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香港科技大学商学院许佳龙教授,畅谈 5G 与其商业潜力

大家好。我是香港科技大学商学院副院长许佳龙,今天跟大家分享的课题是 5G 与其商业潜力。

高德纳 2018 年预测 5G 网络的推出时间,其中最先推出 5G 的国家很大机会是北美(美国跟加拿大),中国内地,以及澳大利亚。我们一般认为欧洲等西方国家的发展较好,但此报告预测欧洲 5G 的推出的时间反而可能是最后一批,原因是什么呢?今天就想跟大家讨论一下 5G 的技术到底是什么?为什么跟之前的 "G" 发展方向如此不同?为什么 5G 带来了更多的争议和挑战?它的商业潜力在哪?

一、5G 是什么?

首先讲一下 5G 跟之前的 G 的分别。从技术的背景来跟大家解释一下一些基础的概念。数字通信一般通过信号传输数据,如互联网或所谓的有线电脑通过电子信息(零或一)传输数据。无线世界不是电线连接电脑在一起,那我们怎样通过无线电波传输数据呢?其实概念很简单:我们用电波的频率和波长传递数据,电波每跳一下就是一次信号的传输。如果电波频率较高,跳得比较频密,携带的数据就会比较多。基本上所有无线通信的概念都来自于电波的频率跳动。这是物理的基础规律,所有的电磁波都根据这一公式 -- 即其波长跟频率相乘不可超过光速。因此如果光速不变,如果电波的频率越高,跳动越多,它可以传输的信息就越多,这正是现在我们日常生活中无线通信技术的基础。这其实就是无线通信传输技术几个 G 之间一个很大的差别。电波的波长和频率要根据光速来规范。所以高频率的电波可以传输相对较多的数据,带宽就会比较大;同时如果频率较高,电波的信号就比较集中,多路径干扰也会比较少。低频率衰减的机会相对较少,对传播的依赖程度低,携带的数据量不高。以上是无线通信技术的一些基础概念。

流动通信里另外一个重要的技术就是蜂窝技术,其概念是把要服务的地区划分成一个个小的地区或区域,在每一个小蜂窝里都可以重用同一个频率。比如原来一个频率可以服务 100 个人,假如将地区分成了 8 个蜂窝,就可以服务 800 人。但如果只是用一个大蜂窝,就只能服务 100 人,无法重用。小蜂窝最主要的好处是允许我们在不同的地方重用同一个频率来服务不同的人,服务用户数量大幅增长。蜂窝技术的分别也是 5G 技术跟其他几个 G 技术的一个最大分别。

这是不同应用用到的频率:可以看到传统的一些应用,比如电视或收音机用的是比较低频的电波。这些应用要求的是一个大范围的覆盖,同一时间必须要高频。其实电视或者收音机需要的频谱都是很低的,因为它们传输的数据量很少,所以一般可以用一些低频的电波。高频的电波端可以看得到我们正在使用的一些流动网络,如 2G, 3G, 4G 用到的频道都是在这几个 GHz 频率里。电信商用一个流动信号把数据可以覆盖到很大的区域。再往右边看比较高频的一些应用,比如家里面用的 Wi-Fi,就是 2.4 或者 5GHz。这些 Wi-Fi 用的频率已经非常接近 4G 和 5G 在用的一些频率了。但他们不是公共应用,只是自己家里用的一些应用,所以跟外面的移动网络没有冲突。

再往右可以看到现在很多国家地区正在发展的 5G 设想的应用。这些应用很多时候会用到一些比较高的频率和电波。比如香港已经发了几个 5G 频谱的牌照,用到的可能是 3.3,3.5,还有 4.9GHz 的频带。中国内地正在准备使用的是 2.5 到 4.8GHz。但是大家可能不太理解或者之前没有了解过,其实这些所谓的 5G 应用的频谱,跟正在用的 4G 频谱是非常接近的。所以如果单单从无线电传输技术或频谱来讲,5G 用的频谱跟 4G 用的频谱是差不多的,它的本质分别不在于它所用的频谱,而是刚刚讲到的蜂窝技术的分别。

