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5G尚不成熟 炒作卫星通信和6G是镜花水月

铁流 · 2019-10-02 · 来源:铁君
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当下,需要的不是媒体的喧嚣,而是静下心来搞基础理论突破,或者是在关键技术上有所革新,把成本、覆盖、功耗问题解决,把如今这些商业概念的东西,变成真正的技术迭代。

  9月16日,华为“心声社区”刊登了任正非接受《经济学人》的采访纪要。任正非表示,华为的6G研究也是领先世界的,预计6G技术十年后才会开始投入使用。网络上也流传了“任正非称华为6G研究领先世界:预计6G技术十年后投入使用”的短文。

  还有媒体报道,任正非表示:6G技术和5G技术在开发过程中是并行的,6G我们早就在做了,6G主要是毫米波,因为它有非常宽的带宽,但它可能会牺牲发射距离,6G真正规模化地投入使用,对于我们公司来说还很早,还有些过程。

  由于5G、6G被热炒,以及诸多厂商信息轰炸,网友把任正非说的的这个6G研究世界领先和马斯克的卫星通信相提并论,并认为是中美开始6G竞赛。

  还有一篇标题为《10年后6G将问世 速度有望比5G快100倍》文章指出:

  区别于5G,6G要构建出一张实现空、天、地、海一体化通信的网络。6G频段将从5G的毫米波频段拓展至太赫兹频段,数据传输速率有望比5G快100倍,时延达到亚毫秒级水平。在用户的个性化服务以及物联网、工业互联网、无人驾驶、智能工厂等领域,6G都将有较广阔的应用前景。

  据铁流相对有限的知识,如今热炒的6G、太赫兹波和马斯克的卫星、无人机部署6G,都是不太靠谱的。

  

  马斯克的卫星6G是大忽悠

  用无人机和卫星实现普适性的通信这个早已不是什么新鲜事,美国谷歌公司,就鼓吹并曾经尝试过,结果事实证明,就是一个炒股价,玩噱头的东西,根本缺乏可行性。马斯克宣布发射12000颗卫星完成6G覆盖的说辞也是不靠谱的。

  “钢铁侠(大忽悠)”马斯克是营销大师,推特整天玩噱头,美国证监会甚至放话:再乱发推特就起诉你(非原话,但大致是这个意思)。

  这种结果的根源在于技术限制使卫星通信难以普及。

  一直以来,传统的卫星通讯基于C频段和Ku频段,而且受到发射功率,天线尺寸等因素的影响,能够满足普通老百姓日常使用的普适性卫星通信网络在技术上难度很大,截至目前,卫星通信的用户基本锁定于军队、政府、金融机构,以及一些实力雄厚的跨国公司。

  根据香农定理,信息传输能力与带宽和发射功率成正比,与背景噪音功率成反比。这里先解释一下带宽,一般信道都有一个最高的信号频率和最低的信号频率,只有在这两个频率之间的信号才能通过这个信道,这两个频率的差值就叫做这个信道的带宽。用来打个比喻的话,带宽好比是公路的宽度。5G在频谱利用率和4G差不多的情况下,把网速提升上去,最为关键的一点就是5G采用大带宽,国内运营商在中频获得了100M以上的带宽,而一些国外运营商则在高频上获得了几百兆的带宽,相比之下,4G带宽仅为几十兆。

  如果要把信息传输能力提升上去,比较现实的做法是提升“信息公路”的宽度,或者提升信号的发射功率。

  以发射功率来说,4G是40W,华为5G的发射功率则高达240W,诺基亚上液冷,发射功率高达320W.

  就带宽来说,5G暴力提升的做法之一就是把带宽从4G时代的几十兆,提升到5G时代的上百兆乃至1个G,像几大厂商测试中宣称的高速率,都用了800M以上的带宽才能完成这种极速测试,在实践中,是不可能在低频拿出800M带宽给运营商挥霍的。

  不过,C频段和Ku频段相对有限,而且非常宝贵,“信息公路”的宽度天然受到限制。而受技术水平限制,信号的发射功率的提升也不是无节制的。

  而且Ku波段的网络需要蝶形天线发射和接收的,在房间里是接受不到的。阴天、大雨连接也会受到影响因此,无线传输能力也会有一个上限,而且在室内、阴雨天的用户体验会非常糟糕。

