新冠病毒(COVID-19)危機清楚地表明了一件事：社會需要非常需要互聯網。在大流行期間，互聯網對于購買食品、工作、教育兒童、獲得醫療保健、訪問新聞和娛樂活動至關重要。人群的健康和安全取決于網絡的可靠性。

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據調查統計數據，近一月以來，美國人的寬帶每日使用量增加了3 GB，足以瀏覽90小時的互聯網或觀看一小時的高清電影。對快速、可靠和多樣化的通信的所有需求，給各國施加了越來越大的壓力，要求它們迅速采用最新一代的數字技術5G。

5G的希望

大約每十年就會出現一種新的無線移動技術，該技術在上一代產品的基礎上得到了改進。 1G誕生于上世紀80年代，僅支持語音通話。 2G誕生于1990年代，當時手機已從模擬信號變為數字信號，支持了消息傳遞以及呼叫和文本加密功能，以確保通信安全。

1998年，3G使視頻通話和移動互聯網訪問成為可能。 4G于2008年推出，通過移動，視頻會議和游戲支持高清電視。直到今天，大多數手機都還在使用3G和4G技術。

5G于2019年開始部署，可為手機提供增強的寬帶、超快速和可靠的通信以及機對機通信。理論上，它有望比4G快100倍。但是，除了速度和連接性之外，5G還具有極低的延遲，延遲是所有通信技術都避免不了，并且容量擴大了1000倍，因為它正在擴展到新的頻譜頻率。

最終，這將使從智能汽車到物聯網(IoT)的無處不在的無線網絡連接成為可能，后者可以通過互聯網連接各種設備和傳感器，并允許它們在無需人工干預的情況下進行通信。

5G如何運作?

頻譜

要了解什么是5G，首先要了解頻譜。電磁頻譜是所有類型的電磁輻射的范圍。無線電頻譜是用于電信、廣播、飛機通信等，范圍從30赫茲(Hz)到300G赫茲(1 GHz等于10億赫茲)。整個頻譜還包括可見光、伽馬射線、X射線、微波等。

在較低端的頻譜稱為低頻帶(600MHz至900 MHz)具有更長的波，并且可以傳播更遠。隨著波長的范圍從中頻帶(2.5GHz至4.2GHz)到高頻帶(也稱為毫米波，24GHz至47GHz)，它們變得越來越短，從而實現了更大的帶寬(可以在一個網絡中傳輸的數據量更多了)，但傳輸距離卻達到縮短。

盡管低頻帶可以很好地穿透墻壁，但其速度限制為每秒100兆字節(Mbps)。中頻帶頻譜速度可以達到10億字節或1 GB /秒(Gbps);它具有比低頻段低的延遲，但它不容易通過建筑物等障礙。高頻帶或毫米波(mmWave)的延遲非常低，并且超快，高達10 Gbps。這些高頻毫米波還提供了更大的傳輸空間，因此可以同時連接更多設備。缺點是它們較弱并且不能輕易穿透固體障礙物。5G可在以上所有三個頻段上運行。

 

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美國無線電頻譜

每個國家/地區的政府機構都控制頻譜并指定誰可以使用哪些頻率。在美國，聯邦通信委員會(FCC)控制頻譜并將其劃分為不同的塊，然后分配或出售給不同的公司和行業。 2016年，FCC為5G開放了大量的高頻段頻譜。

基礎設施和數據傳輸

由于毫米波只能行進很短的距離信號傳輸，因此，小型蜂窩基站塔之際需要相距250米之內，例如，未來城市中屋頂、電話桿、樹木和路燈上都可能布滿5G微基站，以確保城市全面覆蓋5G信號。

與較高的4G蜂窩塔在更長的距離上傳輸更長的頻率波不同，小型蜂窩基站(包含向設備發送數據和從設備發送數據的設備)需要與它們進行通信的設備具有直接的視線(不能有遮擋)。

