移动通信是一个典型的技术科学，它不光靠脑子思考，还要靠动手来实践。在古人智慧的驱动下，人类社会持续在无线通信领域进行科研活动，我们已经描绘了一幅从科学发现到产业实现的巨幅宏图。
大家好，我是北京邮电大学的张平，非常高兴有机会跟大家讲一个关于移动通信的故事，也就是讲一个5G的故事。
古人对未来社会的想象是非常丰富的。比如说，在大家都熟悉的《西游记》里，就充满了古人的智慧。我们大致可以描写出四大场景，迄今为止人类已经实现了其中三个。
一是腾云驾雾，用飞机、火箭来实现。如今大家从甲方到乙方，通常需要一天或者几个小时的时间。但是，在过去我们可能要几天、几月甚至几年的时间；
二是千里眼，用雷达和电视来实现。现在我们可以通过网络看到千里之外的场景。过去我们只能看到视距内所表达的内容，稍微挡住我们就看不着了；
三是顺风耳，如今我们通过电话、电报来实现。我们可以在北京，和千里迢迢之外西安的亲人进行电话联系；
第四个，《西游记》里还描述了七十二变，七十二变怎么实现？到现在为止，还没有人来进行描述。但是，我觉得5G可能会为我们描绘出一个实现的途径。
5G：初步改变社会。比方说，要看千里之外的场景、要到远处去、要观景，那我们戴上AR、VR和MR眼镜，就可以看到千里迢迢之外的、非常现实逼真的图像。
对于教学，也不需要到现场去做实验，我们通过老师的辅导，就在教室里进行过去所要做的特别复杂的实验。
社交也是一样的。通过社交网络，我们可以和千里之外的，远在广州、深圳，远在美国、俄罗斯等等地方的朋友们进行广泛的社交。现在，人与人之间的距离是非常非常短的。
同时，在游戏的世界里，我们可以想象出、呈现出我们所想要的一切。通过5G的传输、5G的技术，这些都能够被实现，这是我们现代人的一些机会。
当5G遇到无人机的时候，就像过去的巡山大王一样。过去是扛着一个锄耙，边走边看，靠着想象的飞毛腿来实现。现在，通过无人机的巡检、无人机的安防、无人机的物流、无人机的物植保，我们完全做到了无人巡视。
实际上，我们在《西游记》里能看到这个场景，一些猴子扛着大刀在到处巡山。安防安全不安全，不仅是在远处看一看，我们还要去走一走，现在通过无人机都可以做到了。
关于载货，过去要从一个地方到另外一个地方，要人去实现，现在用不着了，我们通过无人物流都可以做到。
另一个场景，我们可以看到，机器人在我们的社会生活里扮演着越来越多的角色。比如说工业，过去是一个非常耗时、也耗人力的过程，大家都千遍一律地干一个事情。
不知道大家有没有看过卓别林拍的《摩登时代》，在影片中他的动作已经僵硬了，他只会做一个机械性的动作。实际上，这个动作完全可以让机器人来做，而且它做得非常精确和完美。
对于我们的表演，个人可能会出现一些差错。如果我们在大型表演中使用机器人，那么机器人的动作将是完全一致的，没有任何的差错。
对于我们的服务，比如在餐厅里，我们会需要一些服务，过去可能是叫服务生，现在我们通过呼唤机器人，机器人就会把一杯热腾腾的咖啡，或者一个美味的食品送到我们的跟前，让我们来享受。
同时，对于医疗来说也是伟大的进步，通过5G的传送，我们可以来远程指挥机器人。
过去我们的医疗水平是参差不齐的，可能北京的医疗条件好一点，小地方的医疗条件差一点。现在通过远程和近程指导，我们改变这种现状。
在高铁这个故事里就更有趣了，高铁是我们现在生活中离不开的一个交通的工具。我们需要对高铁进行远程监控，过去的监控基本靠GSMR几个数据来传输，而现在需要对它进行视频监控。
另外，我们现场实践了列车的多媒体调度。还有全自动驾驶，在高铁的环境里将没有驾驶员，也能够完全安全地驾驶。而且，我们铁路物联网可以对铁路各个方面的安全进行监控。
