鄔賀銓院士談 ICT的演進(jìn)與創(chuàng)新　

　　多輸出多輸入(MIMO)天線

　　我們用空分的辦法，用波束賦形一根天線可以對(duì)一根終端，目前已經(jīng)做到天線陣列、智能天線等可以波束賦形，已經(jīng)有64根天線商用了，128根的已經(jīng)在4G里得到應(yīng)用，有的企業(yè)還做到256根天線。所以，大規(guī)模的天線是支撐5G，使5G的容量大幅度提升的最主要的技術(shù)。

　　全雙工

　　過去我們的雙工有時(shí)分雙工、頻分雙工，現(xiàn)在要全雙工，即同頻同時(shí)。同頻同時(shí)的一個(gè)大問題是自干擾(自己會(huì)串?dāng)_到自己這里來)，解決的辦法是在發(fā)送端通過調(diào)整時(shí)延和衰減來抵消掉串?dāng)_。這是在模擬口的，也可以落到數(shù)字口來抵消這個(gè)干擾。如果能夠把同頻、同時(shí)，全雙工的干擾抵消，容量就可以提高1倍。

　　超密集組網(wǎng)

　　我們現(xiàn)在是靠加大蜂窩的密度，但是往往在蜂窩中心的用戶體驗(yàn)比較好。在蜂窩邊緣的體驗(yàn)不好。所以我們希望使用分布式的天線，這樣就可以解決蜂窩邊緣體驗(yàn)不好的問題。但是此時(shí)各個(gè)天線之間帶來了很多的干擾。怎么辦?把所有的天然干擾都測(cè)試下來，通過大數(shù)據(jù)分析讓它們產(chǎn)生抵消。這樣一來，理論上只要把干擾都抵消干凈，移動(dòng)通信的容量就是無限大的了(注：當(dāng)然實(shí)際上不可能做到這么完美)，通常容量能夠提高2個(gè)量級(jí)。

　　因此，我們通過高密集的組網(wǎng)、分布式的多天線等進(jìn)行聯(lián)合的數(shù)據(jù)發(fā)送，可以將其他基站的干擾變成有用信號(hào)，提升單用戶的吞吐率和系統(tǒng)的頻譜效率。

　　TDD是5G的主要模式

　　另外，5G需要用到很多帶寬，這么高的峰值，帶寬頻譜需要很寬，工作頻率要到6GHz和70GHz，這么高的頻段是很難找到成對(duì)的頻率的，因此，TDD是5G的主要模式。我們可以看到在天線、業(yè)務(wù)、頻譜、網(wǎng)絡(luò)上面，TDD都顯示出優(yōu)點(diǎn)，天線上的上下行的信道是一個(gè)頻率。

　　另外，在業(yè)務(wù)上，TDD可以做到上下行的不對(duì)稱分配，可以比較靈活地適應(yīng)需要。頻譜上容易安排雙工。既然是TDD，它可以適應(yīng)碎片化的頻率，可以靈活組網(wǎng)。當(dāng)然，要利用這些優(yōu)勢(shì)需要有一些技術(shù)來支撐。

　　原來在4G的時(shí)候，TDD上下行是分在兩個(gè)子幀里的，現(xiàn)在為了減少時(shí)延，必須把它安排在一個(gè)子幀里，即自包含的子幀里，這樣就可以做到低時(shí)延。

　　5G要低頻譜接入

　　MWC2015(世界無線電大會(huì))通過了一個(gè)頻率是1.4~1.5GHz的方案，其它的還沒有定，留在2019年定。2016年7月，F(xiàn)CC(美國聯(lián)邦通訊委員會(huì))批準(zhǔn)了5G的頻率，工作在28GHz、37GHz、39GHz，以及64GHz到71GHz頻段。2016年11月，歐盟發(fā)布了5G頻率，低頻段是3.4~3.8GHz，還有廣播及現(xiàn)在電視用的牌照，也拿出來給移動(dòng)通信用。高頻段，有24~28GHz，31~33GHz，40~43GHz。總之，5G已經(jīng)擴(kuò)展到毫米波頻段了。

