5G和6G如何赋能数字中国基础建设？

April 24, 2023

Fanny Hu

发布于2023-04-24

2018年，中央经济工作会议首次提出把5G、人工智能、工业互联网、物联网等相关的基础设施定义为“新型基础设施建设”，提出加强新型基础设施建设。而自疫情爆发以来，新基建计划得到了加速推进。自此，新基建一直是中央会议中的热词。在传统经济时代，“想要富，先修路。”是人们公认的道理。而在数字经济时代，基础设施建设的重要性也是一致的。中国提出新基建，目的就在于以此赋能数字经济。

在所有关于新基建的文件中，5G一直处于众多基础设施之首。在2019年中国5G正式商用以来，在“适度超前”进行新基建的原则下，不少人已经用上了5G手机和5G套餐，但是在公众舆论中，除了5G网络比4G好像快一点之外，许多人并没有意识到5G到底有什么特别。

为什么5G乃至未来的6G移动通信网络建设能够成为新基建之首？只是网速翻倍？显然不是这么简单。

5G，第一代不只为人设计的移动通信网络

很多人对5G的创新停留在网速更快上，无疑，这是5G的一个巨大优势，但是5G不仅限于此。

根据ITU（国际电信联盟）的定义，5G的三大应用场景分别是eMBB、uRLLC与mMTC，即增强移动宽带上网、高可靠低延迟通讯、大量装置连网通讯。

其中，后两大场景主要是为了人和物、物和物的网络效率提升设计的，可见5G的雄心绝不只是提升速度，可以说，5G是第一代不只为人设计的移动通信网络。

5G作为一系列技术标准，通过不同的技术组合，改进了通信的接入网、承载网、核心网和终端芯片，使得这样的新场景成为可能。

eMBB增强移动宽带上网

增强移动宽带上网，即我们日常意义上的上网速度变快，这也是大家最熟悉的5G下的新场景。

4G LTE网络允许的下行的峰值数据速率为1 Gbps，上行的峰值数据速率为500 Mbps。而5G的下行峰值数据速率为20 Gbps，上行的峰值数据速率为10 Gbps，理论上的极限速度达到4G LTE的20倍。

更快的速度除了可以让我们熟悉的普通业务变得更快，比如观看4K/8K视频不卡顿，也为新的应用，比如需要大量数据支持的VR、AR有了可以丢掉线缆，走到室外大规模提供了实现的机会。

为什么5G下网速能提高这么多？这主要是通过新空口技术来实现的。

空口是一个移动通信术语，指的是基站和手机之间的无线传输规范。空口规定了使用何种频率的无线电波来传输，何种天线，如何将信息编码到无线电波等等。5G之所以能够增强网速，主要是因为使用了一系列新空口技术，如利用更高频率的无线电波、新的基站天线设计、更高级的调制、编码和复用技术等。

这其中最重要的技术之一是Massive MIMO（Multiple-Input Multiple-Output），即“多收多发”。或天线阵列技术，指的是一个基站中有多组天线集成在一起，拥有多个独立收发单元，每组独立收发单元能够收发手机数据。

在2G时代的基站设计中，一个基站的标配是两组独立收发单元。而4G手机时代，一般的基站为4或8组独立收发单元。而5G中，之所以叫Massive MIMO，即大规模天线阵列技术，是因为工程师采取了新的技术，不但减少了各天线发出信号之间的干扰，还让各天线能够相互配合（波束赋形），成功地让一个基站能够拥有64组独立收发单元。如果用一个比方来形容，那就是A地与B地之间，原来只有四条道路，现在拥有了64条道路，那道路每时能运送的货物量自然大幅提高了。

另一个重要的技术是增加了毫米波波段的信息传输。之前人们移动通信主要使用的是sub 6频段，也就是6000MHz以下的频段。5G的一个创新之处在于增设了之前利用较少的毫米波波段。毫米波波段频率高，更容易衰减，覆盖范围低，但是它能提供sub 6频段无法负担的高带宽。打比方来说，原来在北京道路已经十分拥堵了。5G除了继续改善道路外，提出使用直升机也是一条道路，虽然这条道路不适合每个人都来使用，但是对于特别需要快速通过的人来讲，是一条新的路径。

URLLC高可靠低延迟通讯

我们都听说过5G将带来无人驾驶技术，远程医疗技术，远程机器人控制技术等的爆发，之所以5G前的网络支持不了这样的技术大规模的应用，原因是这些领域中，需要超低的端到端时延。使用智能手机上网，如果网页打不开，并不是特别紧要的事情，但是医生如果进行远程手术，网络出错或者延迟就是一个大问题。这种技术中通常要求误差在几毫秒，且需要极高的可靠性。

