几百年后我们回头来看，现在哪一种新技术的诞生能够把人类带入更加高层次的未来？
其实无论是蒸汽机、发电机还是电子计算机，它们的背后都是牛顿、麦克斯韦、法拉第、爱因斯坦这些伟大的科学家所开拓出来的新理论，在这些新理论的支持下，新的技术层出不穷，这些技术又可以用在工业、农业、运输等各个领域，我们称之为通用技术。
如果站在现在的视角去看未来的通用技术，我想应该是5G、人工智能和云计算相结合的技术，这些技术一定能够将人类带入更加辉煌的未来。今天我们就来讨论一下其中的第一个——5G技术。
移动通讯技术发展历程
通讯其实是人类与生俱来的一种需要。比如说商周时代中国建烽火台，就是为了实现远距离快速通讯。非洲则是用大鼓，一个部落的人敲鼓，然后隔一段有一个人接力，这样就可以把信号快速传播到几十公里之外的部落。
但长期以来通讯技术其实都没有太大的突破，直到发现了无线电波，人们才找到了一种容量大、保密性好、又安全又快的通讯方式。
如果我们把最近100多年的通讯技术做一个总结，最快的其实就是在最近这几十年，我们把它分为几个阶段：
- 1980-1990年：1G时代
- 1990-2000年：2G时代
- 2000-2010年：3G时代
- 2010-2020年：4G时代
显而易见，每一代无线通讯技术的速度都越来越快了。
1G，第一代无线通讯技术。1960年代，美国贝尔实验室的科学家提出可以通过移动蜂窝的方式进行无线通讯，即每一个信号塔覆盖一小块的区域，很多个信号塔覆盖很多区域，这些区域一个一个连起来像蜂窝一样，就可以实现通讯了。这种技术在1979年被日本电报电话公司第一次用在商业上，从此欧洲美都进入了1G时代。中国的1G服务开始于1987年，也就是留在很多人记忆中的大哥大，它就是1G时代的产物。
渐渐的，1G已经不能满足人们的需求了，因为1G传输的是模拟信号，它只能传输语音，不能传输文字，而且保密性能很差，通话质量也不好，于是就出现了2G——第二代移动通信技术。2G采用的是数字信号，意思就是你给我一段语音，我把这段语音进行采样后转化成一个数字，再把这个数字变成二进制，用这个二进制数传输过去，通过这种方法就可以实现既能传输语音又能传输文字，而且还可以对信息进行加密。中国的2G始于1996年，人们拿一个手机不光可以打电话，还可以发短信，还可以玩贪吃蛇、拍照。
渐渐的，2G也不能满足人们的需要了，因为它传输速率实在太慢了，于是3G呼之欲出。3G的出现是伴随着一系列新技术，比如高通公司研发的CDMA技术——码分多址技术，该技术出现后彻底改变了无线通讯行业的面貌，1993年成为了行业标准，1999年国际电信联盟把CDMA定为3G的基础技术之一。我们听说过的CDMA2000、WCDMA、TDSCDMA，都是CDMA时代三种不同的技术标准。虽然技术上从2000年开始以CDMA为代表的3G就已经成熟了，但是直到2008年3G才普及开来，在此之前大部分人还是喜欢用2G手机，因为当时缺乏杀手级的应用，所以卖功能机的厂商如摩托罗拉、诺基亚，仅凭卖手机就能赚到盆满钵满。
2008年起，随着技术突破，出现了一大批智能手机和应用。人们突然发现原来手机不光可以打电话、发短信，还可以干很多其他的事，于是人们纷纷拥抱智能机市场，3G逐渐普及起来。
进入3G没多久，人们已经迫不及待地开始研究第4代移动通讯技术。相比3G，4G的速率又有了很大的提升，技术也有很大进步，比如OFDMA（正交频分多址技术），以前我们通信的时候用电磁波，每一个信号的电磁波频率不能重叠，两个信号中间得隔一段，否则频率互相影响，信号就受干扰了。但正交频分多址技术可以在同一个频段内传输很多个信号，因为这些信号彼此是正交的，就是当一个信号最强的时候，其他信号都为零，这样一来它们虽然在一个频段内，但却不会彼此干扰。
在OFDMA等一大批新技术带领之下，我们进入了4G时代，平均网速可以达到几十兆比特/秒，如果再加入一些新的技术，比如载波聚合，就可以让网速达到千兆比特/秒。更高的数据传输速率催生了更多的应用，移动互联网时代正式来临，我们现在熟悉的用手机买菜、打车、看电影、玩游戏、上网学习等应用，都得益于4G的发展，于是催生了今日头条、抖音、快手、B站、西瓜视频等一系列的短视频平台，形成了美团、滴滴、字节跳动等新型互联网巨头。