　　目前，中國只安排了3.4~3.6GHz(還是很窄的，只有200M)。所以，中國的5G的頻率面臨著很大的挑戰(zhàn)。

　　衛(wèi)星

　　除了5G以外，現(xiàn)在需要在衛(wèi)星上應(yīng)用。過去的高空同步軌道的衛(wèi)星數(shù)量比較少(3顆就夠了，加上備份也就4顆)，低軌衛(wèi)星需要數(shù)量比較多(幾百顆)。同步軌道的衛(wèi)星離地面3.6萬公里，基本上是不可能用手機(jī)來接收的，可是最近發(fā)展了Ka頻段的衛(wèi)星，工作頻段是26~40GHz，比現(xiàn)在常規(guī)用的C頻段和Ka、Ku頻段都要高。頻率高的好處是：天線可以做到很小，而增益做得比較大。衛(wèi)星上的天線增益大了，地面接收的天線就可以做小。因此，地面上可以用手持終端接收，而且Ka頻段本身容量大(是C頻段Ku衛(wèi)星的幾十倍)，這樣地面終端也可以做到寬帶化、做到播放視頻。

　　如此大的容量還帶來另外一個(gè)好處，發(fā)射Ka衛(wèi)星和C頻段的衛(wèi)星的發(fā)射成本是一樣的，但是Ka的容量大，平均到每兆的發(fā)射成本大大下降。一般地，需要用到多波束技術(shù)和雙共振技術(shù)，用點(diǎn)波束式對(duì)應(yīng)地面上的需要，這也是信息技術(shù)的一個(gè)很好的應(yīng)用。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的新進(jìn)展

　　光通信的技術(shù)容量擴(kuò)展，我們通過時(shí)分復(fù)用，在一個(gè)波長上可以支持到400G，但是同樣把波分時(shí)復(fù)用利用起來，我們還可以利用定焦X偏振和Y偏振，同時(shí)利用到多載波。所以，光通信可以通過多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)，過去我們用的是單模光纖，現(xiàn)在我們用少模光纖(里面不止一個(gè)模)，模與模之間會(huì)有干擾。當(dāng)然通過現(xiàn)在的DSP技術(shù)可以抵消掉這類干擾。所以，一根光纖可以當(dāng)多根使用，相當(dāng)于容量翻了好幾倍。

　　因此，可以通過提高單波長比特率、增加波長數(shù)、增加調(diào)制的多電頻數(shù)、增加芯數(shù)和模式。所以，光通信在最近20年增長了1萬倍，目前的最高記錄是單波長400G，單纖100T。

　　光纖光纜

　　中國的光纖光纜發(fā)展很快，我們現(xiàn)在生產(chǎn)了全世界一半的光纖光纜，中國市場(chǎng)也消耗了全世界一半的光纖和光纜。光纖價(jià)格下降很快。中國的光纖寬帶滲透率達(dá)到80%，同期OECD(經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織)不到20%。所以，美國干脆就不搞光纖入戶了，現(xiàn)在準(zhǔn)備拿5G來代替光纖，作為固定寬帶無線接入。

　　另外，我們現(xiàn)在大量應(yīng)用云，在傳輸網(wǎng)上接入有接入的云，邊緣有彈性的城域網(wǎng)的邊緣云，核心網(wǎng)有中心云。我們移動(dòng)通信，接入有接入的云、轉(zhuǎn)發(fā)有轉(zhuǎn)發(fā)的云、控制平面有控制平面的云。例如，過去我們很多基站都要通過基站解調(diào)以后，把基帶信號(hào)通過光纖傳送網(wǎng)送到后臺(tái)?，F(xiàn)在，我們把所有基帶處理都集中起來，每個(gè)基站只負(fù)責(zé)射頻，從而將光纖傳送網(wǎng)改成內(nèi)部射頻的光纖傳送網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)集中的無線接入網(wǎng)，這是一個(gè)合作的無線接入網(wǎng)。也是一個(gè)綠色的無線接入網(wǎng)，所以，云會(huì)大量在通信網(wǎng)上使用。