当5G和无人驾驶汽车相遇的时候，我们能够完成无人驾驶，即一辆车在特定的环境下可以无人驾驶。在路口的时候，过去可能是非常容易堵车的，现在基于无人驾驶和车联网技术，它遵循非常准确的规则后，在交通路口会是非常畅通的。
还有在2022年举办的冬季奥运会上，我们将会用延庆的智慧小镇，来给大家展示一幅5G提高生活品质的城市图像。同时，我们在中国的很多地方也实现了智慧城市，做一些惠民、治政的事情。
举一个简单的例子，像刚才讲到的智慧医疗，远端的医生可能处在像北京等医疗水平比较高的地方，而本地的医生处在比较偏远的地方，由于技术的参差不齐，我们需要远端的医生对本地医生进行手术指导，在过去这是实现不了的。
现在，我们利用本地的医工机器人、操作控制、监视器、手术环境等等，通过5G网络远端，把信息实时传播过来，这样的过程在中国已经实现了。
在2019年7月17日，我们完成了全球首个5G网络下的远程手术。这个手术是这样的：我们借助于一个特殊设备，一个我们叫做MR的技术，双方远程确认技术方案后，协和医院的大夫们戴上MR眼镜，远程指导咸丰的医生进行完美的手术，每一步都看得很清楚，该怎么做，如何往下做，都可以进行具体的指导。
戴上MR眼镜后，我们可以把老人的一幅胸椎图非常形象地表现在我们跟前，跟真的一样，这跟七十二变基本上是一样的。通过这个过程，两地的医生为一位脊椎有问题的76岁老人，进行了一次完美的手术。
这些过程是怎么实现的？5G到底是通过什么实现？我们来看看移动通信的方方面面是什么。
古人的通信是长期艰难探索的结果和智慧的显示。比方说鼓声传令，过去靠敲着大鼓，只有我方能够知道这个鼓声的命令是前进还是后退，通过鼓声让战士们勇敢地前进，或者是通过不同的变换让他们回营。
在烽火狼烟传信的故事里，我们可以看到这是东周列国经常遇到的场景，通过烽火能够传递出“我们的敌人来了”这样一个信息。
只不过是，可怜列国奔驰苦，止博褒妃笑一场，被一个昏溃的国君给耽误了。但这还是一个非常好的故事。
另外，通过鸿雁传书和飞鸽传信，达到了“马上相逢无纸笔，凭君传语报平安”这样一个完美的场景。
在战斗中，通过号角传信来对我们的战士进行鼓励，让战士们前进。古人通过艰难探索实现了“醉里挑灯看剑，梦回吹角连营”这些场景。
它的手段和现在的移动通信一样，都是无线来完成的，但是那时候消息的远距离传输是一个耗时费劲的过程，既不及时也不可靠。
万一鸽子被别人打下去了，或者它飞错了方向，那么这封信就传不过来了，可能会耽误一场战役，甚至造成一个战役的失败，它造成的后果是非常非常巨大的。
特别是平民百姓需要传家书，大家可以想象一下在战争年代传一份家书的困难程度，不光费劲也耗时，所以杜甫在他的诗里就发出“烽火连三月，家书抵万金”这样一个感叹。
现代人通过科学的研究，对无线通信或者移动通信进行了新的研究和定义。我们可以简单地来看看无线通信是什么。凡是利用电磁波信号在自由空间（我们也叫做空气）中传播的特性，进行信息交换、通信的方式，都叫做无线通信。它包括无线、微波、移动通信等等，是一个比较大的概念。
移动通信则是无线通信的一种，是一个相对较小的概念。移动通信是从上世纪八十年代后期开始发展起来的，它大致经历了每十年一代的更新，所以我们才叫做XG，在这里有1G、2G、3G、4G，以及今天的5G。
这些是怎么发展起来的？移动通信的发展非常符合人类的认知过程，就是从科学到技术到工程这样一个阶段。在1855年至1864年间，英国的物理学家麦克斯韦连续发表了三篇关于电磁场的学术论文，而且他在理论上预言了电磁波的存在。他认为光波是电磁波的一小部分，电磁波是以光波的速率来传输的，发现了这个科学规律并用数学表征出来，回答了“为什么”的难题。
