冠状病毒(COVID-19)危机清楚地表明了一件事：社会非常需要互联网。在大流行期间，互联网对于购买食物、工作、教育孩子、获得医疗保健以及获取新闻和娱乐至关重要。民众的健康和安全取决于网络的可靠性。据调查统??计，自1月份以来，美国人每天的宽带使用量增加了3GB，足以浏览90小时互联网或观看一小时高清电影。所有这些对快速、可靠和多样化通信的需求正在给各国带来越来越大的压力，要求他们迅速采用最新一代数字技术5G。5G的前景是大约每十年左右就会出现一种新的无线移动技术，它比上一代技术有所改进。1G诞生于1980年代，只支持语音通话。2G诞生于1990年代，当时手机从模拟信号转向数字信号，支持消息传递、通话和文本加密以确保通信安全。1998年，3G让视频通话、手机上网成为可能。4G于2008年推出，支持具有移动性的高清电视、视频会议和游戏。时至今日，大多数手机都使用3G和4G技术。2019年开始部署的5G将为手机提供增强的宽带、超快速和可靠的通信以及机器对机器的通信。理论上，它有望比4G快100倍。但除了速度和连接性之外，5G还具有所有通信技术固有的极低延迟，并且随着它扩展到新的频谱频率，容量增加了1,000倍。最终，这将实现从智能汽车到物联网(IoT)的无处不在的无线连接，物联网可以通过互联网连接设备和传感器，并允许它们在没有人工干预的情况下进行通信。5G是如何工作的？频谱要了解什么是5G，首先要了解频谱。电磁频谱是所有类型的电磁辐射的范围。无线电频谱用于电信、广播、飞机通信等，范围从30赫兹(Hz)到300GHz（1GHz等于10亿赫兹）。整个光谱还包括可见光、伽马射线、X射线、微波等。称为低频带（600MHz至900MHz）的频谱的低端具有更长的波并且可以传播得更远。随着波长范围从中频带（2.5GHz到4.2GHz）到高频带（也称为毫米波，24GHz到47GHz），它们变得更短，从而实现更大的带宽（可以在网络中传输的数据量是更多），但传输距离缩短了。虽然低频段可以很好地穿墙，但其速度限制为每秒100兆字节(Mbps)。中频带频谱速度可以达到千兆字节，或每秒1千兆字节(Gbps)；它的延迟低于低频段，但它不会轻易通过建筑物等障碍物。高频段或毫米波(mmWave)具有极低的延迟并且速度超快，最高可达10Gbps。这些高频毫米波还提供了更多的传输空间，因此可以同时连接更多的设备。缺点是它们很弱，不能轻易穿透坚固的障碍物。5G将在上述所有三个频段上运行。美国无线电频谱每个国家的政府机构控制频谱并指定谁可以使用哪些频率。在美国，联邦通信委员会(FCC)控制频谱并将其划分为不同的块，然后分配或出售给不同的公司和行业。2016年，FCC为5G开放了大量高频段频谱。基础设施和数据传输由于毫米波只能传播很短的信号传输距离，因此小型基站之间的距离需要在250米以内。例如，未来的城市可能有屋顶、电线杆、树木和路灯。全5G微基站，保障城市5G信号全覆盖。与在更长距离上传输更长频率波的更高的4G蜂窝塔不同，小型蜂窝基站（包含向设备发送数据和从设备发送数据的设备）需要直接视线（不得被阻挡）。基站容纳大量天线，这增加了网络的容量。这些天线使用“波束成形”来协调大量传输，防止它们相互干扰，并将集中数据发送给特定的个人用户。这使得小型基站能够同时处理许多不同的数据流。小型基站通常通过光纤电缆或无线微波连接到5G网络和互联网。他们还需要电源，典型的小电池可能消耗200到1,000瓦的电量。据测算，5G室外基站单租户平均功耗约为3.8KW，是4G基站的3倍多。按目前平均出让电价1元/千瓦时计算：4G基站年电费2W元，5G基站年电费5W元。因此，据测算，如果要达到同样的覆盖目标，5G基站的部署密度将是4G的3-4倍。5G移动网络整体能耗将是4G的9倍以上。为了使网络能够响应所有类型的需求，“网络切片”创建了满足不同需求和要求的自包含网络或切片。例如，一个网络切片可能只需要低安全性和低带宽，而另一个则需要高安全性和高可靠性。