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鵝知道 | 與4G相比,5G不僅僅是速度變快了

3月12日,福州市無線電管理局給福州移動發函表示,同意注銷中國移動通信集團福建有限公司福州分公司TD-SCDMA基地台。這意味著在5G即將到來之際,中國移動的部分3G基地台在福建率先開始退出。

5G在很多人的眼中,與4G、3G相比,最直觀的感受就是速度變快了,這也是各大媒體經常用的標題,比如《下載超清電影,只需要XX秒》。但在知乎答主“孫煜征”看來,除了極大的速度提升外,5G還帶來的極低的網絡延遲,針對不同設備的分層網絡等從未有過的技術進步。

以下為知乎答主“孫煜征”回答全文,騰訊科技稍作整理:

正如第一代iPhone面世時,眾多手機廠商挖苦股價只有10美元的蘋果公司不務正業,而沒有意識到iPhone開啟了移動互聯網時代的元紀年。同樣的,5G會帶來第三次互聯網革命,但多數人5G的認知,卻僅僅停留在了“比4G快一些”。這是因為1G到4G的移動網絡都是以手機為中心,所以人們自然而然用3G到4G的升級去類比4G到5G的升級。

其實,"快”,只是5G為互聯網帶來眾多質變中,不那麽重要的一點。5G是全能網絡,會為整個互聯網帶來質變。除了極大的速度提升外,5G還帶來的極低的網絡延遲,針對不同設備的分層網絡等從未有過的技術進步。通過5G,互聯網的觸角將再次延伸,這次一次它將能輕鬆觸及到每一個人類社會的電子設備;有線網絡將被無線網絡全面取代;連接成本、能量消耗、延遲、速度,都將迎來史無前例的革新。

在谷歌工作的戴維和我,對5G技術在中文和英文互聯網上都進行了深刻、全面的研究。這篇回答,我們將從連接質量和連接成本兩個框架下剖析5G的技術,進行橫向和縱向的對比。我們既會從抽象上將5G的技術進步與前兩次互聯網革命進行類比,也會深入討論一些具體的前沿變革。我們希望通過本文,讓你能夠透徹理解:

5G比4G的技術進步到底有什麽?

·為什麽之前的四代通信網絡只能算帶來了量變,而5G帶來的是質變?

·5G和互聯網的關係到底是什麽?它的商業意義又是什麽?

1. 關於5G的標準建立

5G,全稱第五代移動通信網絡(5th Generation Mobile Networks)。嚴格的講它並不是一個或者一套具體的產品,而是指代一套技術標準。

信息通信系統是極度複雜的。從手機,到電信基地台,到網絡運營伺服器,上萬套不同的設備互相協作,才能構成一個擁有完整功能的通信系統。世界上沒有哪個公司有能力造出系統中的每一件產品。這樣既不經濟,也有太高的風險。因此,全世界的通信系統公司們會合作制定一套標準,這套標準確立了這個完整系統的各種參數和指標,也確立了每一個生產商與其他生產商的對接方式。

不難想象,參與人數眾多,規模如此複雜的一套標準,在制定的過程中必然會出各種衝突與矛盾。經歷了眾多代通訊標準的大討論,場上的玩家不是更樂於合作了,而是變得更斤斤計較了。於是,在5G標準的制定過程中,這些矛盾有進一步的計劃,甚至上升到了國家利益層面。標準的的產生通常是巨頭的遊戲,中國最大的兩家通信系統相關公司華為與中興就在5G計劃之初積極參與其標準的制定,過程上不乏與美國,歐洲等行業巨頭的角力與合作。儘管5G標準的制定過程遠非一帆風順,巨頭間的博弈並不會阻止5G發展的時代大勢。

在此我們將把重心放在5G的消費者市場,本文所提及的,是無論技術誰來領導、標準是否分裂、市場有多強的監管,都必然會發生的互聯網行業變革。5G的技術升級非常的複雜,在此我們決定簡化技術細節的科普,把重心放在技術升級帶來的消費者體驗升級上,從結果入手來分析5G的“質變”是什麽,我們強調的“革命性不同”到底在哪裡。

