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5G尚不成熟 炒作衛星通信和6G是鏡花水月

鐵流 · 2019-10-02 · 來源:鐵君
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當下,需要的不是媒體的喧囂,而是靜下心來搞基礎理論突破,或者是在關鍵技術上有所革新,把成本、覆蓋、功耗問題解決,把如今這些商業概念的東西,變成真正的技術迭代。

  9月16日,華為“心聲社區”刊登了任正非接受《經濟學人》的采訪紀要。任正非表示,華為的6G研究也是領先世界的,預計6G技術十年后才會開始投入使用。網絡上也流傳了“任正非稱華為6G研究領先世界:預計6G技術十年后投入使用”的短文。

  還有媒體報道,任正非表示:6G技術和5G技術在開發過程中是并行的,6G我們早就在做了,6G主要是毫米波,因為它有非常寬的帶寬,但它可能會犧牲發射距離,6G真正規模化地投入使用,對于我們公司來說還很早,還有些過程。

  由于5G、6G被熱炒,以及諸多廠商信息轟炸,網友把任正非說的的這個6G研究世界領先和馬斯克的衛星通信相提并論,并認為是中美開始6G競賽。

  還有一篇標題為《10年后6G將問世 速度有望比5G快100倍》文章指出:

  區別于5G,6G要構建出一張實現空、天、地、海一體化通信的網絡。6G頻段將從5G的毫米波頻段拓展至太赫茲頻段,數據傳輸速率有望比5G快100倍,時延達到亞毫秒級水平。在用戶的個性化服務以及物聯網、工業互聯網、無人駕駛、智能工廠等領域,6G都將有較廣闊的應用前景。

  據鐵流相對有限的知識,如今熱炒的6G、太赫茲波和馬斯克的衛星、無人機部署6G,都是不太靠譜的。

  

  馬斯克的衛星6G是大忽悠

  用無人機和衛星實現普適性的通信這個早已不是什么新鮮事,美國谷歌公司,就鼓吹并曾經嘗試過,結果事實證明,就是一個炒股價,玩噱頭的東西,根本缺乏可行性。馬斯克宣布發射12000顆衛星完成6G覆蓋的說辭也是不靠譜的。

  “鋼鐵俠(大忽悠)”馬斯克是營銷大師,推特整天玩噱頭,美國證監會甚至放話:再亂發推特就起訴你(非原話,但大致是這個意思)。

  這種結果的根源在于技術限制使衛星通信難以普及。

  一直以來,傳統的衛星通訊基于C頻段和Ku頻段,而且受到發射功率,天線尺寸等因素的影響,能夠滿足普通老百姓日常使用的普適性衛星通信網絡在技術上難度很大,截至目前,衛星通信的用戶基本鎖定于軍隊、政府、金融機構,以及一些實力雄厚的跨國公司。

  根據香農定理,信息傳輸能力與帶寬和發射功率成正比,與背景噪音功率成反比。這里先解釋一下帶寬,一般信道都有一個最高的信號頻率和最低的信號頻率,只有在這兩個頻率之間的信號才能通過這個信道,這兩個頻率的差值就叫做這個信道的帶寬。用來打個比喻的話,帶寬好比是公路的寬度。5G在頻譜利用率和4G差不多的情況下,把網速提升上去,最為關鍵的一點就是5G采用大帶寬,國內運營商在中頻獲得了100M以上的帶寬,而一些國外運營商則在高頻上獲得了幾百兆的帶寬,相比之下,4G帶寬僅為幾十兆。

  如果要把信息傳輸能力提升上去,比較現實的做法是提升“信息公路”的寬度,或者提升信號的發射功率。

  以發射功率來說,4G是40W,華為5G的發射功率則高達240W,諾基亞上液冷,發射功率高達320W.

  就帶寬來說,5G暴力提升的做法之一就是把帶寬從4G時代的幾十兆,提升到5G時代的上百兆乃至1個G,像幾大廠商測試中宣稱的高速率,都用了800M以上的帶寬才能完成這種極速測試,在實踐中,是不可能在低頻拿出800M帶寬給運營商揮霍的。

  不過,C頻段和Ku頻段相對有限,而且非常寶貴,“信息公路”的寬度天然受到限制。而受技術水平限制,信號的發射功率的提升也不是無節制的。

  而且Ku波段的網絡需要蝶形天線發射和接收的,在房間里是接受不到的。陰天、大雨連接也會受到影響因此,無線傳輸能力也會有一個上限,而且在室內、陰雨天的用戶體驗會非常糟糕。