卫星可以在难以建造足够信号塔的地方提供5G覆盖，并且可以在自然灾害或恐怖袭击破坏陆地通信基础设施时接管关键功能。最近，埃隆·马斯克(ElonMusk)的公司SpaceX发射了595颗小型卫星（最终目标是30,000颗），这些卫星在距地球500至2,000公里的近地轨道(LEO)中运行。此外，美国FCC还批准了其他LEO卫星系统，包括亚马逊的3236颗Kuiper系统；许多系统也得到了其他国家的认可。LEO卫星星座将在各个卫星之间切换传输，以提供空中、海上和偏远地区的广泛覆盖。但是已经在离地球更远的轨道上运行的更大的卫星也可以处理5G传输。各种卫星系统在覆盖范围、功率要求、延迟和经济可行性方面各不相同。5G如何帮助环境？5G的速度、容量和连接性将为保护环境开辟许多机会。带有物联网的5G技术将能够提高能源效率，减少温室气体排放并支持更多地使用可再生能源。它可以帮助减少空气和水污染，减少水和食物浪费，并保护野生动物。它还可以扩大我们对天气、农业、病虫害、工业、减少废物等的理解，从而改进决策。据联合国统计，到2050年，世界上68%的人口将居住在城市。市政府和企业正在寻求5G、人工智能(AI)和物联网技术来创建连接传感器、摄像头和智能手机的智能城市。这些网络的连通性和速度将使城市得到更好的管理、更高效和可持续。以下是5G可以使环境受益的几种方式。减少能源消耗和排放国际标准要求5G的运行能耗远低于4G，这意味着在传输更多数据的同时使用更少的电力。比如4G下载300部高清电影，需要1度电；如果用5G，一度电可以下载5000部超高清电影。然而，5G基础设施系统本身耗电量很大。目前，各国都在寻求技术突破，以降低5G系统自身的能耗。与物联网相关的5G还将降低能耗，因为设备将能够在不需要时自动打开和关闭。电器、交通网络、建筑物、工厂、路灯、家庭等中的传感器将实时监测和分析其能源需求和消耗，并自动优化能源使用。例如，安装在帝国大厦的智能电表将能源成本降低了38%。GE的法国蒸汽数字电厂配备了10,000个传感器，可提高电厂的效率，并获得了吉尼斯世界纪录，成为世界上最高效的电厂。由于节能也意味着减少温室气体排放，GE的数字电厂软件预计每年可减少3%的碳排放和67,000吨煤炭的燃料使用。领先的信息和通信技术提供商爱立信的一项研究预测，到2030年，物联网可以将碳排放量减少15%。5G和物联网将使微电网能够在主电网出现故障或不可用时上线。这将使风能和太阳能等间歇性可再生能源更好地并入电网成为可能。总部位于美国马萨诸塞州的Ameresco在巴黎岛的美国海军陆战队新兵基地用20,000个太阳能模块和一个由自己的微电网支持的全自动工厂取代了一个旧蒸汽工厂。该系统将能耗降低了75%。通过让更多人能够远程工作或享受娱乐，避免通勤和飞行，5G将节省能源并减少车辆和飞机的温室气体排放。如果需要开车，5G可以通过减少交通拥堵和空转来节省时间、燃料和车辆排放。通过传感器和摄像头，5G使用实时数据来保持交通畅通并改变交通信号灯以避免延误。卡内基梅隆大学的智能交通控制系统使用雷达和摄像头来减少怠速，已将匹兹堡的温室气体排放量减少了20%。5G还可以通过帮助司机找到停车位和实现拼车来减少道路上的汽车数量。减少水和食物浪费根据EPA（美国环境保护署）的数据，美国家庭每年因漏水而浪费1万亿加仑（1加仑≈3.8升）的水。智能水传感器可以检测泄漏、水污染和污染。传感器还可以优化农业用水。Arable是一家创新型农业公司，它使用智能农业传感器将天气信息与土壤和作物状况相结合，以更好地管理灌溉并提高灌溉效率。该系统还监测植物胁迫、营养和害虫，以帮助改善收成。联合国估计，全球生产的食物中约有三分之一被浪费，这也在生产过程中浪费了能源和水。农业传感器可以检测植物何时枯萎，因此它们可以帮助确保农作物在正确的时间收获。其他传感器可以检测食物的新鲜度和变质程度，让消费者知道食物何时可以安全食用，而无需依赖保质期。5G最终可用于标记所有食品的产地、跟踪收获日期或识别特定动物，然后在食品运往工厂时跟踪智能标签。