5G及6G时代究竟是什么样的时代？

以下内容节选自直播实录：

本文内容主要分为三部分

1、回顾整个通信的发展历程

2、5G的关键技术与挑战

3、展望后5G时代的通信发展

关于通信的发展，《信息简史》中记载了古时候的人们就表现出了通信的想法。比如说我们最早叫“烽火戏诸侯”，为博美人一笑，做了最早的中继通信的一个应用。我们过去也有所谓的“飞鸽传书”，这个其实是人类早期的移动性分级的尝试。包括在非洲有一种鼓语，就是人们通过手去打鼓，然后发出远距离信息的传输。在这里面加了很多的冗余，这种冗余也是我们现在信道编码的一个启示。

接下来我们进入到近代通信阶段。严格来说是麦克斯韦通过麦克斯韦方程组预言了电磁波的存在，赫兹通过实验来验证了电磁波的存在。之后人们就开始通过有线电报和无线电报等等一些形式来实现远距离的传输。这里面其实分了两个流派。

一是以早期数字通信为特征的电报网络。人们说电报使很多所谓的客气用语变得不再适用，发电报的时候按字计数一定发非常简略的用语。语音的通信最早是采用模拟的一些通信方式。具体来说，它把我要发送的信号FT作为一个高频信号的外包络发送出去。在这样一个历程中，有一些著名的科学家，比如说马可尼波波夫，还有著名的特斯拉进行了竞争，最后实现了跨大西洋的通信，以科学家马可尼胜出。所以模拟通信阶段是一个非常原始的阶段。但是这个原始的阶段，就像人们过去在山洞里做一些改造，就可以住人一样。这是我们启蒙的一个过程。

二是数字通信阶段。简单来说就是将各类模拟和数字信源有效的表示成01bit，然后再进行可靠的传输。这里面模拟的信源，比如说我们用照相机照一张照片，理论上这是一个模拟的信源，当然它会通过数字化变成01bit。这里面著名的克劳德·香农，包括迈克斯特等等，做了很多贡献。这时候科学发展的阶段就得到了进一步提升，它开始触及信息的本质，从而深刻改变了自然事物原始的状态，而并非简单的利用电磁波。比如QPSK的调制通信波形，在自然界很难出现这样一个原始的波形。所以到了数字通信阶段，人们对这件事情的认识已经变得逐渐深刻。

数字通信有什么样的特点？我们在谈信息压缩的时候，可以从古诗举例。“清明时节雨纷纷，路上行人欲断魂。借问酒家何处有，牧童遥指杏花村”。当然这首歌有着非常优美的意境，它让人们读了诗以后，就会联想有那么一个杏花美酒飘香的时节。如果我要发电报，或者我的纸不够大，我也可以牺牲一点文学性保留这个故事。叫“清明雨纷纷，行人欲断魂。酒家何处有，遥指杏花村。”这个事情可以基本说清楚了。再往后，我们还可以再进一步压缩，就是叫“清明雨，人断魂。酒何处，杏花村。”用的字越少，表达的文学意境越差。但是它也说明了我们很多信息是具备可压缩性。

关于信息的压缩和可靠传输，最早是在1948年，伟大的科学家克劳德·香农在贝尔实验室的期刊上，发表了叫做《通信的一种数学理论》，从而开创了信息论的时代。在这之后，经历了很多重大的发展。

当今所处的阶段，应该说是一个无线互联的阶段。这种联网不仅是人和人之间的联网，包括人和机器之间的联网，机器和机器之间的联网，包括战术的数据链就是武器和武器的联网。我们通信的大范围普及实际上是形成了一个广泛交织的通信网络，它承载了大量信息传输、交换、存储和处理等等功能，也形成了我们今天人工智能的一个基础。因为我们只有把很多的信息汇总起来，在这种情况下才能更好的进行一些智能化的处理。

我们把移动通信整个在5G之前的发展和大家分享一下。

1G实际上就是我们常看到的大哥大，在80年代，如果你有一个大哥大，是非常酷的一件事情。它其实更多的是解决无线覆盖的问题，也就是说我怎么样能够在各个点尽量避免盲区，那个时候频谱并不是一个特别紧张的东西。