回顾移动通讯技术的发展简史就会发现，每隔10年左右通讯技术就会进步一代，而到了2020年，5G时代正式到来，下面我们讨论一下5G，以及5G毫米波技术。
5G三大优势
工信部统计数据显示，2020年1-11月，中国手机出货达1.44亿部，其中51.4%都是5G手机，尤其是2020年下半年，每个月5G手机出货量都占总出货量的60%以上，中国正在跑步进入5G时代。那么5G相比4G到底有什么优势？
1）高速率
4G可以达到100Mbps，已经可以满足我们日常的使用了。但是如果场景更复杂一点，比如4K、8K的高清数据流它就传输不了，AR、VR的数据流它也传输不了，自动驾驶汽车一天的数据量有4000G，它也传输不了。
而5G可以在4G的基础之上再提升一个量级，平均网速可以达到1Gbps，峰值网速可达到2Gbps，大约是4G 100Mbps的20倍。
5G为什么这么快？除了一些新的技术应用，5G信号和4G信号的物理特性不同。比如，我们传输电磁波信号是使用900M到1000M之间的频段进行传输，就是说有100M的频段可以给我们使用。中国移动2G的频段分别是885MHz~909MHz、930MHz~954MHz，两个频段都是24M。所以说它就受香农公式的限制，传输速率不可能太快，一旦用户多了就拥堵了，就会出现明明看到手机有信号却怎么也上不去网的情况。但5G的频宽比原来的2G、3G、4G都宽得多。
5G分为两个阶段，一个阶段是6GHz以下的，我们称之为sub-6 5G，还有一种是在24GHz以上，大约到100GHz，它的波长在毫米量级，我们称之为毫米波5G。以sub-6为例，中国移动拿到的sub-6 5G的频段分别是2515M~2675M，有160M的带宽，比之前那个24M宽很多，还有一个是4800M~4900M，有100M的带宽。
带宽比原来宽得多，根据香农公式，传输速率的上限就会快很多，这就好比原来不管是人还是马车、摩托车、汽车，都在一个羊肠小道上走，再怎么走、怎么提高效率都快不起来，但现在我们有了更宽的马路，自然而然大家走得就快了。
如果使用毫米波，前景就更广阔了，毫米波的频段有76GHz，虽然不可能全部给无线通讯用，但它的宽度也超过了原来2G、3G、4G、sub-6的总和，所以毫米波的速度比sub-6还要快。人们经过测算，发现sub-6的速度大概是4G的5倍，而毫米波大概是sub-6的4倍，所以它相当于是4G的20倍左右。
毫米波5G可以支持4K、8K的高清视频传输，以及AR、VR这样的数据流。现在我们用的VR眼镜戴时间长了会头晕，就是因为它的视频不够高清，同时延迟比较严重，造成了卡顿，所以会出现眩晕。如果使用毫米波5G，就可以把计算放在云端进行，然后通过高速传输把计算好的数据传回到眼镜上，这样就不会头晕了。
其实AR、VR应用有一个很重要的领域就是教学，比如说以后毫米波5G普及了，教学过程中可以戴一个VR眼镜上生物课，同学们就可以钻到细胞里边去看各个细胞器的工作，如果是历史课，人们戴上VR眼镜成了项羽身边的一个侍卫，可以观看整个鸿门宴的过程。
2）低延迟
4G端对端延迟大概是几十毫秒到一百毫秒这样一个量级。我们玩游戏的时候，比如王者荣耀、吃鸡，延迟往往是能够决定胜败的一个关键因素。如果是在工业生产、自动驾驶、无人机领域，延迟可能会造成事故。比如自动驾驶汽车以120公里/小时的速度行驶，出现50毫秒的延迟，就意味着这个车往前多走了1.7米，就有可能造成事故。
而在5G时代，sub-6 5G的空口延迟在1毫秒量级，如果以120公里/小时的速度往前开，这个延迟只会造成3.3厘米的移动。如果使用毫米波5G，空口延迟可以达到0.1毫秒以下，基本实现了无延迟通讯。所以它的应用就非常广泛了，比如工业领域，现在的工业机器人都要用有线网络进行通讯，因为有线网络容量大、延迟低，如果使用5G的毫米波技术，就可以替代有线网络，替代光纤，实现极低延迟的通讯。
再比如远程医疗领域，1980年代，斯坦福大学的一批科学家尝试，能不能造出一种机器人实现远程手术，提升战场上士兵受伤之后的手术水平。后来他们成立了一家公司，叫直觉外科，这家公司造出了一种机器人，就是霸占医用机器人市场30年的达芬奇机器人，它可以实现远程控制、图像放大、对手的除颤等一系列操作，甚至可能比一些刚入职的医生做手术更熟练。以后如果配上5G技术，就可以实现远端操作了。
