一篇文章带你了解 5G 比 4G 究竟好在哪儿

ittbank 2019-03-22 17:36



5G 无线通信与 4G 的典型区别有哪些?用了哪些新技术?


在中文互联网上,虽然 5G 报道如火如荼,对 5G 技术的了解却有些片面。5G 的意义,也被普遍低估了。


正如第一代 iPhone 面世时,众多手机厂商挖苦股价只有 10 美元的苹果公司不务正业,而没有意识到 iPhone 开启了移动互联网时代的元纪年。


同样的,5G 会带来第三次互联网革命,但多数人 5G 的认知,却仅仅停留在了「比 4G 快一些」。


这是因为 1G 到 4G 的移动网络都是以手机为中心,所以人们自然而然用 3G 到 4G 的升级去类比 4G 到 5G 的升级。


其实,「快」,只是 5G 为互联网带来众多质变中,不那么重要的一点。5G 是全能网络,会为整个互联网带来质变。


除了极大的速度提升外,5G 还带来的极低的网络延迟,针对不同设备的分层网络等从未有过的技术进步。


通过 5G,互联网的触角将再次延伸,这次一次它将能轻松触及到每一个人类社会的电子设备;有线网络将被无线网络全面取代;连接成本、能量消耗、延迟、速度,都将迎来史无前例的革新。


在谷歌工作的戴维和我,对 5G 技术在中文和英文互联网上都进行了深刻、全面的研究。


这篇回答,我们将从连接质量和连接成本两个框架下剖析 5G 的技术,进行横向和纵向的对比。我们既会从抽象上将 5G 的技术进步与前两次互联网革命进行类比,也会深入讨论一些具体的前沿变革。


我们希望通过本文,让你能够透彻理解:


  • 5G 比 4G 的技术进步到底有什么?

  • 为什么之前的四代通信网络只能算带来了量变,而 5G 带来的是质变?

  • 5G 和互联网的关系到底是什么?它的商业意义又是什么?



1. 关于 5G 的标准建立


5G,全称第五代移动通信网络(5th Generation Mobile Networks)。严格的讲它并不是一个或者一套具体的产品,而是指代一套技术标准。


信息通信系统是极度复杂的。从手机,到电信基站,到网络运营服务器,上万套不同的设备互相协作,才能构成一个拥有完整功能的通信系统。


世界上没有哪个公司有能力造出系统中的每一件产品。这样既不经济,也有太高的风险。因此,全世界的通信系统公司们会合作制定一套标准,这套标准确立了这个完整系统的各种参数和指标,也确立了每一个生产商与其他生产商的对接方式。


不难想象,参与人数众多,规模如此复杂的一套标准,在制定的过程中必然会出各种冲突与矛盾。经历了众多代通讯标准的大讨论,场上的玩家不是更乐于合作了,而是变得更斤斤计较了。


于是,在 5G 标准的制定过程中,这些矛盾有进一步的计划,甚至上升到了国家利益层面。标准的的产生通常是巨头的游戏,中国最大的两家通信系统相关公司华为与中兴就在 5G 计划之初积极参与其标准的制定,过程上不乏与美国,欧洲等行业巨头的角力与合作。尽管 5G 标准的制定过程远非一帆风顺,巨头间的博弈并不会阻止 5G 发展的时代大势。


在此我们将把重心放在 5G 的消费者市场,本文所提及的,是无论技术谁来领导、标准是否分裂、市场有多强的监管,都必然会发生的互联网行业变革。


5G 的技术升级非常的复杂,在此我们决定简化技术细节的科普,把重心放在技术升级带来的消费者体验升级上,从结果入手来分析 5G 的「质变」是什么,我们强调的「革命性不同」到底在哪里。