然后到了第二代移动通信，最典型的就是GSM，这时候已经开始数字化。当然数字化这件事情很早就有，1948年汉明做的汉明码，其实就是一种数字化的信道编码。但是它真正在移动通信上的应用是从2G开始。

3G时代，我们国家比较主流的进入了移动通信这个市场的竞争。在技术开发竞争中，是我们追上国际水平的一个历史阶段。这个时候就有了高通主导的CDMA2000，有欧洲做的WCDMA和我们国家主推的TD-SCDMA。后来从数字化走向宽带化，主要的技术就是用编码进行扩频。这时候它已经开始触及到一些多媒体的业务。

很快进入了4G阶段，更好的应用宽带。我们从学术的角度来讲，OFDM是对宽带能更好利用的一个技术。与此同时，4G里面开始使用MIMO。

简单来说，2G是在一个路上开车，3G就是要修一条很宽的马路。到了4G以后，我不仅要把每个车道用好，还有一件很重要的事情，就是要修立交桥。4G催生了以微信为代表的多媒体社交软件的成熟，我们在微信上发小视频等都是靠移动通信网络有效的支撑。

2019年，我们都说叫5G元年。这之后在2020年到2030年这个阶段，我们认为会是5G去占有通信市场的一个重要过程。大家也可以看到标识5G的手机登场。学术界研究的时候其实展望了5G有多种不同的技术，但它实际应用的时候，考虑到一些商业原因，有一部分当时至少在学术界研究的很热门的技术，并没有在5G中作为一个主要的技术推出来。

首先说5G和过去传统通信的区别。传统从话音到发图片，到发视频，到发特别清楚的视频。这里面有3D的视频等等。它主要是支持你在家看高清视频，这就是5G的第一个应用。

无线通信和移动通信的不同。移动通信是给人用的，人会移来移去，无线通信是针对其他机器的。实际上5G很重要的就是会有面向机器的通信，所谓的mMTC。对于机器的通信，就导致5G垂直行业的应用会有很多，不再是简简单单只是满足人的通信或者娱乐的需求。它会有很大一部分成份给工厂自动化用，会给远程医疗用，会给远程操作，包括车联网等。这就是为什么5G和工业4.0，在更多情况下会走到一起。

mMTC主打就是传感器比较多，一下要接纳成千上万的节点，uRLLC更多是传的特别快。在通信上，带宽的宽度和传得快是两件事情。比如说我们在北京开车，今天路不堵，这车开得很快，没问题。需求是什么呢？如果朋友说我钥匙锁在家里，赶紧给我送，那怎么办呢？我可能要坐直升飞机过去，甚至我更牛，坐火箭过去。所以这个实际上不是不堵车就可以让通信通的速度快，它会有一些特殊的需求。

通信到了5G以后，它满足两类对象，一是人，二是机器。人到底需求的极限是什么呢？最近在Marco Paled写的一篇文章中间，说人脑处理信息量的极限，是100Tbyte/s。我们实际上从语音的Pcm，64KBps，到4K，8K，然后到3D，到AR、VR，数据在不断上去。这主要是人们对信息精度的要求无止境。但是从机器的角度来讲，它会有一些其他的需求，比如说我希望自动驾驶，希望医生如果在一些危险的环境下，可以远程做手术，以及包括工厂自动化等等一些东西。

在高速交易中间，如何很快的把信息传过去，是一件非常重要的事情。有一个名叫AOptix的创业公司，它做的事情就是怎么样把股票市场和大数据处理的终端尽快的连接起来。走光纤都觉得不够快，因为光纤会绕，所以它为了避免绕路，实际上用的是无线光的直连，在极低延时里面完成相应的工作。我们对实时性的渴望是无止境的。

17年有一篇综述性论文指出，华为、三星、爱立信和诺基亚，在5G上采用的频段的路径是不一样的。华为用的是sub-6G的模式，其他用的是毫米波。这两个有什么区别呢？毫米波的频段是很宽的，但是毫米波的辐射特性不如这种低频段的辐射。我们现在给广电颁发了一张5G牌照，其实给的是700M的频段，是非常黄金的频段。

