26｜极简通信史：从1G到5G通信，到底经历了什么？

你好，欢迎来到我的《信息论40讲》。

5G在今天是一个非常热门的话题，但想深入了解5G，你就得知道从1G到5G到底发生了什么，从而看出一些技术的趋势，并且知道我们对5G可以有什么样的期盼，这样就不会与5G的机遇擦肩而过。

我们还是先从1G说起。世界上最早的民用移动通信电话是由摩托罗拉公司发明的。

当然设备要能通信还需要让它们都遵守一套大家都认可的信息编码规范，这就是通信标准，这就如同发电报有标准的电报码一样。没有标准，彼此就没法沟通，是鸡同鸭讲。

通信的标准中有两部分最重要， 一个是对信息的发送和接收的描述， 比如打电话时大家的电话号码； 二是对信息编码的方式， 比如文字就是对信息的一种编码。

好的信息编码能保证信息的传输率尽可能高，接近信道的容量。在移动通信的发展过程中，每隔十多年，就会出现新一代的通信标准。当然，谁掌握了标准，谁就掌握了行业的制高点。

在早期的移动通信中，标准是以摩托罗拉为主制定的，我们后来称之为1G。进入到上个世纪80年代，诺基亚等公司就开始研制新一代的移动通信设备，并且提出新的移动通信标准，它们在1991年开始投入使用，为了区分，我们称之为2G。

那么1G和2G有什么区别呢？ 从技术上讲，1G是模拟电路的，2G是数字电路的。从外观上看，2G的手机比1G小很多，更省电，而且收发短信方便。

为什么2G的手机小？因为数字电路可以把更多的数字芯片集成起来，用一个专用芯片就取代了过去上百个芯片。而在摩尔定律的影响下，这种技术进步的叠加效应更明显，就越做越小。

于是2G取代1G就成为了历史的必然，诺基亚是那个时代的领航者。如果我们沿用《科技史纲60讲》中衡量技术进步的标尺来衡量，从1G到2G，单位能量处理信息的能力提高了百倍。

接下来 从2G到3G又发生了什么呢？ 我们大家可能都知道，2G的手机只能打电话发短信，上网很困难。3G的通信标准将信息的传输率提高了一个数量级，这是一个飞跃，它使得移动互联网得以实现，从此手机打电话的功能降到了次要的位置，而数据通信，也就是上网，成为了主要功能。

但是，从1G到3G都存在一个大问题，那就是上网用的移动通信的网络和原有打电话用的通信网络虽然能够彼此融合，但是却彼此独立。

今天的人回过头来看这件事会觉得有点荒唐，但是如果我们了解了当时移动通信和以AT&T为代表的传统电信公司是多么地水火不容，就不难理解这一点了。

这就使得独立的移动网络就无法受益于网络技术的快速进步。2G和3G时代用手机打一个电话实际上经过的物理路径很长。其中的原理细节，请看下图2G、3G时代移动通信网络的原理示意图。

因此，由于3G的系统是半吊子的，虽然标称的网速很高，但是实际网速并不快。于是4G很快出现了。

4G有什么革命性的进步呢？ 有人说是网速快。但这是结果，不是原因。4G一方面使用了扁平的网络结构，减少了端到端通信时信息转发的次数，同时增加了基站之间光纤的带宽。

更重要的是，它同时利用了互联网和电信网络的技术进步，这两种技术的融合才使得4G的速度比3G快很多。你可以认为，到了4G，电信的网络已经统一了，但是它和互联网还没有完全统一，你先记住这个事实。

虽然在4G时代从理论上讲移动通信的网速可以变得很快，你今天能够想到的所有应用都是够快的。但是，如果很多人同时上网，它不仅不够快，甚至连不进去。

2018年我在杭州开全国计算机大会，参会者近万，在会场上无论是4G还是Wi-Fi都不大管用，你如果拍一张照片想在朋友圈中分享，那么能否分享成功，全靠运气。这一方面是因为总的网速不够快，另一方面是很多人要同时和基站通信，基站成为了瓶颈。

比如一个基站覆盖半径一公里的范围（基站之间的距离通常在2～3公里），通常这方圆一公里范围内的人不会同时上网，因此分给每个上网的人的带宽是够用的，但是当大家都要发照片时，总的传输率超过了信道的总的带宽，根据香农第二定律，出错率是100%，于是大家都传递不了信息了。

