从5G手机看科研与生产为什么总是两张皮？（130627）

闵应骅

   最近看到IEEE发布消息：5G手机又要来了。看到三星公司及其支持的纽约大学和德克萨斯大学奥斯汀分校正在研究5G手机，使我不但对5G手机有兴趣，而且对企业与大学、科研单位的合作研究颇有感触。

   自从1995年第一代手机问世以来，不到20年，第三代已经普及，4G也箭在弦上，现在要研究5G了。20年换4代，这代际交替也太快了。人做不到，人类至少要20年才能有一代吧！为什么这么快？一个原因是技术更新快。从模拟到数字，从局部到国际，无论硬件、软件，都有了长足的发展。而另一个原因是用户需求无限、企业正好需要不断更新产品。IT行业和汽车行业不同。1886年德国人发明了汽车，至今已有100多年的历史，基本结构没变，动力基本没变，而它里面的IT设备，即所谓汽车电子却大变了，日新月异。一个收音机能用几十年，企业产品不更新，市场从哪里来？所以，产品更新是IT企业的生命。

   5G手机用一种所谓聚束天线,可以在2公里范围内,以每秒1千兆位(1Gb)的速度发送和接收移动数据。三星正在设法用毫米波，即3-300GHz。更低的频段已被现在的移动网络所占据，几百兆，其波长约为几十厘米，比较容易绕过障碍，穿透空气。4G网络已经把该波段下的数字传送位数几乎推到了理论极限。人们估计政府会开放100GHz的毫米波段给移动通讯，那比现在的移动网络频率高200倍。这将加大带宽，提高数据传送速度。毫米波的室内使用已有固定的视线传送，以及一个新的室内无线标准WiGig。但是，一大堆问题使毫米波在大量移动通讯中不好使用。

   5G移动通信的一个可能的方案如下图所示。

除了使用4G的蜂窝站A之外，再建许多5G基站。图中绿色手机可以直接用A；红色手机可以通过5G基站达到A；而兰色手机却因为障碍物必须通过另一个基站达到A。好在这些频率不会叠加，所以，这两个红手机可以使用相同的频率，而不会互相干扰。

   由于毫米波不易穿透固体物质，传得不能太远，单一的毫米波天线口径很小，能量有限。不能做蜂窝系统使用。三星的工程师们想用多个天线的阵列，把无线能量集中到一个很窄的有向波束上，以提高增益。这种天线阵列已广泛应用于雷达和空间通讯，现在三星已经能做64个天线的阵列，做到如火柴盒大小，快速转动，像一个超活跃的探照灯一样。5G手机当然不仅是毫米波传输，也包括新的编码、调制、更好的干扰管理、更密的层次化、多跳网络和先进的接收器设计等方面都研究工作有待开展。

   在纽约大学和德克萨斯大学奥斯汀分校进行了许多相应的科研工作，譬如，如果200米设一个基站，是否能达到全部覆盖？在密集的城市环境下通路损失有多大？时间延迟是多少？对于建筑，包括有色玻璃和无色玻璃，反射系数有多大？穿透损失有多大？户外与室内的信号差别有多大？是否能相互独立建造网络？他们发现，纽约和奥斯汀这两个不同的城市，这些参数有很大不同。

   这就回答了国外科研与生产能够紧密结合的原因。在国内，我们多次听到科研与生产两张皮的批评。为什么会这样？我们的科研基本上由政府资助，政府出钱，要你干什么就干什么。一些战略科学家苦思冥想：应该研究这个，应该研究那个。于是，大家根据他们的意志搞科研。泛泛地讲，这些科研对生产有好处，但企业不见得也这么想。大型企业也自己搞科研，但完全是根据自己的需要。而我国目前的企业，看到20年后的技术前景，还相当困难。常常是听到国际有什么动向，我们自己赶快搞。正因为这样，我们原始创新就比较少。3G手机是一个很好的例子。国际上3G手机有3种制式标准：欧洲的WCDMA标准、美国的CDMA2000标准和由中国科学家提出的TD－SCDMA标准。我们后插进去一个方案，推广起来就比较困难。可像5G手机，三星要想赢得挑战，上面所列的许多基础方面的问题还得请大学或研究所的科研人员来做深入的研究，才能得到科学的答案。当然，一些接近产品的技术问题，可能就不需要外人插手。这样就不会有两张皮的问题了。

从更长远看，我听到国内一位IEEEFellow说，紫外光通信很有前途。不过，本人外行，不敢评论。