5G当年在预研的时候，说是有1万倍的容量增益。这个其实来源于什么呢？基本上它的大头是基站的密集化。无线通信从最早的广域覆盖1G大哥大，到今天为什么能接入越来越多的人？其实因为我们基站布的越来越秘，就是我们的超密集网络。现在很多新的小区电梯间里都会有三个蘑菇头，每个运营商会有一个蘑菇头，这样电梯间和室内的覆盖就管上了。其实一个小区就是十几个米的量级，Performance已经降到跟Wife差不多的层次。

超密集网络在我看来其实是既容易想到，又很难的一件事情。我们会有水平方向的超密集，也会有垂直方向的超密集。举一个例子，北京的CBD基本楼高已经超过100米，当白天大家都坐进去的时候，每平米10个人是一个很保守的估算。我们国家高层建筑年增长率超过20%。所以它的结论是，我们在走向城市立体化和用户的密集化。正因为如此造成了土地的短缺和人口的增多，我们希望在立体维度上假设小区，从而来弥补平面覆盖的不足。

再就是毫米波。毫米波过去也在用，举一个最简单的例子，老师们当年在清华无线电系西迁绵阳的时候，做了川气的输送工作。那个时候为了保障这个线路，所以就在做两个山顶，用两口锅，像鼓一样的东西对着去通。那时候他们就用了最早的数字通信技术，从16QM干到64QM（音），用的就是毫米波的频段。当时不太讨论遮挡的问题，但至少证明了毫米波在相当距离定向传输是可以做的。

后来形成现在的微波与数字通信国家重点实验室。高频端有一个特点，它不是所有地方通的都好，但是它会有一些频点是我们的大气窗口，在这些窗口上，它的路损不是那么大。同时，毫米波的波长会变得很短，波的波长变得小，天线尺寸就变小，我在单位体积就可以放更多的天线阵元，就可以做定向性的传输，从而有效的克服这种路损。这就是我们大规模天线技术。

大规模天线最核心的是它的成本问题，如果给每个天线都挂一个RF射频电路会很贵，而且功耗会很高。所以大家在成本和性能之间取折中的关系。这个技术在当时5G中研究的很热门，但是没怎么用，甚至连标准都没有很好的采纳，就是叫非正交多址。什么叫非正交多址呢？它的意思就是现在有一个屋子，有10个人在这儿，我说话的时候你别说，你说话的时候我别说。我们10个人每个人能有多少的时间说话呢？每个人有1/10的时间说话。

非正交多址，这个事儿可以干得更复杂一点。一个著名的例子，如果一个老师上课，既给学生教语文，又给学生教英文，能不能穿插着把数学给你讲了。过去大家觉得一堂课45分钟，20分钟给语文，20分钟给英文。这个老师说我还可以再叠加一点信息，怎么叠加呢？比如说我13579讲汉字，246810讲英语，我也可以13579讲英语，246810讲汉字。这种情况下，我其实可以叠加一些信息，顺便把我的数学课也讲了。

接下来跟大家探讨一些5G的应有案例。当然这个前一段时间很热门，比如说对火神山、雷神山的云监控，比如说珠峰的金顶。珠峰是不太容易看到金顶，我17年受西藏的邀请，去了珠峰，但是能够拍到一个轮廓就已经心满意足了。盛大的庆祝阅兵仪式，也布了一些5G相应的应用。包括一些跟无人机的结合，包括跟VR的结合等应用，包括它在地铁隧道的结合。

这里面我是从媒体中间搜集了一些案例，对于从业学者来讲，我们必须保持一个清醒的头脑。这里面从有门槛的技术硬核带来的应用有哪些，这其实是一个很严肃的问题。

第一，Shannon研究的是信息的本质，信息的载体是Moxwell，实际上他们研究的结果就是无线网络的容量受到一个物理极限约束。我的理论极限是客观的自然真理，它不随着时间的改变而改变，我的工程系统不断逼近我的理论极限，但是工程系统，你永远不要指望它超过理论极限。

在理论极限的约束下，我们再发展会怎么样？我们必须转换模式，必须改变这个学科的范式，不能在这样一个竞技台下玩下去。比如说现有5G基站日益密集部署就受到了高能耗和站址成本的挑战。