公平地讲，4G对于我们目前的上网需求绝大部分时候是足够了，但是在未来我们有很多智能设备，它们也要同时上网，就会出现像前面说的那种“会场拥堵”的问题。

那么怎么解决这个问题呢？有人会想到继续增加带宽。这是一种自然而然，颇为合理的想法。虽然在4G的基础上增加2～3倍的带宽并非难事，但如果想增加1～2个数量级就办不到了。

那一方面要求基站的功率增加很多，这在城市里完全不可行，因为基站周围会因为电磁波辐射太强而变得很不安全。另一方面，要想增加带宽，就要增加通信的频率范围，无线通信的频率无法向下扩展，只能向上扩展，也就是让无线电波的频率增加。

我们知道无线电波的频率越高，它绕过障碍物的能力就越差，比如说它高到可见光的频率时，你随便用张纸，用块布就能挡住它。因此在城市里高楼会严重影响通信。

那么怎么办呢？最简单的办法就是在提高通信频率的同时，把基站建得非常密，这样在你的附近就有基站，它不会被建筑物所阻拦。

基于上述想法，5G的概念就被提出来了。5G是如何进行无线通信的呢？如果我们说4G是一公里的范围建一个基站，负责这方圆一公里范围内的手机和基站的通信，那么5G则是在百米的范围内建基站（今天的方案是基站距离平均在200～300米左右），负责半径为一百多米范围内的通信。

手机和基站的距离缩短，会带来三个好处。

• 首先是建筑物干扰的问题得到解决，这是显而易见的。

• 其次是更少的人分享带宽。我们假定方圆一公里范围里的人口是1万人，那么方圆百米范围内就会下降到100人。这样每个人能够分到的带宽就可以增加两个数量级。

• 最后，由于基站的通信范围可以从1公里减少到100米，功率可以降低两个数量级，这样，在基站周围电磁波辐射也会大大降低，我们生活的环境反而变得安全了。

当5G的基站密集到两三百米甚至不到一百米一个的时候，我们家里是否还需要安装Wi-Fi呢？或许不需要了，Wi-Fi或许会消失，或者会退居次要的地位。这样，就将互联网和通信网络融合成一个网络了，这无疑将是一次通信的革命。

接下来我们总结一下从1G到5G的革命性变化。

• 1G的诞生。

• 从1G到2G，是从模拟电路到数字电路，由于采用了专用集成电路，单位能量传输和处理信息的能力提高了两个数量级。

• 从2G到3G，实现了从语音通信到数据通信的飞跃。

• 从3G到4G，实现了移动通信网络和传统电信网络的融合，将云计算等互联网技术用于了移动通信，使得不同区域之间的流量能够动态平衡，大大地提高了带宽的使用率。

从4G到5G，可以实现移动互联网和有线的互联网的彻底融合。当然，万物互联才会成为可能。需要指出的是，由于网络基站的密度非常高，每一个基站的功率非常小，因此单位能耗传递信息的效率会进一步大幅度提高。

最后我们看看未来会是什么样子。我们做什么事情是顺应技术发展的趋势，做什么则是逆流而动？

首先， 如果基站的距离缩短到200～300米，单位面积的基站密度比4G就要增加100倍，这是一个巨大的国家级的基础架构建设，因此从事基础架构建设的企业都是受益者。你或许已经听到这样的消息，5G的传闻一出，制造电线杆子企业的股票已经开始疯涨了。

其次， 任何致力于将各种网络融合的努力都是顺势而为，任何试图搭建一个独立的，单纯基于无线技术的努力都是逆流而动。几个月前，一些国家决策部门的领导问我，以现在的技术再开发类似于铱星的通信系统，是否可行？我说完全没有必要，因为那是逆流而动。从1G到5G，将各种网络融合是一个大趋势。

再次， 由于网速极大地提高，很多需要高速互联网的应用可以开展起来了，包括IoT，这个题目我们明天会仔细讲。

最后， 让我们一同来思考一个问题。有了5G，光纤通信是否还需要？答案是，不仅需要，而且还要大幅度提高。

我们不妨从相反的角度思考这个问题，就很容易得到答案。假如没有光纤，只有移动网络，那么基站和基站之间的通讯就不得不用移动网络实现，这就要占据很大的带宽，就会影响我们每一个人和基站的通信。

