科普讲座：通信新技术汇总

科普讲座 通信新技术汇总 一 固定通信网络 一 SDN Software Defined Network 一种新型网络创新架构 是网络虚拟化的一种实现方式 其核心技术 OpenFlow 通过将网络设备控制面与数据面分离 开来 从而实现了网络流量的灵活控制 使网络作为管道 变得更加智能 SDN 本身就是一种创新网络架构不是一种 具体技术和协议 而是一种新架构 特征 控制 处理分离 软硬分离 网元虚拟化 网络可编 程 代表技术 SDN NFV Open Stack 优点 集中控制 集在络资源全局视图 全局调配和优化 网络设 备集中运维和管控 开放编程接口 应用与网络无缝集成 用户可编程 加快新 业务上线 网络虚拟化 屏蔽底层差异 实现网络对应用的透明化 逻 辑网可随业务需要配置 迁移 并支持多租户共享和按需 定制 二 光通信 1 硅光子 由于光和电采用分立方式 光子与电子技术遵循各自的发 展路线 目前光通信系统在功耗 成本 集成度方面遇到 提升瓶颈 硅光子技术利用 CMOS 微电子工艺实现光子器 件的集成制备 该技术结合了 CMOS 技术的超大规模逻辑 超高精度制造的特性和光子技术超高速率 超低功耗的优 势 是一种能够解决长技术演进与成本矛盾的颠覆性技术 目前多项硅光子关键技术已被相继突破 预计在三年内将 开始商用 2 100G 100G 光传输难以满足未来视频 云计算 大数据 物联网 等新兴业务对网络带宽的需求 现网平滑升级超 100G 光收 发单元可成倍提升系统容量 具有较高性价比和可行性 超 100G 将继承并发扬 100G 光传输设计思想 在保持传输 距离不变的同时提升光纤频谱资源的利用率和频谱效率 引入先进的调制编码和光电集成技术进一步降低单位比特 成本 目前业界积极开展现网实验 推进超 100G 商用进程 预计会在数据中心互联率先展开应用 3 多维复用和相干技术 互联网新应用层出不穷 需要更大带宽支撑井喷式增长的 数据需求 政企大客户 高端社区用户将需要独享波长入 户 以及部分场景下会有长距离高带宽低时延接入需求 光通信技术中的复用维度包括时分 波分 频分 码分 模分等 目前 40G PON 是采用了时分和波分两维复用 这 也是 100G PON 的可行方式之一 业界将探索上述更多维 度的组合 为用户提供更大的带宽 此外 在接收端采用 相干接收方式 可在一根光纤承载超过 1000 个波长 每波 长 1G 10G 无源传输距离达到 100km 实现 T 比特接入 为用户提供更大带宽 更低时延的接入服务 为运营商提 供高效和低运维成本的网络 40G TWDM PON 将在五年 内启动商用之旅 更多维复用和相干技术也是研究热点 4 IP 与光网络深度融合 当前通信网络采用多层多域网络承载业务 设备种类繁多 海量数据的分组处理能力呈指数级别提高 同时对超大容 量路由运算能力提出越来越高的要求 导致机房空间紧张 能耗高 效率低 IP 与光网络的融合是解决问题的有效方 式之一 IP 与光网络融合可以通过统一交换内核技术来实现 具有 分组 ODUk VC 集中交换功能 从而减少网络层次 节省网 络投资 降低维护成本 实现网络节点集约化 通过提高 单槽位线卡转发能力和采用多框集群技术 可以大幅提升 单节点转发能力 通过多核处理器 分布式软件架构 模 块化管理等技术 可实现千万级别路由表管理 涵盖骨干 汇聚和接入网络的 IP 与光融合 具有千万级别路由表项的 超大容量路由器 提供全网端到端解决方案 运营商已经 展开了试点 5 基于 CDC F 特性光交叉构建下一代光网络 当前随着 100G 技术的规模部署 超 100G 技术的蓬勃发展 WDM OTN 系统的传输容量提升较快 光层的灵活调度和 高效处理成为了光网络节点的一个重要需求 随着 WSS 光 模块集成度的进一步提升 采用 WSS 光模块构建的具备 CDC F Colorless Directionless Contentionless FlexGrid 特 性的光交叉组网技术在超大网络节点应用时 因同时拥有 超大交换容量 波长及业务灵活调度 低功耗 低时延等 关键特性 易于构建灵活 高效的光网络 具备 CDC F 特 性的光交叉技术越来越受到全球运营商的重视 目前已有 运营商率先部署 预计近期将会展开更大范围的试点和商 用 6 中短距离城域高速传输直调直检技术 伴随着大数据和云技术的蓬勃发展 短到芯片片上和片间 长到机柜间和数据中心间的大规模数据交换处理 都渴望 高速 稳定 可靠的互联 常规电缆连接将无法应对 目 前看来 芯片间和板间的解决方案可以利用硅基光电集成 