鄔賀銓院士談 ICT的演進(jìn)與創(chuàng )新　

　　多輸出多輸入(MIMO)天線(xiàn)

　　我們用空分的辦法，用波束賦形一根天線(xiàn)可以對一根終端，目前已經(jīng)做到天線(xiàn)陣列、智能天線(xiàn)等可以波束賦形，已經(jīng)有64根天線(xiàn)商用了，128根的已經(jīng)在4G里得到應用，有的企業(yè)還做到256根天線(xiàn)。所以，大規模的天線(xiàn)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(guò)去我們的雙工有時(shí)分雙工、頻分雙工，現在要全雙工，即同頻同時(shí)。同頻同時(shí)的一個(gè)大問(wèn)題是自干擾(自己會(huì )串擾到自己這里來(lái))，解決的辦法是在發(fā)送端通過(guò)調整時(shí)延和衰減來(lái)抵消掉串擾。這是在模擬口的，也可以落到數字口來(lái)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)

　　我們現在是靠加大蜂窩的密度，但是往往在蜂窩中心的用戶(hù)體驗比較好。在蜂窩邊緣的體驗不好。所以我們希望使用分布式的天線(xiàn)，這樣就可以解決蜂窩邊緣體驗不好的問(wèn)題。但是此時(shí)各個(gè)天線(xiàn)之間帶來(lái)了很多的干擾。怎么辦?把所有的天然干擾都測試下來(lái)，通過(guò)大數據分析讓它們產(chǎn)生抵消。這樣一來(lái)，理論上只要把干擾都抵消干凈，移動(dòng)通信的容量就是無(wú)限大的了(注：當然實(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。

　　因此，我們通過(guò)高密集的組網(wǎng)、分布式的多天線(xiàn)等進(jìn)行聯(lián)合的數據發(fā)送，可以將其他基站的干擾變成有用信號，提升單用戶(hù)的吞吐率和系統的頻譜效率。

　　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的頻率的，因此，TDD是5G的主要模式。我們可以看到在天線(xiàn)、業(yè)務(wù)、頻譜、網(wǎng)絡(luò )上面，TDD都顯示出優(yōu)點(diǎn)，天線(xiàn)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稱(chēng)分配，可以比較靈活地適應需要。頻譜上容易安排雙工。既然是TDD，它可以適應碎片化的頻率，可以靈活組網(wǎng)。當然，要利用這些優(yōu)勢需要有一些技術(shù)來(lái)支撐。

　　原來(lái)在4G的時(shí)候，TDD上下行是分在兩個(gè)子幀里的，現在為了減少時(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(wú)線(xiàn)電大會(huì ))通過(guò)了一個(gè)頻率是1.4~1.5GHz的方案，其它的還沒(méi)有定，留在2019年定。2016年7月，FCC(美國聯(lián)邦通訊委員會(huì ))批準了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，還有廣播及現在電視用的牌照，也拿出來(lái)給移動(dòng)通信用。高頻段，有24~28GHz，31~33GHz，40~43GHz?？傊?，5G已經(jīng)擴展到毫米波頻段了。

　　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(zhù)很大的挑戰。

　　衛星

　　除了5G以外，現在需要在衛星上應用。過(guò)去的高空同步軌道的衛星數量比較少(3顆就夠了，加上備份也就4顆)，低軌衛星需要數量比較多(幾百顆)。同步軌道的衛星離地面3.6萬(wàn)公里，基本上是不可能用手機來(lái)接收的，可是最近發(fā)展了Ka頻段的衛星，工作頻段是26~40GHz，比現在常規用的C頻段和Ka、Ku頻段都要高。頻率高的好處是：天線(xiàn)可以做到很小，而增益做得比較大。衛星上的天線(xiàn)增益大了，地面接收的天線(xiàn)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(lái)另外一個(gè)好處，發(fā)射Ka衛星和C頻段的衛星的發(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)波束式對應地面上的需要，這也是信息技術(shù)的一個(gè)很好的應用。

網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的新進(jìn)展

　　光通信的技術(shù)容量擴展，我們通過(guò)時(shí)分復用，在一個(gè)波長(cháng)上可以支持到400G，但是同樣把波分時(shí)復用利用起來(lái)，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(guò)多種技術(shù)實(shí)現，過(guò)去我們用的是單模光纖，現在我們用少模光纖(里面不止一個(gè)模)，模與模之間會(huì )有干擾。當然通過(guò)現在的DSP技術(shù)可以抵消掉這類(lèi)干擾。所以，一根光纖可以當多根使用，相當于容量翻了好幾倍。

　　因此，可以通過(guò)提高單波長(cháng)比特率、增加波長(cháng)數、增加調制的多電頻數、增加芯數和模式。所以，光通信在最近20年增長(cháng)了1萬(wàn)倍，目前的最高記錄是單波長(cháng)400G，單纖100T。

　　光纖光纜

　　中國的光纖光纜發(fā)展很快，我們現在生產(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到80%，同期OECD(經(jīng)濟合作與發(fā)展組織)不到20%。所以，美國干脆就不搞光纖入戶(hù)了，現在準備拿5G來(lái)代替光纖，作為固定寬帶無(wú)線(xiàn)接入。

