鄔賀銓院士談 ICT的演進與創新　

　　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一根終端，目前已經做到天線陣列、智能天線等可以波束賦形，已經有64根天線商用了，128根的已經在4G里得到應用，有的企業還做到256根天線。所以，大規模的天線是支撐5G，使5G的容量大幅度提升的最主要的技術。

　　全雙工

　　過去我們的雙工有時分雙工、頻分雙工，現在要全雙工，即同頻同時。同頻同時的一個大問題是自干擾(自己會串擾到自己這里來)，解決的辦法是在發送端通過調整時延和衰減來抵消掉串擾。這是在模擬口的，也可以落到數字口來抵消這個干擾。如果能夠把同頻、同時，全雙工的干擾抵消，容量就可以提高1倍。

　　超密集組網

　　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，這樣就可以解決蜂窩邊緣體驗不好的問題。但是此時各個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試下來，通過大數據分析讓它們產生抵消。這樣一來，理論上只要把干擾都抵消干凈，移動通信的容量就是無限大的了(注：當然實際上不可能做到這么完美)，通常容量能夠提高2個量級。

　　因此，我們通過高密集的組網、分布式的多天線等進行聯合的數據發送，可以將其他基站的干擾變成有用信號，提升單用戶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、業務、頻譜、網絡上面，TDD都顯示出優點，天線上的上下行的信道是一個頻率。

　　另外，在業務上，TDD可以做到上下行的不對稱分配，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。當然，要利用這些優勢需要有一些技術來支撐。

　　原來在4G的時候，TDD上下行是分在兩個子幀里的，現在為了減少時延，必須把它安排在一個子幀里，即自包含的子幀里，這樣就可以做到低時延。

　　5G要低頻譜接入

　　MWC2015(世界無線電大會)通過了一個頻率是1.4~1.5GHz的方案，其它的還沒有定，留在2019年定。2016年7月，FCC(美國聯邦通訊委員會)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，也拿出來給移動通信用。高頻段，有24~28GHz，31~33GHz，40~43GHz。總之，5G已經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的頻率面臨著很大的挑戰。

　　衛星

　　除了5G以外，現在需要在衛星上應用。過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3.6萬公里，基本上是不可能用手機來接收的，可是最近發展了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：天線可以做到很小，而增益做得比較大。衛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好處，發射Ka衛星和C頻段的衛星的發射成本是一樣的，但是Ka的容量大，平均到每兆的發射成本大大下降。一般地，需要用到多波束技術和雙共振技術，用點波束式對應地面上的需要，這也是信息技術的一個很好的應用。

網絡技術的新進展

　　光通信的技術容量擴展，我們通過時分復用，在一個波長上可以支持到400G，但是同樣把波分時復用利用起來，我們還可以利用定焦X偏振和Y偏振，同時利用到多載波。所以，光通信可以通過多種技術實現，過去我們用的是單模光纖，現在我們用少模光纖(里面不止一個模)，模與模之間會有干擾。當然通過現在的DSP技術可以抵消掉這類干擾。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，可以通過提高單波長比特率、增加波長數、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

　　中國的光纖光纜發展很快，我們現在生產了全世界一半的光纖光纜，中國市場也消耗了全世界一半的光纖和光纜。光纖價格下降很快。中國的光纖寬帶滲透率達到80%，同期OECD(經濟合作與發展組織)不到20%。所以，美國干脆就不搞光纖入戶了，現在準備拿5G來代替光纖，作為固定寬帶無線接入。

　　另外，我們現在大量應用云，在傳輸網上接入有接入的云，邊緣有彈性的城域網的邊緣云，核心網有中心云。我們移動通信，接入有接入的云、轉發有轉發的云、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以后，把基帶信號通過光纖傳送網送到后臺。現在，我們把所有基帶處理都集中起來，每個基站只負責射頻，從而將光纖傳送網改成內部射頻的光纖傳送網，實現一個集中的無線接入網，這是一個合作的無線接入網。也是一個綠色的無線接入網，所以，云會大量在通信網上使用。

　　云計算

　　除了云計算，現在還有邊緣技術。因為不是什么都送到云才最好，如果VR和AR(虛擬現實和增強現實)等所有視頻都要送到云，這一方面加大了核心網寬帶的壓力，另一方面，送到云端增加了路徑的延時。特別是車聯網要通過高速反應，這時不能允許高延時。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。 當然還可以再放低，還可以放到靠近基站的地方，鄔賀銓院士稱之為霾計算，它比霧還要更靠近地面(注：當然現在沒有人用這個詞)。