1888年以后，德国物理学家赫兹为了证实麦克斯韦方程，首次做了两个实验。一个是电磁波的存在实验，另外一个对电磁波的波速进行测定的实验，首次证明了电磁波可以以光速通过空间来传播，为无线通信奠定了物理基础，实际上是回答了“做什么”的题目。
在1901年，意大利工程师马可尼为了回答“怎么做，怎么用无线电波，要做什么”的事情。他做了一个实验，在大概相距2700千米的英格兰和加拿大之间完成跨洋的无线电信号接收、发送和接收的实验，将过去要经过几天或者几十天艰难跋涉的路程变成了瞬间可以完成的过程。所以他开启了电磁波实现无线通信的人类新时代。
在这几位先哲的指引下，移动通信开始发展。现代移动通信发展有几个标志。一个是小区以及它的演变过程，我们常说的蜂窝通信就是叫做小区了。在上世纪三十年代的时候，警察为了抓小偷，通过高发射功率天线覆盖一定的面积。在圆形范围内，我们可以接收到信号来进行通信，但是通信的数量是非常少的；而过了圆形的区域后，大家基本上是不能通信了，如果在这个圆环以外，就不能通信了。那怎么办呢？
移动通信是通过蜂窝小区来进行全球覆盖，放一个基站覆盖一个区面。你从天安门打来电话，就可以在昌平接收到，它不是瞬时的，是通过好多信号、通过网络转变的，我们把它叫做蜂窝小区。这是八十年代所创造的一个技术。小区的分裂还在继续中，为了能让更多的人打电话，我们需要把小区由大变小，现在几十米就布设一个小区，这就是一个小区演变所达到的进步。
手机的演变也是非常显著的。我们可以看到，从它的形状、到它包括的技术都更新换代了。在1G阶段，我们实现了普通打电话的过程。过去我们可能是通过有线的方式互相打电话，后来就通过无线来打电话了，我们把它叫做手机化，它锻炼和开拓了一个市场。
2G是什么呢？2G就是数字化的过程，可以通过数字化的编译码把它加密，非常安全了，而且它增加了容量。3G通过分组化来做多种业务，可以做多媒体业务。到了4G以后，就是宽带化了，并且降低了成本。5G，我们叫做高频化，它的频段会越来越高。通过这样的进步，可以看到手机是我们未来发展的一个标志。
5G的愿景，以人为中心进行高速的传输，以及泛在的连接和未来工业互联网，这就是5G的极大愿景，可以做到信息随心所至，万物触手可及。
三大场景来实现5G：第一个叫增强型的移动宽带，它的带宽会越来越宽，下载的速度越来越快；第二个场景，我们叫做超大规模物联网，在任何地方都可以获取到信息；第三个部分叫超可靠低延时通信，在这里边我们可以做到无人驾驶、车联网、自动化工程以及控制远程医疗设备等。
通过这三个场景，对5G进行了非常全面的描述。简单看一下对5G技术指标的描述，如比方峰值速率、用户速率以及吞吐量等。其中最主要的一个指标是频谱效率，是无线通信追求的一个重要技术指标，也是我们历代科学家想把它做得越来越大的一个因素。它的单位用每赫兹、每秒钟传多少比特来表示。
由于5G有三大场景，所以在这里用三个部分对它进行了描述。比方说，图中蓝色的宽带，在频谱效率方面由原来的10变成了30，要提高三倍；其它的还有黄色的超可靠低时延，以及绿色的超大规模连接，都是我们对5G比较详细的描述。
正如我刚才所说的，我们在科学研究当中，实际上想实现最好的技术，就是在每个赫兹里承载的信息比特、每秒钟承载的信息比特越多越好，这是为什么呢？因为频谱效率是资源，它非常昂贵，一旦分配出去就不可再生了。
我们可以看看，隔代技术是怎么来实现数量提高的。从3G到4G也要提高三倍，它是通过天线变化实现的，由过去的智能天线变成现在的大规模无线天线技术，也叫做MIMO，通过这个技术实现了三倍的提高。从4G到5G仍然要提高三倍，怎么办？我们就要从2D的MIMO提高到3D的MIMO。在理论上我们可以证明，频谱效率的提高与天线数目有直接的关系。