3）大容量
所谓大容量，就是它同时可以连接很多个设备。4G时代大约每平方公里可以连接2000个设备，而5G可以支持100万个设备/平方公里，远远超过了4G的水平。所以5G不仅能够实现人和人的通讯，还是万物互联的基础，可以让我们的可穿戴设备（如手环、心脏起搏器）、智能家居（如智能电视、智能冰箱、智能垃圾桶、智能水表）、智慧城市（如城市的路灯、红绿灯）这些设备都可以上网，这就实现了所谓的万物互联。
人们预言未来只有20%的5G设备是用于人和人的通讯，80%的设备都是用于人和物、物和物的通讯。现在我们已经有一些尝试，比如上海有一个张江人工智能岛，在那里，很多智能设备如无人驾驶汽车、智能垃圾桶、无人巡查的飞机、水下机器人、智慧路灯、自动灌盖、智能电网、自动送餐机器人等，都是通过5G网络进行连接的。
总之，每一次移动通讯技术的进步都会深刻地影响很多行业，而且还会有一些新的行业被5G创造出来。
毫米波5G的挑战
目前国内使用的大部分是sub-6 5G，毫米波5G目前还面临一些挑战。
首先从物理特性来讲，毫米波5G是频率比较高的5G信号。人们研究发现，电磁波在空气中传播时会有衰减，频率越高衰减速度越快，所以毫米波5G的衰减速度更快，覆盖范围相对更小。要实现广覆盖，就得多建基站，所以需要很大的投入。
第二个问题是它的波长比较短，电磁波波长和频率成反比，频率高自然波长短，毫米波的波长在毫米量级，它特别短。波长短，衍射能力就差，就易于遮挡，很多物体都可以把这个毫米波给挡住，比如墙、大树，甚至下雨的时候雨都能挡住。所以毫米波只能进行视距传播，就是眼睛能看到的地方它就能传，眼睛看不到的地方就不能传。
以上是毫米波相比4G信号所面临的挑战，但是毫米波在速率方面又有压倒性的优势，所以技术人员想尽一切办法希望能够攻克这些挑战。现在工程技术人员已经发明了一些方法，比如波束赋形、波束追踪、利用电磁波的反射特性、波束切换等。
总之，5G中低频的sub-6 5G和高频的毫米波有不同的优势，前者可以提供广覆盖，奠定了5G的基础，后者可以利用强大的带宽提升5G的速度，把速度优势发挥到极致，它们之间彼此配合，相互补充，才能够给用户最好的5G体验。
目前，国内也在不断推进5G毫米波技术的商用发展。早在2017年，中国就已批准了毫米波5G测试计划。2020年3月，工信部发布通知要求加快5G建设，其中明确指出，要适时推进毫米波5G的计划。
2019年，高通携手中兴进行了中国首个基于智能手机的5G商用测试，到了2020年4月，一加手机推出了第一个支持毫米波的5G手机一加8。2020年12月，高通推出其最新一代的5G移动平台骁龙888，集成了骁龙X60调制解调器和射频系统，可以支持包括sub-6和毫米波的全球绝大多数5G信号，峰值速度可以达到7.5Gbps，是全球最快的商用5G网络速度，也就是说已经可以使智能手机媲美光纤的速度了。
结语
100多年前的1893年，在美国举办的哥伦比亚世博会上，天才特斯拉用自己发明的交流发电机同时点亮了7万盏灯泡，将整个世博园区的夜晚照亮得宛如白昼，这是人类历史上从未见到过的场景，人们相信这就是未来。
如果我们站在今天的角度去思考，未来又该是什么样子？我想象中的未来应该是把今天的物理世界进行网络化和数字化，把物理建设的过程变为数字建设的过程。只有5G技术以及未来的6G、7G技术，才能实现人类社会、物理世界和信息世界的三元融合。在未来，5G技术、人工智能和云计算技术可以促进各个学科的发展。
当人类实现了将物理世界完全融入信息世界之后，物理世界就不再那么重要了，就像纸币被移动支付和数字货币所取代，物理距离被信息高速公路所突破，战争从消灭对方的士兵变成破坏对方的数据，人类将彻底进入一个全新的时代。那个时候，人不只是一个自然人，也是一个数字的人和网络的人，不光拥有物理的存在，也拥有数字化和网络化的存在，甚至一旦人类的思维可以和网络实现互联，物理存在的身体就不再是人生存的必要条件了。那个时候，人类就有可能在精神层面实现永生。
而这一切，也许离我们并不遥远。
