專訪童文：5G將成為物理世界的神經連接網 | NSR專欄

?圖源：http://Pixabay.com

撰文 | 趙維傑

知識分子為更好的智趣生活 ID：The-Intellectual

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在過去的十年中，智能手機以及無處不在的視頻、遊戲、社交平台、移動支付，讓人們的生活發生了翻天覆地的變化。在智能手機和互聯網行業爆炸式發展的背後，離不開第四代移動通信技術（4G）的強力支撐。按照國際標準組織3GPP和全球各大通信公司的路標，在2020年之前，下一代通信技術（5G）的商用化時代即將到來。和4G相比，5G的性能將有哪些提升，我們的基本生活方式是否將被再度改寫？在本次NSR專訪中，華為無線CTO及5G首席科學家童文博士對上述問題進行解答，並描述了中國通信行業從3G跟跑到5G領跑的轉變歷程。

從1G到5G

NSR：過去幾十年中，通信技術經歷了怎樣的演變？

童文：要說清這個問題，我們要從通信產業的發展源頭說起。移動通信的規律，基本上每十年就會更新一代，因為每過十年，無線技術和相應的移動通信業務都會有一個很大的進步。

1G到2G，移動通信將語音交流的方式從固網電話轉變為行動電話，這是數字化無線通信的成功。通信產業界花了80年時間來建設固網電話系統，把電話裝到每一個家庭里。但是無線技術轉型、行動電話的普及，只花了不到20年。這就是技術的威力。

而到了3G和4G時代，我們開始利用無線移動技術來進行數字通信，而不再只是語音通信。3G是承載語音和數據的一跳。二十世紀九十年代初，人們開始設計3G網路的時候，還沒有預料到互聯網的興起，不能預測將要出現的新型互聯網創新應用，所以，視頻通話等功能在3G時代基本沒有實現。在3G第一版完成之後，互聯網興起，個人移動計算機（PC）普及、IP技術成為主流，而當智能手機這一殺手級應用出現，移動通信技術再一次找到了自己的出路，3G的商業部署很快被4G取代。

而4G實際上只做了一件事，就是把互聯網上的應用全部搬到手機上。在4G標準完成的時候，大家還沒想到會有Facebook，會有Uber，沒想到會有微信，會有Twitter，會有Instagram。這些互聯網創新應用都是在4G移動技術發展之後，才能發展到今天的水平和經濟規模的。這是我們當時所無法想像和預測的。作為4G技術標準的制定者之一，我要說，只有通信技術與新的應用和業務相結合，才能產生這麼大的效益，才能真正改變世界。

?童文，華為5G首席科學家，IEEE Fellow，加拿大工程院院士。 (Courtesy of Wen Tong)

NSR：5G能做哪些4G做不了的事？

童文：這不是一個新問題。在3G、4G出現時，大家就在問類似的問題。但要做出完全準確的預測是不可能的，因為在5G推出之後，一定還會有新的應用和業務出現，做到一些我們現在無法想像的事情。但是從技術的角度出發，我們還是可以提出一個大概的願景。

在技術上，5G會有三個方面的提升。第一個是「極致的速率」。它的速率可以達到光纖的速率。我們在實驗網路測試中已經做到了這一點，華為最高的實驗速率達到115 Gbps。第二個是「海量的連接」。5G有能力將所有的物體，包括現在我們面前的這個礦泉水瓶，都連接在網路上。這就是物聯網、或者說全連接世界的概念。第三個就是「極低的時延」。低時延可以打破距離的限制，你可以和世界上任何地方進行零距離的溝通。

有了這些性能，我們就可以實現很多事。最經典的例子就是遠程自動駕駛。我們將車身上各種感測器收集到的數據，通過5G網路傳到雲端，雲計算給出指令，再傳回給車輛執行，整個過程不需要人的參與。如果用現在的網路來做，高速路上時速120公里汽車的響應距離會達到兩三米，而按照5G標準，將時延降低到1毫秒，響應距離將可以縮短到8厘米，足以保證自動駕駛的安全。如果可以做到自動駕駛，我們就可以做到許多與之類似的事情，比如遠程手術，醫生在另一個城市遠程控制手術刀；再比如今天的採訪，如果5G系統建成，顯示技術也有相應的發展，那麼你就完全沒有必要從北京跑到上海，我們可以通過網路，將你的信息傳輸過來，在我這邊進行全息重建和顯示，這樣完全可以實現和面對面溝通同樣的效果，而它所需要的就是高速率、低時延的網路，以及足夠快的圖像運算和重建速率。