无线通信中的天线是非常丰富的，有2G、3G、4G、5G的，它的种类也是不同的，有基站侧的，还有紧急状态下临时搭载的天线。有了天线，就可以把信号给辐射出去。手机侧方面，我们一方面要接收信号，另外一方面也要发送信号，所以天线的数目是非常多的。在这里有移动通信的天线，有WIFI的天线，还有充电器的线圈等等，种类非常多。
如果我们把手机拆开，可以看到如图中所示的一些场景。正如我刚才所说的，我们在理论上已经证明了，最大的传输速率与收发侧的天线数目的最小值是成正比的。在2G或者3G的时候，我们用一个天线，一个发送天线和一个接收天线，叫一发一收。如果它的容量是一倍的话，当使用8发4收的天线时，因为最小数是4，我们可以证明它变成了一发一收的四倍。
所以，在工程当中我们可以看到，天线的间隔必须满足传输电磁波波长一半的整数倍，它是怎么计算出来的？就是每个天线之间的距离d是二分之一λ乘以n，n是它的整数倍关系，而λ跟光速和频率有关，可以计算出来。
在5G移动通信中，常用的电磁波频率为3GHz，此时可以计算出天线的间隔是5cm，这是什么概念呢？如果要提升三倍，在基站侧用一根天线跟多根天线对比的话，我们要再增加上百根天线来扩展基站，这个扩展的数量是非常大的，怎么办？
可以看看2D是如何解决这个问题的。通过天线阵列的方式，通过水平扩展来部署所需要的天线阵列。如果是在5G频段下，将达到5米以上，实际上这是不可能的，怎么办？聪明的中国科学家就想出一个扩展方案，我们把2D变成3D，就是二维变成了三维，怎么变呢？不光这么多天线，我们从横向、纵向把它连接起来，变成一个立体的概念，构成了天线的阵列，我们把它叫做3D天线。
通过这样聪明的解决办法，我们可以把接入的数量增加三倍，具有非常显著的技术优势。我国的科研人员克服了理论空白、外界质疑以及工程复杂、标准从零做起等一系列挑战，从传统二维的MIMO，做到了向三维MIMO方向的演进，将频谱效率提升了三到五倍。
我们中国并不是像过去那样，仅靠着我们市场优势、政策的宏观环境等因素。如今我们的科研人员已经全方位布局中国5G，跻身世界第一梯队。同时，我们在标准与专利方面也有很大贡献，比方说我们在国际标准组织里所提交的文稿已经超过了32%，这些文稿支撑了全世界标准中超过30%的专利。
在产业链的关键环节，我们有了华为、中兴等等高科技企业，走在产业的前沿。我们的终端厂商，就是手机厂商的市场份额也超过了50%。我们做5G干什么？它的重要性在哪儿？它会成为我们第四次工业革命的技术基础。
说到工业革命，我们一共经过了四次。第一次是十八世纪的时候，第一家纺织机的出现；第二次是1878年的时候，第一家生产线，也就是美国的屠宰场；第三个是在1969年，我们实现了第一个可编程的数字逻辑；到了现在，是“互联网+”时代下的制造业，通过5G以及人工智能等下一代信息技术与制造业的结合，将会产生我们所谓的第四次工业革命。
它的重要性在哪儿？我们用这张图可以看出来。工业互联网对产业的效率提升将会是一个倍增器。我们在这里算了一下，在产业效率里，每提高一个点的话（1%），将会创造万亿美元的国民收入值，就是GDP。欧盟预计在未来的15年，基于信息产业技术的工业互联网将会带来20%到30%生产效率的提升，这是一个多么大的数字。
我们把它分在一些企业里，比方说航空、石油、天然气以及铁道和电力方面，可以看到它的作用。美国在2020年制定的《中国行动计划》里已经明确表示，如果工业互联网依赖于中国的技术，美国今天所使用的经济制裁力量将显得苍白无力。所以我们可以看到，中国的进步是非常大的。
