余少華院士:網絡通信技術發展十大趨勢

作者:走向智能論壇 點擊量:125 發表時間:2018-09-10 14:04

近日,中國工程院院余少華院士在《中國電子報》撰稿,認為網絡通信技術的整體發展趨勢呈現出網絡、架構、連接、空間、軟件、數據、帶寬、虛擬、數字、微型十大特征。本文來自:中國電子報,經授權由《走向智能論壇》公號推薦閱讀。

網絡通信技術發展迅猛,余少華院士提出十大趨勢

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(配圖來自網絡)

中國工程院院士余少華是信息與通信網絡技術專家。長期從事光纖傳輸系統和通信網絡技術研究,是我國電信傳輸網SDH(同步數字體系)與互聯網(含以太網)兩網融合的開拓者之一,在國際上率先發明以太網與SDH網融合傳送的LAPS(鏈路接入規程-SDH)系統設備和城域網MSR(多業務環)系統設備,均實現產業化。他在SDH傳輸網的互聯網化、利用已覆蓋全球的SDH網解決互聯網的覆蓋與提速問題、城域分組環網傳送多種業務等國際熱點問題上作出了開拓性貢獻。余少華院士本次專門為《中國電子報》獨家撰稿,基于對產業多年觀察,深入剖析當前網絡通信技術整體發展趨勢。以下是文章全文:

當今世界正處于“網絡信息世界與自然世界和人類社會”深度融合的數字化、網絡化、智能化進程中,百年一遇,這是生產力又一次質的重大跨越,像人類歷史所經歷過的農耕文明和工業文明一樣影響深遠、意義重大,這一進程正深刻改變著世界的競爭格局、安全格局、經濟格局、社會格局、軍事格局和文化格局,由此帶來國家發展新機遇、百姓生活新空間、社會治理新領域、產業升級新動能和國際競爭新疆域。網絡通信技術的整體發展趨勢呈現出網絡、架構、連接、空間、軟件、數據、帶寬、虛擬、數字、微型十大特征。

趨勢一:網絡特征

網絡已逐漸成為隨時隨地的“場景”,成為一種普適的“存在”,

可以不改變其基本形狀向各個方向發展。

網絡是信息發送、接收、傳輸、交換的平臺,它把各個節點的信息流連通到一起,實現資源共享。網絡是本世紀的科技象征。從普通百姓看,網絡已逐漸成為隨時隨地的“場景”,像陽光、空氣、水和電一樣,成為一種普適的“存在”,可以不改變其基本形狀向各個方向發展。從技術發展上看,網絡通信先后經歷了模擬、數字、互聯網和移動互聯四個階段。其發展趨勢是3s-abc,即“3”指人-網-物三元千億級萬物互聯(連接整個世界,5G全覆蓋和千兆接入)以及與各行業各技術的系統性融合,“s”指軟件定義網絡、網絡功能虛擬化與開源(SDN/NFV/OpenSource),“a”指網絡的萬物互聯與技術融合以人工智能化方式實現,“b”是網絡的大數據化,“c”是指網絡的云化,大帶寬、廣覆蓋、高通量、微小型化、綠色節能成為基本特征,所有的服務以用戶為中心。這相當于在自然世界和人類社會之上疊加了一個神經層,其本質是深度信息化,具有超乎想象的信息感知、傳輸、存儲和處理能力,與傳統行業和區域結合,將催生出巨多的可能性。由此帶來國家發展新機遇、百姓生活新空間、社會治理新領域、產業升級新動能和國際競爭新疆域。這是人類有史以來生產方式的一次重大提升和轉變。未來,如果有一天網絡及通信系統全部癱瘓,會引發大批人類活動停擺,經濟損失慘重,那么這將會是幾年內難以忘懷的重大事故。

