邬贺铨院士谈 ICT的演进与创新　

　　多输出多输入(MIMO)天线

　　我们用空分的办法，用波束赋形一根天线可以对一根终端，目前已经做到天线阵列、智能天线等可以波束赋形，已经有64根天线商用了，128根的已经在4G里得到应用，有的企业还做到256根天线。所以，大规模的天线是支撑5G，使5G的容量大幅度提升的最主要的技术。

　　全双工

　　过去我们的双工有时分双工、频分双工，现在要全双工，即同频同时。同频同时的一个大问题是自干扰(自己会串扰到自己这里来)，解决的办法是在发送端通过调整时延和衰减来抵消掉串扰。这是在模拟口的，也可以落到数字口来抵消这个干扰。如果能够把同频、同时，全双工的干扰抵消，容量就可以提高1倍。

　　超密集组网

　　我们现在是靠加大蜂窝的密度，但是往往在蜂窝中心的用户体验比较好。在蜂窝边缘的体验不好。所以我们希望使用分布式的天线，这样就可以解决蜂窝边缘体验不好的问题。但是此时各个天线之间带来了很多的干扰。怎么办?把所有的天然干扰都测试下来，通过大数据分析让它们产生抵消。这样一来，理论上只要把干扰都抵消干净，移动通信的容量就是无限大的了(注：当然实际上不可能做到这么完美)，通常容量能够提高2个量级。

　　因此，我们通过高密集的组网、分布式的多天线等进行联合的数据发送，可以将其他基站的干扰变成有用信号，提升单用户的吞吐率和系统的频谱效率。

　　TDD是5G的主要模式

　　另外，5G需要用到很多带宽，这么高的峰值，带宽频谱需要很宽，工作频率要到6GHz和70GHz，这么高的频段是很难找到成对的频率的，因此，TDD是5G的主要模式。我们可以看到在天线、业务、频谱、网络上面，TDD都显示出优点，天线上的上下行的信道是一个频率。

　　另外，在业务上，TDD可以做到上下行的不对称分配，可以比较灵活地适应需要。频谱上容易安排双工。既然是TDD，它可以适应碎片化的频率，可以灵活组网。当然，要利用这些优势需要有一些技术来支撑。

　　原来在4G的时候，TDD上下行是分在两个子帧里的，现在为了减少时延，必须把它安排在一个子帧里，即自包含的子帧里，这样就可以做到低时延。

　　5G要低频谱接入

　　MWC2015(世界无线电大会)通过了一个频率是1.4~1.5GHz的方案，其它的还没有定，留在2019年定。2016年7月，FCC(美国联邦通讯委员会)批准了5G的频率，工作在28GHz、37GHz、39GHz，以及64GHz到71GHz频段。2016年11月，欧盟发布了5G频率，低频段是3.4~3.8GHz，还有广播及现在电视用的牌照，也拿出来给移动通信用。高频段，有24~28GHz，31~33GHz，40~43GHz。总之，5G已经扩展到毫米波频段了。

　　目前，中国只安排了3.4~3.6GHz(还是很窄的，只有200M)。所以，中国的5G的频率面临着很大的挑战。

　　卫星

　　除了5G以外，现在需要在卫星上应用。过去的高空同步轨道的卫星数量比较少(3颗就够了，加上备份也就4颗)，低轨卫星需要数量比较多(几百颗)。同步轨道的卫星离地面3.6万公里，基本上是不可能用手机来接收的，可是最近发展了Ka频段的卫星，工作频段是26~40GHz，比现在常规用的C频段和Ka、Ku频段都要高。频率高的好处是：天线可以做到很小，而增益做得比较大。卫星上的天线增益大了，地面接收的天线就可以做小。因此，地面上可以用手持终端接收，而且Ka频段本身容量大(是C频段Ku卫星的几十倍)，这样地面终端也可以做到宽带化、做到播放视频。

　　如此大的容量还带来另外一个好处，发射Ka卫星和C频段的卫星的发射成本是一样的，但是Ka的容量大，平均到每兆的发射成本大大下降。一般地，需要用到多波束技术和双共振技术，用点波束式对应地面上的需要，这也是信息技术的一个很好的应用。

网络技术的新进展

　　光通信的技术容量扩展，我们通过时分复用，在一个波长上可以支持到400G，但是同样把波分时复用利用起来，我们还可以利用定焦X偏振和Y偏振，同时利用到多载波。所以，光通信可以通过多种技术实现，过去我们用的是单模光纤，现在我们用少模光纤(里面不止一个模)，模与模之间会有干扰。当然通过现在的DSP技术可以抵消掉这类干扰。所以，一根光纤可以当多根使用，相当于容量翻了好几倍。

　　因此，可以通过提高单波长比特率、增加波长数、增加调制的多电频数、增加芯数和模式。所以，光通信在最近20年增长了1万倍，目前的最高记录是单波长400G，单纤100T。

　　光纤光缆

　　中国的光纤光缆发展很快，我们现在生产了全世界一半的光纤光缆，中国市场也消耗了全世界一半的光纤和光缆。光纤价格下降很快。中国的光纤宽带渗透率达到80%，同期OECD(经济合作与发展组织)不到20%。所以，美国干脆就不搞光纤入户了，现在准备拿5G来代替光纤，作为固定宽带无线接入。

