无线通信产业发展的历史从技术和需求两条线G
无线通信产业已经发展了四代，目前正处于5G产业化前夕，是当下到一个最热的线G如何发展，前景如何，是各个方面包括学术界、产业界、投资界以及都非常关心的。另外，中国已经启动6G研究的消息也见诸报端，未来无线通信产业如何发展，是不是会继续有6、7、8、9G，也引起了大家的关切。为了回答这些问题，我们首先简单地回顾一下无线通信产业发展的历史。
无线通信产业是由需求和技术两个轮子驱动前进的。早在1947年，贝尔实验室的科学家就提出了蜂窝通信的概念，其中的核心技术是频率复用和切换。基于这一概念，贝尔实验室于1978年研制出先进移动电话系统（Advanced Mobile Phone Service，AMPS），这就是第一代移动通信系统。AMPS是一个模拟通信系统，采用频分多址（FDMA）的复用技术，主要技术手段是滤波器，容易受噪声的干扰，语音质量较差。随着集成电技术的发展，第二代移动通信系统采用了数字技术，并采用TDMA和信道编码技术，使得通信系统向宽带化发展，语音质量得到了较大的改善。 其中欧洲制定的GSM系统非常成功，至今仍在广泛使用。20世纪90年代互联网蓬勃发展，这一时代要求，产业界制订了3G标准用以实现移动互联网。
3G采用了高通公司开发的CDMA技术。CDMA一度被认为是一个神奇的技术，高通公司CDMA的频谱效率可以达到AMPS的18倍，但是实践表明这个观点太过于浮夸了，CDMA存在自干扰问题，其频谱效率只比GSM高10%左右，并且3G的主流标准WCDMA的系统设计过于复杂，导致部署成本比较高，所以一直无推背图原文法替代GSM系统。 移动通信采用了OFDM技术，从根本上克服了CDMA的技术缺陷，并且简化了系统设计，成就了一代成功的移动通信系统。OFDM如何克服CDMA的缺陷，具体可以参考我的《通信之道-从微积分到5G》。
如果我们稍微总结一下，可以发现，1G发掘出了移动通信的巨大需求，但是采用了比较落后的技术体制，因此长不大。2G进行了数字化，从而获得巨大成功。3G是为了新出现的移动互联网需求而诞生，但是在技术上走了弯，全球的3G业务都不是太成功；而4G回归了正确的技术线G业务蓬勃发展。
随着4G的成功商用，按照无线通信十年一代的发展规律，产业界开始了5G的研发。按照业界目前的一般口径，5G在2020年左右开始规模商用。中国已经为5G分配了500MHz的频谱，三大运营商也已经在多个城市开展了商用实验，商用前的准备工作正在紧锣密鼓地进行。 很多人认为5G牌照会在年内（2019）发放。
这条管道可以分为两段。一段是终端到基站（或者由器），这段是无线通信，也叫空中接口；另一段是基站到云，是通信。 云都是挂在因特网上的，因此因特网是这条管道当中必经之。 移动通信有核心网，基站首先挂在核心网上，再连接到因特网。核心网主要是起运营支撑作用，比如身份的识别，计费等等。 而另一个体系是大家都熟悉的WiFi，没有核心网，由器是直接戳到因特网的。 这就构成了两大生态体系，也就是传说中的CT和IT，它们之间的合作与竞争将贯穿无线通信产业的。
在无线通信产业当中，空中接口这一段的产值，包括终端和基站，占绝大部分。如果做一个类比，通信网络可以类比人体的循环系统或这神经系统。 网的部分可以类比中枢神经或者主动脉，虽然容量很大，但是只有几条。网络的销售额不大，但是占据战略制高点；而空中接口部分相当于神经末梢或者毛细血管，数量庞大，占据无线通信产业的主要市场份额。
空中接口部分就比网困难多了。在通信当中，信号在一个精心制造的介质里面，无论是铜线还是光纤，信号质量非常好，随便搞搞就能达到很高的速率。 而无线信号的就恶劣得多得多。 无线电波在过程中衰减很快，还受到建筑物、山体、树木的，很多时候需要经过反射或者穿透障碍物才能达到接收机。 并且，无线电波不是规规矩矩地沿着的线走，会走到不希望的地方，造成对他人的干扰。 但是无线通信有一个好处，就是摆脱了线的，可以拿着手机随便走，这种便利性是通信所无法比拟的。 所以尽管挑战很大，无数的研究者，攻克无线通信当中的道道。
