通信标准统一为一种制式，即LTE（Long Term Evolution，长期演进）系列标准，但最终还是分成了TD–LTE（Time Division Long Term Evolution，分时长期演进）和FDD–LTE（Frequency Division Duplexing–Long Term Evolution，频分双工长期演进）两大阵营。双方各有优劣：时分方式相对节省带宽，频分方式有助于降低时延。在4G之前，频谱还相对比较宽裕的时候，实现起来相对较为简单的频分方式更受青睐。到了5G时代，时分和频分两种制式终于统一。因为只有一种制式，所以申请写入标准的提案没有其他选择，全部投向了这里，目标过于集中导致标准制定过程中经常发生激烈讨论甚至标准延迟的情况。5G在技术选择上的考虑及其优劣，将在本书第三部分进行探讨。移动通信发展的规律是“先铺路后致富”，在没有体验到网络资源优势的情况下，人们无法想象5G的丰富应用。担起4G无法承受之重物联网的发展使得通信终端的数量和密度远远超过了4G网络的承受能力，远程医疗、工业控制等领域需要的低时延也超过了4G的设计极限，所以5G的出现恰逢其时。技术进步是5G推广的重要支撑力量，强大的市场需求则是技术最根本的拉动力量。根据爱立信公布的《2019年6月移动市场报告》，4G网络已经覆盖世界上大部分国家和地区。截至2019年第一季度，全球移动签约用户总数达到79亿，其中LTE用户37亿，占所有移动签约用户的47%，而且LTE网络的建设势头仍在继续。截至2018年底，全球LTE人口覆盖率约为75%，预计到2024年将达到90%左右；IoT（Internet of Things，物联网）设备连接总数在2018年有108亿，预计2024年将达到222亿，这完全超过了当前LTE系统的负载能力。为了应对这一情况，一种比较简单的解决方法是增加4G基站数量，但是这样做会带来很多新问题：在4G的设计目标里，并没有考虑能耗和二氧化碳排放量等问题。而且，因为4G的技术选型、调制方式设置和单载波频带宽等问题，4G网络已经达到它设计之初的理论上限，网络接入设备数量也已经非常接近上限。虽然3GPP提出的LTE系统考虑到了物联网设备，并设计了专门针对物联网的通信协议，但是物联网本身的关键性能指标并没有在4G的设计目标中占据一席之地。另外，远程医疗、工业控制等领域对于网络时延的要求越来越苛刻。4G标准可以达到的10毫秒极限，已经越来越显得不合时宜，尤其对于远程医疗这种精细操作来说，每一刻的时延都可能会造成一次严重的医疗事故。在4G无法承受的压力越来越大之时，5G来了！为解决大量IoT设备的联网问题，5G专门设计了mMTC（Massive Machine Type of Communication，海量机器类通信）场景，可以在1平方千米内同时接入100万个设备。1平方千米相当于140个足球场的面积，也就是说，在1个足球场内可以放置7000多个同时接入5G网络的设备。对于可预见的应用来说这个网络接入设备数量足够了。这个问题看似解决了，但在5G时代面向物的通信将随着海量接入问题的解决扑面而来。因此，5G设计了uRLLC（Ultra Reliable & Low Latency Communication，超高可靠低时延通信）场景，用以满足面向远程医疗、工业设备、车辆等物体的通信需求。在这种场景下，传输的控制面时延只有1毫秒，超越了人的触觉极限；同时，可以支持每小时500千米的高速移动环境下通信。人们对5G充满渴望，5G第一阶段eMBB（Enhanced Mobile Broadband，增强移动宽带）场景标准的诞生也不负众望，首先从大视频领域开始助推数字经济。点燃了数字经济的导火索数字经济是不可逆转的发展趋势，包括云计算、大数据、人工智能、物联网在内的诸多技术极大地推动了数字经济的发展，而5G最终点燃了数字经济的导火索。5G，为各项技术提供了强力支撑，令数字经济进入快车道，直接引爆数字经济的大发展，同时也会对诸多产业进行重构，形成新的经济形态。