因此光纤依然是必要的，不仅必要，而且要增加，因为我们和基站通信的速率增加了，又有很多IoT的设备连进来，总的通信量就增加了。从这里我们还可以得出一个结论，从事光纤通讯产业的人，将是5G的获益者。

要点总结

我们先介绍了半个多世纪以来移动通信的发展历程。对于这段技术发展的历史，你只要记住四个要点即可：

• 单位能量的信息传输率越来越高；

• 网络不断融合；

• 设备的辐射越来越小；

• 每一代都会有新的主导型公司出现，1G是摩托罗拉，2G是诺基亚，3G、4G是苹果、谷歌和高通，5G是华为。

关于摩托罗拉、诺基亚、高通、华为等企业的发展历程，大家可以读我的《浪潮之巅》一书。

思考题： 如果说从1G到5G所有的网络都整合为一体了，那么6G将会往哪个方向进步？

预告： 下一讲，我们结合另一个热门的话题IoT，再谈谈5G。

热门留言

张荀子：我是一名无线通信算法工程师，听了吴老师的信息论，给我最大的感触是老师把我们工作中所用的理论知识用到了生活中，把工程思维用到了接地气的日常之中。比如，我近一年读了很多书，阅读之中难免存在很多的困惑和理解偏差。同一件事情或者知识的表述会有不同，传达到我自己的知识体系中有时候还会存在矛盾，但是多看几本类似的书，有些东西就越来越明晰了。用吴老师的观点来说就是增加信息的冗余(多读书)来降低干扰和噪声，以达到提高信噪比的目的。这让我想起来陶渊明的《五柳先生传》中的一种学习方法:好读书，不求甚解，每有会意，便欣然忘食。多读书会提高解调自然规律和人生哲学的信噪比，当信噪比达到一定阈值，便豁然开朗。世事洞明皆学问，人情练达即文章。

重庆黄超：6g会不会我们每个设备自带基站功能

Steve：#金勇笔记# #day26# #笔记#

文稿结尾处总结了1G到5G的发展历史，这里就不重复了。

我不懂通信领域中3G、5G的具体工作原理， 今天主要谈谈自己的感受。 2G代表对我来说意识着短信时代，那个时代100字要分成两条信息发的； 3G以图片与小视频为主，互相聊QQ和发语音成为了可能；4G则让看直播、大视频变成现实。通信技术的发展，使得手机集成了越来越多的功能，几乎所有人，生下来就上了“网”。这20年来， 手机改变了什么？

比如家庭电话☎，现在已经几乎没有了；
比如民用的百元相机📷，除了专业人士与摄影爱好者，平时也很少用到； 比如MP3音乐播放器，比如掌上游戏机（Game Boy），比如北京的交通卡、钱包 … …

我想移动互联网时代让门户网站、博客成为了过去； 让许多人都失去了阅读长文章的能力。 对未来，我的思考是互联网还是会一如既往地提供一些服务，围绕着那些事情：社交、游戏、学习、购买、出行、饮食… 这是人类的本能。 但在追求通讯速度的路上，我想快到头了。 想要打破常规，就需要互联网科技公司推出更强大的智能引擎。 速度·人工智能是我对未来的展望。

作为积极的理性乐观派，让我们期待未来的科技革命吧。

延伸阅读

吴军老师近期接受36Kr有篇采访文章，我建议大家搜索去看， 搜索：吴军 慢慢来

金勇 2019年6月21日 一点

IApple：吴军老师，你好，我是做海底光缆通讯的。大容量长距离的信号传输，都在使用香农定律：目前单纤传输容量已经接近香农极限，海缆行业的下一个发展趋势是采用多纤对，目前多为4～8纤对系统，未来会16～32纤对，再往后可能会使用多芯光纤。这就是用更多信道来扩容整条海缆的通信容量。 我们在定位海缆系统故障时，会无意中使用正交信息，一个维度的信息确定不了故障原因，会寻找其它维度的信息。比如海缆故障，要知道准确位置是不容易的，因为在海底，无法直接检查。我们会使用欧姆定律计算断缆的电阻从而知道缆长和故障位置。如果因磁暴导致电流电压检测不准，会使用COTDR光探测，确定具体断缆位置。