有好多预想之中最强大的 5G 网络应用是希望 5G 到最后可以让我们用到毫米波(超高频电波),频率越高数据量越大。比如 4G 可能现在是大概二点多或三点多 GHz 的频道,如果 5G 以后的一些应用真的可以到 30 甚至 300GHz 的话,单单是频道导致的传输数量就已经可能是十几倍以上的增加。但这些都不是商业应用;商业应用一般用不到这些。现在政府在发的牌照,用的 5G 的一些应用基本上跟 4G 相差无几。

那最大的好处在哪里呢?这是国际通信组织讲解到这几个 G 之间的分别。比如 1G 是 1980 年代诞生的技术,那时技术较差携带的数据量很少。等到 2G, 3G, 4G, 到现在 5G 有可能到 10 个 GB/s 的速度,而且延迟非常少,5G 跟 4G 最重要的分别就在于此。在这个图中你可以想象一下右边的是 5G 的网络,左边的是 4G 的网络。在 4G 世界里我们可能就用一个很大的基站就把整个地区覆盖起来了,如香港。可能一个比如 3 GHz 的频道就可以服务香港 700 万的人口。在 5G 的网络不会用这样的一个基站,我们把整个地区切成很多小蜂窝。每一个小蜂窝可能用的都是这个 4G 频谱;但每个基站服务的人就是在小蜂窝里面的那几个人。

想象一下 4G 的世界我们本来是用一个基站服务了 700 万人。现在 5G 的世界,我们把它切成了非常多的小蜂窝,每一个蜂窝都可以回带跟 4G 一样的数据量,但现在需要服务的人可能就变成了可能 1000 个或 100 个,差别是很大的。4G 的世界一个频谱服务很多人,每个人分到的很少。但是在 5G 的世界,最大的分别不在于频谱回带能力高与低,而是在于它服务的面积和人数都变少了,每个人分到的就比较多。这就是为什么很多人都说 5G 可以有海量的传输能力,就是在于同一个频谱里面现在没有人跟我争了,我就可以用到的变多了。

另一个很大的差别就是延误。回到之前国际通信组织的表,5G 的延迟时间可能是少于一个毫秒,但 4G 或 3G 的延迟时间较长。其实就是即使大家在同一个服务的范围用同一个频谱,在 4G 的世界里服务的人很多,每个人分配到的频谱很少,同一时间基站需要处理的人数也特别多。中间每一个过程都是电脑运算的一些过程,电脑运算是需要时间的,就会有一些延迟。5G 的世界里每一个蜂窝面积小,你与基站之间的距离很近,同时每个基站服务的人很少,运算量也比较少,那所有的东西都可以加快地去运算传输,因此 5G 的世界里延迟的时间就会比较少。我们很多时候透过 5G 的网络就可以应用到一些对时间特别敏感的一些应用,这个也是另外一个 5G 的世界跟 4G 的世界里面的差别。

总结一下:基本上来讲 5G 跟之前的 G 的一个最大的分别是在 5G 的世界里通过建立更多的基站将每个服务的区域缩小。移动的用户从一个蜂窝去到另外一个蜂窝时需要做切换:因为从一个地方,本来是这个基站在跟我传输;去到另外一个地区的时候,要传到了另外一个基站,那这个传输切换的过程是需要电脑运算的。在 4G, 3G, 或者以前 G 的那些年代,因为基站数量少,所以用户需要切换的机会不多。就算我开车或是坐在火车上面走动了很大的范围,可能还是在跟同一个基站在做联系,我们之间需要的切换很少。但是 5G 不同,我们从一幢大厦去到街尾的另外一幢大厦,可能已经切换了几个基站了,这些切换需要很多的电脑的运算能力。大家也可以看出为什么最近几年我们开始讲 5G, 十年二十年前都不讲 5G 不是说那时没有这些概念,而是那时电脑的计算能力还没有精进到提供频密的切换,现在的这一代的技术可以做到了。