ICT（Information and Communication Technology，信息和通信技术）向纵深发展，带来了第四次工业革命，将人类社会带入数字经济时代。数字经济的发展主要包括数字产业化和产业数字化两个方面。数字产业化5G将大大促进ICT技术产业本身的创新演进升级。数字产业化包括ICT服务业（包含电信业、互联网行业、软件和信息技术服务业）和ICT制造业（电子信息制造业）。因为市场的饱和以及新业务的匮乏，全球ICT制造业增速在2018年有减缓趋势，绝大部分国家的ICT服务业在数字产业化中的占比超过ICT制造业，产业在寻求突破的空间。新材料、新工艺促进了OLED（Organic Light Emitting Display，有机发光显示器）显示屏的商用，大规模天线阵列等技术日益成熟，诸多制造业新兴技术都将直接受益于5G的商用。虽然绝大部分国家的4G投资还没有完全收回，但没有人愿意错过5G这个千载难逢的机遇，都争先恐后地部署5G商用网络。同时，5G周边相关的互联网产业、软件信息技术服务业已经大量使用了云计算、大数据、人工智能等新技术，形成了庞大的ICT服务业产业规模。万事俱备，只欠东风，如何将这些新技术快速传递到产业末端，将其推动作用进一步放大，是数字经济时代面临的紧迫问题。5G是最好的动力引擎！5G的三大应用场景可以渗透到各个行业，让终端用户享受到技术红利！产业数字化产业数字化，是指传统的第一、第二、第三产业应用数字技术，进而使得生产数量和生产效率有所提升。5G在数字世界的威力不仅仅体现在生活上，在产业界也将产生翻天覆地的革命性进展。在移动互联网时代，电子商务重构了传统销售模式，让代理商的作用逐渐减小，甚至消失。2019年11月11日，第11个“双十一”购物狂欢节当天，全国网络零售交易额突破4700亿元，其中阿里巴巴天猫总成交额为2684亿元。阿里巴巴CEO（首席执行官）张勇说：“双十一不是为了数字而做，是作为改变社会的驱动器来做。”作为数字经济主力的电子商务已经成为消费升级和高质量发展的重要力量。5G不但会使电子商务等产业如虎添翼，而且可通过高可靠、低时延的优势技术特性，向更多产业渗透，促进多方产业的升级。从语言文字到万物互联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。图1–2 电信产业三方博弈规则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。图1–3 电信国际化标准的产生过程随后的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。表1–1 1G~5G的技术和性能对比注：图中速率均不考虑载波聚合。世界各国5G布局，战略制高点争夺战韩国是世界上首个宣布5G商用的国家。政府、手机制造商、运营商一起发力，造就了高速的用户增长，创造了“5G奇迹”；同时，AR/VR（Augmented Reality/ Virtual Reality，增强现实/虚拟现实）业务异军突起。韩国成为5G商用急先锋2019年4月3日，韩国超前于美国2个小时宣布5G商用的国家。截至当天，SK Telecom（SK电讯）、KT（韩国电信）和LGU+（LG旗下移动运营商）三大运营商已经建设好了8万个5G基站，计划2019年实现85个城市的5G网络覆盖，覆盖人数将达到全国人数的85%。在政府的鼓励和补贴下，手机生产商补贴近一半的手机价格，同时运营商利用流量、话费、在网时间等补贴用户。截至2019年9月9日，韩国5G用户达到300万，约为全球5G用户总数80%以上。从4月初发布商用牌照以来，平均每天发展2万户。在2019年5月的调查中，SKT的5G用户占比为40.8%，KT的5G用户占比为32.1%，LGU+的5G用户占比为27.1%。目前韩国三大运营商针对不同客户的需求设计了入门、中端、高端、白金四种不同等级的套餐。