5G需求

5G的需求，大概可以用高速率、低延迟、大连接来概括。

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。

5G最抓眼球的就是它的速率。 看新闻经常是比光纤还快，一秒下一个大片，快到把人脸吹成骷髅，等等。

但是有什么样的业务需要这样的速率呢？

虽然暂时想不出，但是有一个非常流行的观点是，先修好路，自然会有车。3G、4G都是这样，微博、微信、抖音什么的，以前根本就想不到。等4G来了之后，这些应用也就有了。

很显然，这个观点首先在逻辑上就有很大的问题。 修好了路没有车也很正常啊，你就没见过没人走的路吗？ 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，所以形成了修好路必有车的错觉。然而到了4G之后，带宽已经不再短缺了。

还有一个流行的观点是，科技发展往往超出人的想象力，所以保守的预测往往是错误的。 比如比尔盖茨当年说，计算机640k内存应该是够了。 而现在已经是640G了，6个数量级的增长。

必须认识到，通信和计算机有很大的不同。

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。

通俗一点说，我在PAD上看片，我一般看缺省的高清格式，尽管有超清格式，我一般不会主动选择。为啥？ 因为我的老花眼看不出二者的区别。当然眼睛好的人还是应该能分出来的。 高清视频也就是1～2Mbps的速率，目前的WiFi，4G都远远地超出了我的需求。

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。

VR作为一种创新的视频形式，相信能够获得一定的应用。VR的麻烦在于需要一个专门的头盔，哪怕是手机盒做的简易型的，都是不方便携带的。这么一来VR一般发生在室内，而且一般是专门用途的场景，比如房地产或者旅游景点的体验店什么的。 这些业务一般不会走移动通信，更多的是WiFi或者专线。

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。

从现实的情况看，WiFi的速率总是领先移动网的，即使WiFi已经提供给我们100M的带宽了，但是我门最多应用的速率还是1～2M，超出10M以上的应用非常少，也只有下载软件的时候有时会达到。所以其实4G的速率已经超出需求了，5G的高速率完全是没必要的。

人的感官能力对时延同样是一个决定因素。

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。

要知道人的感官时延大概是100毫秒左右，所以4G 几十毫秒的时延是比较合适的，1ms的时延对人没有意义。所以，只要有人参与的应用，就不需要低时延。比如常用的微博微信，甚至是很多人认为需要低时延的手机游戏，在WiFi上不都玩得挺好吗。

自动驾驶是被广泛误解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，采用尽量短的回路。依靠网络传输的，是路线规划和路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。

基于同样的原因，象无人工厂这些工业应用也无法通过5G网络实现。5G是一个公共网络，对经济性的要求决定了它无法达到工业级的可靠性。不是说技术上做不到工业级的可靠性，而是能做到也不做，太贵了公众用不起。所有的工业应用必须用专线。 远程手术也是同样的道理。

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，要有探路车、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保证总统安全的。

虽然低时延高可靠性（uRLLC）是5G定义的三大场景之一，但是这与5G作为一个公共网络的基本特征相矛盾，是绝无可能实现的。

刚才所说的自动驾驶和无人工厂，属于物联网的例子。 接下来我们聊聊普遍意义的物联网。

有句非常有名的话，叫做“4G改变生活，5G改变社会”，说的就是物联网。5G使我们的社会从互联网发展到万物互联的社会。

虽然普遍认为目前处于物联网爆发的前夕，但是有个问题，物联网未必是移动通信的菜。

移动通信是怎么来的呢？ 起初就是人要打电话，要到处跑，不光在本地跑，还要出差，还要出国。这个特点要求移动需要统一标准，全球统一。所以要有个叫3GPP的组织，几百个公司的人一起制定这个标准，扯来扯去效率是很低的。还要搞个核心网去支持运营，运营商还要养着一大票的运维人员，这些特点就决定了移动通信会比较贵。

所以说，除非移动，不然没有必要用移动通信。 这样移动通信的客户群就很明确，一是人，二是车，另外还有野生动物。所以eMBB，车联网，野外科学考察等等，是移动通信的正经业务。