刚才说的这些事，背后是网络的分层结构。比如上图就是一个网络的7层协议模型，非专业的读者不必深究，只需要知道网络是分层工作的就好了。 最底下的一层叫物理层，其他的可以和合并起来叫高层。 物理层是处理物理信号的，比如电或者是光，就是如何把信息转换成可以用来传输的电信号或者光信号。 物理层解决的是通信能力的问题，或者是带宽的问题。有了这么多的带宽之后，怎么组织和利用是高层要做的事。
虽然普遍认为高通开发了CDMA技术，但是CDMA并不是高通发明的，发明人是好莱坞艳星海蒂.拉玛。CDMA技术的标准接收机叫Rake接收机，也于1950年代由贝尔实验室发明。 实际上由于当时普遍认为CDMA的保密性好，一直应用于军事通信。 而高通解决的是CDMA的民用问题，这在当时是普遍不被看好的。
高通解决CDMA民用有三招，分别是功率控制（Power Ctrl）、同频复用（UFR）和软切换。 功率控制解决远近效应，同频复用提升频谱效率，软切换解决切换连续性。 这构成了高通CDMA的技术体系。 这里只简要介绍一下，技术人员可以参考我的书《通信之道》。因为UFR并不是专利，所以高通其实在CDMA上就两个核心专利，其中软切换专利获得美国专利局的授权还载入了高通发展史。
而OFDM从根本上克服了CDMA自干扰的缺陷，使得频谱效率得到了很大的提高，那这些补救措施也就没必要了。 所以在4G时代，高通的技术体系被摧毁了。 采用OFDM技术带来了新的问题，解决这些问题导致了三个创新的出现，这就是我在华为提出的sOFDM和软频率复用（SFR）以及爱立信提出的SC-FDMA技术。 我在华为还提出了随机波束赋形（random beam forming）技术，解决了非常火热的循环延时分集（Cyclic Delay Diversity）的严重缺陷。 在调制和编码领域仍然采用了3G的方案。
因为联想投票门的事情，编码这块的故事很多人都知道。相比于3G/4G采用的Turbo码，5G采用了LDPC和Polar码。 这两个码都是鼎鼎大名，是Turbo码之后通信技术发展的里程碑性的技术。 但是由于Turbo码已经比较接近香农限，虽然这两个码更接近，但是对系统容量的提升已经不大，大概是1～2%左右。
多天线这块最响亮的就是massive MIMO，号称可以成百倍地提升系统容量，从上看几乎可以是5G的代名词。 MIMO这个理论1995年提出，已经23年了。它所的对容量的巨大提升致使它一直是学界和工业界的热点。 但是这个技术一直到4G都不是很成功。这个技术有个特点，一演示就成功，一实用就趴窝。 记得20年前我还是小白的时候，在电信展上就看到厂家演示空分复用，用相同的时频资源实现两个用户的同时通信，还互不干扰。 在一个选择的场景下MIMO技术是很容易演示成功的，但是在复杂的实际中所涉及的问题的难度，是两个数量级的差别。当然MIMO是一个有潜力的领域，但是其实用化问题仍然没有解决。
MIMO的问题还在于，虽然能够提高容量，但是要增加设备，有成本的。 其实MIMO最朴素的应用就是古老的三扇区天线，一个全向小区分割成三个扇区，容量在理论上增加了三倍，这就是MIMO的原理，虽然说是古板了一点。 所以一点，搞个9扇区，12扇区，也就是mMIMO了，这个华为已经有产品了。 这和是不是5G没关系。
大家知道，4G设计当初的速率目标是100Mbps，随着技术的演进，4G Cat 11的速率已经达到600Mbps。5G进一步把速率目标提高到1Gbps以上。为了满足一些低延迟业务的需求，5G要求空中接口的延迟时间为1ms，而4G的这一指标为30ms左右。4G主要是为移动互联网设计的，强调的是人与网络之间的高速连接，而同时连接到网络的终端的数量并不是一个需要特别考虑的问题。而在蓬勃发展的物联网时代，每一件物体都有可能有联网要求，因此连接数量会有数量级的增加，5G需要具有支持海量连接的能力。