NSR：華為的白皮書里特別寫到了「智能電網」，這是一個什麼概念？

童文：按照5G的願景，一切都可以是智能的，智能駕駛，智能購物，智能醫療，智能穿戴設備。智能電網就是把電網的各個組成模塊都連接到網路上，而在網路背後有人或者計算機來進行分析和控制。5G更大的願景，是要改造各個垂直行業。

NSR：要實現這些目標，是不是除了通信能力，還需要計算能力的提升？

童文：我們構想中的未來系統可以分為3個比較清晰的領域：萬物感知、萬物連接和萬物智能。我們通過無所不在的各種感測器來感知萬物，再通過網路將它們全部連接起來，而在後台，要通過雲計算來最終實現萬物智能。所以計算確實是其中的一個重要方面。在人工智慧概念出現之前，我們通常會使用「自動化」這個說法，要實現萬物的自動化。

NSR：這個系統其實和動物很像，我們的神經感知外界信息，再把信息傳遞到中樞神經系統。

童文：你這個比喻很好，人感知外界，然後在大腦中計算。按照這個比喻，那麼我們整個物理世界的神經連接網，就是5G。

5G技術

NSR：在通信行業中，「標準」似乎是一個特別重要的概念？

童文：通信行業的標準中，首先，國際電訊聯盟會定義一個頂層的框架，規定要達到多少速率，多少時延，多少個連接數才能稱之為5G。其次還有一個非常具體的工業標準，3GPP國際標準中做了非常細緻的規範，要求所有手機和網路設備廠家都按照同樣的標準來生產。

對於我們的行業，全球統一的標準非常重要。有兩個原因。第一，標準化可以使全世界所有的手機互聯互通，無論你是出差到另一個城市，還是去另一個國家，都能同樣的連上網路。第二個原因是市場的需求。對於消費者來說，標準可以讓你拿到最廉價的商品。如果不同廠家使用不同的標準，那麼每一家都需要獨立研發所有的部件，這樣最終的產品會非常昂貴。

在3G的時代，標準還沒能完全統一，當時的美國、歐洲、中國都有自己的標準。真正的融合是在第四代。兩三年前5G標準開始建立之初，也有過觀點的分裂，但是現在已經確定了。實際上，第一個5G標準已經基本確定，即將公布。（註：2017年12月21日，採訪結束9天後，3GPP宣布第一個5G標準，5G New Radio標準完成。）

NSR：為實現5G，技術上有哪些關鍵的創新？

童文：在無線網路技術里，最核心的是空口接入技術，空口技術當中，最關鍵的又是物理層技術。如果說空口是無線技術的皇冠，那麼物理層就是皇冠上的鑽石。物理層技術是指將數據調製、編碼、通過無線電傳輸，再在網路的另一側接收、排除掉干擾信息並解調重現出來的整個過程。

要實現5G，物理層技術需要有很大的改變。首先，通信傳播的速度極限，早在1948年就已經由一個嚴密的數學定理來計算和定義了，這就是香農極限。通過多年來很多代工程師的不斷嘗試和改進，到差不多十年前，我們的技術就已經很接近這個極限了。要繼續提高速率很不容易，所以在5G剛開始的時候，學術界中很多人，包括一些很著名的學者，都公開表示這個領域已經死亡了。其次，是頻譜的問題，既有的網路已經佔用了許多頻段，我們要找到剩餘頻段中，哪些可以用來構建5G的網路，並且對新頻譜進行優化設計。最後，還有實現技術工程化的問題，有哪些新的技術可以支撐更高性能終端和網路的大規模生產和快速部署。

在研究5G的初期，我們在學術界已發表的研究成果中，找到了十幾個可以作為5G技術候選的新技術。這些研究大部分都是數學家的工作，它們都是很不成熟、無法實用的，有一些只是很粗的概念。我們花了很大的精力，在2010年到2013年之間，把整個物理層的技術做了創新式的梳理，把這些不能用的技術轉變成可用的5G技術，並且對它們進行評估，選出其中最好的。最終，我們構建出了5G的技術框架，其中包括了編碼技術、幀結構設計技術、MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多入多出技術）傳輸技術等。最終的成果不是一個單一的技術，是一個拼盤和框架。我們將這個全新的空口技術稱作NR，New Radio。

舉個簡單通俗的例子，弗萊明發現了一種生物學現象，一種微生物殺死了另一種微生物。而要把這一發現變成藥物，變成造福人類的青黴素，則需要另一些人的努力。我們的工作就是把科學發現做成青黴素，做成可用的5G技術。