趨勢二:架構特征

未來幾年,P比特級光纖傳輸、E比特級交換、千兆以上接入將逐步成為現實,

互聯網仍將是主導體系架構。

這一特征將體現出5G網絡體系架構的四大轉變,即從復雜封閉體系向開放、開源的新型SDN/NFV云網一體化架構轉變,從行政管理體制及傳統組網思維向互聯網思維轉變,從被動適應網絡變化向主動快速靈活應對轉變,組成網絡架構各要素單元的來源從傳統買賣關系向建構產業鏈新生態系統轉變。以互聯網為例,其TCP/IP、無連接模式、IP層PDU格式、存儲轉發、路由機制等保持不變,完成軟件功能與硬件平臺分離并解耦;軟件功能云化并開源;從以辦公室為中心組網,轉向以云DC為中心組網;架構統一,集中管控提升效率,降低成本;由運營商定義業務轉向由用戶定義業務;從傳統供應商買賣關系轉向產業鏈生態系統建構。5G愿景除滿足面向人的通信需求“增強移動寬帶”外,還增加了面向物聯網“大規模機器通信(mMTC)”和“高可靠低時延通信(ULLC)”。這三大需求給未來5G移動網絡帶來巨大挑戰,例如,為滿足用戶體驗速率提升百倍和數據流量提升千倍的需求,需要極大提升無線接入網絡吞吐量、核心網傳輸鏈路容量,通過新型多載波、大規模天線、新型多址接入、高階編碼調制、全雙工等,提升無線傳輸技術的頻譜利用率。通過密集的小區部署提升空間復用率、提高頻譜利用率和增加頻譜帶寬可提升無線接入系統容量。5G還需滿足海量終端連接和各類業務的高可靠、低時延、低成本、低功耗等差異化需求。可以新建、更換、選擇、組合各個實體模塊虛擬化來架構一個靈活的、可擴展的、可軟件定義的開放系統滿足需求。包括無線通信在內的信息通信技術正與互聯網深度融合,架構正趨向統一。未來幾年,P比特級光纖傳輸、E比特級交換、千兆以上接入將逐步成為現實,互聯網仍將是主導體系架構,其影響最大、覆蓋最廣、用戶最多的全球地位不會改變。

趨勢三:連接特征

新的層級結構會孕育出嶄新的事物,涌現出低層級中不可能出現的結果。

梅特卡夫定律說:網絡的價值與網絡連接節點數的平方成正比,節點數越多,價值越高。盡管計算機推動全球進入高效運行,但1億臺相互連接的PC或手機所產生的價值和影響力要遠遠超過一臺價值過億元的超級計算機,而且連接的影響是顛覆性的,會改變很多傳統的商業模式。計算機的未來主要不在計算而在于連接。連接這一特征體現出傳感感知,有線互連、無線互連,光纖互連,可見光互連、紅外互連、太赫茲互連,水下互連,海洋互連,人與人、人與物、物與物互連,從消費領域互連向工業領域互連推進,新型連接不斷涌現,向所有行業和區域延伸,體現出大帶寬、廣覆蓋、高通量、綠色節能等特征。連接可以不斷地突破距離限制、時間限制,突破聽力制約、視力制約、能力制約、知識制約、腦力制約,等等,所有能產生價值的東西,無論大小,都會在多個層面上接入到龐大的網絡中。新的層級結構會孕育出嶄新的事物,涌現出低層級中不可能出現的結果。以我國網絡零售額為例,2017年達7.2萬億元,同比增長32%;移動支付交易額約200萬億元,居世界首位。到2017年6月,我國檢測到的移動應用是421萬款(引自工信部的數據),這些主要是連接的貢獻。缺少了這個龐大的網絡,就沒有活力、沒有智能、沒有進化。連接一切,把事物從未知變為已知、把無價值的變為有價值、把看似無關的事物關聯起來可以變為一個有機整體,可以把很多不可能變為可能,還會出現更多新的東西。連接可以不斷地產生新需求、新概念、新模式。把過百至上千億的東西聯在一起,形成覆蓋全球的龐然大物,無處不在,勢不可當,是地球上迄今為止涌現出的最壯觀的事物。未來它會一直保持,持續升級,不斷進化,可能將遠遠超過人類的智慧。

趨勢四:空間特征

下一步,網絡通信將從消費領域向工業領域推進,部署工業互聯網和IPv6。

這一特征體現出網絡通信可以突破空間限制,位置限制,微觀世界、生物環境的限制,可以突破高溫低溫環境的限制、高壓低壓的限制、海底和地球內部的限制,以及其他人類不適合生存的環境的限制。目前,網絡已覆蓋超過5億平方公里的土地,上百億臺的機器,70億人的手機,以比人類快得多的速度運行。下一步,網絡通信將從消費領域向工業領域推進,部署工業互聯網和IPv6。連接工廠全系統、全產業鏈,成為支撐工業系統智能化發展的關鍵基礎設施。在現有互聯網上擴展、演化和升級而逐步形成,而其范圍、功能、復雜性又可能遠超過現在的網絡,時延更低、可靠性更強、安全性更高,重塑傳統制造業,將深刻改變傳統制造業的制造流程、制造理念、制造生態和制造工具,推動傳統制造業轉型升級,逐步進入智能制造新空間、新領域。再下一步,體現出網絡互聯從目前地面上的平面二維互聯向陸海空三維互聯、微觀世界互聯及外太空和星際互聯不斷延伸。連接會延伸到地球的所有物理維度,逐漸地,連接可能會從“人類社會”“物理世界”和“信息世界”,延伸到“數據世界”“生物世界(如大腦、細胞等)”“材料世界”“能源世界”“化學世界”等所有人類希望產生價值并造福人類的空間場所。更遠的未來,有可能可以突破太陽系、銀河系和宇宙的限制。