很显然，这个观点首先在逻辑上就有很大的问题。 了没有车也很正常啊，你就没见过没人走的吗？ 按照3G、4G的情况去推断5G，这个也不靠谱。就像你已经活了80岁，不能按此推断你还能再活80岁。2G和3G都处于带宽短缺的时代，所以形成了必有车的错觉。然而到了4G之后，带宽已经不再短缺了。
计算机所涉及的所有零部件，CPU，内存，硬盘，都有一个共同的源泉就是半导体工艺。 半导体集成度在近十年提高了1000倍，大家共同水涨船高。但是通信不一样。 通信需要一个受体，以目前最广泛的eMBB为例，这个受体就是人。 人是肉长的而不是沙子做的，它能够处理的最大信息速率，也就是带宽，是固定的，超过了人的带宽是没有意义的。
当然，有人会反对。比如目前4K/8K视频很火热，有朋友跟我说，看了4K视频之后，其他的都没法看了。 我天天看高清格式视频，倒是没这种感觉了。 当然对于60”的大电视，提高分辨率还是有必要的。但是电影院的屏幕，目前还只是2K， 我认为4K/8K更多的是心理上的。 用户挑电视的时候会靠在跟前看屏幕上的一小块区域，一个像素一个像素地检查，4K/8K当然要好。如果在正常观看距离上，比如2米，4K和2K会有明显区别吗？ 我没试验过啊，有兴趣的朋友可以做一下双盲实验。
即使是4K视频，速率也只有30Mbps，4G支持也不费力啊，怎么会有1Gbps的需求呢？ 这就要说到虚拟现实VR了。 VR要求有沉浸式的体验。啥叫沉浸式？ 在真实的场景当中，如果我们慢慢地转头，看到的景物也就连续地变化，这就是沉浸的意思。VR要实现这种效果，不光要传给你正在看的东西，没看的东西也要传给你，转头的时候要现传新视角上的数据来不及，会出现卡顿，就不是沉浸式体验了。这样一来，数据量再增加30倍，差不多就到1G了。5G的1G速率的需求就是这么来的。
总是有很多朋友寄希望于未来可能出现的未知业务。 虽然具体的业务会层出不穷，我们确实无法预测，但是只要最终的受体是人，人感受信息的通道就是眼睛和耳朵，鼻子舌头皮肤还都用不上，人类进化出新的感觉器官最少也得是100万年以后的事情。人眼的带宽就确定了通信的最大速率，这是一个物理瓶颈，不管什么应用出现都是无法突破的。
时延当然越短越好，没有人会不喜欢短时延，但是信息论的基本原理决定了短时延会造成高成本。信道编码依靠的是大数定律实现可靠通信，要达到信道容量，理论上需要无穷的时延。因此这个固有原理因素就决定了时延不能非常短。这里就不说其他的处理时延、排队时延和反馈时延了。非要实现低时延也有方法，就是把效率降低，用很高的信噪比去实现很低的速率。这个成本就太高了。 任总一直在说，大速率、低时延的通信技术还没有实现。其实根本就不存在这样的技术。
自动驾驶是被广泛为需要低时延的应用。你可以经常看到有文章说，低时延使得刹车距离更短，从而更安全。 但是这要基于一个假设，就是刹车指令是通过5G网络从远程控制中心传送给汽车的。 显然实际的解决方案不是这样。 象刹车这种对时延和可靠性要求都非常高的指令，只能由车在本地产生，采用尽量短的回。依靠网络传输的，是线规划和况信息这样的对可靠性和时延没有特殊要求的信息。Google汽车已经跑了几百万公里了，并不需要一个低时延的网络。甚至没有网络的时候，汽车也应该能跑，这是起码的要求。
对于这个话题，你经常会看到一个很高大上的技术叫“网络切片”，意思是在5G网络上切出一个高可靠性的通道出来，用来满足工业应用。 但是这实际是不可能做到的。 一个系统的可靠性取决于最薄弱的一环。如果5G网络采用统一的硬件设施，如果不想多花钱，就已经决定了这是一个民用级别的可靠性，是不可能在软件上做点工作使之达到工业级的可靠性。 就像特朗普车队，要清道、设岗，要有探车、开道车、救护车、通信车、陆军一号这些硬东西，要花大把的银子。单靠在大街上挂几个标志是无法总统安全的。