中国移动通信的进步是怎么发展起来的？中国移动通信的经历，是1G完全靠进口，2G开始做一点创新，我们叫做碎片化的创新，3G、4G、5G开始整建制的创新，我们通过突破、并跑和引领来做。过去移动通信是以西方为主的，在1G到3G里，西方都是按照FDD的方式来做。
到了3G，我们中国当时想了想，我们自己想做什么。实际上，我们开了一个会，我们到底要不要跟着西方人来做。1998年，国家在香山召集专家开了一个战略研讨会，确定了TDD技术为我们3G的主打战场。所以在3G时候，我国吹响了换道超车的冲锋号，也正是因为采用了这样一个技术，使我们赶上了欧美的节奏。
我们看看什么叫TDD和FDD。比如说，在一个房间里，FDD是有两个门、有两个队伍，大家上边走、下边走，各走各的，没有干扰。而TDD只有一个门，上下都要走人，怎么办？这就需要来协调。
用这样一个非常形象地图来简单表示一下，看FDD是非常简单，TDD相对复杂一点儿，这就是TDD为什么没人愿意做的原因。在3G以后，我国自主创新了TDD标准，获得了国家坚决地支持，这也是增强我国自主创新能力、建设创新型国家发展战略的核心，也是提高我们综合国力的一个关键。
在2002年以前，这个进展是非常缓慢的。实际上在2000年，欧洲人都使用上3G了，但我们中国仍然在开发当中。为什么慢？主要是国内缺乏产业生态，没有人去支持TDD。但是在2000年，我们国家开始建立产业链，创新全面提速，于2008年系统投入商用。
可以看出来，在系统设备、芯片、终端、仪器仪表以及它的配套设备方面，我们围绕着TDD技术构建了自主的产业链，这是一件非常了不起的事情。到了4G，我们又面临着一个新的征程。在2001年，国际电联提出了4G愿景。
4G跟3G的区别如这张图所示，3G是窄带的、慢速的；到了4G，它是宽带的、高速的。4G的高速体现在哪儿？比如说，过去的车速在每小时120公里，要提高到车速在每小时350公里；而横向的话，就由原来的2Mbps，要达到1000Mbps，提升500倍。
用TDD制式要解决高移动速度和高传输速率这两个双高难题，之前没有人做到，这也是我和我的团队主攻的一个技术方向。如何实现目标呢？我们的技术非常多，可以选择很多种技术。但是这些技术都是一个个散落的珍珠，如何把这些珍珠串起来，构成一个漂亮的项链，它的项链在什么地方，这就是我要研究的地方。
通过理论研究，在约束条件下揭示了移动性与车速、频率、信号的关系。我们将过去在3G里所用的专用导频信道，通过采样构成了M离散导频信道，其中我们放一些大家知道的P导频，然后把数据掐在中间。理论上我们也证明了M取值和速度、波长以及信号间隔之间完整的数学公式。
可以很形象地表示为，相当于我们要把一筐鸡蛋，通过无线信道这样一个崎岖复杂的道路，从甲地传到乙地去。由于信道环境很恶劣，如果不进行保护，这个鸡蛋肯定会碎的，怎么办？我们把鸡蛋跟沙子放在一块儿，进行成帧，这个帧就相当于对抗无线信道的变化，使得鸡蛋不破。
有了这个技术后，我们把它叫做M离散导频结构。在这种结构下，我们提出了三维的创新技术，而且将提升了500倍的3G数据放到其中，完成了TDD双高的创新，在速度上没问题，达到350公里或者以上，更高也行。
传输速率上，我们可以提升到比原来3G高500倍。我们可以简单看看以下的几个分解。比方说，在时间阈方面提升了1.7倍；在频率阈方面由过去的单载波变成了多载波以后，我们提升了78倍；在空阈里用了MIMO后，我们提高了4倍，这样合起来是大于500倍的。
通过这些技术的耦合，我们用这样一个项链，把这些珍珠串起来，完成了这样一个漂亮的珍珠，我们把它叫做TDD-OFDM-MIMO。经过我们的努力，把TDD-OFDM-MIMO变成电路设计，把它设计成发送机，也设计成接收机，这些接收机也用电路板来实现，比如用FPGA板以及信号处理板来进行单板的设计。