  當有限的資源面臨龐大的用戶,自然會導致用戶多了上網就卡,甚至會出現無法接入的情況。即便5G、衛星通信等被媒體炒得火熱,但光纖才是數據傳輸的大動脈。

  衛星通信還要解決功率和天線的問題。在發射功率不變前提下,距離近可以降低信號衰減,當信息傳輸距離擴大到海平面和近軌人造衛星的距離,要想實現信息的可靠傳輸,就必須提升下行功率(衛星信號到手機)和上行功率(手機信號到衛星),而要滿足這一標準,會使電子元器件的體積大幅增加,這必然導致射頻天線的尺寸根本塞不進當前以輕薄為主打要求的手機中。

  事實上,衛星通信終端,尺寸都比較大,一般都安裝在建筑物上面或者大型的車輛上。隨著半導體技術的發展,衛星通信終端的體積縮小了不少,能夠放到小汽車上,但還是塞不進手機里,不適合普通人隨身攜帶。

  正是因此,衛星通信只能服務少數人,用戶數量少又帶來價格過高的問題。

  比如美國當年的銥星計劃,銥星移動通信系統最多只能滿足50萬用戶的語音通信,而且由于用戶體驗非常一般,實際用戶遠遠達不到這個數字,受巨大的研發費用、系統建設費用和維護費用拖累,銥星背上了沉重的債務負擔,最終不得不申請破產,由美國軍方當了接盤俠。

  由此可見,衛星通信只僅僅是作為補充的形式而存在,更多的服務于軍隊、政府、金融機構,以及一些實力雄厚的跨國公司,無法向老百姓提供普適性服務。

  其實,中國也有衛星通信的計劃,一個是鴻雁星座計劃,另一個是虹云工程。

  鴻雁星座計劃,2016年立項,計劃2020年建成,計劃發射60顆低軌道衛星,實現全球組網。

  虹云工程,計劃發射156顆衛星,它們在距離地面1000公里的軌道上組網運行。

  鴻雁和虹云都是現有通信體系的補充,為飛機、輪船、客貨車輛、野外場區、作業團隊以及一些偏遠地區的村莊、島嶼提供服務。無法承載提供普適性服務的能力。

  正如大家調侃“有線是無限的,無線是有限”的,真正承載信息的大動脈是光纖,至于無線側到底是WIFI,還是4G/5G大家可以根據實際情況自由選擇,但光纖的地位是無法取代的。

  因此,設計的原則是用有線盡量去靠近用戶,在最近用戶的地方使用無線。而衛星通信卻是背道而馳。鼓吹美國衛星通信對4G/5G革命的說辭,就是瞎扯淡。

  衛星通信確實有前途,但并非對現有通信體系的革命,而是對現有通信體系的補充。

  任正非說的毫米波和學者熱捧的太赫茲波部署6G也是值得商榷的

  雖然很多媒體各種鼓吹5G,并把5G等同于中國標準,各種打雞血,但5G標準是全球通信產業共同制定的。

  此前,不少網友留言問:“高通的5G標準”和“華為的5G標準”哪家強?

  或宣稱“華為5G標準”秒殺“愛立信5G標準”、“諾基亞5G標準”。

  其實,不存在所謂“高通的5G標準”,“華為的5G標準”、“愛立信的5G標準”、“諾基亞5G標準”,大家都同一套標準。

  此前鐵流提到的5G未誕生革命性技術,系統效率提升微乎其微,主要靠暴力提升性能,進而帶來覆蓋差、功耗大、成本高的問題,這是大家的通病,只要5G標準不進一步改進,大家都逃不掉這些“娘胎里”帶出來的問題。

  由于在3G時代后,大家對高通在3G時代一家獨大心有余悸,因而在此后都在玩平衡,中國只是其中的重要參與者。沒有任何一方能夠獲得高通在3G時代的地位。

  從實踐上看,5G反而是高通的一個機遇,在4G時代被中歐聯手“去高通化”之后,高通借助5G提升了自己的話語權,一個典型的例子就是高通宣布的5G時代的“高通稅”,比4G時代要高。

  在實踐中,5G覆蓋比較差,國內用厘米波,覆蓋只有300米,美國用毫米波覆蓋只有不到200米。而且信號穿透很差,室內信號銳減。

  之所以出現這種情況,主要是因為由于5G在頻譜利用率上和4G差不多。因而走了高頻擴容,暴力提升的道路。很多商家鼓吹的“很厲害”的技術,其實就是為了支持更大帶寬。

  兩位網友告知:

  4G五載波聚合,4x4mimo,256QAM,實測速度1.2Gbps。

  香港4G商用網速也測出過980Mbps。

  5G性能上的提升,很大程度上依靠大帶寬和多天線。把帶寬從原來的幾十兆,變成上百兆,幾百兆,把原來4根、8根天線,變成現在的96根、128根天線。

  這種暴力堆積的結果,就是導致成本、功耗暴漲,覆蓋和信號穿透很差。

  而且在低頻上拿出不這么多帶寬,所以5G只能用中頻和高頻。而128根天線的一個直接影響,就是天線口徑效率銳減,某廠商的天線口徑效率只有13%,大量能量被轉化成熱能浪費掉,加上射頻、天饋系統、散熱系統都是電老虎,5G基站的功耗隨之大增。

  可以說,即便是用中頻部署5G,300米的覆蓋和糟糕的室內信號已經非常麻煩了,從美國的實踐看,用毫米波進了室內就沒信號。美國用高頻部署,美國運營商Verizon的“5G Home”實踐也證明,這是一個大坑。

  

3.webp.jpg

  順帶說一句,毫米波明明是5G用的,工程院院士鄔賀銓就表示:

  在頻率問題上,我們現在是工作在6GHz(千兆赫茲)以下的頻段,這個頻段與毫米波頻段相比建網相對更快一些,但能得到的最高峰值帶寬不如毫米波頻段,所以未來中國5G還要采用毫米波頻段。

  有意思的是,根據任正非的說法,毫米波變成了6G技術。難不成美國5G=中國6G?(任正非表示:6G技術和5G技術在開發過程中是并行的,6G我們早就在做了,6G主要是毫米波,因為它有非常寬的帶寬,但它可能會犧牲發射距離,6G真正規模化地投入使用,對于我們公司來說還很早,還有些過程)。

  這著實令人困惑。一位朋友告知:

  現在的5G毫米波是30Ghz左右頻段,任正非可能指的是100Ghz至300Ghz頻段。

  然而,選擇更高的頻率,確實可以帶來更多的帶寬,但問題在于,覆蓋范圍會非常可憐,信號穿透性會差的離譜,成本會異常高昂,設備功耗會在現在厘米波5G基站的基礎上成倍增長。

  事實上,5G用厘米波的信號覆蓋和信號穿透就已經非常感人了,正是因此,設備商鼓吹宏基站+微基站+皮基站+飛基站的部署方式來彌補信號覆蓋問題,而且老百姓家家戶戶都要裝室內基站。

  5G用厘米波,覆蓋有多差呢?大家看一個視頻。

  

  (這里說明一下,4G的潛力很大,4G五載波聚合,4x4mimo,256qam,實測速度1.2Gbps。香港4G商用網速也測出過980Mbps。因此,實測5G 100+Mbps,峰值900+Mbps并不能說就比4G強,只能說三大運營商在大陸并沒有充分挖掘4G的潛力。)

  電磁波有一個特點,那就是頻率越高,覆蓋越差,信號穿透越差。現在的5G用的是2.6Ghz、3.5Ghz、4.9Ghz,室內信號覆蓋已經到這種地步了,鐵流無法想象,用30Ghz、300Ghz信號覆蓋和穿透會怎么樣!

  而一些媒體和學者炒作的太赫茲波,則是高頻擴容思路的進一步發展。鐵流認為,這已經是走火入魔了。

  6G太赫茲是怎么回事呢?

  根據東南大學毫米波國家重點實驗室主任洪偉教授《毫米波與太赫茲技術》的定義:

  傳統上, 微波頻段定義為300 MHz-26.5 GHz, 毫米波頻段為26.5-300 GHz, 而太赫茲頻段為300GHz至10000 GHz (10 THz). 現在比較流行的一種說法是, 0.3-30 GHz 為微波頻段, 30-300 GHz 為毫米波頻段, 也有人將0.1-10 THz 稱作太赫茲頻段(1THz=1000Ghz)。

  

4.webp.jpg

  可以看出,太赫茲波可以簡單理解為頻率比毫米波更高的電磁波。炒作太赫茲6G的思路,其實還是5G的高頻擴容的思路,就是選擇更高的頻譜,獲得更大的帶寬,從而獲取更高的網速。

  換言之,2.6Ghz、3.5Ghz、4.9Ghz上的500MHZ帶寬商家覺得不夠用,于是高頻擴容選30Ghz至300Ghz,卻對帶來的覆蓋、功耗、成本問題避而不談。

  現在,為了獲取更大的帶寬,一些學者鼓吹用300Ghz至1000Ghz頻段,問題是,之前那個視頻已經展示了,2.6Ghz、3.5Ghz、4.9Ghz的信號穿透不行,而且運營商在實踐中發現,現在的厘米波5G基站功耗是4G基站的2.5至4倍,中移動如果建1000萬個5G基站,全年利潤不夠支付半年電費。覆蓋在無建筑物阻擋的情況下,只有300米,5G基站的成本是4G基站的4倍。

  如果用太赫茲波,功耗、組網成本、覆蓋問題會比現在的厘米波5G基站大很多很多。

  這絕對是運營商的噩夢!