5G 中最基础的概念和最大的好处就是可以用海量的计算能力补偿频带的不足。频谱,像 5G 是 30-300 GHz 的频谱,我们还可以用一些更高的。其实我们经常有用的东西,比如 X 光就是超高频的电波。大家不会想象用 X 光来做通信传输,因为 X 光对健康危害大。所以用电波做电子通信是有限的,频率也不可能无限向上。这也是为什么从 2G 去到 3G 的技术的发展很直接很容易,从 3G 到 4G 也挺容易。我们把频率调高就好,但慢慢到 5G 甚至以后 6G、7G,不太可能再不断地上调频道了。因此今后的无线通信技术里我们需要的是新思维。5G 中最重要的一个思维就是不从频率的方向想,而是从面积的方向想。通过小面积把每一个面积里面服务的人数上涨,让每一个人都可以分到较多频率回带更大的数据量。5G 用的更高的频率携带更多的数据,高频传输对电力的要求高。所以蜂窝面积小其实有好几个好处:第一个是可以服务更多的用户。另一方面对电力的要求也变得没有那么高,我们一般小小的一台手机的电量可能都足以跟基站做很大数据量的传输。

二、5G 技术的启示

首先,5G 的技术可以给大家很快的数据量和回传,原因是在于他中间用了很小的蜂窝,每一个蜂窝之间都必须有电脑计算去做切换。因此对基建要求较高,投资的成本会很高。在前几代的 G, 可能需要的就是那几个基站,提供大范围的不论人数的服务。但在 5G 即使是很小的一个城市,涉及到的可能都是一些很小的蜂窝,每一个蜂窝里都需要一个基站,这些都是投资的成本。其次也必须要在地区内有基础。现在谈到的是一个很小的蜂窝,如果一些地方面积太大,无法把所有的用户都用 5G 蜂窝覆盖起来的话,那出了这些蜂窝范围以后还是需要其他无线通信的基础建设,让用户连上网络。

因此从实际应用来讲,如果一个城市里光纤回程可行,部署于一个小型的 5G 蜂窝网络的成本大概是从 680 万美元;小城市到 5000 多万美元。小城市的概念是约 15 平方公里(半个澳门左右的面积),18 万的人口。香港的面积是大概 1000 平方公里,30 个澳门的大小,人口是 700 多万。如果在香港铺这样的网络,就要把这个数乘以几十,成本非常高。5G 的技术虽然很好,问题是不见得每一个城市,每一个国家都可以提供这样的财力、技术,铺设这样的网络。比较有钱的国家可能就会比较早的应用 5G;经济能力相对差的地区可能很难应用到 5G。当然 5G 技术也可以给国家或是地区带来发展上的不同。因为 5G 每一个小蜂窝可以覆盖的地区面积很少,所以如果国家的面积很大,像中国内地或是美国,无法把国家的每个角落都铺上 5G 蜂窝或是基站。最后仍需要良好的 4G 或者光纤网络去让用户在 5G 基站之间的数据传输流畅。

5G 的海量传输速度是哪里来的呢?手机在蜂窝里跟基站有很快的传输速度,但从基站到外面的世界的传输速度很慢,那小蜂窝多快都没有意义。所以地区要有良好的基础设施,包括光纤网络和 4G 的网络,才可以把高速的传输也可以通过这些基础的设施发送出去。

三、5G 的争议与的挑战

国际经合组织里面的光纤到家的百分比,最高的是韩国、日本、立陶宛、拉脱维亚;最少的国家是希腊、比利时、英国、以色列、奥地利、德国、意大利,一些大家都以为是发展得非常好的西方国家,比如说英国、德国、意大利,光纤到户的比例是非常少的。2018 年英国光纤到户的百分比还不到 10%。内地比例非常高,在香港是绝对是超过 90%。如果 5G 网络基站跟手机之间的传输速度很快,但是从基站到外面的世界也必须要有一些基础的高速传输网络,把通信数据连到外面的世界去。但如果没有高速的光纤网络,就算应用 5G 技术基站跟用户手机可以有高速传输,他传送的内容出了基站后还是要受到现实网络的限制。5G 潜力在光纤网络覆盖好的国家好。

另一个启示是潜在的经济和投资成本。5G 网络很大机会在一个人口密集的城市里面首先得到应用。在地区范围很大但人口很少的国家的投资成本比例上就会比较高,因此需要 5G 的诱因就会比较少。比如说香港、深圳的人口密度非常高,即使通信商投资 5G 网络的成本很高,但是至少会有很多的用户使其愿意支付这个钱设立网络。但比如农村地区面积大人口少,用 5G 网络的成本就可能过高,电信商可能就不愿意投入资源。

