5G背后的两个男人_风闻

5G时代马上就要来临。我们除了知道5G更快，还有一些事情是不知道的。比如5G为何可以更快？为何5G手机需要整体升级，而不能通过部件升级达到？5G会不会对人类健康有潜在威胁？为什么手机从1G到5G，通讯设备都要大规模更新换代，无法通过渐变提升？我们现在买到的5G手机是真5G还是商家炒作？

所有这些疑问，都要从70年前那个为通信理论奠基的天才克劳德·香农说起。

－文字稿－

还记得56K拨号上网的时代吗？理论上每秒最高7字节的传输速度，连打开图片都困难，这才有了多图杀猫的传说。

现在，我们之所以能够自由地看电影、听音乐，都是拜越来越大的网络带宽所赐。带宽像是水管，水管越粗，单位时间内水的流量就越大，传输的信息量就越大。

在有线通信中，带宽提升的速度超过了摩尔定律。光纤技术自从投入使用以来，每秒可以传输的字节数已经提高了8个数量级，也就是几千万倍。

当然，带宽并不是影响信息传输效率的唯一因素。正如水的流量再高，但其中都是砂石杂质的话，送水的效率也是不高的。

香农-哈特利公式告诉我们，影响信息传输效率的，还有一个重要的因素，叫做信噪比，就是信息和噪声的比例。

（ C：信息速率的极限值。B：信道带宽（Hz）。S：信号功率（W）；N：噪声功率（W），S/N：信噪比。）

公式的主要发现者香农，是个罕见的天才。他8岁就可以辅导姐姐做高数，还把姐姐辅导成了数学教授。香农在1948年发表了著名的论文《通讯的数学理论》，其中提出了这个公式，同时也奠定了信息论的基础。

总之，香农公式以非常简洁的形式告诉我们，想要提升信息传输速率，只要升级这两个参数就够了（B：信道带宽Hz，S/N：信噪比）。

事实上人们也是这样做的。带宽和信噪比，更容易提升的似乎是带宽。有线通信可以通过铺更多、更好的光缆来解决；

而无线通信受制于电波频段限制，不可能无限提升。从1G到4G，工程师们想出了各路办法，按照一定的规则，把有限的频带尽可能地分给更多的手机。这些办法统称为“多址技术”。

在分配方式的升级中，信息传输效率一直在稳步提升。不过，4G到5G的跃迁中，之前的无线电波频、带已经基本上占满了，很难提出更好的分配方式。

所以，5G需要转移到更高的频带上，这样新的编码方式和多址技术才能有用武之地。

这时候，一种叫做狄德罗效应的现象开始发挥作用。据说，哲学家狄德罗收到了一件华丽的睡袍。在它的映衬下，家具、地毯和家中的一切都显得破旧不堪。最终，他把自己所有的生活用品都更了新。

“狄德罗效应”常被用于描述消费主义对人的控制。不过，在科技领域，我们也能发现类似的现象。

想要移到更高的频带上，发射天线就必须来一场大规模升级，因为频率越高的无线电波就越难以传得远。5G基站使用大规模多天线阵列，用更多的天线解决了这个问题。

每一代新的通讯标准都是建立在前一代之上的，5G也不例外。为了更快、更便宜地搭建起5G网络，工程师们想了两种方案。

一种叫NSA，利用和改进现有的4G基站，让它们能适应5G通信的需求。

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另一种叫SA，就是另起炉灶，直接建造5G基站搭建5G网络。它不必依赖4G网络本身的结构，拥有更大的空间，但相应地，也要花更多功夫才能搭建起来。所以大多数国家的通讯商在5G组网的时候，都是先NSA、后SA的两步走，为的是让人们尽早用上5G。

最近有说法称，只支持NSA制式的手机是“假5G”，到明年1月1日将不能再正常使用。这其实是对两种组网方式的误解。

它其实是说，到了明年，新生产的手机都必须支持SA制式才行，其目的是推动5G最终脱离4G网络。

虽然SA独立组网是国内5G建设的终极目标，但实际上目前的NSA基站在相当长的一段时间内并不会被运营商所弃用，普通消费者在今年购买的NSA单模5G手机即便在SA时代来临之后仍然可以正常使用。

全球范围内，目前中国无论5G网络铺设情况还是5G手机的研发，都处于领先水平。中国NSA的网络全球覆盖范围最广，到八月底，华为和vivo的5G手机就会正式商用。

不过，对手机来说更关键的是，为了能够接收4G及以下的信号，天线要增加两根。这就必须重新设计天线和射频组件。

手机的发射功率上升，对于处理数据的算力要求也跟着上升了。更换了更强有力的中央处理器后，供能压力也大了。

这样又需要容量大的电池。手机内部一下子变得非常拥挤。

与此同时，全面屏和更好的镜头也在不断挤压机身的空间。所以，为了给这些新部件腾地方，主板上部件的排列组合必须进行调整。

把部件组合到主板上，这种技术叫做“堆叠技术”。5G手机使用3D复式堆叠技术，金属架空等方式，可以增加20%的PCBA可用面积。

不过，新的问题又来了。5G手机的功耗可以达到4G手机的二到四倍。散热问题就更加突出，工程师们开发了“零感散热-液冷均热技术”。它相当于为手机加上一套液体冷却系统，把产生的热量导向四面八方。

为了防止辐射也跟着手机天线一起升级还需要在辐射测试实验室，模拟5G手机放在人体不同位置的辐射量。

现在，一部5G手机终于诞生了。

在5G的支持下，手机移动网络的传输效率将会达到4G的10倍，使用手机观看4K高清视频、裸眼3D视频。甚至科幻大片中的“增强现实”也不再是梦想。

5G大带宽、低延迟的特性，也让增强现实所需的大数据量不再是障碍。到那时，AR眼镜将为现实带来真正的增强。此外，工业物联网、车联网等新应用也会更加深刻的改变世界。

令人振奋的是，根据国内外运营商的动向，我们预测到了5G时代，手机流量可能也会像宽带网络一样便宜。

狄德罗先生如果泉下有知，一定会惊讶于香农公式这件华丽的睡袍，最终带来的如此之多的升级和改变。

素材来源声明：

https://en.wikipedia.org/wiki/File:Dial_up_modem_noises.ogg

https://support.usr.com/support/5668d/5668d-ug/main.htm

https://spectrum.ieee.org/semiconductors/optoelectronics/is-kecks-law-coming-to-an-end 

Tekniska museet@https://www.flickr.com/photos/tekniskamuseet/6832884236/in/photostream/

 DobriZheglov@https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Claude_Shannon_1776.jpg

Matthias Bock@https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Frequenzmultiplex001.svg

Tony R. Kuphaldt@https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Telephony_multiplexer_system.gif

https://www.acma.gov.au/theacma/australian-radiofrequency-spectrum-plan-spectrum-planning-acma

Chen, Yan, et al. “Toward the standardization of non-orthogonal multiple access for next generation wireless networks.” IEEE Communications Magazine 56.3 (2018): 19-27.

https://www.youtube.com/watch?v=1w4YlN4pR98