基站容納大量天線，這增加了網絡的容量。這些天線使用“波束成形”來協調大量傳輸，防止它們相互干擾，并將聚焦數據發送給特定的個人用戶。這使小型小區能夠同時處理許多不同的數據流。小型基站通常通過光纖電纜或無線微波連接到5G網絡和互聯網。他們還需要電源，典型的小型電池可能需要200到1000瓦的功率。

據測算：目前一個5G室外基站單租戶平均功耗在3.8KW左右，是4G基站的3倍以上。以當前平均1元/度的轉供電價計算：一個4G基站每年的電費是2W元，一個5G基站每年的電費是5W元。因此，根據估算，如果要滿足同樣覆蓋目標，5G基站的部署密度將是4G的3-4倍。5G移動網絡的整體能耗，將是4G的9倍以上。

 

為了使網絡能夠響應所有類型的需求，“網絡切片”可創建滿足不同需求和要求的自包含網絡或切片。例如，一個網絡切片可能只需要低安全性和低帶寬，而另一個則需要高安全性和高可靠性。

衛星

在難以建造足夠的蜂窩塔的地方，衛星可以提供5G覆蓋，如果自然災害或恐怖襲擊摧毀了陸地上的通信基礎設施，衛星可以接管關鍵功能。最近，埃隆·馬斯克(Elon Musk)的公司SpaceX發射了595顆小型衛星(最終目標為30000個)，這些衛星在地球上空500到2000公里的低地球軌道(LEO)內運行。

此外，美國FCC還批準了其他LEO衛星系統，包括Amazon的3236顆衛星的Kuiper系統;并且許多系統也已被其他國家認可。LEO衛星群將切換各個衛星之間的傳輸，以在空中，海上和偏遠地區提供廣泛的覆蓋范圍。但是已經在離地球更遠的軌道上運行的更大的衛星也可以處理5G傳輸。各種衛星系統的覆蓋范圍、功率要求、等待時間和經濟可行性各不相同。

5G如何幫助環境?

5G的速度、容量和連接性將為保護和保存環境提供許多機會。具有物聯網的5G技術將能夠提高能源效率、減少溫室氣體排放并支持更多地使用可再生能源。它可以幫助減少空氣和水的污染、減少水和食物的浪費，并保護野生動植物。它還可以擴大我們對天氣、農業、病蟲害、工業、減少廢物等方面的理解，從而改善決策。

據聯合國稱，到2050年，全球68%的人口將生活在城市中。城市政府和企業正在尋求5G、人工智能(AI)和物聯網技術，以創建將傳感器、攝像機和智能手機連接在一起的智慧城市。這些網絡的連通性和速度將使城市得到更好的管理、更加高效和可持續。

以僅僅是下幾種5G可以使環境受益的方法。

減少能源消耗和排放

國際標準要求5G的運行能量要比4G少得多，這意味著在傳輸更多數據時使用更少的功率。例如，要下載4G的300部高清電影，就需要1千瓦時的電;如果使用5G，一度電可以下載5000部超高清電影。

但5G基礎設施系統本身很耗電，目前各國都在尋求技術突破，以降低5G系統本身運行的能耗。

與IoT關聯的5G也將減少能耗，因為不需要時設備將能夠自動啟動和關閉。電器、交通網絡、建筑物、工廠、路燈、住宅等中的傳感器將實時監控和分析其能源需求和消耗，并自動優化能源使用。例如，安裝在帝國大廈中的智能電表已將能源成本降低了38%。 GE的法國蒸汽數字發電廠配備了10000個傳感器，可提高發電廠的效率，并獲得了吉尼斯世界紀錄，成為世界上最高效的發電廠。

由于節約能源也意味著減少溫室氣體排放，因此，GE的數字發電廠軟件有望每年減少3%的碳排放量和67000噸煤炭的燃料使用量。領先的信息和通信技術提供商埃里克森(Ericcson)進行的一項研究預測，到2030年，物聯網可以將碳排放量減少15%。