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这样的系统的生存空间，成本比5G低得多。

所以，从5G的三大需求看，高速率和低时延的需求都是不存在的，物联网只有小部分落入5G的范围。

移动通信与WiFi

5G与WiFi的关系是无法回避的问题，这其实是本文开始就提到了CT与IT两大生态体系的关系问题。

首先有一个每个人都能感觉到的事实，WiFi承载了80%的流量，我们却不会为它付一分钱，而会为只承载20%流量的4G付月租。这是为什么？

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。路由器很便宜，二百块钱一个，用户自己买一个回来自己就能搞定，想把这些路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。

所以说，移动通信和WiFi有各自的应用场景。 移动通信能够实现anytime，anywhere的连接，能够满足用户的刚需，而WiFi便宜，无月租，满足用户高速率的应用需求，将长期共存。

5G之局

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。

5G是目前最火热的话题。 特别是孟晚舟事件之后，美帝组团打压华为，国人已经把5G看成是中美对决的战场。

对于5G的立场，任总曾经发表过一个讲话，说5G的需求并没有出现。我心里赞叹任总真是到了从心所欲不逾矩的境界，也不为利益所左右。 后来徐直军也发表了对5G相对保守的观点。但是后来口风变了，任总为自己的讲话向产品线道了歉。后来华为发文表示要坚决打胜5G这一仗。

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。
虽然过高的速率没够意义，但是随着用户渗透率的提高，资费的下降，数据量每年增长30%的情况还会持续很多年。因此移动网络还需要扩容。

移动通信正确对发展方向是，保证连续覆盖的情况下以低成本提高网络容量。当然，并不是我一个人才知道这是正确的方向，实际上这是通信界的常识，2G和4G的成功就是这种模式。

5G偏离了这种模式，走向了错误的方向。 这背后的原因有三个，一是通信原理的创新遇到瓶颈，二是半导体工艺获得了爆炸性的发展， 三是无线产业决策链条太长。

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，这只能与魔鬼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这样的被公认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，自然地走上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，通过算力使得速率暴力提升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，是由政治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。

一代移动通信标准一旦启动，到产品上市之前，所有的玩家都投入了巨大的成本。鉴于通信产业的战略地位，政府意志也为之背书。大家都绑在这个战车上，即使有问题，在碰到南墙之前是不会停下来的。

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？ 所以我们要有独立的判断，而不是被对方的判断左右。 随着商用的日益迫近，5G的问题会逐渐暴露出来。比如最近ATT的5G造假，韩国5G被指无用，澳洲未能按计划推出5G服务，等等。希望本文能为各方提个醒，尽量减少损失吧。

因为任总的讲话，我认为华为对5G是有清醒的认识的，任总最新的讲话又谈到了5G的需求没有出现。5G成功当然好，又能成为华为的产粮田，况且在舆论上华为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。 对于高通更是灭顶之灾，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。

未来之路

前面已经讲到，移动通信的发展方向是在保证覆盖的情况下，用低成本的技术提高系统容量。 这背后的使能器是核心技术的突破。 这也是我近二十年的通信技术研究生涯所始终追求的目标。

尽管学界对通信原理的发展前景很悲观，但是情况正在起变化。

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。

影响更加深远的，我已经在信息论上获得了重大突破。 大家知道，香农在1948年创立了信息论，其中最重要的成果是这个信道容量公式：C=log（1+S/N），是指引着通信技术研究和工业发展的灯塔。

但是香农只给出了最简单的AWGN信道的容量。 无线通信的信道都是衰落信道，而衰落信道的容量香农只开了个头，后来的学者发展出了一套衰落信道容量的理论，这些可以在经典的通信原理教科书里面找到。

但是，目前的衰落信道容量理论是错误的。

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。开始投稿了Nature，但是Nature认为满篇都是公式的稿件不符合它们的风格，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误解。想想当年Turbo 码论文，评委认为存在3dB的误差。重大突破被误解恐怕是一个规律，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，稿件修改之后再次投稿后，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，也难保政治不会侵蚀学术道德。 不管怎么样，大家很快就能看到了。

基础理论的突破预示着无线通信产业的又一次技术革命，而中国就是这次革命的源头。

成功的道路并不拥挤，我们砥砺前行。

致敬改革开放40周年。