AJ：作为一个通信人，我对5G是持积极态度的。5G除了需要新建基站外，根据3GPP的标准，可以利用原因4G LTE基站升级，来达到5G应用，比如NB-lOT，这个吴军老师在下节课应该会讲到。

5G在应用中最大的影响就是所有设备泛在网，而由于采用密集基站布局，为了泛在网的平滑切换，采用边缘计算的算法，搭配原有4G中密度更高的MIMO天线阵列，实现大容量高速传输。

吴军老师也提到，5G时代，光纤行业是发力点，这点我赞同，不光是嘴上说的，而是用真金白银来真正赞同。

因为我之前就已经买入光纤生产企业都股票，那些拥有光纤预制棒核心技术的上市公司，将会迎来大爆发。

关于6G，除了速度再提高一个数量级，我觉得靠谱的方向是5G+太空覆盖。利用到卫星通信，实现空间高速全覆盖。

另外，业内一直有一个“无线光纤”的技术构想，不知道6G能不能有突破。

除了这些，我觉得从6G开始，整个网络应该把更多的计算能力从云端下沉到终端，这样，单纯传输结果计算处理后的信息，可以大幅提升传输效率。

如果是这样，因为高速网路的到来，终端可以把很多计算放到云端来做，从而促进数据中心的大规模建设。

但成也告诉，败也高速，随着传输速度再提高的需求加大，云端的很多计算就不可避免再被重新放回终端，5G的边缘计算就这这么干的。

所以，未来很可能数据中心的爆发将会结束，终端智能化被不断加强。

6G之后很可能进入“无G时代”，那时，网络不再有时代和版本的严格区分，而是类似微软的office 360那样，动态不断更新。

WvkvW：6g脑洞：人体每个器官都加传感器，开展跟踪医疗大数据；生物学家恨不得把每个动植物身上都装上传感器实时跟踪计算，BBC的动物纪录片也可以颠覆式创新。说不定大数据直接从动植物身上发现某某成分可以搞定人类疾病，相当于用新技术把古人试草药或者现代人化学组合药的方法再做一遍。

谷歌在网上搜索文档比在windows在本机上搜索还快，类比一下，6G传输速度每秒100G快赶上主板里的PCIE 5.0速度了，从光纤到网卡到CPU内存，PCIE应该还绕不过去。不过我看PC厂商都没啥动力推进PCIE4.0

Hanskeng 尹桂政：“如果说从1G到5G所有的网络都整合为一体了，那么6G将会往哪个方向进步？”

我觉得如果5G的搭建完成了，那只意味着我们完成了这个网络，而还不是最优。要知道5G即使搭建完成之后，由于带宽的限制，我们的上网速度并不会有理想中那么快，那么如何提升我们的上网速度还是一个重要的话题。

6G的传输能力可能比5G提升100倍，网络延迟也可能从毫秒降到微秒级。

当这出现之后，它会给我们带来更多更新奇的体验。比如说你用4G打王者荣耀，运行速度很快，没有任何影响。而到了5G，你可以用虚拟现实、物联网。到了6G你或许可以直接制作精准场景的增强现实游戏。

当然对于6G，我有仍然抱有一些疑虑。他可能并不是像5G一样的，一种革命性的创新。更多的应该是属于把路修宽一点修大一点，是在5G的基础上进行完善。当然，这种情况可能会因为基础理论的“颠覆突破”而改变。

陈C：从4G到5G，移动互联网与光纤传输到优先互联网实现了融合。万物互联IoT就是这种融合的外在表现，相互连接的设备中，既有作为人机交互界面的手机、电脑，又有各种联网设备作为原有网络的扩展。到此，现有数据网络的融合就已经基本完成了。

那么如果接下来发展到6G，它将会是什么样子呢？我猜测它会有三个趋势：其一是计算互联，其二是信号融合，再有就是脑机联动。

早在互联网刚刚普及之时，一些科研机构就会将研究的计算部分拆分、封装并放到网上，供一般用户下载、计算，借此实现了性能媲美超级计算机，成本却低得多的大规模计算，这也是分布式计算的雏形。比特币“挖矿”也是分布式计算，只不过对设备的算力要求很高，需要专门的“挖矿机”。