2. 體驗升級分為連接質量提升和連接成本降低

幾乎每個人都知道5G會比4G更新更強。

然而,對於5G的認知,包括很多熟知通信和互聯網的從業人員,都還停留在了類比4G與3G的階段,即“速度更快”這一基礎概念上。其實上,雖然5G比目前最快的4G版本的連接速度快100倍(4G比3G快10倍),速度的增加也僅是5G將會帶來的技術進步之一。甚至,我們大膽判斷,5G的速度提升只是其技術進步中最不重要的一個。

無論哪一代移動通信網絡,其本質都是一種商品,人們購買這種商品來接入這個網絡從而達到通信的目的。那麽作為一個網絡連接產品,5G帶給市場最直觀的兩大體驗升級就是其連接質量的提升和連接成本的降低。無論你是一個直接消費者還是一個5G的創業者,投資人,明白這兩個概念是深入理解5G革命的第一步。

2.1. 連接質量分為帶寬和延遲

帶寬

提到一個網絡的連接質量,消費者首要關心的就是網速,行話稱之為帶寬(bandwidth),即部門時間內的比特信息傳輸總量,我們常說的下載速度就是由帶寬決定的。截至2018年第三季度,中國移動4G LTE平均下載速度是30Mbps(Megabits per second,既兆每秒),和我們平時見到的有線寬頻速度差不多。從應用角度來說,消費者平時的高清視頻直播的帶寬需求大約是2-10Mbps,英雄聯盟、吃雞一類的即時互動網絡遊戲對帶寬的需求大約是1-3Mbps,如果帶寬不足,遊戲和視頻就會出現卡頓。

根據設計標準,5G的用戶帶寬最高將達到1Gbps(1024Mbps),是目前4G的30倍,而其峰值帶寬可以達到難以想象的20Gbps,超越4G百倍。橫向對比現在,這樣的用戶帶寬大概和一個機械硬碟的寫入速度差不多,堪比世界網速最快國家日本的家用光纖網絡(Fiber-optic network);縱向對比歷史,設計速度上來看2G比1G快了20倍,3G比2G快了20倍,4G比3G快了10倍,而5G相對4G的百倍帶寬將是歷史上提升最大的一次;這樣的速度是4K清晰度直播流媒體(25Mbps)所需求的40倍。基於目前的行業預測,5G所提供的帶寬甚至能滿足未來20年消費者對網絡帶寬的需求,並全面超越有線互聯網。

延遲

然而就像我們前面所言,5G對連接質量的提升,遠不只體現在帶寬上,5G網絡的延遲(latency)才是重頭戲。

網絡通信永遠都繞不開延遲這一關。作為反映數據從被發送到被接受的時間指標,延遲的重要性並不比帶寬底,如果說帶寬決定的是網絡的下載速度,那麽延遲決定的就是網絡的反應速度。以日常的應用為例,延遲的高低直接影響了直播、手遊、導航、交易、遠程操控等一切對即時反應有高要求的網絡傳輸。很多網絡遊戲玩家都有過“明明下載速度很快但是玩兒遊戲還是卡”的經歷,本質就是網絡延遲出了問題。

以手遊王者榮耀為例,其官方推薦的帶寬要求只有1Mbps,可以說成熟的3G網絡就能能輕鬆滿足其帶寬要求。為什麽3G時代幾乎沒有任何的手機在線網遊呢?拋開成本來說,4G的網絡延遲比3G時代降低了大約70%,達到了和家用有線網絡差不多的水準,這也直接導致了那些原來只能在電腦、筆電上使用的網絡技術能在手機上得以實現。