　　另外，我們現在大量應用云，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、轉發(fā)有轉發(fā)的云、控制平面有控制平面的云。例如，過(guò)去我們很多基站都要通過(guò)基站解調以后，把基帶信號通過(guò)光纖傳送網(wǎng)送到后臺?，F在，我們把所有基帶處理都集中起來(lái)，每個(gè)基站只負責射頻，從而將光纖傳送網(wǎng)改成內部射頻的光纖傳送網(wǎng)，實(shí)現一個(gè)集中的無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)，這是一個(gè)合作的無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)。也是一個(gè)綠色的無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)，所以，云會(huì )大量在通信網(wǎng)上使用。

　　云計算

　　除了云計算，現在還有邊緣技術(shù)。因為不是什么都送到云才最好，如果VR和AR(虛擬現實(shí)和增強現實(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(chē)聯(lián)網(wǎng)要通過(guò)高速反應，這時(shí)不能允許高延時(shí)。所以，現在提出有些計算是放到云上，有些計算是放到霧上(注：IBM叫霧計算)，因為霧比云要矮一點(diǎn)。 當然還可以再放低，還可以放到靠近基站的地方，鄔賀銓院士稱(chēng)之為霾計算，它比霧還要更靠近地面(注：當然現在沒(méi)有人用這個(gè)詞)。

　　因此，云計算、霧計算和霾計算，可以根據不同的應用領(lǐng)域來(lái)使用(注：這是一些定義)。

　　路由器的SDN

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

　　在大數據時(shí)代，這樣做是不經(jīng)濟的。所以現在提出來(lái)SDN(軟件定義網(wǎng)絡(luò ))，把控制面功能集合起來(lái)變成網(wǎng)絡(luò )操作系統，把應用提出來(lái)集成應用，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )操作系統來(lái)實(shí)現全網(wǎng)的路由控制，來(lái)實(shí)現面向連接的一些應用，以適應大數據時(shí)代的不規則性。SDN控制面獨立出來(lái)進(jìn)行管理。

　　網(wǎng)絡(luò )功能的虛擬化

　　傳統的路由器有專(zhuān)用的硬件、操作系統、中間件和應用。交換機也有專(zhuān)用的硬件和操作系統應用。網(wǎng)關(guān)也是如此?，F在我們發(fā)現可以把硬件統一，例如用X86的硬件來(lái)實(shí)現通用的處理器。通過(guò)虛擬化，上層軟件根據交換機、路由器，甚至網(wǎng)關(guān)的不同而不同，從而實(shí)現了網(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(hù)層只專(zhuān)注于數據轉發(fā)，能適應大數據時(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年提出到現在已經(jīng)有八九年了，應用卻仍不如人意。物聯(lián)網(wǎng)里的攝像頭需要的帶寬達10兆以上的約占市場(chǎng)10%的份額(如圖2

　　)，可以用光纖來(lái)傳。當然，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，用3G、4G也不經(jīng)濟，用藍牙等不是很可靠。所以，連到運營(yíng)商的終端物聯(lián)網(wǎng)只有6%。

　　2016年在韓國釜山，通過(guò)了一個(gè)新的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)標準，它占用GSM的一個(gè)載波200kB，通過(guò)OFDN(正交頻分復用)的辦法產(chǎn)生出很多個(gè)子載波。當然，這個(gè)子載波可以做到根據你的需要用20kB或者250kB的傳輸能力，基本上對于大量的物聯(lián)網(wǎng)應用足夠了。

　　窄帶物聯(lián)網(wǎng)有4大特點(diǎn)：1.廣覆蓋，因為它低功耗、比較簡(jiǎn)單;2.網(wǎng)絡(luò )增益能高20dB，能覆蓋到現在移動(dòng)通信不能滲透到的地下車(chē)庫等，比移動(dòng)通信的覆蓋面積擴大100倍;3.大連接，一個(gè)扇區能支持10萬(wàn)個(gè)連接，比通常的移動(dòng)通信扇區的能力高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，設計目標是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(chǎng)、能源監控、物流管理、環(huán)境監測、安全監管等領(lǐng)域，為物聯(lián)網(wǎng)的應用打開(kāi)了一個(gè)空間。

　　區塊鏈

　　前文談到區塊鏈。實(shí)際上，區塊鏈不僅僅應用在金融上，也可以應用在物聯(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(guò)區塊鏈的數據加密技術(shù)和P2P的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能解決信任問(wèn)題，保證數據和支付的安全，并且還可以收費。

　　一般地，物聯(lián)網(wǎng)里數以百萬(wàn)計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(lái)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，但區塊鏈的驗證和共識機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(guò)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在，這種現象可能會(huì )更頻發(fā)，區塊鏈可以驗證登錄到物聯(lián)網(wǎng)設備的人的身份，避免利用物聯(lián)網(wǎng)DDoS的攻擊。

　　小結

　　大數據、智能化、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與云計算，以及物聯(lián)網(wǎng)結合的“大智物移云”成為ICT(信息通信技術(shù))融合的創(chuàng )新平臺。人工智能、深度學(xué)習、區塊鏈，以及容器技術(shù)等新技術(shù)正在興起。5G代表了無(wú)線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展方向，Ka衛星開(kāi)辟了大通量衛星的發(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。

　　參考文獻：

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

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