  当有限的资源面临庞大的用户,自然会导致用户多了上网就卡,甚至会出现无法接入的情况。即便5G、卫星通信等被媒体炒得火热,但光纤才是数据传输的大动脉。

  卫星通信还要解决功率和天线的问题。在发射功率不变前提下,距离近可以降低信号衰减,当信息传输距离扩大到海平面和近轨人造卫星的距离,要想实现信息的可靠传输,就必须提升下行功率(卫星信号到手机)和上行功率(手机信号到卫星),而要满足这一标准,会使电子元器件的体积大幅增加,这必然导致射频天线的尺寸根本塞不进当前以轻薄为主打要求的手机中。

  事实上,卫星通信终端,尺寸都比较大,一般都安装在建筑物上面或者大型的车辆上。随着半导体技术的发展,卫星通信终端的体积缩小了不少,能够放到小汽车上,但还是塞不进手机里,不适合普通人随身携带。

  正是因此,卫星通信只能服务少数人,用户数量少又带来价格过高的问题。

  比如美国当年的铱星计划,铱星移动通信系统最多只能满足50万用户的语音通信,而且由于用户体验非常一般,实际用户远远达不到这个数字,受巨大的研发费用、系统建设费用和维护费用拖累,铱星背上了沉重的债务负担,最终不得不申请破产,由美国军方当了接盘侠。

  由此可见,卫星通信只仅仅是作为补充的形式而存在,更多的服务于军队、政府、金融机构,以及一些实力雄厚的跨国公司,无法向老百姓提供普适性服务。

  其实,中国也有卫星通信的计划,一个是鸿雁星座计划,另一个是虹云工程。

  鸿雁星座计划,2016年立项,计划2020年建成,计划发射60颗低轨道卫星,实现全球组网。

  虹云工程,计划发射156颗卫星,它们在距离地面1000公里的轨道上组网运行。

  鸿雁和虹云都是现有通信体系的补充,为飞机、轮船、客货车辆、野外场区、作业团队以及一些偏远地区的村庄、岛屿提供服务。无法承载提供普适性服务的能力。

  正如大家调侃“有线是无限的,无线是有限”的,真正承载信息的大动脉是光纤,至于无线侧到底是WIFI,还是4G/5G大家可以根据实际情况自由选择,但光纤的地位是无法取代的。

  因此,设计的原则是用有线尽量去靠近用户,在最近用户的地方使用无线。而卫星通信却是背道而驰。鼓吹美国卫星通信对4G/5G革命的说辞,就是瞎扯淡。

  卫星通信确实有前途,但并非对现有通信体系的革命,而是对现有通信体系的补充。

  任正非说的毫米波和学者热捧的太赫兹波部署6G也是值得商榷的

  虽然很多媒体各种鼓吹5G,并把5G等同于中国标准,各种打鸡血,但5G标准是全球通信产业共同制定的。

  此前,不少网友留言问:“高通的5G标准”和“华为的5G标准”哪家强?

  或宣称“华为5G标准”秒杀“爱立信5G标准”、“诺基亚5G标准”。

  其实,不存在所谓“高通的5G标准”,“华为的5G标准”、“爱立信的5G标准”、“诺基亚5G标准”,大家都同一套标准。

  此前铁流提到的5G未诞生革命性技术,系统效率提升微乎其微,主要靠暴力提升性能,进而带来覆盖差、功耗大、成本高的问题,这是大家的通病,只要5G标准不进一步改进,大家都逃不掉这些“娘胎里”带出来的问题。

  由于在3G时代后,大家对高通在3G时代一家独大心有余悸,因而在此后都在玩平衡,中国只是其中的重要参与者。没有任何一方能够获得高通在3G时代的地位。

  从实践上看,5G反而是高通的一个机遇,在4G时代被中欧联手“去高通化”之后,高通借助5G提升了自己的话语权,一个典型的例子就是高通宣布的5G时代的“高通税”,比4G时代要高。

  在实践中,5G覆盖比较差,国内用厘米波,覆盖只有300米,美国用毫米波覆盖只有不到200米。而且信号穿透很差,室内信号锐减。

  之所以出现这种情况,主要是因为由于5G在频谱利用率上和4G差不多。因而走了高频扩容,暴力提升的道路。很多商家鼓吹的“很厉害”的技术,其实就是为了支持更大带宽。

  两位网友告知:

  4G五载波聚合,4x4mimo,256QAM,实测速度1.2Gbps。

  香港4G商用网速也测出过980Mbps。

  5G性能上的提升,很大程度上依靠大带宽和多天线。把带宽从原来的几十兆,变成上百兆,几百兆,把原来4根、8根天线,变成现在的96根、128根天线。

  这种暴力堆积的结果,就是导致成本、功耗暴涨,覆盖和信号穿透很差。

  而且在低频上拿出不这么多带宽,所以5G只能用中频和高频。而128根天线的一个直接影响,就是天线口径效率锐减,某厂商的天线口径效率只有13%,大量能量被转化成热能浪费掉,加上射频、天馈系统、散热系统都是电老虎,5G基站的功耗随之大增。

  可以说,即便是用中频部署5G,300米的覆盖和糟糕的室内信号已经非常麻烦了,从美国的实践看,用毫米波进了室内就没信号。美国用高频部署,美国运营商Verizon的“5G Home”实践也证明,这是一个大坑。

  

3.webp.jpg

  顺带说一句,毫米波明明是5G用的,工程院院士邬贺铨就表示:

  在频率问题上,我们现在是工作在6GHz(千兆赫兹)以下的频段,这个频段与毫米波频段相比建网相对更快一些,但能得到的最高峰值带宽不如毫米波频段,所以未来中国5G还要采用毫米波频段。

  有意思的是,根据任正非的说法,毫米波变成了6G技术。难不成美国5G=中国6G?(任正非表示:6G技术和5G技术在开发过程中是并行的,6G我们早就在做了,6G主要是毫米波,因为它有非常宽的带宽,但它可能会牺牲发射距离,6G真正规模化地投入使用,对于我们公司来说还很早,还有些过程)。

  这着实令人困惑。一位朋友告知:

  现在的5G毫米波是30Ghz左右频段,任正非可能指的是100Ghz至300Ghz频段。

  然而,选择更高的频率,确实可以带来更多的带宽,但问题在于,覆盖范围会非常可怜,信号穿透性会差的离谱,成本会异常高昂,设备功耗会在现在厘米波5G基站的基础上成倍增长。

  事实上,5G用厘米波的信号覆盖和信号穿透就已经非常感人了,正是因此,设备商鼓吹宏基站+微基站+皮基站+飞基站的部署方式来弥补信号覆盖问题,而且老百姓家家户户都要装室内基站。

  5G用厘米波,覆盖有多差呢?大家看一个视频。

  

  (这里说明一下,4G的潜力很大,4G五载波聚合,4x4mimo,256qam,实测速度1.2Gbps。香港4G商用网速也测出过980Mbps。因此,实测5G 100+Mbps,峰值900+Mbps并不能说就比4G强,只能说三大运营商在大陆并没有充分挖掘4G的潜力。)

  电磁波有一个特点,那就是频率越高,覆盖越差,信号穿透越差。现在的5G用的是2.6Ghz、3.5Ghz、4.9Ghz,室内信号覆盖已经到这种地步了,铁流无法想象,用30Ghz、300Ghz信号覆盖和穿透会怎么样!

  而一些媒体和学者炒作的太赫兹波,则是高频扩容思路的进一步发展。铁流认为,这已经是走火入魔了。

  6G太赫兹是怎么回事呢?

  根据东南大学毫米波国家重点实验室主任洪伟教授《毫米波与太赫兹技术》的定义:

  传统上, 微波频段定义为300 MHz-26.5 GHz, 毫米波频段为26.5-300 GHz, 而太赫兹频段为300GHz至10000 GHz (10 THz). 现在比较流行的一种说法是, 0.3-30 GHz 为微波频段, 30-300 GHz 为毫米波频段, 也有人将0.1-10 THz 称作太赫兹频段(1THz=1000Ghz)。

  

4.webp.jpg

  可以看出,太赫兹波可以简单理解为频率比毫米波更高的电磁波。炒作太赫兹6G的思路,其实还是5G的高频扩容的思路,就是选择更高的频谱,获得更大的带宽,从而获取更高的网速。

  换言之,2.6Ghz、3.5Ghz、4.9Ghz上的500MHZ带宽商家觉得不够用,于是高频扩容选30Ghz至300Ghz,却对带来的覆盖、功耗、成本问题避而不谈。

  现在,为了获取更大的带宽,一些学者鼓吹用300Ghz至1000Ghz频段,问题是,之前那个视频已经展示了,2.6Ghz、3.5Ghz、4.9Ghz的信号穿透不行,而且运营商在实践中发现,现在的厘米波5G基站功耗是4G基站的2.5至4倍,中移动如果建1000万个5G基站,全年利润不够支付半年电费。覆盖在无建筑物阻挡的情况下,只有300米,5G基站的成本是4G基站的4倍。

  如果用太赫兹波,功耗、组网成本、覆盖问题会比现在的厘米波5G基站大很多很多。

  这绝对是运营商的噩梦!