　　云計(jì)算

　　除了云計(jì)算，現(xiàn)在還有邊緣技術(shù)。因?yàn)椴皇鞘裁炊妓偷皆撇抛詈?，如果VR和AR(虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))等所有視頻都要送到云，這一方面加大了核心網(wǎng)寬帶的壓力，另一方面，送到云端增加了路徑的延時(shí)。特別是車聯(lián)網(wǎng)要通過高速反應(yīng)，這時(shí)不能允許高延時(shí)。所以，現(xiàn)在提出有些計(jì)算是放到云上，有些計(jì)算是放到霧上(注：IBM叫霧計(jì)算)，因?yàn)殪F比云要矮一點(diǎn)。 當(dāng)然還可以再放低，還可以放到靠近基站的地方，鄔賀銓院士稱之為霾計(jì)算，它比霧還要更靠近地面(注：當(dāng)然現(xiàn)在沒有人用這個(gè)詞)。

　　因此，云計(jì)算、霧計(jì)算和霾計(jì)算，可以根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域來使用(注：這是一些定義)。

　　路由器的SDN

　　傳統(tǒng)的路由器，轉(zhuǎn)發(fā)面和控制面是一起的，每個(gè)路由器只根據(jù)IP地址實(shí)現(xiàn)最短路徑優(yōu)先，找到相鄰的路由器，而不考慮全網(wǎng)優(yōu)化。

　　在大數(shù)據(jù)時(shí)代，這樣做是不經(jīng)濟(jì)的。所以現(xiàn)在提出來SDN(軟件定義網(wǎng)絡(luò))，把控制面功能集合起來變成網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，把應(yīng)用提出來集成應(yīng)用，通過網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的路由控制，來實(shí)現(xiàn)面向連接的一些應(yīng)用，以適應(yīng)大數(shù)據(jù)時(shí)代的不規(guī)則性。SDN控制面獨(dú)立出來進(jìn)行管理。

　　網(wǎng)絡(luò)功能的虛擬化

　　傳統(tǒng)的路由器有專用的硬件、操作系統(tǒng)、中間件和應(yīng)用。交換機(jī)也有專用的硬件和操作系統(tǒng)應(yīng)用。網(wǎng)關(guān)也是如此?，F(xiàn)在我們發(fā)現(xiàn)可以把硬件統(tǒng)一，例如用X86的硬件來實(shí)現(xiàn)通用的處理器。通過虛擬化，上層軟件根據(jù)交換機(jī)、路由器，甚至網(wǎng)關(guān)的不同而不同，從而實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)功能的虛擬化，以及控制與承載的徹底分離，控制面的可編程。用戶層只專注于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，能適應(yīng)大數(shù)據(jù)時(shí)代流量的時(shí)空動(dòng)態(tài)性。

　　窄帶物聯(lián)網(wǎng)

　　物聯(lián)網(wǎng)從2008年提出到現(xiàn)在已經(jīng)有八九年了，應(yīng)用卻仍不如人意。物聯(lián)網(wǎng)里的攝像頭需要的帶寬達(dá)10兆以上的約占市場(chǎng)10%的份額(如圖2

　　)，可以用光纖來傳。當(dāng)然，大量的物聯(lián)網(wǎng)，就像金字塔一樣，60%的物聯(lián)網(wǎng)都是低速率的(100kB左右，甚至更低)。用普通的光纖不經(jīng)濟(jì)，用3G、4G也不經(jīng)濟(jì)，用藍(lán)牙等不是很可靠。所以，連到運(yùn)營商的終端物聯(lián)網(wǎng)只有6%。

　　2016年在韓國釜山，通過了一個(gè)新的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)標(biāo)準(zhǔn)，它占用GSM的一個(gè)載波200kB，通過OFDN(正交頻分復(fù)用)的辦法產(chǎn)生出很多個(gè)子載波。當(dāng)然，這個(gè)子載波可以做到根據(jù)你的需要用20kB或者250kB的傳輸能力，基本上對(duì)于大量的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用足夠了。