设计完了以后，带领我的学生在现场进行调测，我们一个单板一个单板地对基站和手机进行联调，联调以后在北京和上海实际运行这个系统。在2006年，我们进行了全球首个4G的外场实验，验证了宽带TDD系统的性能，也丰富了我们在TDD方面的积累。你看我们的车跑得多顺。
这个技术获得了2018年的国家技术发明二等奖，我们把它叫做TDD-OFDM-MIMO。通过这个技术，通过我们全国科技人员的努力，我们中国在3G的时候有了TD-SCDMA。当时三分天下中国有其一，为什么叫三分天下有其一？一份是我们中国自己提制技术，同时我们还采用了欧洲和美国的技术。
在4G的时候，我们用的是TD-LTE，全球两分天下有其一。TDD技术为73个国家、147个运营商以及全球高达17.46亿的总用户所使用。到了5G时代，将会是全球一片红。因为频率的发放大部分是按照TDD来发放的，所以TDD技术将会在全球应用，这也是中国领先的一个方面。
由于我们在4G TDD时期形成了完整的产业链和创新链，而且快速带动了产业由大到强，所以在2016年获得了国家科技进步特等奖。
未来移动通信的发展脚步是停不住的，它对我们中国来说意味着什么？我们认为将来还会有6G。6G是我们中国移动通信的又一次的发展机会。为什么这么说？首先我们要传播的对象会发生变化，如果我们过去只在陆地进行通信的话，将来还要对天空的卫星、对飞机以及海洋来进行通信，我们叫天、海、空、地一体化。
最主要的是，我们人类的智慧将会参与其中，可能需要人工智能等在6G网络里起作用。我们对6G愿景的展望是这样一个场景。如果4G是改变生活的，而5G是改变社会，那么6G改变世界，我们将会连接物理的世界和虚拟的数字化世界，通过这种抽象和映射来进行交互，这种交互我们达到“数创世界新，智通万物灵”这样一个境界。
6G网络将会促使整个世界走向虚拟与现实结合的“数字卵生”世界里去。为了实现这样一个目标，它肯定是一个非常复杂的巨系统，亟需要我们在基础理论上突破。我们现在将能想到的基础理论，如信息论、控制论以及复杂的系统论结合起来，通过学科间的融合来解决一些复杂的问题。
而我们中国在发展过程中，也并不是完全一帆风顺，也存在一些瓶颈。比方说，我们在芯片、在仪器仪表等方面也有弱项，一方面我们不仅依赖于通信自身技术的创新，还需要半导体产业、软件、硬件等综合创新的支撑，更需要年轻的朋友们来加盟。
我觉得移动通信是一个典型的技术科学，它不光靠脑子思考，还要靠动手来实践。科学是来回答“为什么”和“是什么”的问题，而技术是来回答专业性很强的问题，我们要“做什么”和“怎么做”，和工程合起来。
数学为我们创造这样一个基础，它实际上是一个非常完整的科学的过程。我简单地总结一下，并且对大家说一点希望。在浩瀚的宇宙，有无数多个科学的奥秘，无线通信只是其中的沧海一粟。在古人智慧的驱动下，人类社会持续在无线通信领域进行科研活动，我们已经描绘了一幅从科学发现到产业实现的巨幅宏图。
我们这个产业已经带动了很多人的就业，还给我们带来了一些便利，所以它造福了我们人类自身。我国科研工作者在科研征途上不谓艰险，在创新的道路上走得越来越远，所以我们在移动通信领域实现了从落后到领先的跨越，我们也开辟了全球的移动通信的新格局。
所以我非常希望通过这次活动跟大家说一句“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”。年轻的少年们，请付出大家的行动，去探索和开拓移动通信美好的未来，希望是属于大家的。