趨勢五:軟件特征

通信系統軟件最誘人的地方是可不斷增加系統的靈活性、不斷增加系統的功能。

2017年年末,互聯網已經覆蓋超過了220個國家和地區,全球網民超過35.5億(連接數量),移動電話用戶約76億,移動寬帶用戶41.9億,固定電話用戶9.57億,固定寬帶用戶9.7億(引自ITU數據)。這其中大量使用軟件,網絡可冗余、可升級、可進化。通信系統軟件最誘人的地方是可不斷增加系統的靈活性、不斷增加系統的功能,具有可擴展性、按需使用的及時性、可重用性、可重構性,目標是軟件定義一切,把靈活性發揮到極致。不過,代價也很明顯,網絡通信系統設備中所用的大型軟件可能是人類目前所能制造的最復雜的事物之一了,代碼數量的大和小、多和少能帶來本質差異,形成大型軟件復雜性墻。嵌入式操作系統和大型通信設備的軟件已遠超過1000萬行代碼。巨量代碼和少數程序的行為存在重大差異,這些大型復雜通信軟件具有內在的不穩定性,不太可能用插值函數判斷系統的行為。對于一個具有海量可能性的軟件系統,你很難對所有的可能性進行測試,因為它是不連續系統。其中的可擴展性、高可用性、服務質量控制和可信性等都是難點。

趨勢六:數據特征

網絡中從關注因果關系,轉向更多地關注數據相關性、時效性和個性化。

網絡與數據密不可分,缺一不可,數據及其服務是國家戰略和經濟的基礎設施。有統計稱,人類在計算機商品化之前的整個歷史過程中已積累了12EB數據,到2006年達到180EB,在2006—2011年間已超過1600EB,這一數字每3年就會翻4倍,2015年就已達到8ZB(引自《第四次工業革命》),2017年年底突破16ZB。這些體現出近幾年網絡中呈現的大數據(指那些一般軟件工具難以捕獲、存儲、管理和分析的數據,有人把數據比作新的石油),5V特征引發傳統網絡信息技術的新挑戰:海量性(Volume)、時效性(Velocity)、價值密度低(Value)、多樣性(Variety)、真實性(Veracity)。網絡中從關注因果關系,轉向更多地關注數據相關性、時效性和個性化。

目前看,大數據殺手級處理手段還未出現,國內某經濟大省2018年6月一個月的數據流量達6.9萬T,每月增長160%~200%,如何承載和處理,我們還無技術對策。大約再過20年,全球數據量將可能達到堯字節,這是目前已知的最大數量級術語,更大數量級至今還未定義。問題是,今天幾乎所有的數據信息都是按照人類能理解的習慣編排的,可我們能力已達到極限了,需要把數據信息按機器或人工智能能夠理解的方式進行編排,一旦這些數據信息能被機器知化,將會有顛覆性創新和新奇的事物呈現在我們面前。IBM前CEO認為:計算模式大約每15年發生一次變革,1965年是大型機,1980年是PC,1995年是互聯網,2010年是移動互聯網(實際上,后兩項都是網絡通信技術)。如果是這樣,2025年是什么,2040年又是什么,急需發明嶄新的技術方法或范式。

趨勢七:帶寬特征

連接帶寬還將繼續呈指數型增長,呈現高帶寬、大容量、長距離特征。

按照庫伯定律,在給定無線頻譜中傳送的信息量每兩年半就翻一番。再比如,互聯網上每秒比特的傳送量每16個月就翻一番。IDC公司的研究報告認為,全球每18個月數據量翻一番,處理能力和存儲能力落后于信息流量的增長幅度,成為新的瓶頸。2017年,中國信息消費規模已達到4.5萬億元,占最終消費支出約10%。預計2020年,將達到6萬億元,年均增長將超過11%。