其中，入门级主要是为通过政府审查而设置的套餐，与4G的入门级套餐相比，5G入门级套餐在价格上大幅增长，但在流量上也增长较大，这是为了提升ARPU（每用户平均收入）；中级套餐为主推套餐，与4G套餐相比只是小幅加价，但在速度和流量上都有较大的增长，主要为引导4G用户迁移、实现整体ARPU的提升；高端套餐和白金套餐主要针对追求5G体验的用户设定，套餐的定价较高，但是在速度方面提升显著，该套餐可以引导用户迁移，实现ARPU提升。基于5G的大带宽、高速率特性，韩国运营商的业务主要聚焦于AR/VR、游戏、超高清视频、无损音乐等大流量业务；还实行了新业务（VR等）内容免费使用，以及赠送VR头盔等优惠以获取5G新用户。另外，运营商推出了以棒球职业联赛为载体的多视角视频、VR视频、VR Social Room业务，用户可以随意切换攻防转换视角和不同垒区视角，并且可以通过虚拟聊天室聊天，为喜欢的队伍助威。除了体育赛事外，VR技术也被广泛应用于教育、旅游、偶像、文化等多个领域，通过VR技术为用户带来“零距离”互动体验。另外，运营商还提供了AR视频通话服务，该服务可以实现多人使用3D虚拟头像进行视频通话，在通话过程中还可以使用AR表情包和配音、字幕等功能。这些应用使韩国的AR/VR业务异军突起，截至2019年6月，AR/VR业务在5G中的流量占比已经达到20%，而在4G中仅为5%。2019年8月，韩国三家移动运营商在三星智能手机上推出了升级版的短信服务。2019年9月10日，SK电讯推出基于5G网络的超高画质（Quad High Definition，QHD）视频通话业务Callar2.0，发布1个月内累计通话次数超过1000万。这个业务旨在挑战韩国本土即时通信应用Kakao Talk，该应用号称韩国的“微信”，在韩国的用户占有率达到了95%。韩国通过成为“首个5G商用国家”制造了一定的社会话题，进而鼓励了产业资本进入新兴产业。为了延伸产业链，实现经济拉升，培养本土企业在国际市场的竞争力，韩国政府启动5G+战略推进体系，意在让5G进军产业互联网。美国仍欲占领5G霸主地位美国因为提前公布了商用时间，反被韩国打了时间差——韩国提前2小时宣布5G商用。因为有全球第一大经济体的底气，也因为有长期占据通信霸主地位的高通公司，所以美国不甘心在5G上落后。缺失本土电信设备商的美国、不断被挑战的高通公司、匮乏的网络覆盖，让我们感慨美国已处于移动通信的下行通道。就5G频谱而言，除了美国以外，世界各国在5G商用初期基本都使用6GHz以下的频段，而美国由于国防部和政府部门占用了过多该频段，所以美国使用的是更高频率的毫米波频段。虽然毫米波的速率要更快，但是因为频段高，基站建设就更密集，而且更易受到干扰。美国国防部曾希望与民用电信用户进行频段共享。这个方案在技术上是可行的，但至少需要3~5年时间更换设备、建设基础设施。美国运营商AT&T和Verizon（威瑞森）率先进军5G市场，但最早使用的是固定无线接入（Fixed Wireless Access, FWA），虽然可以快速部署，但由于用户分享带宽，不利于后期大规模发展。在2019年4月宣布5G商用后，美国主要电信运营商都开始了增强移动宽带eMBB的部署。美国运营商5G概况如表1–2所示。表1–2 美国主要运营商5G概况注：目前T–Mobile和Sprint已合并，此处为两家合并之前的情况。Verizon是美国最大的移动通信运营商，计划在2019年底前完成30个城市的5G覆盖。其最早推出的5G套餐价格比LTE套餐高出10美元，但数周后就推出了促销优惠活动，可以免收10美元费用。在5G的长期战略上，Verizon目前仍未有明确表示，尚未发布实现5G全国覆盖的时间表。Verizon把5G的应用分为八大模块：节能、（人的）跟踪、移动大数据、物联网、实时服务、商业系统升级、高速网络应用、高可靠性网络应用。AT&T计划在2019年底前完成21个州部分地区的5G覆盖，2020年年初实现全国覆盖，大概率将采用sub 6GHz频段。