有趣的是,在過去的十年間,無論是家庭有線網絡還是手機移動網絡的網絡延遲都沒太大變化,這一重要的指標經常已經被人們所習慣和忽略了。事實上,目前的整個互聯網有著巨大潛力被現在的網絡延遲所牢牢限制,沒有被發掘和利用,無數對網絡延遲有高要求的應用無法實現。

在降低通信網絡延遲這方面,金融行業的高頻交易公司就是最直觀的例子,他們走在了前面,並嘗到了巨大的甜頭。2013年,美國網絡服務商Hiber年 Atlantic斥資6億美元,只為修建一條長達6千多公里的光纖網絡線路,專門服務紐約和倫敦的高頻股票交易公司,可以把兩地的光纖網絡延遲降低到59毫秒,比之前的低了6毫秒。光是連入該條網絡的“入網費”就達到1500萬美元,然而對那些高頻交易公司來說,每一毫秒的提升可以帶來最多每年1億美元的價值。

從數據上來看,目前最先進的4G LTE平均延遲大概在90毫秒,普通的有線網絡大概是50-120毫秒,而5G的目標延遲是10毫秒以內,其設計目標約為4G的1/50,並且遠遠得低於目前的普通有線網絡。我們有理由相信,5G的超低延遲將會是一顆引爆互聯網潛能的核彈!

然而正如我們一開始所講到的,如說帶寬的提升是一種“增強”,那麽延遲的降低則是一種前所未有的“升級”。5G帶來了比4G近乎百倍的連接質量提升,它是一種市場從來沒有體驗過的超低延遲、超大帶寬網絡,毫不誇張的說,上一次消費者們經歷如此巨大的體驗升級還是20年前寬頻入戶的時候,那是我們第一次知道撥號上網是多麽的落後。

我們可以斷言,目前市場的一切互動式網絡活動:流媒體、遊戲、在線交易都是基於目前的延遲和帶寬所設計的,在5G時代,創業者們需要重新去思考與設計在5G網絡質量下的互聯網互動的內容和方式。就像市場在3G時代無法想象直播一樣,普通消費者可能也難以站在4G的背景下去想象5G的互聯網又能帶來怎樣的可能。基於我們的初步判斷,5年之內,受益於5G的網絡質量,規模化的集中計算將會逐漸成為主流,遊戲,即時控制,人工智能,虛擬現實,遠程醫療等近年來因為技術發展遇到了瓶頸的行業將會進入一個全新的爆發期。更多的行業細節我們將在之後發布的專欄文章進行討論。

2.2. 5G讓移動網絡超越手機

既然是商品,除了質量自然還有成本。

從1G到4G,手機從打電話,到發短信/彩信,到收發email和瀏覽互聯網,再到成為辦公、娛樂全能的移動終端,能做的事情產生了天翻地覆的變化。可是有一點卻是一直沒有變的,那就是移動網絡是一個手機的網絡(Mobile phone network),我們甚至可以簡單粗暴的把手機和移動網絡畫上等號。除掉手機,其他任何設備連入這個網都是一種非主流性質的應用。究其原因,前四代移動互聯網,都是圍繞著“手機的網絡”這一主題進行的技術的漸進,它們的設計出發點就是默認消費者使用手機這一設備接入這個網絡。

之前四代的移動網絡技術並沒有認真考慮其他設備連接這個移動網絡的可能性。換句說話因為這些移動網絡的目標客戶一直是消費者手中手機,也導致這個連接成本始終都不低。

這裡所說的成本主要包含了通信的模塊的硬體成本,移動信號的能耗成本和大家最熟知的服務費用成本。對於消費者而言,一個設備要不要通過移動網絡上網,是個簡單的經濟账,成本過高,願意連入該網絡的設備總數就不會增長太多。

早在2011年,蘋果公司就推出了可以單獨插上Sim卡連入移動網絡的iPad 2,但是七年過去了,可以連入移動網絡的平板電腦銷量還是小的可憐,絕大多數平板電腦消費者並不願意再為自己的平板電腦買一張手機卡。連接數量的限制是移動服務價格成本的天花板,4G的一個連接很貴,哪怕這個連接設備所消耗的網絡流量很小,購買這張連入移動網絡通行證依然不便宜。