第二，再来看一个有趣的事情。最早iPhone出现以后，AT&T是取消了它的包月套餐，因为人们可以非常容易操作下载。iPhone包月情况下，弄一个种子不停的去下载，这个网络肯定受不了。但是随着iPhone的发展，包括现在其他的手机这种大屏模式就非常普遍了。回过头看，过去并没有把人类的需求从水池子里很好的放出来。所以人类的需求那时候像一个堰塞湖，直到解决了人和机器的交互，这时候人类大量的需求就释放出来了。

第三，通信从业者无论是学术界还是工业界的同志都比较在意的就是我们行业利润现在到底在哪儿？我们必须清醒的看到一个问题，通信产品的利润并非源自于通信理论本身。我举一个例子，大家可以看手机有数万元的Vertu，还有几十万的Golvish手机，我们如果实在想买一个，怎么办呢？山寨机。这个山寨机其实可以仿的很像，它的区别是什么呢？原本这个手机是靠金银和蓝宝石打造的屏幕，金银打造的机身。山寨机是用黄塑料打造黄的部分，白塑料打造白的部分，透明塑料打造屏幕。这个就说明实际上它的贵并不是贵在通信技术上，这个MTK芯片一样能用的很好。所以在很多时候，一个1万块钱的手机和一个300块钱的手机，用的通信技术、调制编码的技术其实都是一样的，所以它缺乏个体的差异。

这就导致一个很大的问题，现在如何吸引最优秀的人来读通信，在于你的行业利润一定要能够想办法体现。

到了6G会有什么呢？我们的指标就很多样化了，比如我们之前说的数据率、移动速度、连接数、延时、能效、普效等等东西，它会逐渐变大，就像一个盘子一样，越撑越大，从而构成我们的6G。

那么6G会有哪些技术呢，这是一个学术界和工业界热议的问题。我们把现在的一些热门侯选技术罗列一下。比如说AI技术，比如说超材料的技术，比如说量子，比如说区块链，太赫兹，深度的立体空间和清洁能源，这些可能都是我们今后所要去探讨的问题。

第一，说一下大数据。随着计算和存储的高度发展，我们通信发展的速度其实并不快，因为通信的频谱和能耗是耗死了。这种情况下，我们希望通信有一个智能化的演进。什么叫个性化的大数据呢？过去其实很多人用一台电脑，现在一个人用一台手机的终端，甚至是几台。当然可以通过你的手机终端对你这个人进行认知，从而我知道你是谁，要什么，怎么要，愿意给多少钱。

现在我们信息的维度就不再局限于经典信息路的正确和错误。我们将探讨另外一个维度的信息，有用还是没有用。我可以让网络主动思考，通过网络的主动思考给人进行推送和推荐，我觉得这个是未来网络一个很大的区别。它不再被动，而是非常主动。

主动和被动的区别在哪里呢？我们来看一下制造系统和信息系统。制造系统传统叫推式生产，信息系统叫做拉式传输。我点了download以后，这个信息给我，那我是把这个信息拉下来。制造系统是什么呢？制造系统走上了拉式生产，要量体裁衣，这时候才是最好的西装。但是在信息系统会走向一个反的方向，就是推式传输，我预测你要什么。我知道你是球迷，前天晚上凌晨3点有一场球赛，就可以推到你的手机上，你坐地铁上打开看就行了。

第二个问题就是所谓的智能反射面。比如我们在家用Wi-Fi，如果你的户型是狭长型的，户型比较大，怎么办呢？买子母路由，你在这个地方，客厅有一个路由，很远的一个卧室就得用一个子路由，把它路由过去。但是子路由有一个很大的问题，它需要去插电。你那个地方如果刚好没留电源，你就用不成了。UCSD的办法是什么呢？我做智能贴片，用这个技术反射面，当然我可以微调它，通过合适的反射电磁波，就可以把这个信息传的很远。

在6G，人们畅想在楼宇的表面会去贴智能反射面，从而让这个楼宇的表面帮助基站覆盖到一些原来覆盖不到的死角。今后一个楼的装修不仅要考虑到外面保暖的涂层，可能还会有一个通信的涂层。

和量子通信相关的，其实还有一个量子计算或者量子处理。量子计算其实在通信译码中做到很好的效果。过去很多通信算法，是说你发可以发，接受机发现复杂度太高，这事儿就玩不转。如果把量子计算嵌入到手机里面，它就可以做很复杂的通信译码。量子霸权进入到通信系统以后，真的能体现一个很大的性能提升。这是我们团队之前做的一个事情，把量子计算机和经典计算芯片模块结合起来，提了一个构架。

