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信息传递，是生命活动的基本特征和需求，人活着就需要通信。
远古时代，人类通过声音和手势进行近距离信息传递。经过探索和积累，人类开始利用信鸽、驿站和烽火等工具开展长距离通信。但是，这些古老的通信方式耗时费力，可传递的信息量有限。近代，人类终于找到了远距离高速信息传递的理想载体——电磁波。1864年，英国科学家詹姆斯·麦克斯韦（James Maxwell）建构了电磁波的基本理论；1887年，德国物理学家海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）通过实验证实了电磁波的存在，这一伟大发现奠定了现代无线通信的基础，而赫兹（缩写为Hz）也被命名为频率（1秒钟内物体振动的次数）的单位。
电磁波通过变化的电场和磁场实现传播。按照其变化频率，电磁波可进一步划分为甚低频、低频、中频、高频及红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等数个频段（表2-1）。其中，频率在3kHz～3THz（即3×10 3 ～3×10 12 Hz）的电磁波通常被称为无线电波。我们在日常生活中所接触到的无线通信技术，如蓝牙（bluetooth）、无线局域网（又称Wi-Fi）和第四代移动通信（4G）等，就是利用无线电波进行信息传递的。
表2-1 电磁波的分类
有记载的无线通信最早发生在1895年。这一年的5月7日，俄罗斯科学家亚历山大·斯捷潘诺维奇·波波夫（Александр Степанович Попов）在该国的物理化学年会上展示了一台无线电接收机。同年，意大利工程师古列尔莫·马可尼（Guglielmo Marconi）也成功实现了约3km的无线通信。时至今日，小到刷卡进地铁站，大到星际通信，无线通信的应用无处不在。我们使用蓝牙技术实现手机和无线耳机之间的音频传输；我们使用Wi-Fi在室内或半封闭空间内上网；我们使用4G，在户外或移动交通工具里上网。虽然蓝牙、Wi-Fi、4G和5G都属于无线通信，但它们具有不同的无线通信技术标准。技术标准是无线通信收发机之间事先规定好的沟通方式，使用不同技术标准的无线通信机之间不能进行信息传输，这就如同只说中文和只说英文的人之间无法用言语直接沟通。
为了保证各个国家所使用的移动通信系统能够相互兼容，联合国下辖的国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）负责推动和发布移动通信技术的世界标准以确保网络和技术的无缝互联。目前，标准的具体制定由一个被称为第三代伙伴计划（The 3rd Generation Partnership Project，3GPP）的联合组织来完成。从第一代移动通信技术（1G，G是generation的首字母）到现在的5G，移动通信技术大约每10年升级一代。每一代移动通信技术每隔一两年都有一次更新，并推出一个新的版本（release）。例如：具备完整4G特征的标准通常被认为是从3GPPRelease 10版本到3GPPRelease 14版本；而从3GPPRelease 15版本起，移动通信系统开始向5G过渡。可见，尽管5G系统已经开始了商业化运营，但它还会不断改进。
从1G到5G，移动通信技术给人类带来了极大便利。1G技术于20世纪80年代投入使用，它虽然只支持语音通信，但让人们摆脱了电话线的束缚。从2G系统开始，通信质量较差的模拟通信被数字通信取代，移动终端（俗称手机）自此开始具备收发短信息和低速上网的功能。到了3G时代，随着智能手机的普及和网速的提升，收发电子邮件和上网浏览信息成为移动通信的主要应用。在即将过去的4G时代，视频传输成为主要应用，移动终端逐渐替代电视成为人们观看视频的首选设备。在5G时代，移动通信主要面向三种典型需求：高速数据传输、海量设备接入、高可靠低时延传输。高速数据传输针对高清视频、虚拟现实等需要传输大量数据的应用；海量设备接入是万物互联的物联网的必然特征；高可靠低时延传输则针对诸如无人驾驶等对数据传输的正确性和及时性有很高要求的工业应用。总而言之，5G不仅能够满足人与人之间通信的更高需求，还可以兼顾人与物、物与物的通信需求。