未来信息网络达到了6G，这一分布式计算过程将更加大众化，也更加快捷。科研需要的大型计算，或者交通疏导、金融交易之类的日常性计算，都可以在整个社会内充分展开，全社会的总体算力将会达到一个前所未有的水平。到那时像是淘宝之于商户那样，为社会提供算力平台的公司，将会成为时代的赢家，“侵犯他人算力资源”可能将会成为新的社会问题。

另一个趋势也许是“信号融合”。今天我们判断一条路是否堵车，需要借助GPS信号分析、路面传感器、交通系统拍照等数据，再用算法进行分析，得到的结果颗粒度大，想要真正做到实时性也比较困难。未来6G的“信号互联”，也许能更便利地获得更多的数据，除了传统的几种数据外，普通用户的设备，甚至是人的感官信号（需要脑机接口等技术支持）都能成为数据源，再结合计算互联实现真正细致、实时的路况推送。

有了“信号融合”的需求，脑机接口技术将有更大的用武之地，因为这会让信号融合真正达到个人的层级，将传统意义上不便于编码的信息，也融入到通讯网络中。那时基于脑机接口和信息网络的增强现实技术，可能也将得到普及。

佛祖门徒：学习“极简通信史”的三点收获： 第一、如何提升信息传递效率。老师讲述的简史用很短的篇幅高效传递了重要信息，其效率高的关键在于用寥寥几句描述了每一代通信技术之间最本质的变化，这是我们学习信息论应该反复练习和熟练运用的能力。 第二、学会从相反角度寻找答案。老师以是否需要光纤为例，将我们一种重要的思考方式就是反过来想，有些答案或许就不难找到了。 第三、系统判断趋势。从基础设施、瓶颈突破，到规避误区和场景构想，这是对5G时代的系统化的分析，从中能够结合自己的行业和观察，找到更多机会。

完美坚持：薛老师说过，好的经济学家能够看到别人看不见的东西。学习吴军老师的信息论课程，就是让我真切地体验到，运用所学，深入思考，能够对现实生活有指导意义，帮助我看到别人看不到的细节，破除许多盲点和盲维。

Stone：今天下午开会，用的是思科的仿真视讯会议设备，4K摄像头和70”X3液晶屏，7方同时通讯，传输速度很快（有线），语音和视频都很清晰，虽然是网上会议，感受上，跟面对面开会一个效果

我想，马上到来的5G，未来的6G，可以让我们随时随地用手持设备就可以达到这样的效果，加上投影技术，裸眼3D，科幻片和星球大战里面的主线虚拟会议场景10～30年内完全可以实现并广泛应用

无线通信未来的发展方向，除了速度和延时低等，还有可能进行能量传输，无线充电，以后移动运营商会不光收取网络通信费用，还要收取一部分能量费用，这跟2G语音通信过渡到3G，4G数据通信一样的。华为公司也有可能转型成能源设备提供商

通信技术未来仍然是增长最快的行业之一，物联网，万物互联都需要，更重要的，还有太空中如何通信，火星上如何通信，宇宙里我们如何通信，这是未来6G……10G需要思考的问题

飘：之前任正非接受采访的时候曾经提到过，“随着逐步逼近香农定理、摩尔定律的极限，面对大流量、低延时的理论还未创造出来，华为已感到前途茫茫，找不到方向。”。这几十年来通讯领域发展迅猛，但是实际上还是在吃老本，面临各种物理极限的挑战，比如5G号称延迟1毫秒只是终端到基站的延迟，成都到北京的通讯延时至少几十毫秒，因为光速只有30万km每小时，来回跑几千公里需要这么长的时间，这是目前无法突破的。无线传输的带宽是有限的，5G已经增加了基站覆盖数量到200米一个来提升带宽。所以在6G可能无法在取得很大的技术进展了，更多的是偏向于应用场景的优化，例如更低的功耗满足IOT设备需求，雾计算，边缘存储等新型领域可能会蓬勃发展，针对新需求进行优化。华为等公司面向6G的研发，也不仅仅是纯面向技术的研发，还是面向未来商业场景的研发。

罗怀昭：虽然我们时常在使用这些技术，也或多或少经历了这些过程，但却依然说不清它们。 老师今天的文章真的好精彩，一目了然就说清楚了1G到5G的发展过程和每一代技术的核心。