當主電網出現故障或不可用時，5G和物聯網將使微電網能夠聯機。這將有可能更好地將間歇性可再生能源(例如風能和太陽能)整合到電網中。位于美國馬薩諸塞州的Ameresco公司用位于帕里斯島(Paris Island)的美國海軍陸戰隊新兵倉庫的20000個太陽能電池組件和自己的微電網支持的全自動工廠取代了一家舊的蒸汽工廠。該系統將能耗降低了75%。

通過使更多的人可以遠程工作或訪問娛樂，并避免通勤和乘飛機飛行，5G將節省能源并減少車輛和飛機的溫室氣體排放。

如果需要開車，5G可以通過減少交通擁堵和空轉來節省時間、燃料和車輛排放。通過傳感器和攝像頭、5G使用實時數據來保持交通流量，改變交通信號燈以避免延遲。卡內基·梅隆(Carnegie Mellon)的智能交通控制系統采用雷達和攝像頭來減少空轉，已使匹茲堡的溫室氣體排放量減少了20%。 5G還可以通過幫助駕駛員找到停車位并實現乘車共享來減少道路上的汽車數量。

減少水和食物浪費

根據EPA(美國環境保護署)的數據，由于泄漏，美國家庭每年浪費1萬億加侖(1加侖≈3.8升)的水。智能水傳感器可以檢測泄漏、水污染和污染。

傳感器還可以優化農業用水。一家創新型農業公司Arable使用智能農業傳感器，該傳感器結合了天氣信息以及土壤和作物狀況，可以更好地管理灌溉并提高灌溉效率。系統還監控植物的壓力、營養和害蟲，以幫助提升收獲。

聯合國估計，全球生產的食物中約有三分之一被浪費掉了，這也浪費了生產過程中的能源和水。農業傳感器可以檢測植物何時枯萎，因此可以幫助確保在正確的時間收獲農作物。其他傳感器可以檢測食物的新鮮度和變質，從而使消費者知道何時可以安全食用食物，而無需依賴有效期。

5G最終可以用于標記所有生產食品的位置、跟蹤收獲日期或識別特定動物，然后在將食品運輸到工廠時跟蹤智能標簽。其他傳感器系統可以監控工廠的狀況、評估食品的質量和法規要求。自動化透明的系統可以確保正確的成分在正確的時間交付并正確包裝。這將有助于減少食物浪費，很大程度地提高食物安全性，評估食物的可持續性，并使供應鏈能夠更快地響應供需問題。

保護自然

為了防止污水污染印第安納州南本德的圣約瑟夫河，在人孔中安裝了智能下水道技術。該技術將污水溢流減少了70%(每年超過10億加侖)，為城市節省了超過5億美元。

當水溫比平時高時，有毒的藍綠色藻類會瘋狂生長。諾基亞在波羅的海使用帶攝像頭和傳感器的5G無人機來實時檢測藍藻的生長。通常通過從岸上觀察來監測藻類，而無人駕駛飛機使在更偏遠地區檢測藻類繁殖成為可能。及時獲取信息可以使專家迅速采取行動，以防止此類環境危害。

澳大利亞的新興企業Myriota和澳大利亞海洋科學研究所(AIMS)正在將海洋浮標與衛星連接的IoT傳感器一起使用，以實時跟蹤洋流、海表水溫和海洋氣壓。這有助于研究人員更好地監視海洋中不斷變化的狀況并了解海洋的行為。

Rainforest Connection是打擊非法森林砍伐的非營利組織，它正在利用5G和AI保護哥斯達黎加的雨林。AI記錄器可以識別電鋸和其他機械設備的聲音，因此可以實時警告巡警有關非法采伐的信息。他們還可以區分壓力下的動物聲音，以便護林員可以對非法偷獵迅速做出反應。

國際自然保護聯盟使用5G地理定位技術來跟蹤瀕危動物的位置和活動。在中國成都大熊貓繁育研究基地，5G被用于監測熊貓狀況并鼓勵繁育。熊貓每年僅排卵一次，并且僅在24到36個小時內能繁殖，因此繁殖它們具有挑戰性。該技術可以識別大熊貓交配的呼喚，并循環播放，以促進大熊貓們彼此交配。