那么5G系统是如何满足上述三个需求的呢？
首先，它的信号格式更为灵活和简短，可以满足高可靠低时延传输的需求。例如，在4G系统中，移动终端发送数据给基站至少耗时0.5ms，而5G系统凭借它的高速数据传输能力把这个时间压缩了一个数量级，达到0.05ms。
其次，高速数据传输、海量设备接入主要通过更大的频谱带宽和大规模多天线技术（massive multiple-input multiple-output，Massive MIMO）来实现。频谱带宽指的是一个通信系统能够使用的无线电波的频率范围。要了解它对无线通信的重要性，首先需要了解无线通信的信道容量（channel capacity）。信道容量是由信息论的鼻祖克劳德·香农（Claude Shannon）于1948年建立的。它指的是一个通信系统在1s内可以无差错传输的数据量。信道容量与通信系统的频谱带宽及接收信号的信噪比有关。信噪比就像公路的路面质量：高的信噪比就像铺设平整的高速公路，其上的车辆可高速行驶；而低的信噪比就像一条坑坑洼洼的泥土路，其上的车辆只能低速行驶。频谱带宽可以理解为信息高速公路的车道数量：频谱带宽越大相当于车道的数量越多，公路的运输能力也就越强。俗话说“要致富先修路”，增加频谱带宽可以直接提升信道容量。
可是，无线电波的频谱带宽是一种稀缺的国家资源，它的分配需要在国家层面上经过非常严谨和科学的论证。为了部署5G系统，我国已经在6GHz内的无线电波频谱中给各个移动通信运营商分配了超过400MHz（4×10 8 Hz）的新频谱带宽。这些新频谱带宽的加入可以扩展运营商们已有的频谱带宽，从而直接提升无线信息传输的速度。
还有什么方法可以进一步增加信息高速公路的车道数量呢？答案是多天线技术。
5G系统中引入了一个大规模多天线技术（图2-1）。通过多个天线的相互作用（图2-2），这种技术能够在空间中形成多个波束，这些波束可以指向不同方向且携带的信息互不干扰，从而可以同时向不同移动终端传输不同数据。理论上，波束数量和天线数量成正比。
●图2-1 二维天线阵列实物图
注：图中每一个金属正方形代表一个天线，总共有40个天线。这个二维天线阵列可以在水平方向和垂直方向灵活调整发射信号的波束指向，同时向不同移动终端发射数据或者接收来自不同移动终端的数据。
●图2-2 采用单天线和天线阵列的基站示意图
注：（a）中的基站采用单天线，无法形成可以灵活调整指向的波束；由于信号覆盖整个服务小区，无法同时给不同移动终端传输数据。（b）中的基站采用大规模多天线技术，形成多个可以灵活调整指向的波束，可以同时服务于不同移动终端。
虽然5G技术已经很先进，但它不会是移动通信技术的终点。就在5G走进千家万户的时候，工程师们对下一代移动通信的研究已经展开了。5G主打的无线电波频谱带宽都在6GHz以下。为了获得更大的频谱带宽，下一代移动通信必然会探索更高的频率波段（如30GHz）。当然，技术都具有两面性，通过拓宽高频信息，实现了带宽增容，但是这些极高频信号穿透能力弱，很难穿过或绕过墙壁，很容易被人体等障碍物阻挡，导致信号中断，传播距离也有限。目前的5G技术还不能够很好地解决上述问题，极高频信息的广泛使用还有待无线通信技术的进一步发展和创新。
王锐
南方科技大学电子与电气工程系副教授。2004年获中国科学技术大学计算机科学与技术系学士学位；2009年获得香港科技大学电子与计算机工程系博士学位；2009—2012年在华为香港科技大学联合创新实验室担任高级研究工程师，从事5G和下一代Wi-Fi标准的预研。担任 IEEE Wireless Communication Letter 等学术期刊的编辑。