2. 体验升级分为连接质量提升和连接成本降低


几乎每个人都知道 5G 会比 4G 更新更强。


然而,对于 5G 的认知,包括很多熟知通信和互联网的从业人员,都还停留在了类比 4G 与 3G 的阶段,即「速度更快」这一基础概念上。


其实上,虽然 5G 比目前最快的 4G 版本的连接速度快 100 倍(4G 比 3G 快 10 倍),速度的增加也仅是 5G 将会带来的技术进步之一。甚至,我们大胆判断,5G的速度提升只是其技术进步中最不重要的一个。


无论哪一代移动通信网络,其本质都是一种商品,人们购买这种商品来接入这个网络从而达到通信的目的。那么作为一个网络连接产品,5G 带给市场最直观的两大体验升级就是其连接质量的提升和连接成本的降低。


无论你是一个直接消费者还是一个 5G 的创业者,投资人,明白这两个概念是深入理解 5G 革命的第一步。


2.1. 连接质量分为带宽和延迟


带宽


提到一个网络的连接质量,消费者首要关心的就是网速,行话称之为带宽(bandwidth),即单位时间内的比特信息传输总量,我们常说的下载速度就是由带宽决定的。


截至 2018 年第三季度,中国移动 4G LTE 平均下载速度是 30Mbps(Megabits per second,既兆每秒),和我们平时见到的有线宽带速度差不多。


从应用角度来说,消费者平时的高清视频直播的带宽需求大约是 2-10Mbps,英雄联盟、吃鸡一类的即时互动网络游戏对带宽的需求大约是 1-3Mbps,如果带宽不足,游戏和视频就会出现卡顿。



根据设计标准,5G 的用户带宽最高将达到 1Gbps(1024Mbps),是目前 4G 的 30 倍,而其峰值带宽可以达到难以想象的20Gbps,超越 4G 百倍。


横向对比现在,这样的用户带宽大概和一个机械硬盘的写入速度差不多,堪比世界网速最快国家日本的家用光纤网络(Fiber-optic network);


纵向对比历史,设计速度上来看 2G 比 1G 快了 20 倍,3G 比 2G 快了 20 倍,4G 比 3G 快了 10 倍,而 5G 相对 4G 的百倍带宽将是历史上提升最大的一次;这样的速度是 4K 清晰度直播流媒体(25Mbps)所需求的 40 倍。


基于目前的行业预测,5G 所提供的带宽甚至能满足未来 20 年消费者对网络带宽的需求,并全面超越有线互联网。


延迟


然而就像我们前面所言,5G 对连接质量的提升,远不只体现在带宽上,5G 网络的延迟(latency)才是重头戏。


网络通信永远都绕不开延迟这一关。作为反映数据从被发送到被接受的时间指标,延迟的重要性并不比带宽底,如果说带宽决定的是网络的下载速度,那么延迟决定的就是网络的反应速度。


以日常的应用为例,延迟的高低直接影响了直播、手游、导航、交易、远程操控等一切对即时反应有高要求的网络传输。很多网络游戏玩家都有过「明明下载速度很快但是玩儿游戏还是卡」的经历,本质就是网络延迟出了问题。


以手游王者荣耀为例,其官方推荐的带宽要求只有 1Mbps,可以说成熟的 3G 网络就能能轻松满足其带宽要求。为什么 3G 时代几乎没有任何的手机在线网游呢?


抛开成本来说,4G 的网络延迟比 3G 时代降低了大约 70%,达到了和家用有线网络差不多的水平,这也直接导致了那些原来只能在电脑、笔记本上使用的网络技术能在手机上得以实现。


网络提供商 CableFree 于 2017 年发布的各代通信网络与有线 Wifi 网络延迟对比


有趣的是,在过去的十年间,无论是家庭有线网络还是手机移动网络的网络延迟都没太大变化,这一重要的指标经常已经被人们所习惯和忽略了。


事实上,目前的整个互联网有着巨大潜力被现在的网络延迟所牢牢限制,没有被发掘和利用,无数对网络延迟有高要求的应用无法实现。


在降低通信网络延迟这方面,金融行业的高频交易公司就是最直观的例子,他们走在了前面,并尝到了巨大的甜头。


2013 年,美国网络服务商 Hibernia Atlantic 斥资 6 亿美元,只为修建一条长达 6 千多公里的光纤网络线路,专门服务纽约和伦敦的高频股票交易公司,可以把两地的光纤网络延迟降低到 59 毫秒,比之前的低了 6 毫秒。


