當前關于5G 的大部分討論都集中在它為社會提供的潛力上：例如閃電般的下載速度、幾乎沒有延遲，以及虛擬現實和自動駕駛汽車等新技術和改進技術。

 

然而，在這些討論背后，一個驚人的事實幾乎被忽視了，那就是5G 的基本技術突破：毫米波技術、小型蜂窩密集化和大規模多輸入多輸出 (massive-MIMO) 天線系統正在為未來幾十年的無線行業鋪平道路。

 

隨著我們進入無線認知和人性化計算時代，這些技術將共同推動無線網絡的未來發展。相信在未來20 年的時間里，無線網絡將以人類大腦的速度傳輸信息。

 

為了充分了解 5G 時代的革命性以及它對無線行業未來的影響，讓我們先回顧一下過去的 10 年。在那段時間里，全球蜂窩網絡上數據容量和數據消耗的增長遠遠超過了庫珀定律（Cooper's law）。由工程師馬丁·庫珀 (Martin Cooper) 創造的“定律”最初建議蜂窩電話鏈路的容量大約每 30 個月增加一次（每十年增加16 倍）。

 

而事實上，過去多年里，平均下載速度都在服從與庫珀的法律從2010年的每秒幾兆比特增加至2020年的每秒約50 Mbps。然而，同一時間范圍內的峰值吞吐量數據速率已擴大了 1000 倍以上，從每秒兆比特到每秒千兆比特。事實上，無線行業貿易協會CTIA已經表明，從 2010 年到 2019 年，美國蜂窩網絡承載的總容量驚人地增長了 96 倍，2019 年智能手機用戶平均每月消耗9.2 GB 的數據。

 

令人震驚的是，運載能力幾乎增加了近百倍，至少在美國，過去 10 年，隨著消費者接受智能手機，可用頻譜僅增加了 40%。更重要的是，它發生在業界采用關鍵 5G 推動因素之前：小型蜂窩、毫米波頻譜和 M-MIMO 天線技術。100 GHz 以上頻率的大量可用頻譜資源有望在未來幾十年僅在美國就增加許多數量級的頻譜。

 

就像摩爾定律在過去四十年來給處理器帶來了數百萬次以上的處理能力，5G的三大支柱技術將會引發爆炸式的增長，這將在未來幾十年帶來巨大的新能力和使用情況。5G 將支持每個用戶的平均和峰值數據速率增加。這樣在十年后，行業指標肯定會是今天水平的 100 倍——而且說實話，最有可能接近兩三百倍。這意味著 2031 年智能手機用戶的平均每月消耗可能超過 1 TB，而當今新興 5G 網絡中典型的 2 至 3 Gbps 峰值無線下載速度將在 2031 年接近每秒 1 TB 的峰值數據速率。

 

在美國聯邦通信委員會（FCC）看到了立法需求，使無線運營商能夠快速致密整個美國網絡的明確需要。該機構的2018 年小型蜂窩訂單使小型蜂窩成為最終將支持未來每秒太比特無線通信的三大關鍵技術支柱之一。

 

FCC在 2019 年通過其Spectrum Horizons 命令開放該頻譜時，也看到了 95 GHz 以上頻譜的需求和潛力。在英格蘭，通信辦公室(Ofcom) 跟隨 FCC 的步伐，在 2020 年首次開放了 100 GHz以上的頻譜，并在這個亞太赫茲區域尋求更多可用頻譜。

 

最后，5G 的第三個技術支柱，即大規模 MIMO，將基站天線從 2×2 天線單元轉變為 16×16 陣列，最終達到 64×64 陣列及更高，大大增加單個基站的容量。世界各地的運營商已經在使用時分雙工技術在中頻段部署大規模 MIMO（這只是意味著基站和用戶之間的信號共享完全相同的頻率，但在時間上間隔開，以免發生沖突）。未來幾年，該技術將進入毫米波和亞太赫茲無線系統。

 

這就是所有這一切真正重要的原因：與流行的看法相反，寬帶數據傳輸在毫米波和太赫茲頻率下比在前四代蜂窩技術中使用的較低頻率下表現更好。在 NYU Wireless，我們表明，在 6 GHz 以下和 140 GHz 頻率之間，城市無線電信道的傳播路徑損耗在不同頻率下并沒有真正不同，考慮到輻射信號的第一米傳播距離。這意味著一旦無線電信號到達所謂的“遠場”（換句話說，超過第一米左右），頻率對信號在城市和室內信道中傳播時的衰減幾乎沒有影響- 除非惡劣的大氣條件，如雨，或易于被分子共振吸收的頻率。這也意味著，如今密集化蜂窩站點的大量工作將為未來運行在 100 GHz 以上的網絡帶來巨大收益。網絡不太可能需要進一步的密集化，而且今天的 5G 新塔站點將在未來幾十年內可用，而無需建造更多站點。

 

無線行業群體傳統上認為全向天線是無線通信的標準。但是從 5G 開始，無線系統正在使用定向天線，這些天線在每個鏈路的移動端和基站端都具有高天線增益和窄波束寬度。隨著我們轉向毫米波、亞太赫茲和最終太赫茲頻率，這為每個用戶提供了更多而不是更少的信號強度。

 

此外，對于給定的行進距離，隨著我們增加到毫米頻率以上，無線電能量在自由空間中變得更加有損，這是一個神話。我們已經證明高達 400 GHz 左右，典型的空氣每公里只有 10 db的損失。這僅僅是每 100 米僅損失 1 db，這大約是當今典型 5G 小基站的范圍。即使高達 900 GHz，我們已經證明大部分頻譜會遭受100dB/km 的損失，或者，對于小型蜂窩，100 米以上的損失僅為 10 db。在如此高的頻率下，使用定向天線可以相對容易地彌補 10 dB。雖然雨水和樹葉是有問題的，但一旦設計了 5G 蜂窩以減輕雨水對高達 70 GHz 的傳輸的影響，除了高達 1 THz 的頻率之外，不會有進一步的退化。這再次表明，部署 5G 的努力將持續數十年。

 

所有這一切的結果是，當使用特定于站點的部署來避免大規模障礙物時，這些 5G 技術的額外鏈路增益可以抵消任何無線電信道損失。大多數事物在毫米波頻率及以上變得反射，從而使定向天線有更多機會尋找和組合信號路徑。這改進了射頻功率預算，然后可用于提供更寬帶寬的信道，與當今的無線系統相比，信道的信噪比不會惡化。

 

反過來，這意味著隨著我們轉向更寬的帶寬通道和更高的載波頻率，可以使用現有的 5G 塔基礎設施支持更寬的帶寬通道。值得注意的是，cell密集化的三大技術支柱所提供的優勢，更寬的帶寬信道和大規模 MIMO 將允許 5G 系統的工程和部署在未來幾十年繼續推進，因為在亞太赫茲和太赫茲頻段上開放了更多頻譜。實際上，我們在近十年前就預測到了這一點。

 

未來的 6G 和 7G 蜂窩網絡將能夠使用 5G 所需的相同蜂窩基礎設施以及無線電電路和天線技術方面的相同基本突破。然而，這些蜂窩世代將以更高的數據速率實現這一目標，這將在未來幾十年創造出海量的數據容量和新的用例。僅此一項就應該激勵政府、資助機構、無線提供商和公民將 5G 的推出作為優先事項。

 

最重要的是，5G 及更高版本的強大功能也應促使行業和政府制定新的架構，如 Open RAN，以及對安全性的新重視。構建當今的 5G 網絡存在著大量的機會，隨著我們越來越依賴這些無形的波浪，在未來幾十年中受益。

 

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