再以光纖通信為例,中國第一個光纖通信系統工程是1982年連接武漢三鎮的8Mb/s工程,到2017年單波商用系統已達到100Gb/s,增長1.25萬倍。如果算上波分復用,商用系統至少已達到100×100Gb/s,35年增長125萬倍。一般認為,骨干網光纖傳輸帶寬每9~12個月翻一番。無線移動也類似,通信速率不斷提高,從傳統的2G通信到近年來的4G通信,傳輸速率提升幾千倍,目前4G-LTE商用系統空口速率按照1000Mb/s計算,與30年前“大哥大”手機相比,速率增長約10萬倍。2015年,全球移動數據比15年前增加了4億倍。連接帶寬將呈Gbps→Tbps→Pbps→Ebps→Zbps的發展趨勢,連接帶寬還將繼續呈指數型增長,呈現高帶寬、大容量、長距離特征。追求更高帶寬是人類信息發展的基礎目標。

趨勢八:虛擬特征

網絡 (虛擬) 空間已成為繼陸、海、空、天之后人類第五疆域和戰略空間。

網絡虛擬特征主要指Cyberspace,無質、無實體、無界。據統計,每年全球因網絡安全問題(惡意攻擊、病毒等)造成的損失超過千億元,不斷警醒我們捍衛國家主權和安全、維護人身安全和社會穩定的重要性。網絡無孔不入、以空前的速度在全球各個領域擴散,其重要性與戰略性與日俱增,Cyberspace已成為各國競爭博弈的新領域、新空間,已延伸并內嵌到意識形態、國家安全、社會穩定和經濟發展各方面,網絡(虛擬)空間已成為繼陸、海、空、天之后人類第五疆域和戰略空間,制網權與制海權、制空權、制天權同等重要,網絡空間已成為各國爭奪的焦點。互聯網既是國家戰略資源的倍增器,同時也是國家戰略的命門和死穴。另一方面,網絡空間不斷與實體經濟融合,自然界和人類社會的很多重要功能,比如購物、微信、遠程教育、醫療、辦公等將不斷向虛擬空間轉移,實現非物質化或減物質化,這既是發展趨勢,也是競爭的需要。Cyberspace資源越用越豐富、“地盤”越開發越大。網絡空間的核心技術,如高端核心芯片、操作系統軟件、關鍵工藝裝備、虛擬現實等,已成為國之重器,是掌握網絡空間主導權、控制權和話語權的基礎。

趨勢九:數字特征

互聯網從消費領域進入工業領域,意義重大,其中最基礎的還是數字化。

網絡化與數字化互為依存,數字化是基礎。數字信號的傳送穩定性好、可靠性高,采樣定理為數字化奠定了基礎。數字化是現代計算機的基礎,如果沒有數字化,就沒有今天的計算機,今天計算機的運算和功能都是通過數字計算完成的。數字化是多媒體技術的基礎,至少包括數字、文字、圖像、語音、視頻等。數字化是軟件的基礎,是人工智能的基礎,至少包括系統軟件、工具軟件、應用軟件等,數字濾波、編碼、解碼、壓縮解壓等都是通過數字化完成的。人們認為信息社會的經濟是數字經濟,這說明數字化對經濟的影響有多么重大。近幾年,生產資料中首次出現非物質成分——數據,這是一個重大變化。2017年,我國數字經濟規模達27.2萬億元,占GDP的比重為32.9%,位居世界第二(引自工信部數據)。工業互聯網、工業4.0、智能制造中最基礎的環節也是數字化。互聯網從消費領域進入工業領域,意義重大,其中最基礎的還是數字化。主要由模擬量刻畫的物理世界將會逐步完成數字化,這是自然世界和人類社會與網絡化并駕齊驅的一次重大轉型,通過模數和數模轉換打通數字和模擬兩個世界。

趨勢十:微型特征

晶體管微小型化的平面布局正逼近物理與工藝極限,摩爾定律的趨勢也將放緩。

“微電子學”也叫“微小型化電子學”,是50年前發展起來的一門高度活躍、富有生命力的學科,是網絡通信技術的核心技術之一。它涉及半導體物理、半導體材料物理、半導體器件、工藝裝備、集成電路、電磁場與微波技術、納米技術、量子力學、信號處理、熱力學和制造工藝的基礎理論和實驗技術等。高集成度、低功耗、高性能、高可靠性也是網絡通信技術的發展方向之一。受摩爾定律的影響,網絡通信的各類元器件普遍朝著微小型化方向發展,功能不斷增加、能耗不斷降低、重量不斷減輕、尺寸不斷縮小、價格不斷降低。以計算機存儲為例,一兆字節存儲量,1955年價格為6000美元,1993年為1美元,2010年為1美分,現在大約是0.01美分,今后還會繼續降低。過去50年摩爾定律一直推動著集成電路產業的持續發展,現階段看,晶體管微小型化的平面布局正逼近物理與工藝極限,摩爾定律的趨勢也將放緩或變軌,急需新的方法和手段實現突破。

聲  明

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