5G對環境的潛在負面影響

由于5G是一項新技術，因此它對環境的長期影響尚不清楚。但是，由于5G的能源使用以及制造新的基礎設施和大量新設備的影響，人們已經擔心5G可能對環境產生負面影響。

更多的能源消耗和排放

當前，信息和通信技術約占全球用電量的4%，占全球碳排放量的1.4%。但埃里克森(Ericcson)的一份報告預測，到2025年底，5G的用戶將達到26億。到那時，全球移動用戶總數預計將達到58億。

另外，到2030年，全球物聯網設備的數量可能達到1250億個。屆時，預計信息技術將占全球總用電量的五分之一，到2040年，它可能產生全球溫室氣體排放量的14%。如果整個系統都不節能，那么5G最終將是不可持續的。

處理云計算和網站并存儲我們的信息的數據存儲中心會消耗大量能源，占網絡總能源消耗的80%。其中大約一半用于保持基站中的傳輸設備降溫。伯克利實驗室的一份報告發現，2014年美國數據中心的耗電量為700億千瓦時;今年，他們預計將消耗730億千瓦時。小型蜂窩基站的功耗可能是4G基站的三倍。

生命周期影響

倡導向后碳經濟轉變的法國智囊團The Shift Project總裁在2019年說：“…每個字節的背后都有采礦和金屬加工、石油開采和石化、制造和中間運輸、公共工程(埋沒電纜)以及用煤和天然氣發電。因此，全球數字系統的碳足跡已經占全球溫室氣體排放量的4%，其能源消耗每年增加9%。”

溫室氣體排放量增加的部分原因是，消費者將需要購買新的5G手機才能充分利用5G。瑞典的一項研究計算得出，智能手機在其整個生命周期中都會產生45千克的二氧化碳，其中大部分來自生產階段，即集成電路制造、原材料采購、手機外殼生產，然后組裝和分銷。如果包括附件和移動網絡，則整個生命周期的影響為68千克二氧化碳。

制造更多的物聯網設備和手機以及小型蜂窩也意味著更多地開采和使用許多難以回收的不可再生金屬。

電子垃圾

隨著全球消費者轉向5G手機，如果沒有回購或回收計劃，許多舊手機和IoT設備將被丟棄。這將導致大量的電子廢物，這已經是一個巨大的全球性問題。

輻射

5G的全面部署可能會對生態系統產生破壞性影響。旁遮普大學(Punjab University)的一項研究發現，麻雀在信號塔輻射下暴露5至30分鐘會產生有問題的卵。在西班牙，蜂窩塔發出的微波輻射干擾了鳥類的筑巢、繁殖和棲息。同時，還發現無線頻率會干擾鳥類的導航系統和晝夜節律，從而影響正常遷徙。

另一項研究發現，暴露于低頻帶光譜輻射10分鐘的蜜蜂患有菌落崩潰障礙。并且一些研究發現，包括蜜蜂在內的昆蟲從中頻帶和5G頻譜吸收了更多的輻射。隨著時間的流逝，這可能導致昆蟲行為和功能的變化。

到2025年，5G預計將需要安裝7020萬個小型蜂窩塔，。一項調查發現，許多運營商希望每平方公里部署100至350個小型蜂窩(室內和室外)。因此，無處不在的毫米波輻射會在鳥類、蜜蜂和其他物種上產生什么影響，目前尚未清楚。

讓5G更具可持續性

有一些策略可以并且應該采用，以減輕5G的環境影響并使之更具可持續性。

脫碳

哥倫比亞大學國際與公共事務學院環境科學與政策公共管理碩士課程主任史蒂夫·科恩(Steve Cohen)強調，由于5G會消耗大量電力，因此使我們的電氣系統脫碳至關重要。