　　另外，我们现在大量应用云，在传输网上接入有接入的云，边缘有弹性的城域网的边缘云，核心网有中心云。我们移动通信，接入有接入的云、转发有转发的云、控制平面有控制平面的云。例如，过去我们很多基站都要通过基站解调以后，把基带信号通过光纤传送网送到后台。现在，我们把所有基带处理都集中起来，每个基站只负责射频，从而将光纤传送网改成内部射频的光纤传送网，实现一个集中的无线接入网，这是一个合作的无线接入网。也是一个绿色的无线接入网，所以，云会大量在通信网上使用。

　　云计算

　　除了云计算，现在还有边缘技术。因为不是什么都送到云才最好，如果VR和AR(虚拟现实和增强现实)等所有视频都要送到云，这一方面加大了核心网宽带的压力，另一方面，送到云端增加了路径的延时。特别是车联网要通过高速反应，这时不能允许高延时。所以，现在提出有些计算是放到云上，有些计算是放到雾上(注：IBM叫雾计算)，因为雾比云要矮一点。 当然还可以再放低，还可以放到靠近基站的地方，邬贺铨院士称之为霾计算，它比雾还要更靠近地面(注：当然现在没有人用这个词)。

　　因此，云计算、雾计算和霾计算，可以根据不同的应用领域来使用(注：这是一些定义)。

　　路由器的SDN

　　传统的路由器，转发面和控制面是一起的，每个路由器只根据IP地址实现最短路径优先，找到相邻的路由器，而不考虑全网优化。

　　在大数据时代，这样做是不经济的。所以现在提出来SDN(软件定义网络)，把控制面功能集合起来变成网络操作系统，把应用提出来集成应用，通过网络操作系统来实现全网的路由控制，来实现面向连接的一些应用，以适应大数据时代的不规则性。SDN控制面独立出来进行管理。

　　网络功能的虚拟化

　　传统的路由器有专用的硬件、操作系统、中间件和应用。交换机也有专用的硬件和操作系统应用。网关也是如此。现在我们发现可以把硬件统一，例如用X86的硬件来实现通用的处理器。通过虚拟化，上层软件根据交换机、路由器，甚至网关的不同而不同，从而实现了网络功能的虚拟化，以及控制与承载的彻底分离，控制面的可编程。用户层只专注于数据转发，能适应大数据时代流量的时空动态性。

　　窄带物联网

　　物联网从2008年提出到现在已经有八九年了，应用却仍不如人意。物联网里的摄像头需要的带宽达10兆以上的约占市场10%的份额(如图2

　　)，可以用光纤来传。当然，大量的物联网，就像金字塔一样，60%的物联网都是低速率的(100kB左右，甚至更低)。用普通的光纤不经济，用3G、4G也不经济，用蓝牙等不是很可靠。所以，连到运营商的终端物联网只有6%。

　　2016年在韩国釜山，通过了一个新的窄带物联网(NB-IoT)标准，它占用GSM的一个载波200kB，通过OFDN(正交频分复用)的办法产生出很多个子载波。当然，这个子载波可以做到根据你的需要用20kB或者250kB的传输能力，基本上对于大量的物联网应用足够了。

　　窄带物联网有4大特点：1.广覆盖，因为它低功耗、比较简单;2.网络增益能高20dB，能覆盖到现在移动通信不能渗透到的地下车库等，比移动通信的覆盖面积扩大100倍;3.大连接，一个扇区能支持10万个连接，比通常的移动通信扇区的能力高50~100倍;4.低功耗，理论上，一个电池可以用十年(注：电池的使用寿命一般到不了十年);5.低成本，设计目标是1美元。

　　因此，窄带物联网避免了物联网的碎片化，可以用在智慧城市、智慧工厂、能源监控、物流管理、环境监测、安全监管等领域，为物联网的应用打开了一个空间。

　　区块链

　　前文谈到区块链。实际上，区块链不仅仅应用在金融上，也可以应用在物联网上。例如，物联网有很多个业主，不同业主之间的网络是很难互通的，例如智慧城市，有公安局、城市交通委布的摄像头，两个是不同的业主，不一定能互通，它们处于不同的信用域上。通过区块链的数据加密技术和P2P的互联网技术，能解决信任问题，保证数据和支付的安全，并且还可以收费。

　　一般地，物联网里数以百万计的参与者不都是值得信任的。例如，物联网都是自组网，那么多传感器撒在野外，别人加一个传感器进来你都不一定知道。所以，有时候物联网的终端可能是恶意的，但区块链的验证和共识机制有助于隐私和安全。

　　美国MIT(麻省理工学院)的2017年十大突破性技术就提到了一个僵尸物联网。2016年10月，美国东海岸曾经发生过整体互联网瘫痪，其中一个原因是它的摄像头被木马控制了，产生了DDoS(分布式拒绝服务)攻击。现在，这种现象可能会更频发，区块链可以验证登录到物联网设备的人的身份，避免利用物联网DDoS的攻击。

　　小结

　　大数据、智能化、移动互联网与云计算，以及物联网结合的“大智物移云”成为ICT(信息通信技术)融合的创新平台。人工智能、深度学习、区块链，以及容器技术等新技术正在兴起。5G代表了无线技术的发展方向，Ka卫星开辟了大通量卫星的发展前景。通信网络的IT化、云化以及软件定义已经成为演进趋势。

　　参考文献：

　　[1]王莹.人工智能的进展及发展建议.电子产品世界,2017(2-3):23-26.

　　[2]王志勤,余泉,潘振岗,等.5G架构、技术与发展方式探析.电子产品世界,2016(1):14-17.

　　[3]粟欣,龚金金,曾捷.面向5G网络切片无线资源分配.电子产品世界,2017(2-3):30-32.

　　本文来源于《电子产品世界》2017年第5期第7页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。