还有就是区块链技术，6G会面临一个更加复杂的频谱共享管理的问题。区块链技术其实对于频谱的计费和交易提供了一些全新的思路。所以以后基于区块链频谱的共享，可能会引入更加充分的市场竞争。它既有利于我们严格监管无线电的使用，同时又有利于使得网络蓬勃发展。因为我引入了电磁频谱充分的竞争以后，有一个非常大的好处，可以更有效对电磁频谱使用产生更大的市场范围。

太赫兹，我们知道带宽决定了通信网络业务承载的能力，现在低频段已经非常拥挤，所以人们不得不向难以利用的高频段进军。太赫兹不仅能够在短距离实现一些很高速率的传输，它还有一个特殊的能力，做成像和定位。比如说玩游戏，K微软出的体感的设备就可以。现在最新宝马7X中控台也提供了手势识别的功能。从现在实验室的角度来讲，人们用Wi-Fi的信号可以实现一些手势，至少是肢体的识别。以后人们可能希望利用太赫兹在实现通信功能的同时，能够有比较好的定位和识别功能。这时候可能人在做很多操作的时候，甚至不需要用语音，可能挥一挥手，我就知道这个手势。

还有一些应用，包括星链，马斯克搞星链也很热门。星链、无人机和系留气球有一个重要的应用，就是它可以做应急通信，特别是在备灾的情况下，做一些相应的、迅速实现无线覆盖和信息的传输。前一段时间四川大火，包括去年也是牺牲了很多的消防队员。如果当时有很好的通信，如果有无人机吊在上空，能够监控这个火势，可能人员牺牲就会少很多。我们当时也是建议从无人机影像采集和自组网方面做一些工作。

最后讲一个技术就是绿色能源，ICT产业。ICT产业是一个耗能大户，很多数据中心都得修在水电站或者水坝旁边。人们开始做了一些利用太阳能板的绿色基站。基站远远不是一个通信自己解决的问题，很多能耗是冷却的时候产生了一些基础能耗。风扇在转，耗能就比较大。有时候没有通信任务，这个能耗也在。也有人考虑基站休眠或者基站的潮汐效应。比如说有一个小区，白天大家都出去工作了，晚上人才回来，据说我白天就可以把部分基站休眠掉，晚上再把工作区弄掉。

最后，再谈几个问题。

第一，创新门槛。我们的创新其实有很多门槛，比如说有经费门槛，比如说有人力门槛，设备门槛，有法规和伦理的门槛，还有数据门槛。为什么我们谈创新的时候要看门槛问题呢？我自己觉得这个门槛是一个好事儿，对真正的创新型企业或行业有门槛，你可以优雅的活着。大家看豹子，豹子有一个特长，它能上树，所以它抓到一个羊以后，可以叼到树上慢慢吃。狮子就比较惨，狮子不会上树，所以它抓到猎物以后，就会跟那些野狗在地上抢着吃，它肯定不能说我很优雅的吃，这就是门槛的重要性。同样我觉得未来移动通信的发展，数据会是一个很大的问题。

第二，我们从对科学史的回顾中有一些启示，比如说物理学史。物理学史从第谷的观星到牛顿的物体发展，到三体问题。我们通信现在三条链路以上，真正的理论极限，一般广播信道和干扰信道到今天还没有解决。我们怎么去解决。这件事情有点像中国老子，古代哲学的一个反思，叫“道一生，一生二，二生三”，三体解决了，三生万物，我们认识到混沌以后，就知道动力学系统有很多性质。同样，我们通信在今后可能也会有一些这样重大的发展。

最后，钱学森先生曾写过Nothing is final，我们做科学也是这样。我们今天越来越依赖于网络，从实体世界走向一个矩阵的空间。笛卡尔曾经说过，我思故我在，所以我相信当我们在信息空间思考的时候，信息空间将变成我们第二个人类家园。这里面会产生大量的数据，会产生新的科学规律，会产生新的技术发明和应用。我对通信充满了乐观，因为它恰恰像是汤姆逊勋爵在英国物理学会上对于相对论和量子力学的预言。