無獨有偶,2017年9月發布的第三代蘋果手錶Apple Watch(Series 3 Cellular)也是十分尷尬。雖然支持獨立的4G網絡連接,但在4G模式下,手錶的電池只能堅持4個小時,換句話說消費者哪怕願意支付更高的硬體費用並願意為自己的手錶支付一個移動網絡月費,設備商也沒辦法生產出能全天候連移動網絡的手錶,因為連接這個網絡的電能消耗是和手機差不多的,僅僅幾百毫安的手錶電池難以承受。

物聯網概念從2010年後蓬勃發展再到最近兩年的斷崖試降溫,主要原因之一就是無法解決連接成本的問題。很多物聯網項目在理論上描繪了一個美好的未來,但始終難以把設備的連接網絡的價格控制在合理範圍內。

對很多物聯網設備來說,在支付設備連入移動網絡的月費的同時,它還需要考慮連接這個網絡的硬體價格和電量消耗。也正是因為如此,大部分物聯網設備只能退而選擇WiFi連接的方式接入有線網絡。這樣不僅影響使用體驗,而且極大的限制了其應用場景。

另一方面,部分選擇接入移動網絡的物聯網設備只能選擇接入成本相對較低的2G或是3G網絡,難以滿足其最初設計的技術需求。

共享單車可以說是大部分中國消費者接觸最多的物聯網設備。理想狀態下,一輛共享單車是需要接入網絡才能完全符合其商業模式,而不僅是個單車租賃業務。從普通的解鎖到收集用戶騎行數據都需要網絡。然而目前中國運營商所提供的物聯網接入方案並不理想,也間接導致各大共享單車公司在產品開發上遇到不少問題。

以小黃車和摩拜單車為例,早期的ofo小黃車採用的靜態機械鎖模式可以說完全不符合物聯網的基本理念,也因此出現了大量的技術漏洞。摩拜單車一開始就決定要保證自己的自行車接入互聯網,於是第一代摩拜就使用了接入移動網絡的動態電子鎖,它使用2G時代的GSM模塊配合運營商推出的2G網絡物聯網方案,當用戶掃碼解鎖時,後端伺服器通過發送短信的方式通知單車解鎖。

雖然設計上來說摩拜單車確實一開始就滿足了物聯網產品的設計理念,真正把單車連入了互聯網,但是2G網絡畢竟已經是20年前的產品,其速度和能耗都成為一個問題。一方面來說基於2G GSM的設計,一套完整的短信解鎖大概需要10秒,這也是為什麽早期的摩拜單車解鎖速度比較漫長;而另一方面作為一台需要一直在線等待短信來的2G物聯網設備,其能耗也相當高,如果沒有充電,其待機時間不會超過20天,所以早期的一些摩拜單車會出現因為長時間沒人騎車而沒電解鎖的問題,而且其內部的電池和通信模塊也增加了其單車的騎行重量。

後期的ofo和摩拜單車都開始使用相對更為穩定和昂貴的2.5G GPRS方案,共享單車市場也出現了藍牙鎖,NFC鎖等各種鎖。但一直到共享單車大戰落幕的今天,“單車上網”仍然沒有被妥善解決。

目前貼片式的物聯網卡方案(中國移動CMIoT,中國聯通UNI2M),是一種閹割版的手機網卡。即把使用率較低的2G/2.5G/3G網絡作為其主要載體,4G加以輔助。但無論哪一G,流量、能耗、覆蓋、延遲、成本,都無法很好滿足多種多樣的物聯設備。