光是连入该条网络的「入网费」就达到 1500 万美元,然而对那些高频交易公司来说,每一毫秒的提升可以带来最多每年 1 亿美元的价值。


从数据上来看,目前最先进的 4G LTE 平均延迟大概在 90 毫秒,普通的有线网络大概是 50-120 毫秒,而 5G 的目标延迟是 10 毫秒以内,其设计目标约为 4G 的 1/50,并且远远得低于目前的普通有线网络。我们有理由相信,5G 的超低延迟将会是一颗引爆互联网潜能的核弹!


然而正如我们一开始所讲到的,如说带宽的提升是一种「增强」,那么延迟的降低则是一种前所未有的「升级」。


5G 带来了比 4G 近乎百倍的连接质量提升,它是一种市场从来没有体验过的超低延迟、超大带宽网络,毫不夸张的说,上一次消费者们经历如此巨大的体验升级还是 20 年前宽带入户的时候,那是我们第一次知道拨号上网是多么的落后。


我们可以断言,目前市场的一切交互式网络活动:流媒体、游戏、在线交易都是基于目前的延迟和带宽所设计的,在 5G 时代,创业者们需要重新去思考与设计在 5G 网络质量下的互联网互动的内容和方式。就像市场在 3G 时代无法想象直播一样,普通消费者可能也难以站在 4G 的背景下去想象 5G 的互联网又能带来怎样的可能。


基于我们的初步判断,5 年之内,受益于 5G 的网络质量,规模化的集中计算将会逐渐成为主流,游戏,即时控制,人工智能,虚拟现实,远程医疗等近年来因为技术发展遇到了瓶颈的行业将会进入一个全新的爆发期。更多的行业细节我们将在之后发布的专栏文章进行讨论。


2.2. 5G 让移动网络超越手机


既然是商品,除了质量自然还有成本。


从 1G 到 4G,手机从打电话,到发短信/彩信,到收发 email 和浏览互联网,再到成为办公、娱乐全能的移动终端,能做的事情产生了天翻地覆的变化。


可是有一点却是一直没有变的,那就是移动网络是一个手机的网络(Mobile phone network),我们甚至可以简单粗暴的把手机和移动网络画上等号。


除掉手机,其他任何设备连入这个网都是一种非主流性质的应用。究其原因,前四代移动互联网,都是围绕着「手机的网络」这一主题进行的技术的渐进,它们的设计出发点就是默认消费者使用手机这一设备接入这个网络。


无论如何升级,1G 到 4G 的设计出发点就是为手机而服务的


之前四代的移动网络技术并没有认真考虑其他设备连接这个移动网络的可能性。换句说话因为这些移动网络的目标客户一直是消费者手中手机,也导致这个连接成本始终都不低。


这里所说的成本主要包含了通信的模块的硬件成本,移动信号的能耗成本和大家最熟知的服务费用成本。对于消费者而言,一个设备要不要通过移动网络上网,是个简单的经济账,成本过高,愿意连入该网络的设备总数就不会增长太多。


早在 2011 年,苹果公司就推出了可以单独插上 Sim 卡连入移动网络的 iPad 2,但是七年过去了,可以连入移动网络的平板电脑销量还是小的可怜,绝大多数平板电脑消费者并不愿意再为自己的平板电脑买一张手机卡。