其他传感器系统可以监控工厂状况、评估食品质量和监管要求。一个自动化和透明的系统确保正确的成分在正确的时间交付并正确包装。这将有助于减少食物浪费，最大限度地提高食品安全性，评估食品可持续性，并使供应链能够更快地响应供需问题。保护自然为了防止污水污染印第安纳州南本德的圣约瑟夫河，在检修孔中安装了智能下水道技术。该技术减少了70%的污水溢出（每年超过10亿加仑），为该市节省了超过5亿美元。当水温比平时高时，有毒的蓝绿藻会疯狂生长。诺基亚在波罗的海使用带有摄像头和传感器的5G无人机实时检测蓝藻的生长情况。藻类通常是通过从岸上观察来监测的，无人机可以在更偏远的地区检测到藻类大量繁殖。及时获取信息使专家能够迅速采取行动防止此类环境危害。澳大利亚初创公司Myriota和澳大利亚海洋科学研究所(AIMS)正在使用带有卫星连接物联网传感器的海洋浮标来实时跟踪洋流、海面温度和海洋压力。这有助于研究人员更好地监测海洋中不断变化的条件并了解它的行为方式。RainforestConnection是一家打击非法砍伐森林的非营利组织，它正在使用5G和AI来保护哥斯达黎加的雨林。人工智能伐木者可以识别电锯和其他机械设备的声音，因此他们可以实时提醒巡逻人员注意非法采伐。它们还可以区分压力下动物的声音，因此护林员可以快速应对非法偷猎。国际自然保护联盟利用5G地理定位技术追踪濒危动物的位置和动向。在中国成都大熊猫繁育研究基地，5G正在用于监测熊猫状况并鼓励繁育。大熊猫一年只排卵一次，受精时间只有24到36小时，因此繁殖它们具有挑战性。该技术可识别大熊猫的求偶叫声，并循环播放它们，以鼓励大熊猫相互交配。5G对环境的潜在负面影响由于5G是一项新技术，其对环境的长期影响尚不清楚。然而，由于5G的能源使用以及制造新基础设施和大量新设备的影响，已经有人担心5G可能会对环境产生负面影响。更多的能源消耗和排放目前，信息和通信技术约占全球电力消耗的4%和全球碳排放量的1.4%。但爱立信的一份报告预测，到2025年底，5G用户将达到26亿。届时，全球移动用户总数预计将达到58亿。此外，到2030年，全球物联网设备数量可能达到1250亿。到那时，信息技术预计将占全球总用电量的五分之一，到2040年，它可能产生全球温室气体排放量的14%。如果整个系统不节能，5G最终将不可持续。处理云计算和网站并存储我们信息的数据存储中心消耗大量能源，占网络总能源消耗的80%。其中大约一半用于保持基站中的传输设备凉爽。伯克利实验室的一份报告发现，美国数据中心在2014年消耗了700亿千瓦时的电力；今年，他们预计将消耗730亿千瓦时。小型蜂窝基站的功耗是4G基站的三倍。生命周期影响提倡向后碳经济转型的法国智库TheShiftProject的主席在2019年表示：“……每个字节的背后都有采矿和金属加工、石油开采和石化、制造和中间运输、公共工程（埋地电缆）以及使用煤炭和天然气发电。因此，全球数字系统的碳足迹已经占全球温室气体排放量的4%，其能源消耗每年增加9%。”需要购买新的5G手机才能充分利用5G。瑞典的一项研究计算出，一部智能手机在其整个生命周期中会产生45公斤的二氧化碳，其中大部分来自生产阶段，即集成电路的制造、原材料的采购、手机外壳的生产，以及组装和分销。包括配件和移动网络在内，整个生命周期的影响为68千克二氧化碳。制造更多的物联网设备和手机以及小型蜂窝也意味着更多的采矿和使用许多难以回收的不可再生金属。电子垃圾作为周围的消费者世界转向5G手机，没有回购或回收计划，许多旧手机和物联网设备将被丢弃。这将导致大量电子垃圾，这已经是一个巨大的全球性问题。T全面部署Radiant5G可能会对生态系统产生破坏性影响。旁遮普大学的一项研究发现，麻雀暴露在手机信号塔的辐射下5到30分钟会产下有问题的蛋。在西班牙，蜂窝塔发出的微波辐射扰乱了鸟类的筑巢、繁殖和栖息。同时，还发现无线频率会干扰鸟类的导航系统和昼夜节律，从而影响正常迁徙。另一项研究发现，蜜蜂暴露在低波段光谱辐射下10分钟会患上蜂群崩溃症。