NSR：提起5G，人們也常常會提起網路切片技術？

童文：那是另外一個概念了。空口技術是基礎，而網路切片技術是一個宏觀的架構，是網路的整體結構。

我們的網路結構有過好幾次改變。在最早的時候，三四十年前，一個網路就只做一件事情，我們打電話、發電報、發傳真，用的都是各自獨立的網路。後來IP技術成熟了，它將所有東西都做成一個數據包來進行傳輸，不區分數據包中的內容，它對於所有數據的傳輸質量是相同的。但是不同數據的傳輸需求其實是不同的，重要數據，比如自動駕駛、遠程手術的指令，要求高度的傳輸準確性，而普通數據，比如微信信息，它對傳輸質量的要求相對較低，但用戶希望它是低成本、甚至免費的。

所以5G中就有了網路切片的技術，將同一個網路用雲和虛擬化的概念，切割成許多個網路，這些網路使用相同的空口和傳輸設備，但是每個切片里的服務質量是不同的。而且這種切片方式是動態的、用軟體定義的，你可以在需要的時候切出一片網路，在不需要的時候再把它取消掉，用來做其它的網路。切片技術使得定製化的服務成為可能，也為運營商提供了更多機遇。它們可以不再局限於人與人之間的連接，而是利用不同的網路切片來開展各項業務。

NSR：5G技術是否已經成熟？

童文：對，技術上已經沒有大的問題。後面主要是商業的問題。

走向5G，超越5G

NSR：華為是在什麼時候開始5G布局的？

童文：華為開始5G研究很早，在2009年，那時候LTE（Long Term Evolution，長期演進）技術還沒有完全商用。那一年，華為提出了一個Vision2020項目，這個小項目就是去研究2020年的網路會是什麼樣子，它對2020年網路的速率，以及應用場景做了預測，這些預測中的大部分都和現在的5G構想是相同的。在2012年底，公司決定投入6億美金來做5G的研發，這只是技術標準研發的投資，不包括產品的投入。

NSR：其它通信公司的起步時間，也和華為差不多嗎？

童文：據我所知，華為是最早的。直到2012年，很多大公司還在公開的場合說，5G是不存在或者不可能的。我們對5G的投入很早、很堅決，技術方向也很穩定。所以，在早期的定義5G過程中，華為起到了重要的主導作用。標準中的速率，時延，連接數等量綱都是華為提出的。

NSR：5G商用化的時間表是怎樣的？

童文：現在大家都說，2020年將是5G商用化的元年，但實際的進展可能還會更快一些。2018年下半年，5G網路設備投產，網路建設將會開始；到2019年上半年，5G手機將會問世。

NSR：5G的成本會比之前提高嗎？

童文：成本有兩個概念。對於用戶來說，終端的成本不會有顯著的提高。iPhone X的售價比之前高了很多，5G終端的售價不會超過這一水平。對運營商來說，它們要考慮建網的成本。和前面3G、4G一樣，建網需要一筆投資，但在3到5年內，隨著業務的發展，這些成本可以被收回，並且開始賺錢。到那時網路數據的價格就會開始下降。

NSR：在中國，工業和信息化部（工信部）在統籌行業發展方面發揮了哪些作用？

童文：工信部是我國的通信行業管理部門。他們在早期（2013年）組建了IMT-2020（5G）推進組，這個推進組從今天來看是成功的。推進組把主要的運營商、廠商都組織在一起，大家就「什麼是5G」、「什麼是5G技術」等基本問題達成共識。而且，推進組還組織測試，來測試大家做出來的技術，第二階段的5G測試剛剛結束，我們取得了目前世界上最好的測試結果。中國現在是一個通信強國，引領5G，而在3G的時代，中國是趕超狀態。

NSR：5G之後呢？還會有6G嗎？

童文：有。這個問題我也被問過好幾次。你我的想像力都很有限，想像不出十年以後的技術革命會是什麼，但是當顛覆性技術和顛覆性業務相結合，6G一定會出現。

NSR：據您所知，華為或者其它地方，有人開始在做6G相關的研究嗎？

童文：我認為6G相關的早期探索可能有，但是現在還沒有到達一個點，說我們已經可以做6G了，這之前還是要有一段時間的探索和積累。

個人選擇、公司成長與行業發展

NSR：華為在2009年開始做5G，您加入華為也是在2009年。您當時是為了5G來的嗎？

童文：你這個問題倒是提醒了我，我還沒認真想過這個……我來給你講講我的經歷吧。我1984年本科畢業於東南大學無線電系。然後去加拿大讀了博士，博士期間我做的是信號處理方面的工作，我的畢業論文還拿到了加拿大的總督獎。那時剛好是2G標準化完成的時候。博士畢業後，我暫時沒有想清楚要做什麼，於是就接受了加拿大北方貝爾研究所的邀請，做博士後。我做了一些語音識別和神經網路相關的工作。但我那時對神經網路和AI並不看好，所以當我決定要到工業界去的時候，我接受導師的建議，選擇了通信公司加拿大北電網路。