這些各式各樣的物聯網問題,歸根結底就是因為前四代移動網絡的初衷就是為了滿足部門區域內的手機連接而設計的,各方面都難以滿足其他設備接入這個移動網絡的需求。

這一次的5G在目標客戶群體上就徹底不同於之前,它的野心很大:5G要真正解決連接成本的問題,把移動網絡的服務目標從人們手中的手機擴展到一切對網絡連接有需求的設備。

為了達成這個目標,5G將提供高連接密度網絡,並且細分網絡的類型,從兩大方面降低設備的連接成本。

高連接密度,顧名思義,就是一個區域部門能夠連入網絡的總數極大的提高了。通過使用海量機器類通信技術(mMTC),5G把每平方公里的連接數量提升到了百萬級別,超越了4G至少十倍以上,目標客戶設備瞬間從一台手機變到了十幾台設備。

然而光解決數量問題顯然是不夠的,就像現在時長處於閑置狀態的2G和3G網絡,他們對設備的設備、能耗等要求還是很高,一個小小的物聯網溫度計並沒有足夠大的電池來支持他們的接入。如果我們把之前四代移動網絡看做是種只能選擇流量的產品,那麽5G的細分網絡技術就是把這種產品的可以選擇的屬性變得更複雜。除了流量之外,網絡的速度、延遲、功耗、甚至硬體成本都變成了客戶可以選擇的一種屬性。

5G通過網絡切片(Network Slicing)技術,對同一個地理位置的不同設備提供完全不同屬性的獨立網絡,這些網絡的帶寬、延遲和連接功耗都不一樣。客戶可以根據需求購買和接入不同類型的網絡。

比如

·對即時反應要求非常高的無人車會選擇連入極低延遲但帶寬相對較小的5G網絡,從而避免支付額外的帶寬費用;

·一台8K超高清網絡電視則更需要大帶寬而相對高延遲的網絡,因為電視是可以緩衝的,但車流不能;

·前文提到的蘋果手錶顯然對延遲和帶寬都不要求,它需要一個便宜而且能耗極低的網絡來保證相對更低的電力消耗。

現在,你應該對5G的網絡質量和連接成本有了一個清楚的認識,是時候來重新認識5G區別於前面四代網絡的的革命性變革了。

5G讓移動網絡從以手機為中心,進化成了適配全維度的網絡,搭配其前所未有的技術指標,5G的目標是成為未來一切設備的互聯網接入口。

5G擁有成為互聯網主要接口的野心與實力

基於5G的連接質量和連接成本,質量更高、更細分化、更便宜的移動網絡連接將會變成一款類別豐富且適用性高的基礎產品,它將代替有線寬頻成為大部分互聯網連接的主要入口,為無數的商業帶來可能性,真正的改變世界。

3. 總結

通過本文,我們回答了三個問題,既:

·問:5G比4G的技術進步到底有什麽?

·答:5G帶來了連接質量更高,連接成本更低的移動網絡。

·問:為什麽之前的四代通信網絡只能算帶來了量變,而5G帶來的是質變?

·答:5G不再是一個手機網絡,而是真正面對所有設備的高質量移動互聯網。

·問:5G和互聯網的關係到底是什麽?它的商業意義又是什麽?

·答:5G的目標是成為未來互聯網的主要接口,市場將會重新思考連入互聯網的方式與潛能。

作者簡介

戴維:谷歌軟體工程師,加州大學洛杉磯分校計算機學學士。主要從事雲端、物聯網系統和智能教育方面的設計及開發工作。現居西雅圖。

孫煜征:亞馬遜經濟學家,康奈爾大學經濟學博士;有戰略管理谘詢和創業經歷。主要從事人工智能、數據科學的研究及開發工作;業餘從事管理谘詢、創業指導。現居西雅圖。

編輯 潘美宸:華盛頓大學數字媒體傳播碩士,業餘從事科普寫作。

欄目簡介

“鵝知道”系騰訊新聞和知乎聯合出品的精品欄目,針對科技熱點新聞,第一時間為用戶帶來可信賴的解讀。

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