　　窄帶物聯(lián)網(wǎng)有4大特點(diǎn)：1.廣覆蓋，因?yàn)樗凸?、比較簡單;2.網(wǎng)絡(luò)增益能高20dB，能覆蓋到現(xiàn)在移動(dòng)通信不能滲透到的地下車庫等，比移動(dòng)通信的覆蓋面積擴(kuò)大100倍;3.大連接，一個(gè)扇區(qū)能支持10萬個(gè)連接，比通常的移動(dòng)通信扇區(qū)的能力高50~100倍;4.低功耗，理論上，一個(gè)電池可以用十年(注：電池的使用壽命一般到不了十年);5.低成本，設(shè)計(jì)目標(biāo)是1美元。

　　因此，窄帶物聯(lián)網(wǎng)避免了物聯(lián)網(wǎng)的碎片化，可以用在智慧城市、智慧工廠、能源監(jiān)控、物流管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、安全監(jiān)管等領(lǐng)域，為物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用打開了一個(gè)空間。

　　區(qū)塊鏈

　　前文談到區(qū)塊鏈。實(shí)際上，區(qū)塊鏈不僅僅應(yīng)用在金融上，也可以應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)上。例如，物聯(lián)網(wǎng)有很多個(gè)業(yè)主，不同業(yè)主之間的網(wǎng)絡(luò)是很難互通的，例如智慧城市，有公安局、城市交通委布的攝像頭，兩個(gè)是不同的業(yè)主，不一定能互通，它們處于不同的信用域上。通過區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)加密技術(shù)和P2P的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能解決信任問題，保證數(shù)據(jù)和支付的安全，并且還可以收費(fèi)。

　　一般地，物聯(lián)網(wǎng)里數(shù)以百萬計(jì)的參與者不都是值得信任的。例如，物聯(lián)網(wǎng)都是自組網(wǎng)，那么多傳感器撒在野外，別人加一個(gè)傳感器進(jìn)來你都不一定知道。所以，有時(shí)候物聯(lián)網(wǎng)的終端可能是惡意的，但區(qū)塊鏈的驗(yàn)證和共識(shí)機(jī)制有助于隱私和安全。

　　美國MIT(麻省理工學(xué)院)的2017年十大突破性技術(shù)就提到了一個(gè)僵尸物聯(lián)網(wǎng)。2016年10月，美國東海岸曾經(jīng)發(fā)生過整體互聯(lián)網(wǎng)癱瘓，其中一個(gè)原因是它的攝像頭被木馬控制了，產(chǎn)生了DDoS(分布式拒絕服務(wù))攻擊?，F(xiàn)在，這種現(xiàn)象可能會(huì)更頻發(fā)，區(qū)塊鏈可以驗(yàn)證登錄到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的人的身份，避免利用物聯(lián)網(wǎng)DDoS的攻擊。

　　小結(jié)

　　大數(shù)據(jù)、智能化、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算，以及物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的“大智物移云”成為ICT(信息通信技術(shù))融合的創(chuàng)新平臺(tái)。人工智能、深度學(xué)習(xí)、區(qū)塊鏈，以及容器技術(shù)等新技術(shù)正在興起。5G代表了無線技術(shù)的發(fā)展方向，Ka衛(wèi)星開辟了大通量衛(wèi)星的發(fā)展前景。通信網(wǎng)絡(luò)的IT化、云化以及軟件定義已經(jīng)成為演進(jìn)趨勢(shì)。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]王瑩.人工智能的進(jìn)展及發(fā)展建議.電子產(chǎn)品世界,2017(2-3):23-26.

　　[2]王志勤,余泉,潘振崗,等.5G架構(gòu)、技術(shù)與發(fā)展方式探析.電子產(chǎn)品世界,2016(1):14-17.

　　[3]粟欣,龔金金,曾捷.面向5G網(wǎng)絡(luò)切片無線資源分配.電子產(chǎn)品世界,2017(2-3):30-32.

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第5期第7頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。