當時的北電是業界第一大的程式控制交換機公司，無線是其中一個很小的部門。不過小有小的好處，沒有論資排輩，年輕人的工作比較自由。剛進公司不久，在一次公司的年度展會上，我在實驗室展示了用一台冰箱大小的3G樣機下載網頁。結果公司總裁看過之後反問道：「誰會用手機來上網？」北電在無線市場不是第一，要超越對手，就只能選擇技術革命的方向。在3G、4G的標準制定過程中，我推動引入了一批斷代技術，如OFDM、Turbo Code、HARQ、空口VoIP等。2007年，公司開始實施Fellow制度，我是第一個Fellow，隨後成為北電在各個國家所有研究實驗室的主管。但好景不長，2009年北電申請破產。我當時已經做到了北電Fellow，如果要到西方國家的姐妹公司去，依舊是類似的崗位，缺少挑戰性。所以我當時的選擇主要有兩個，華為或者Google，這兩個公司是我不熟悉的。我選擇了華為。

NSR：那您覺得，作為中國公司的華為，和您之前所在的國外公司有什麼差別？

童文：有差別。而且2009年的華為和今天也不一樣。在我看來，華為有幾個非常重要的特質。一是華為對技術的追求，這是我來華為之前沒有想到的；第二，和西方的公司不同，華為總是把客戶放在第一位，這一點也是要到華為裡面來才能有深刻感受的；第三，就是執行力，華為的執行力在科技公司中是頂尖的，公司確定了要做一件事，一定聚焦，一定做成。

NSR：華為在加拿大的研究所，是在您加入華為之後建立的？

童文：對，我們當時是一個大概200人的多學科團隊，一起建立了這個研究所。在海外研究所的建設方面，華為在中國公司裡面是規模最大，也是最成功的。我們在歐洲有二十多個研究所，北美有十幾個，這裡面都是產業界中一級的人才，幫助華為將知識和技術轉化為產品和價值。

NSR：華為是依據什麼來選擇在哪裡來建立海外研究所的？

童文：最大的原則是人才，另外還有文化和DNA。人才在哪裡，研究氛圍在哪裡，我們的研究所就建在哪裡。

NSR：在信息領域還有哪些研究風口？

童文：很多技術都會經歷過熱，隨後冷靜下來，最終又在一段時間之後實現。這是正常的發展規律。我們作為技術轉化者，要做的就是在冷靜的一段時期堅持下來，最終將技術轉化為產品。現在很火的AI技術就經歷過這樣的歷程，華為也同樣關注AI。但其實直到現在，我個人對AI還是持懷疑的態度。它確實可以在一些領域取得應用，為大家提供一些方便，提升效益。但問題是，現在人們對AI的希望顯然不止如此。

NSR：您本科就讀的東南大學，在通信領域的實力很強。

童文：我1980年本科入學，那時無線通信是一個很冷門、沒有前途的專業。但是當時東南大學有一個無線移動通信實驗室，是中國最好的無線通信實驗室。在那個實驗室里，有我國無線通信領域的第一個博士生導師，中國在這一領域中最早的幾個博士生，都是在他的實驗室畢業的，比如李正茂（中國移動通信集團公司副總裁，1988年在東南大學取得博士學位），尤肖虎（東南大學教授，1988年在東南大學取得博士學位，被譽為中國3G、4G掌門人）。

NSR：對於想要從事技術研發工作的年輕人，您有什麼建議？

童文：我參與過華為的招聘，了解了一些現在的博士畢業生在選擇工作時的考慮。有些人是待遇導向的，有些人看重未來的發展空間，也有人全憑興趣。而我認為，對一個年輕人幾年後成長情況影響最大的可能有兩點，第一是他對自己有沒有一個大致的長期計劃；第二，最終發展得比較好的，其實都是那些比較「傻」，能夠堅持做一件事的人。無論你去Google、微軟還是華為，這些原則都是一樣的。

英文原文2018年3月發表於《國家科學評論》（National Science Review，NSR），原標題為「Wen Tong: 5G will be the neural network of the physical world」。NSR是科學出版社旗下期刊，與牛津大學出版社聯合出版。《知識分子》獲NSR和牛津大學出版社授權刊發該文中文翻譯。

原文鏈接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwy025

製版編輯：黃玉瑩 |

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