  对于这种高频扩容的思路,几位网友吐槽:

  5G用厘米波覆盖已经很差了,就窗口有新号,室内走2米信号很差,网速连4G都不如。用毫米波,覆盖更差,功耗更大,成本更高......太赫兹波,画面太美。

  按照这思路,难不成10G用红外线?天线1024根。20G要用伽马射线?1万多根天线?

  

5.webp.jpg

  可以说,高频扩容这条路线经过5G现在的实践,其实是非常值得商榷的,当下5G的功耗问题、覆盖问题和成本问题已经让运营商有点头疼了。这种6G基站的覆盖会非常感人,而且会使整个系统的成本、功耗在5G的基础上进一步成倍增长。

  也许有的读者会觉得铁流啰嗦,但问题是很多读者对铁流文章里指出的问题视而不见,陷入厉害体、沸腾体不可自拔,因而重要的事情说三遍。

  根据电磁波的特性,频率越高覆盖越差,如今Verizon用毫米波做室内覆盖都未能在商业上取得成功,国内用中频(3.5Ghz)覆盖都不乐观,只有300米,室内信号锐减。

  用太赫兹波的话,覆盖恐怕会非常感人,而要完成这种6G基站全覆盖,没准太赫兹的6G基站要像节庆活动中的灯笼一样每隔几米或十几米挂一个,必须屋内屋外,路灯树上全部挂满,才能实现无死角全覆盖。对于设备商来说,这绝对是梦寐以求的,但对于运营商来说,这绝对是灾难和噩梦。

  如果基础理论没有突破 通信必然称为红海

  从现在4G、5G、卫星通信技术的情况看,未来几年,4G的地位无法动摇,会成为广域覆盖的关键和中流砥柱。

  5G由于成本高、覆盖差、功耗大,只适合在人流密度较大地区覆盖,政府拉动GDP烧钱强推的话,城市户外覆盖也可以,但农村必须靠4G。

  而卫星通信则会在偏远地区的村庄、岛屿提供服务,或者为飞机、轮船、客货车辆、野外场区、作业团队提供通信服务。

  室内场景,比如办公室、家庭环境,基本依旧会是WIFI的天下。

  因此,未来几年,4G和5G会长期并存,现阶段5G如果不进行技术革新和改进,会类似3G那样成为过渡性技术。而卫星通信,则会在自己的一亩三分地为相对有限的用户提供通信服务。

  铁流认为,在基础理论突破以前,所谓的5G、6G其实都是商业概念,是通信厂商为了自身利益推出的东西,只是为了让整个行业有钱赚,从业者能有饭吃。

  其实,通信专业的人一方面很早就知道香浓时代就已经划定了通信效率的上限,另一方面这个专业结论又是不能大张旗鼓的说的,特别是对公众、对政治家、对外行、对投资人大张旗鼓的说,否则就会让他们丧失想象力,从而嫌弃这个行业而去。

  所以出现了当下的乱象——在基础理论没有突破,频谱利用效率没有提升的情况下,企业和媒体合流纷纷炒作5G、6G如何牛逼,如何改变人类生活。进而忽悠政府绑架政策,国家投资,全民买单。

  何况这个5G对广大用户而言没啥意义,4G就够用了。即便是工业应用,考虑到稳定、可控、抗干扰、性价比等因素,肯定也是有线为主——目前智能工厂中97%为有线网络,2%用WIFI,用蜂窝通信的不足1%。

  

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  必须指出的是,任正非所言的华为同时研究5G和6G恰恰说明6G没啥技术革新,因为4G就已经把现有技术用的比较到位了,5G技术升级疲软就是在缺乏理论和技术革新的情况下,暴力堆料的结果。

  虽然行业每隔7至10年就推新一代通信标准,但是技术突破和理论革新不是每7至10年就会出现的。在缺乏理论突破和技术革新的情况下每7至10年搞一套通信标准,本质上都是商业概念,而不是真正能够提升老百姓通信体验,降低通信成本的好技术。结果只能是用全民的财富给通信行业输血。

  当下,需要的不是媒体的喧嚣,而是静下心来搞基础理论突破,或者是在关键技术上有所革新,把成本、覆盖、功耗问题解决,把如今这些商业概念的东西,变成真正的技术迭代。

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