2019年4月，美国第三大电信运营商T–Mobile和第四大运营商Sprint联合宣布，将以265亿美元完成合并计划。2019年7月份美国司法部正式宣布，针对T–Mobile收购Sprint交易，已与双方达成协议。这意味着这笔265亿美元的收购交易得到了美国司法部的同意。美国第三大和第四大移动运营商合并后的公司估值预计约1600亿美元。在合并前，T–Mobile多次强调不会针对5G收取额外费用。这首先是因为美国5G网络覆盖范围还很小，无法提供良好的用户体验；其次，还没有设计出针对5G的增值应用服务，因此无法带来价格溢价。预计未来2~3年，5G的分级定价还是将以速度为基础。美国在5G的产业应用上进行了很多的探索，开始从零售业、餐馆、医疗行业入手。其中，AT&T已与芝加哥某医院建立了合作关系，双方将利用5G边缘计算来进行远程医疗的尝试。此外，双方还将在改进医院运营、增强患者体验上不断积累经验。随着5G手机的不断成熟、更多5G频谱得到释放，以及T–Mobile和Sprint的合并，未来美国5G进程将进一步加速，预计2020年实现商用5G独立组合，2021年5G用户数预计可达3000万（见图1–4）。图1–4 2019—2023年美国移动用户数预测（按技术分类）来源：OVUM通过数据可以看出，美国5G商用范围非常有限。由于受到网络覆盖范围、手机等因素限制，5G在美国实际上并没有取得市场上的领先优势，可以说宣传意义大于实际意义。日本坚定前行日本是世界上最早进行5G测试的国家，准备得非常充分。日本虽然在之前的2G时代特立独行，但3G时代就融入了移动通信的主流，4G在日本更是大行其道。日本将5G融入全国整体信息规划中，结合本国特色，试图改变国家面貌。早在2015年，日本政府就已经开始着手进行5G研究，并在2017年进行了5G用例测试。2019年4月，NTT Docomo、KDDI和软银公司这三大日本传统电信运营商及日本电商公司乐天公司从电信监管部门获得了5G频谱，计划在2020年开始大规模商用，预计在2023年将5G的商业利用范围扩大至日本全国，总投资额达5万亿日元。日本政府从国家战略层面介入，制定了相关约束条件，确保5G的建设满足国家层面的要求。对5G建设的目标是5G不仅仅服务于人，还服务于一切物品，因此不以人口覆盖率为5G建设评价标准，建设初期偏远区域也需要有服务。日本政府要求运营商两年内所有的道府县（相当于省）都要有5G覆盖，针对不同业务类型需要提供尽量多的基站。日本政府把日本国土以10千米为边长划分为四方形网格，形成了4500个左右的网格，要求运营商5年内覆盖超过50%的网格区域，并要求运营商在频谱申请书中明确各区域的建网时间计划以及该区域的设备厂商。在业务上，日本总务省定义了5G九大重点应用领域，包括车联网、无线VR、基于体育馆的高速广播、面向智能工厂/智能办公的高品质传感网、面向智慧城市安全的融合无线网络、面向智能农业的大连接、基于队列行驶的V2V（Vehicle–to–Vehicle，车辆–车辆）通信、面向医疗安全的无线平台、基于高速列车的高速移动通信。日本2020年东京奥运会以及残奥会是日本发展5G的重要助力。为配合2020年东京奥运会和残奥会，日本各运营商在东京都中心等部分地区率先启动5G商用，随后逐渐扩大区域。欧洲上下求索欧洲的移动通信技术研发实力较强，但由于市场规模太小、国家分割太多，不利于5G大规模商用。随着英国脱欧、难民移入，欧洲政治经济环境面临着巨大挑战。随着5G时代的到来，欧洲国家，尤其是西欧国家希望发挥自己的工业优势，借5G提振经济。毕竟，3GPP和国际电信联盟总部都在欧洲。2019年5月30日，英国电信运营商EE公司正式在伦敦、卡迪夫、爱丁堡、贝尔法斯特、伯明翰以及曼彻斯特这6个人口密集城市开通5G服务，并计划于2019年底完成16个城市试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]