但是大多数东西是不动的。 在Wifi已经普及的情况下，很大的一块业务会被Wifi分流，比如智能家居。 并且eMBB是2C的，而物联网多数是2B的，象油田，电力公司这些大企业更倾向于自建网络，就不用向运营商交月租了。以NB-IoT为例，一个链接每年20块的资费对很多应用是很大的一个负担。 这就有了象Lora这样的系统的空间，成本比5G低得多。
在信息社会，手机是我们与社会连接的通道。当我们习惯了这种连接之后，丢失连接后就会感到恐慌。 很多人一有机会就查一下微信，微博，电邮，股票，彩票，生怕遗漏了重大机会，或者没能及时回复。 也就是说，随时随地与社会连接，是我们的刚需。 要满足这种刚需，需要一个广覆盖的网络，这正是移动通信的目标和功能。
在WiFi火热的时候，有些城市试图建设WiFi城市，用WiFi来实现覆盖，但是最终都失败了。 因为WiFi是由IT界设计的，生来就缺乏实现广覆盖的能力。这表现在技术方案上，就不在这里细说了。 后来IT界把WiFi升级到WiMax，试图与CT竞争，但是IT界的基因还是导致了WiMax的失败，并且导致北电破产。
由于WiFi无法实现广覆盖，它被定义为固网的延伸，已经成功渗透到了多数的家庭、酒店和办公室， 目前WiFi的实测速率已经达到300～400Mbps。 WiFi提供的是特定地点的高速率通信。由器很便宜，二百块钱一个，用户自己买一个回来自己就能搞定，想把这些由器集中控制起来收月租显然是不可行的。
IT与CT都试图入侵对方领地。早几年的WiMax就是IT入侵CT的一次失败的尝试。 这几年，也经常听到各种消息，一会儿是小扎，一会儿是马斯克，都要建全球免费WiFi，周鸿祎说他掌管中国移动，就全免费。当然都没能成功。 移动通信所要求的统一标准、广域覆盖，网归网优，客户管理，都决定了运营商是一个分层的官僚体系，与互联网基因格格不入。中国移动每年营收8000亿，够买6个360了，说免就免了，从哪能捞回来这么些钱？ 用户愿意交这个钱，非不收，那叫啥呢？
反过来，移动通信能取代WiFi吗。WiFi覆盖小，高速率，成本低，使用非许可频段，决定了其免费的必然性。 移动通信要取代WiFi，也必须达到如此低的成本，并且实现免费。 这是否能做到呢？ 如果4G能够利用已有的规模优势，做低成本的Femto基站，理论上有可能。 但是市场规模太小，菊花大厂看不上眼，现有的管理体制也不能适应。 而小厂很难有这个技术能力。 所以说也是比较难的。
移动通信经过四代的发展之后，人们得到一个似乎的规律，就是单数代不太成功，而偶数代很成功。 经过我们的分析后发现，1G和3G，都是新的需求促成的，但是技术不太好，而2G和4G在原有的需求基础上，改进了技术，从而很成功。 1G和3G虽然不太成功，但也不能说是失败，毕竟他们是满足新需求的唯一技术。 但是到了5G，需求是虚构的，技术上并没有进步，所以必然是要失败的。
我们已经知道，移动通信的根本的价值在于实现任何时间，任何地点的连接能力，在此基础上提高网络容量。如果没有覆盖这个前提，只是在局部实现高速率是没有商业价值的。 比如说大家一直谈论的可见光通信，因为覆盖小只能服务两三个人，速率太高超过了人的带宽，就没有意义了。 这个问题对毫米波、太赫兹都是如此。
通信技术已经发展百年，因为其战略地位和创造财富的能力，全球最强智力投入其中，但凡简单一点的创新早就发掘完了。用于Turbo码解码的BCJR算法是1970年代发明的，在我历经艰辛终于看懂之后，感叹道，这只能与做交易才能搞得出来。 到2009年的时候，随着Turbo，LDPC，Polar，OFDM，MIMO等领域的进展并且逼近理论极限，学术界普遍感觉到物理层已经死了，再也无法创新了。 象David Tse这样的被为传承香农衣钵的大咖，也感觉无处可走，转行做生物信息去了。