  對于這種高頻擴容的思路,幾位網友吐槽:

  5G用厘米波覆蓋已經很差了,就窗口有新號,室內走2米信號很差,網速連4G都不如。用毫米波,覆蓋更差,功耗更大,成本更高......太赫茲波,畫面太美。

  按照這思路,難不成10G用紅外線?天線1024根。20G要用伽馬射線?1萬多根天線?

  

5.webp.jpg

  可以說,高頻擴容這條路線經過5G現在的實踐,其實是非常值得商榷的,當下5G的功耗問題、覆蓋問題和成本問題已經讓運營商有點頭疼了。這種6G基站的覆蓋會非常感人,而且會使整個系統的成本、功耗在5G的基礎上進一步成倍增長。

  也許有的讀者會覺得鐵流啰嗦,但問題是很多讀者對鐵流文章里指出的問題視而不見,陷入厲害體、沸騰體不可自拔,因而重要的事情說三遍。

  根據電磁波的特性,頻率越高覆蓋越差,如今Verizon用毫米波做室內覆蓋都未能在商業上取得成功,國內用中頻(3.5Ghz)覆蓋都不樂觀,只有300米,室內信號銳減。

  用太赫茲波的話,覆蓋恐怕會非常感人,而要完成這種6G基站全覆蓋,沒準太赫茲的6G基站要像節慶活動中的燈籠一樣每隔幾米或十幾米掛一個,必須屋內屋外,路燈樹上全部掛滿,才能實現無死角全覆蓋。對于設備商來說,這絕對是夢寐以求的,但對于運營商來說,這絕對是災難和噩夢。

  如果基礎理論沒有突破 通信必然稱為紅海

  從現在4G、5G、衛星通信技術的情況看,未來幾年,4G的地位無法動搖,會成為廣域覆蓋的關鍵和中流砥柱。

  5G由于成本高、覆蓋差、功耗大,只適合在人流密度較大地區覆蓋,政府拉動GDP燒錢強推的話,城市戶外覆蓋也可以,但農村必須靠4G。

  而衛星通信則會在偏遠地區的村莊、島嶼提供服務,或者為飛機、輪船、客貨車輛、野外場區、作業團隊提供通信服務。

  室內場景,比如辦公室、家庭環境,基本依舊會是WIFI的天下。

  因此,未來幾年,4G和5G會長期并存,現階段5G如果不進行技術革新和改進,會類似3G那樣成為過渡性技術。而衛星通信,則會在自己的一畝三分地為相對有限的用戶提供通信服務。

  鐵流認為,在基礎理論突破以前,所謂的5G、6G其實都是商業概念,是通信廠商為了自身利益推出的東西,只是為了讓整個行業有錢賺,從業者能有飯吃。

  其實,通信專業的人一方面很早就知道香濃時代就已經劃定了通信效率的上限,另一方面這個專業結論又是不能大張旗鼓的說的,特別是對公眾、對政治家、對外行、對投資人大張旗鼓的說,否則就會讓他們喪失想象力,從而嫌棄這個行業而去。

  所以出現了當下的亂象——在基礎理論沒有突破,頻譜利用效率沒有提升的情況下,企業和媒體合流紛紛炒作5G、6G如何牛逼,如何改變人類生活。進而忽悠政府綁架政策,國家投資,全民買單。

  何況這個5G對廣大用戶而言沒啥意義,4G就夠用了。即便是工業應用,考慮到穩定、可控、抗干擾、性價比等因素,肯定也是有線為主——目前智能工廠中97%為有線網絡,2%用WIFI,用蜂窩通信的不足1%。

  

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  必須指出的是,任正非所言的華為同時研究5G和6G恰恰說明6G沒啥技術革新,因為4G就已經把現有技術用的比較到位了,5G技術升級疲軟就是在缺乏理論和技術革新的情況下,暴力堆料的結果。

  雖然行業每隔7至10年就推新一代通信標準,但是技術突破和理論革新不是每7至10年就會出現的。在缺乏理論突破和技術革新的情況下每7至10年搞一套通信標準,本質上都是商業概念,而不是真正能夠提升老百姓通信體驗,降低通信成本的好技術。結果只能是用全民的財富給通信行業輸血。

  當下,需要的不是媒體的喧囂,而是靜下心來搞基礎理論突破,或者是在關鍵技術上有所革新,把成本、覆蓋、功耗問題解決,把如今這些商業概念的東西,變成真正的技術迭代。

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