6G的时代将是一个更无限遐想的时代。 传输速度更快、覆盖区域更广、连接更深入。 2019年3月15日，美国联邦通讯委员会（FCC）一致投票通过开放“太赫兹波”频谱的决定，以除陆地通信覆盖外，水下通信覆盖也有望在6G时代启动，成为整个网络覆盖体系中的一部分。

6G系统的天线将是“纳米天线”，而且这些纳米天线将广泛部署在各处，包括路边、村庄、商场、机场、医院等，实现建设智慧城市的“基石”。

月光：6G将会往哪个方向进步？我想很有可能，会像是3G转变成4G的方向。我记得罗胖以前曾说过，任何一项新科技出现，都会存在不完善的情况，也正因为这种情况，才会有不断的向前更新，逐渐泥补和修复不完美的情况。 而5G的到来同样会出现类似的情况，而6G将会是5G的升级版，来解决5G的缺陷。

TryTs：我认为6g更多的是对5g的一个扩展和完善，6g技术的出现，可能更多的是优化5g的可扩展性，延迟性和高带宽的一些应用问题，6g的时候可能“基站”的形式会大大改变，“路由器”，“汽车”等设备，可能充当基站的功能。

创业教练-世代加加：我是第一批从事物联网研究的人，5G时代，信息流和资金流的融合打通蕴含着巨大的机遇。然后在这个基础上，打通物流，信息流+资金流+物流融合成一个极致的点，将会孕育出新经济体的新物种。目前的纷争都是表面功夫。

古明绝：这一讲非常需要，内容也很扎实。

关于6G，现有的网络存在非常多缺点需要解决。

1.不掉网。在某地，好好的，突然一下没网络了。

2.更低延迟。尤其是高速传输下的低延迟。比如8k多人视频聊天。

3.更高速度。这是必然。

4.覆盖范围！即使在深圳这样地方，也能找到网络没有覆盖到的地方，例如某座山后面。

5.不被屏蔽！公司做测试会用到信号屏蔽仪器。目前，仪器一开，手机网络，wifi，电话全部不能用。

6.更安全及隐私。

7.运营商相关。实测，A地移动信号很好联通信号很差。B地反之。

6G必然要解决现存的一些问题或者新出一些功能。

爱上圆运动：作为一名化工专业的工程师，我想谈一下信息传递模块给我带来的启发：以往在跟领导汇报工作时总是喜欢把自己当下做的事说的尽量简单但很专业，在我这边看来好像没什么难以理解的，我都说的那么清楚了，怎么还是无法完全理解我的意思，但在领导看来其实还是不能接受，从信息论的角度来看，我以为我把信息做了很好的编码，我们之间的带宽应该够用了,但实际上一些专业知识概念以及逻辑关系包含了大量的已经被最优编码的信息在里面，导致了传输效率其实很低。所以我认为其实不用如此跟领导汇报工作，应该把自己当下工作中需要领导支持的部分或已完成的进度跟领导汇报一下就可以了，他需要的信息是我的工作做到了什么程度或者有什么困难而不是我为什么要这么做！所以要注意与谁交流就要用合适的方式与信息，这点其实应该是早就为人所知，信息论能够帮我更本质地找到另一个解释的维度。

皮戈：5G就是将光纤网直接链接AP，用公共的基站代替家庭的WIFI，终端联网更加简单。5G将每个基站覆盖的范围缩小到4G的千分之一，各大运营商交叉布点增加冗余，消灭了信息死角。同时，5G的频率可以划分更多的信道，连接更多的设备，万物互联成为可能。

5G高密度的基站和光纤网络需要庞大的基础设施建设，带动很多行业，从而带来经济的高速发展。5G强大的功能也将刺激需求，促进创新。 5G把世界划分成无数的网格，6G将会把平面的网络建成立体的空间，7G或许会朝时间维度发展，让网格动起来？

五戒：吴老师通过这个课程给了我信息技术的“森林”。 我的大学专业是电子信息工程，我感觉学到的是一些零星的树木，甚至树干树叶。这个课程以一个宏观的角度来观察信息技术这片“森林”。通过这个大视角，这个框架，找到我现有的知识的位置，以及发现欠缺的知识。有一种站在山顶开朗的感觉！ 感谢吴老师！