在此同时，半导体技术得到了爆炸性的发展。 大家手上的U盘，从10年前128M变成了现在的128G。在通信原理无法获得突破的情况下，自然地利用强大的算力实现高速率的方向。 高算力使得采用更宽的频带，更多的天线成为可能，在通信原理不变的情况下，通过算力使得速率提升1000倍是很简单的事情。 华为早就整出来115Gbps的样机了。看报道我国启动了6G研究，速度比5G高10倍，看得我真是很无奈。
移动通信产业有着与其他产业不同的特点。 一般的产业都是研发产品上市，获得反馈并逐步改进，是一个快速迭代的过程。 而移动通信要求在什么还没有之前，大家共同商定一个标准，然后按照这个标准做产品。 何时启动一代通信标准是战略决策，是由领导人和商业领导人来做出的。他们当然会咨询技术专家，但是专家们也未必懂，其中还有巨大的利益博弈，显然并不靠谱。行业认同的宏观规律是十年一代。时间一到，各方力量合力推动，就动手干了。 大炮一响，黄金万两。即使实际上不能干，也得创造条件干。所以我们看到5G出现了很多奇葩的技术，如全双工，毫米波，现在可见光，太赫兹也要上场了。NOMA和F-OFDM比较起来都算是好的。
所以5G的问题，不光是华为的问题，或者是中国的问题，美国、欧洲也都是如此。很多网友看到美帝在5G上整华为，就觉得美帝反对的东西肯定很重要。中国长期以来落后，都以美国为灯塔。但是经过改开40年，中国国力日渐强盛。而通信产业整体上已经获得了领先地位。在这种竞争格局下，即使美帝也会犯错。什么铱星啊，Wimax啊，不都是美帝整的吗？ 所以我们要有的判断，而不是被对方的判断左右。 随着商用的日益迫近，5G的问题会逐渐出来。比如最近ATT的5G造假，韩国5G被指无用，未能按计划推出5G服务，等等。希望本文能为各方提个醒，尽量减少损失吧。
因为任总的讲线G是有的认识的，任总最新的讲线G成功当然好，又能成为华为的产粮田，况且在上华为5G已经领先友商12个月。但5G失败对华为也是有利的。因为华为有着最齐全的产品线，是行业老大，没有技术创新也就意味着现有格局的固化，华为也就能笑到最后了。当然裁员是避免不了的，这对于通信狗们来说不是个好消息。 对于二线的设备商，却是灾难性的，对5G的投入无法回收，现有市场份额也会被华为逐渐蚕食。 对于高通更是，3G专利过期，4G没专利，然后5G没有了，怎么收专利费？早些年嫌设备和手机不赚钱甩给别人了，现在有点傻眼。趁手上还有点银子，想收个恩智浦，也被贸易战给搅黄了。这日子怕是过不下去了。
我在2014年发布了多级软频率复用技术（multilevel soft frequency reuse，MLSFR），是SFR技术的增强版。 理论表明，SFR可以提升频谱效率10%左右，MLSFR可以提高30%。 值得注意的，这是在不增加任何硬件成本的前提下。 这种幅度技术进步，在最近30年的通信史上，只有Turbo码可以媲美，远远超过高通在CDMA领域的技术创新。MLSFR将成为未来移动通信组网技术的基石。
这个问题我思考了14年，终于提出了新的衰落信道容量理论并在2018年3月份完成了论文初稿。大家可以体会一下基础研究的周期。 审稿的过程也非常艰苦。开始了Nature，但是Nature认为满篇都是公式的不符合它们的风格，还是投到应属期刊IEEE Transactions on Information Theory。经过5个月的评审被拒，原因是两个评委认为论文对信息论存在。想想当年Turbo 码论文，评委认为存在3dB的误差。重大突破被恐怕是一个规律，创新者需要有这样的心里准备。 但是另外一位评委给予了全面的肯定。 当然，所有的评审意见都很容易回答，修改之后再次后，评审又进行了三个月，还没有出结果。在中美贸易战的背景下，美国在整华为，也难保不会学术。 不管怎么样，大家很快就能看到了。