连接数量的限制是移动服务价格成本的天花板,4G 的一个连接很贵,哪怕这个连接设备所消耗的网络流量很小,购买这张连入移动网络通行证依然不便宜。


无独有偶,2017 年 9 月发布的第三代苹果手表 Apple Watch(Series 3 Cellular)也是十分尴尬。虽然支持独立的 4G 网络连接,但在 4G 模式下,手表的电池只能坚持 4 个小时,换句话说消费者哪怕愿意支付更高的硬件费用并愿意为自己的手表支付一个移动网络月费,设备商也没办法生产出能全天候连移动网络的手表,因为连接这个网络的电能消耗是和手机差不多的,仅仅几百毫安的手表电池难以承受。


物联网概念从 2010 年后蓬勃发展再到最近两年的断崖试降温,主要原因之一就是无法解决连接成本的问题。很多物联网项目在理论上描绘了一个美好的未来,但始终难以把设备的连接网络的价格控制在合理范围内。


对很多物联网设备来说,在支付设备连入移动网络的月费的同时,它还需要考虑连接这个网络的硬件价格和电量消耗。也正是因为如此,大部分物联网设备只能退而选择 WiFi 连接的方式接入有线网络。这样不仅影响使用体验,而且极大的限制了其应用场景。


另一方面,部分选择接入移动网络的物联网设备只能选择接入成本相对较低的 2G 或是 3G 网络,难以满足其最初设计的技术需求。


共享单车可以说是大部分中国消费者接触最多的物联网设备。理想状态下,一辆共享单车是需要接入网络才能完全符合其商业模式,而不仅是个单车租赁业务。

从普通的解锁到收集用户骑行数据都需要网络。然而目前中国运营商所提供的物联网接入方案并不理想,也间接导致各大共享单车公司在产品开发上遇到不少问题。


以小黄车和摩拜单车为例,早期的 ofo 小黄车采用的静态机械锁模式可以说完全不符合物联网的基本理念,也因此出现了大量的技术漏洞。


摩拜单车一开始就决定要保证自己的自行车接入互联网,于是第一代摩拜就使用了接入移动网络的动态电子锁,它使用 2G 时代的 GSM 模块配合运营商推出的 2G 网络物联网方案,当用户扫码解锁时,后端服务器通过发送短信的方式通知单车解锁。


虽然设计上来说摩拜单车确实一开始就满足了物联网产品的设计理念,真正把单车连入了互联网,但是 2G 网络毕竟已经是 20 年前的产品,其速度和能耗都成为一个问题。


一方面来说基于 2G GSM 的设计,一套完整的短信解锁大概需要 10 秒,这也是为什么早期的摩拜单车解锁速度比较漫长;


而另一方面作为一台需要一直在线等待短信来的 2G 物联网设备,其能耗也相当高,如果没有充电,其待机时间不会超过 20 天,所以早期的一些摩拜单车会出现因为长时间没人骑车而没电解锁的问题,而且其内部的电池和通信模块也增加了其单车的骑行重量。


后期的 ofo 和摩拜单车都开始使用相对更为稳定和昂贵的 2.5G GPRS 方案,共享单车市场也出现了蓝牙锁,NFC 锁等各种锁。但一直到共享单车大战落幕的今天,「单车上网」仍然没有被妥善解决。


目前贴片式的物联网卡方案(中国移动 CMIoT,中国联通 UNI2M),是一种阉割版的手机网卡。即把使用率较低的 2G/2.5G/3G 网络作为其主要载体,4G 加以辅助。但无论哪一 G,流量、能耗、覆盖、延迟、成本,都无法很好满足多种多样的物联设备。


这些各式各样的物联网问题,归根结底就是因为前四代移动网络的初衷就是为了满足单位区域内的手机连接而设计的,各方面都难以满足其他设备接入这个移动网络的需求。


这一次的5G在目标客户群体上就彻底不同于之前,它的野心很大:5G要真正解决连接成本的问题,把移动网络的服务目标从人们手中的手机扩展到一切对网络连接有需求的设备。


明白 5G 不只是为手机服务是对 5G 革命有更深入理解的最重要一步


为了达成这个目标,5G 将提供高连接密度网络,并且细分网络的类型,从两大方面降低设备的连接成本。


高连接密度,顾名思义,就是一个区域单位能够连入网络的总数极大的提高了。通过使用海量机器类通信技术(mMTC),5G 把每平方公里的连接数量提升到了百万级别,超越了 4G 至少十倍以上,目标客户设备瞬间从一台手机变到了十几台设备。