5G的无线通信中，6000MHz以下的频段终端到基站之间的延迟可以低至1毫秒，而在毫米波的波段，延迟能够低至0.1毫秒！

一个普通人类的反应速度大约在300毫秒左右，国际田径联合会认定，人的反应时间极限是100毫秒。4G的理论延迟是10毫秒。1毫秒已经是极低的延时，但是应用于自动驾驶汽车领域，这个延迟还是会造成汽车3.3c的移动，低至0.1毫秒，则几乎可以视为没有延时。

5G能够做到高可靠性，主要依赖于新的编码和调制机制等，既提升了纠错能力，又没有过度复杂使得算法运行的时间提高。而做到低延迟，涉及到新的上下行机制，URLLC高优先级传输机制，边缘计算等等，其中最重要的机制之一，是帧结构的变化。

在移动通信中，数据是以帧为单位进行传播的，而在物理层面上，帧最基本的组成单位是符号，符号组成slot，slot再组成子帧进一步组成帧。在5G中，提出了一种新的帧的组合方式，Mini-Slot。每个Mini-Slot仅仅由两个或多个符号组成。在4G LTE中，最基本的slot含有7个符号，Mini-Slot降低了最低调度周期。用一个比方而言，一个机器中产生糖果的速度是固定的。原本的方式是每次机器产出7个糖果才能掉落到顾客手中，而现在，每产出两个糖果，顾客就能收到一次，顾客就可以少等待而直接可以吃到糖果了。

同时，5G也支持更灵活的帧结构，通过调整子载波间隔，使得不同频率中，能够实现不同的符号周期。这也就是在毫米波中，延迟能够达到更低的原因。用前面糖果的比喻，相当于糖果机器可以换上不同功率的电源，从而调整出糖果的速度。在毫米波的高频率下，出糖果的速度本身就变快了，延时自然也就降低了。

mMTC大量装置连网通讯

用于森林防火的物联网应用中，森林中会布置大量传感器，以检测温度、湿度和降水。这些传感器是静止不动的，不需要像智能手机一样需要移动性管理，走出一个基站的覆盖范围切换到另一个，但是它们有自己的网络特性和要求。一个这样的森林中，有大量的设备需要连接到网络中，虽然它们发送的信息不多，但这些检测器都必须都能在森林，农田这样偏远的地区连接到网络。

与低时延打开的未来场景不同，物联网其实在我们生活中已经存在了很久。从共享单车，到智能家居，商场联网的自助贩卖机，物联网的设备在我们生活中无处不在。专家预测，到2025年，全世界联网的设备将超过700亿，约为世界人口的8倍。

5G出现前，已经有多种主流的物联网联网技术，包括主要依靠2G网络的GSM技术（随着2G退网而未来将逐渐退出）、企业自主布设的LoRa技术、还有4G LTE时代出现的NB-IOT和eMTC技术。

通过将NB-IoT/eMTC标准正式纳入5G标准，并对整体网络整体架构，包括云技术、软件定义网SON、网络虚拟化、切片技术等进行创新，5G决心在物联网方面扮演重要的角色，ITU设想5G将支持每平方公里连接一百万个终端设备。可以想见，在5G的支持下，越来越多的传统设备将加上“智能“的前缀。

新基建下中国5G网络规模第一

那么回到现实，既然5G建设的野心如此强大，为什么5G已经商用3年，普通人感受到的5G网只有速度快，甚至速度快体现的也不明显？

答案很简单，目前5G仍在建设早期，它所能释放的能量尚未完全转化。

3年对于普通人而言，或许是一个较长的时间段，但在通信行业，一项科技标准制定后，需要运营商先采纳标准建设基站，芯片厂商按标准生产合规芯片，行业应用还要更靠后，要先有足够多的需求，才能让公司觉得有利可图，研发合适的商业场景。

从通信行业的历史上也能看出这一点。1G时代，最主要的创新是移动通话功能，2G时代的创新是短信功能，而3G时代，科技已经可以支持视频通话功能了。但1G时代，通话仍然是少数商旅人士的特权，是“大哥”才能拥有的“大哥大”，一直到2G时代，手机和固话在很长一段时间也都是并存的。视频通话也是一样。3G的技术已经支持视频通话，但视频通话真正进入普通人的视野，恐怕还要到微信视频的时代。

5G只是一个通信技术标准的创新，而真正能将科技转化为我们可感知的社会改变，还需要商业公司多年的努力，这需要时间，这也是为什么新基建在中国受到政府支持。单纯靠商业公司的推动，运营商公司要一直计算成本和收益，如果5G套餐付费用户不足，5G基站建设很可能就会迟缓一些。而政府支持下的5G建设，则根据的是“适度超前”的原则。

事实上，这样的政策已经起效。2022年通信业统计公报显示：2022年中国新建 5G 基站 88.7 万个，占全球比例超过 60%。而截止2023年3月，中国已经建成了超过234万个5G基站，5G移动电话用户已经超过了5.75亿用户。从规模而言，已达全球第一。如果没有新基建政策的参与，我们能感受到的5G对生活的改变将会更少。事实上在公认5G建设较慢的美国，许多地区5G网速感受上甚至慢于4G。