更重要的一点是 5G 技术的架构跟以前的电信网络很不一样。以前的电信网络,2G, 3G, 4G, 用户拿手机从一个地方走到另外一个地方通信就可以了,4G 的世界最多也就是发信息看图片之类的应用。但在 5G 的网络,5G 的技术可以用到小区域甚至于私人场所,因为它的技术基本上也是流动通信的技术。但是另一方面想象一下小蜂窝就是一个工厂,我可以让我的工厂里面所有的员工通过他们的流动设备应用到一些很高频的应用跟公司网络有无缝连接。所以 5G 的网络设计非常配合物联网。中国内地前几年提出的互联网 + 的蓝图,5G 的技术基本上就是为这样的规划提供了通信技术的基础建设。例子包括工厂规划,自家装配线,用户智能家居的系统。我们可以把很多不同的设备联系到一个小小的 5G 网络里面去,让所有的一些设备都可以通过 5G 的技术连接到广大的互联网。物联网重点就是很多的物、很多的设备、进行连接。在 5G 的世界里,每一个蜂窝服务的人少,每个人可以带上网络的设备就多了很多,这就可以连接到很多不同的物件。

四、5G 的商业潜力?

5G 网络用到很多蜂窝,服务大量用户,每个用户可以回带很多物件连到互联网上,就可以把网络应用渗透到社会的每一个层面。联合国国际电信联盟的报告里提到 5G 网络的使用场景。其中考虑到你需要的数据量到底是多少。另一方面是你的应用可以接受的延误有多少。好多现在就算没有 5G 的世界里面已经在应用的实际场景,比如电车传感网络,个人的云,汽车的自动拨打,这些应用对实时的需求其实不高,需要传输的数据量也不高,所以这些应用在现在的 4G 或者是之前几代的通信网络的技术的基础上都可以做到的。

另一方面,比如多人视频通话,无人驾驶,增强现实,都需要很实时通信要求,需要回带海量数据,这些可能是 5G 的实际应用场景。但我们现在真的需要这些应用吗?这些应用在实际的生活里面真的有那么大的价值吗?或者是有很多的用户对这些应用有兴趣吗?这其实是一个很大的问号。另一方面比如自主驾驶首先要通过电脑自动操控你的汽车,因此对时间延迟的要求非常高,需要的数据量也非常大。一辆汽车通过摄像镜头实时传输道路图像,电脑立刻就运算。这样的应用场景当然很可能用得上 5G 的网络吞吐量,和短延迟的资源。在 5G 网络里我们无法保证整个网络都是无间断的。从一个蜂窝去到另外一个蜂窝中间毕竟还是需要做切换。流动通信做切换时如果信号出了问题,大不了就是信号断了、通话断了。一辆汽车如果从一个蜂窝去到另外一个蜂窝中间切断了怎么办呢?5G 网络的应用里是否可以无缝去支援这些应用现在还没有答案。

智能家居、建筑的应用其实在 5G 网络里有很大可能可以真的做到一个良好支援。比如家中监测或身体状况监测,在 5G 的世界里我们可以把它做的更好。在 5G 的技术里面很大机会都可能支援比如无人驾驶或增强现实等应用,最后价值是否实现很大程度上不在技术的本身,而是在于用户和市场的考量。

提到 5G 我们会想到技术、频宽、流量、传输速度等等。技术永远都是好的,但当你把技术带到市场去时,很多技术不一定会被用户接受。因为那些技术好到一个用户不需要他们的程度。很多时候技术的投入可能预想很好,场景很好,但市场结果不一定很好,因为它没有受到大众的支持。提供这些应用但是成本高,其中也有一部分到要转移到用户的手上,那最后要不要用你的技术就是看你的价值够不够。场景非常光鲜美好,但究竟 5G 技术到最后在市场上面会不会受到用户的支持,或者技术的价值是不是真的可以实现出来,未来可进一步讨论。

来源:东方网

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