然而光解决数量问题显然是不够的,就像现在时长处于闲置状态的 2G 和 3G 网络,他们对设备的设备、能耗等要求还是很高,一个小小的物联网温度计并没有足够大的电池来支持他们的接入。


如果我们把之前四代移动网络看做是种只能选择流量的产品,那么 5G 的细分网络技术就是把这种产品的可以选择的属性变得更复杂。除了流量之外,网络的速度、延迟、功耗、甚至硬件成本都变成了客户可以选择的一种属性。


5G 通过网络切片(Network Slicing)技术,对同一个地理位置的不同设备提供完全不同属性的独立网络,这些网络的带宽、延迟和连接功耗都不一样。客户可以根据需求购买和接入不同类型的网络。


比如


  • 对即时反应要求非常高的无人车会选择连入极低延迟但带宽相对较小的 5G 网络,从而避免支付额外的带宽费用;

  • 一台 8K 超高清网络电视则更需要大带宽而相对高延迟的网络,因为电视是可以缓冲的,但车流不能;

  • 前文提到的苹果手表显然对延迟和带宽都不要求,它需要一个便宜而且能耗极低的网络来保证相对更低的电力消耗。


你的汽车,手表和手机那怕同时同地连入 5G,它们可能接入的是不同类型的网络


现在,你应该对 5G 的网络质量和连接成本有了一个清楚的认识,是时候来重新认识 5G 区别于前面四代网络的的革命性变革了。


5G 让移动网络从以手机为中心,进化成了适配全维度的网络,搭配其前所未有的技术指标,5G 的目标是成为未来一切设备的互联网接入口。


5G 拥有成为互联网主要接口的野心与实力


基于 5G 的连接质量和连接成本,质量更高、更细分化、更便宜的移动网络连接将会变成一款类别丰富且适用性高的基础产品,它将代替有线宽带成为大部分互联网连接的主要入口,为无数的商业带来可能性,真正的改变世界。



3. 总结


通过本文,我们回答了三个问题,既:


  • 问:5G 比 4G 的技术进步到底有什么?

  • 答:5G 带来了连接质量更高,连接成本更低的移动网络。


  • 问:为什么之前的四代通信网络只能算带来了量变,而 5G 带来的是质变?

  • 答:5G 不再是一个手机网络,而是真正面对所有设备的高质量移动互联网。


  • 问:5G 和互联网的关系到底是什么?它的商业意义又是什么?

  • 答:5G 的目标是成为未来互联网的主要接口,市场将会重新思考连入互联网的方式与潜能。


其实,在回答一开始,我们提出来了一个「第三次互联网革命」的概念,但并没有深入阐述。在我们的专栏文章中,我们将会在答案概念基础上,深入讨论两个核心问题和一个具体案例:


  • 5G 的时间表会是怎样,中国大陆的消费者还需要等多少?

  • 5G 商用后,哪些行业将会在 5G 早期就被必然创造、升级或者颠覆?

  • 5G 下的游戏革命:云游戏(Cloud Gaming)的爆发与变革


在回答这些问题的同时,我们也会把 5G 对互联网带来的技术质变与 96 年互联网走向个人化,和 07 年互联网走向移动化的两次互联网革命进行纵向类比,从而启发您的思路。


历史总是重演,回顾每一场革命的开端,我们都能看到迟钝与迷惑的大多数,我们也总能看到敏锐和智慧的极少数。


而正是因为这些极少数,他们真正的先于众人看到了未来并且牢牢的抓住了它,主宰下一个时代。


来源:知乎孙煜征


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