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

　　路由器的SDN

　　傳統的路由器，轉發面和控制面是一起的，每個路由器只根據IP地址實現最短路徑優先，找到相鄰的路由器，而不考慮全網優化。

　　在大數據時代，這樣做是不經濟的。所以現在提出來SDN(軟件定義網絡)，把控制面功能集合起來變成網絡操作系統，把應用提出來集成應用，通過網絡操作系統來實現全網的路由控制，來實現面向連接的一些應用，以適應大數據時代的不規則性。SDN控制面獨立出來進行管理。

　　網絡功能的虛擬化

　　傳統的路由器有專用的硬件、操作系統、中間件和應用。交換機也有專用的硬件和操作系統應用。網關也是如此。現在我們發現可以把硬件統一，例如用X86的硬件來實現通用的處理器。通過虛擬化，上層軟件根據交換機、路由器，甚至網關的不同而不同，從而實現了網絡功能的虛擬化，以及控制與承載的徹底分離，控制面的可編程。用戶層只專注于數據轉發，能適應大數據時代流量的時空動態性。

　　窄帶物聯網

　　物聯網從2008年提出到現在已經有八九年了，應用卻仍不如人意。物聯網里的攝像頭需要的帶寬達10兆以上的約占市場10%的份額(如圖2

　　)，可以用光纖來傳。當然，大量的物聯網，就像金字塔一樣，60%的物聯網都是低速率的(100kB左右，甚至更低)。用普通的光纖不經濟，用3G、4G也不經濟，用藍牙等不是很可靠。所以，連到運營商的終端物聯網只有6%。

　　2016年在韓國釜山，通過了一個新的窄帶物聯網(NB-IoT)標準，它占用GSM的一個載波200kB，通過OFDN(正交頻分復用)的辦法產生出很多個子載波。當然，這個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網應用足夠了。

　　窄帶物聯網有4大特點：1.廣覆蓋，因為它低功耗、比較簡單;2.網絡增益能高20dB，能覆蓋到現在移動通信不能滲透到的地下車庫等，比移動通信的覆蓋面積擴大100倍;3.大連接，一個扇區能支持10萬個連接，比通常的移動通信扇區的能力高50~100倍;4.低功耗，理論上，一個電池可以用十年(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，窄帶物聯網避免了物聯網的碎片化，可以用在智慧城市、智慧工廠、能源監控、物流管理、環境監測、安全監管等領域，為物聯網的應用打開了一個空間。

　　區塊鏈

　　前文談到區塊鏈。實際上，區塊鏈不僅僅應用在金融上，也可以應用在物聯網上。例如，物聯網有很多個業主，不同業主之間的網絡是很難互通的，例如智慧城市，有公安局、城市交通委布的攝像頭，兩個是不同的業主，不一定能互通，它們處于不同的信用域上。通過區塊鏈的數據加密技術和P2P的互聯網技術，能解決信任問題，保證數據和支付的安全，并且還可以收費。

　　一般地，物聯網里數以百萬計的參與者不都是值得信任的。例如，物聯網都是自組網，那么多傳感器撒在野外，別人加一個傳感器進來你都不一定知道。所以，有時候物聯網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(麻省理工學院)的2017年十大突破性技術就提到了一個僵尸物聯網。2016年10月，美國東海岸曾經發生過整體互聯網癱瘓，其中一個原因是它的攝像頭被木馬控制了，產生了DDoS(分布式拒絕服務)攻擊。現在，這種現象可能會更頻發，區塊鏈可以驗證登錄到物聯網設備的人的身份，避免利用物聯網DDoS的攻擊。

　　小結

　　大數據、智能化、移動互聯網與云計算，以及物聯網結合的“大智物移云”成為ICT(信息通信技術)融合的創新平臺。人工智能、深度學習、區塊鏈，以及容器技術等新技術正在興起。5G代表了無線技術的發展方向，Ka衛星開辟了大通量衛星的發展前景。通信網絡的IT化、云化以及軟件定義已經成為演進趨勢。

　　參考文獻：

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

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

　　[3]粟欣,龔金金,曾捷.面向5G網絡切片無線資源分配.電子產品世界,2017(2-3):30-32.

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