一些研究发现，包括蜜蜂在内的昆虫会吸收更多来自中频带和5G频谱的辐射。随着时间的推移，这会导致昆虫的行为和功能发生变化。到2025年，5G预计需要安装7020万个小型基站。一项调查发现，许多运营商希望每平方公里部署100到350个小型基站（室内和室外）。因此，无处不在的毫米波辐射对鸟类、蜜蜂和其他物种的影响尚不清楚。使5G更具可持续性可以而且应该采用一些策略来减轻5G对环境的影响并使其更具可持续性。哥伦比亚大学国际与公共事务学院环境科学与政策公共管理硕士项目主任史蒂夫·科恩强调，电气系统脱碳至关重要，因为5G会消耗大量电力。这意味着用可再生能源替代化石燃料，提高电网灵活性和存储容量，并在任何剩余的化石燃料发电厂中使用碳捕获策略。更高效的冷却一些公司正在实施新技术以减少用于冷却数据中心的能源量。在中国杭州，一个采用智能升压和冷却技术以及太阳能组件的新数据中心每年可为每个站点节省4310千瓦时的电力，并减少1125千克的二氧化碳排放量。日本移动电话公司NTTDOCOMO开发了一种绿色基站，采用太阳能光伏板和智能电源控制，可将商用电力消耗降低40%。诺基亚在芬兰部署了液冷数据中心。用水代替空气进行冷却，能耗仅为传统风冷的10%。通过水冷，数据中心的废热也可用于基站附近建筑物的水或空间供暖。此外，使用液体冷却的数据中心可减少90%的碳排放量。可生物降解的传感器大多数集成到电话、计算机和其他电子设备中的传感器由可能对环境或人类健康有害的贵金属组成。一些科学家正在研究可生物降解的传感器，这些传感器在不再需要时会溶解。这种传感器可以基于可生物降解的纸或聚乳酸，并且已经用于医疗应用。EPFL的研究人员开发了可生物降解物质上的印刷湿度和温度传感器和晶体管，最终可用于智能包装。回收有毒物质Cohen说：“我认为5G最大的危险可能是电子垃圾、一些稀土和手机中其他可以轻松重复使用和开采的物质产生的有毒物质。销售它们的公司应该被要求最终”把它们买回来，这就是生产者责任。”他预计像苹果这样的公司将更多地利用现有的电子产品，为消费者提供折旧旧设备的折扣。网络共享一些公司正在共享5G网络基础设施，以将成本削减30%。管理咨询公司麦肯锡发现，如果三个参与者共享网络，则构建小型基站的成本可以减少一半。在中国，两家公司已同意共同建设5G网络并共享网络基础设施。沃达丰和意大利电信共享一个网络，韩国的三个移动网络运营商也是如此。除了降低成本，网络共享还可以避免重叠小基站的密集网络，减少城市对设备和建筑物的需求，从而减少其对环境的影响。5G什么时候到来？5G在城市中的全部潜力只有在室内和室外都拥有完整的5G时才能发挥出来。这将需要在建筑物、城市街道和交通路线沿线的道路上安装物联网传输设备，以便管理交通和自动驾驶车辆。然而，5G的推出将“不断发展”，因为建设全新的5G基础设施在经济上尚不可行。5G最初将搭载在现有的4G网络上。这允许移动运营商用更新的设备替换频带内的旧设备。为适应5G，4G网络正在升级到更高级的版本；其中一些先进的4G蜂窝塔将来可以通过软件进行升级。只有网络基础设施和使用的设备都支持相同的标准，消费者才能享受到5G的全部好处。否则，该服务将默认为两个连接都支持的网络。截至2020年6月，5G在38个国家/地区已在一定程度上可用。在美国，三大手机运营商（T-Mobile/Sprint、Verizon、AT&T）已经在主要城市部署了部分5G。但5G服务的范围仍取决于更多新设备的可用性，即支持5G的手机和智能传感器。这些技术预计将在今年年底和2021年推出。普遍的想法是，全球采用5G还需要三年时间。5G是否有利于环境还有待观察，而且计算很复杂。“你不能只看技术、能源使用和有毒物质的使用，”科恩说。“这不是一个简单的分析。我认为，总的来说，人们花在信息和娱乐上的时间比人们花在信息和娱乐上的时间越来越多。你做的很多其他事情，比如购物或开车，对环境的影响较小。我们必须比较这项活动与你会花的其他时间，如果你不这样做，就会对环境产生其他影响。那还有什么？