行业应用初见成效

虽然被广泛预测的大范围的无人驾驶，远程手术比当地请医生还便宜的未来场景尚未到来，且中国尚未商用能使5G速度和延迟达到峰值的毫米波波段，5G建设实际上已在行业应用中绽放光彩。

采矿业是最先与5G进行工业合作的产业之一。矿区通常在较为偏远的地区，在5G的支持下，采矿可以由工人远程操作，大大降低了工人的危险，提高了效率。中国第一个实现利用5G技术在高海拔地区采矿的普朗铜矿的数据显示，通过采用无人铲运机，矿山开采在爆破前后人员撤离不再是问题，同时还给矿山开采增加了4小时的开采时间。远程操作还可以实现1个矿车司机开多辆矿运车的方案，大大提升了人效。

5G也帮助北京冬奥会诞生了许多经典画面。高山滑雪等山区进行的项目，不容易铺设电视专线、光缆，达不到直播和转播标准。5G基站则帮忙解决了这个问题。不仅能够多角度拍摄到运动员，还能通过专门设计的5G专网，提供4K／8K画质、自由视角、 “子弹时间”等画面。

工信部部长金壮龙表示： “国民经济有97个大类，（2023年）一半以上用了5G。大家用得比较好的，比如在采矿、港口、电力、大飞机制造等都应用了5G。”

6G：超高网速星地一体

5G的应用尚在早期，媒体上已经多了许多关于6G的报道。从2G、3G、4G到5G，大约每十年移动通信技术更新一代。按此规律，到2030年左右6G将登台商用。

国际电信联盟将在2023年晚期完成6G愿景设计，目前各国已经开始争取6G的通信设计标准的领导地位。据报道，中国已经支持产业界组建了6G推进组开启工作，代号“IMT-2030 ( 6G)推进组”。而美国，也着意在6G上发力。2020年10月，美国牵头组建了“下一个G联盟”，拉动高通、三星等多个通信巨头加入，意在引导6G的设计标准，然而中国企业却不在其中，使得这一联盟隐隐有了对抗的意味。

6G标准虽然尚不存在，但是其技术方向已有端倪。除了网络的峰值速率、时延、流量密度、连接数密度、移动性、频谱效率、定位能力肯定胜于5G之外，6G网络还可能在星地融合、通信感知、智能内生和通信感知等方面提出创新。

6G两大重要研究方向是太赫兹和低轨通信卫星。太赫兹是一种比目前的毫米波频率更高的电磁波。频段更高意味着能够使用更大的带宽，但是绕射性也会更差。同时频谱越来越宽对通信器件的要求也会越来越高，大规模的MIMO需要发展成超大规模MIMO，天线单元也需要变得更小来配合这一改变。

低轨通信卫星也是一个目前的技术热门。与5G相比，6G将考虑对低轨通信卫星通信进行原生支持。这中间要涉及到卫星与地面蜂窝通信架构、无线空口的统一设计。低轨卫星相对于地球在运动，这又涉及到星地、星间如何无缝切换等。虽然相比于地面基站的布设，通信卫星很可能将长期处于辅助地位，但对于广袤海洋上的通信，偏远地区的通信，飞机上的通信等等都有极大的意义。

图1：图源：Unsplash+/unsplash.com

结语

移动通信技术作为信息时代的基础设施，从1G走到4G，每一代都提升了生产力，释放了巨大的经济效益，这种效应在4G出现后一度达到巅峰。4G带来了移动互联网应用的繁荣，彻底改变了我们生活的社会。2010年。世界市值前十名的公司来自主要来自能源和银行业，只有微软和苹果两家科技公司；而2020年，世界前十名的公司，有七家科技公司，包括中国的科技巨头阿里巴巴和腾讯。

而中国公司能够迎头赶上，与中国的4G网的铺设高度相关。虽然中国2013年末才开始4G商用，晚于欧美日韩，但到2016年左右，渗透率已与这些国家接近，至2017年末年，中国有接近10亿的4G用户，已成为全球4G用户最多的国家。4G渗透率的提升和支持4G的智能手机的普及，推动了中国科技公司的发展。

5G能否复制4G为我们生活带来的翻天覆地的变化？正如前述所言，在民用端，虽然网速提升是可感的，但目前尚未出现现象级的新应用，充分应用5G的超高网速和超低延时，为社会带来的翻天覆地的变化。或许沉浸式技术将是一个很好的未来使用场景，亦或者真正创新性的应用尚未出现。而在企业端，5G已经在悄然提升许多企业的效率。

随着5G Advanced和6G的演进，一些我们讨论了许久的科技概念，如全息通信、数字孪生等，将终于在通信技术层面得到实现的可能。每一项技术能否最终成型，网络只是基础，终究要取决于该技术本身，但是毫无疑问，5G和6G的建设，将助推这些愿景的落地。而通过新基建，中国很可能在这些技术的商用上，获得先发优势。