這意味著用可再生能源替代化石燃料，提高電網的靈活性和存儲能力，并在剩余的任何化石燃料發電廠中使用碳捕獲策略。

更有效的冷卻

一些公司正在實施新技術，以減少冷卻數據中心所消耗的能源量。在中國杭州，采用智能升壓和冷卻技術的新數據中心以及太陽能模塊每年可為每個站點節省4310千瓦時的電力，減少1125千克的二氧化碳排放量。日本移動電話公司NTT DOCOMO已開發出具有太陽能光伏面板和智能電源控制的綠色基站，從而將商業功耗降低了40%。

諾基亞在芬蘭部署了液冷數據中心。使用水而不是空氣來冷卻僅要消耗傳統空氣冷卻能量的10%。通過水冷，還可以將數據中心的廢熱用于基站附近建筑物中的水或空間供暖。此外，使用液體冷卻的數據中心將碳排放量減少了90%。

可生物降解的傳感器

集成到電話、計算機和其他電子設備中的大多數傳感器均由可能對環境或人體健康有害的貴金屬組成。一些科學家正在研究可生物降解的傳感器，這些傳感器在不再需要時會溶解。這樣的傳感器可以基于可生物降解的紙或聚乳酸，并且已經在醫學應用中使用。洛桑聯邦理工學院的研究人員已經開發了可生物降解物質上的印刷濕度和溫度傳感器以及晶體管，最終可用于智能包裝。

回收有毒物質

科恩說：“我看到的5G比較大的危險可能是電子垃圾的有毒物質，手機中的某些稀土和其他物質可以很容易地重復利用和開采。應當要求出售它們的公司在最后將它們買回來，這被稱為生產者責任。”他預計，像蘋果公司一樣，公司會更多地利用現有的電子設備，為消費者提供使用舊設備進行交易的折扣。

網絡共享

一些公司正在共享5G網絡基礎設施，以潛在地削減30%的成本。管理咨詢公司麥肯錫(McKinsey)發現，如果三個參與者共享網絡，則建立小型基站的成本可以降低一半。在中國，兩家公司已同意共同構建5G網絡并共享網絡基礎架構。沃達豐和意大利電信正在共享一個網絡，韓國的三家移動網絡運營商也正在共享一個網絡。除了削減成本外，網絡共享還可以避免重疊的小型小區密集網絡，并減少城市對設備和建筑的需求，從而減少對環境的影響。

5G何時到達來?

只有在室內和室外都有完整的5G時，才能充分發揮城市5G的潛力。這將需要將物聯網的傳輸設備安裝在建筑物、城市街道以及沿運輸路線的道路上，以便可以管理交通和自動駕駛車輛。

但是，由于建立全新的5G基礎設施在經濟上還不可行，因此5G的推出將是“不斷發展的”。 5G最初將搭載在現有4G網絡上。這使得移動運營商可以用較新的設備替換頻段內的較舊設備。為了適應5G，將4G網絡升級到比較先進的版本;這些先進的4G蜂窩塔中的某些具有將來通過軟件升級的能力。只有當網絡基礎設施和所使用的設備都支持相同的標準時，消費者才有可能享受5G的所有好處。否則，服務將默認為兩個連接都支持的網絡。

截至2020年6月，5G在一定程度上在38個國家可用。在美國，三大手機運營商(T-Mobile / Sprint，Verizon，AT&T)已在主要城市部署了一些5G。但是5G服務的范圍仍然取決于更多新設備的可用性，即支持5G的手機和智能傳感器。預計這些技術將在今年年底和2021年推出。目前普遍的想法是，要在全球范圍內采用5G還需要三年的時間。

5G是否會對環境帶來好處還是有待觀察，演算也很復雜?？贫髡f：“你不能只看技術、能源使用和有毒物質的使用。” “這不是簡單的分析。我認為，總的來說，人們花費越來越多的時間在信息和娛樂上，比人們所做的許多其他事情(如購物或開車出行)對環境的影響要小。我們必須將這項活動與您將要花費的其他時間進行比較，如果不這樣做，將會對環境造成其他影響。那還會是什么?”