来有效实现光互联 机房间互联 机架间互联 机框间互 联 机盘间互联可以利用光电转换和光传输技术取代传统 的电缆 主要解决方案包括硅基的光电集成 高速 VCSEL 和直调 DFB 等 其中硅基光电集成方案具有 CMOS 工艺兼 容 集成度高 成本低的优势 未来几年 光互联技术将 在芯片内部 芯片间 板间 机柜间 机房间普及应用 7 绿色通信 光通信技术 随着人们信息消费的不断增加 需要光通信提供的带宽越 来越大 消耗的能源越来越多 在能源日趋紧张的今天 如何实现绿色通信成为业界努力的主要方向之一 为了实 现绿色通信 一些新的技术正在或将逐渐被采用 如新能 源 高集成度芯片 高效率电源模块 智能风扇 液体制 冷 智能流量聚合 硬件休眠 新型材料等技术 通过上述技术的逐步引入和持续优化 光通信设备的每比 特能耗将逐渐降低 与环境更为和谐 二 移动通信网络 一 5G 1 5G 演进 5G 将渗透到未来社会的各个领域 以用户为中心构建全方 位的信息生态系统 5G 将使信息突破时空限制 提供极佳 的交互体验 为用户带来身临其境的信息盛宴 5G 将拉近 万物的距离 通过无缝融合的方式 便捷地实现人与万物 的智能互联 5G 将为用户提供光纤般的接入速率 零 时延的使用体验 千亿设备的连接能力 超高流量密度 超高连接数密度和超高移动性等多场景的一致服务 业务 及用户感知的智能优化 同时将为网络带来超百倍的能效 提升和超百倍的比特成本降低 最终实现 信息随心至 万物触手及 的总体愿景 5G 需要具备比 4G 更高的性能 支持 0 1 1Gbps 的用户体 验速率 每平方公里一百万的连接数密度 毫秒级的端到 端时延 每平方公里数十 Tbps 的流量密度 每小时 500Km 以上的移动性和数十 Gbps 的峰值速率 其中 用户体验速 率 连接数密度和时延为 5G 最基本的三个性能指标 同时 5G 还需要大幅提高网络部署和运营的效率 相比 4G 频谱 效率提升 5 15 倍 能效和成本效率提升百倍以上 性能 需求和效率需求共同定义了 5G 的关键能力 犹如一株绽放 的鲜花 红花绿叶 相辅相成 花瓣代表了 5G 的六大性能 指标 体现了 5G 满足未来多样化业务与场景需求的能力 其中花瓣顶点代表了相应指标的最大值 绿叶代表了三个 效率指标 是实现 5G 可持续发展的基本保障 2 5G 关键技术展望 5G 将从频谱效率的提升 通信频带的扩展 新型网络结构 这三个维度来提升系统能力 实现性能需求和效率需求 全球各大 5G 推进组也在积极开展相关研究工作 三个维度 的关键技术线仅停留在实验室层面 尚待讨论 频谱效率 1 大规模阵列天线 大规模阵列天线 Massive MIMO 已经被公认为 5G 的关 键技术之一 它采用有源天线阵列技术 将现有的 2D 天线 阵列拓展成为 3D 天线阵列 形成极精确的用户级超窄波 束 将能量定向投放到用户位置 可以显著改善网络的覆 盖能力 降低无线网络能耗 特别是在中高频段组网的情 况下尤为明显 目前 基站侧可支持的协作天线数量将达 到 128 根 在城市 CBD 办公区 会场等热点地区 用户数量较多且分 布密集 大规模阵列天线技术可以在水平面和垂直面均可 实现波束赋形 多个用户级波束在空间上三维赋型 可避 免相互之间的干扰 大大提升系统级容量 大规模阵列天线技术也受到了业界的重点关注 中国移动 和华为在 Massive MIMO 技术上的合作研究已超过两年时间 与 2014 年 9 月份完成了全球首次 TD LTEMassive MIMO 多 天线预商用产品演示 这既是对 5G 先进技术的验证 也可 帮助中国移动提升 TD LTE 中高频组网的覆盖水平和系统 容量 双方将会继续紧密合作 推进大规模阵列天线的成 熟与商用 2 全双工技术 全双工技术是指在相同的频谱上 通信的收发双方同时发 射和接收信号 相对与传统的 FDD TDD 半双工模式 全 双工技术突破了频谱资源使用限制 使系统可用频谱资源 提升 1 倍 是未来有可能改变移动通信传统工作模式的革 命性技术方向 全双工技术需要具备极高的干扰消除能力 以消除来自发送天线的自干扰信号 华为 中国移动研究 院联合北京大学等科研单位共同致力于全双工技术的开发 现已成功实现 500m 点对点全双工通信 目前 将全双工技 术应用于多天线系统以及全双工组网是全双工技术在实际 系统中应用需要重要点研究的问题 传统的蜂窝通信系统的组网方式是以基站为中心实现小区 覆盖 而基站及中继站无法移动 其网络结构在灵活度上 有一定的限制 随着无线多媒体业务不断增多 传统的以 基站为中心的业务提供方式已无法满足海量用户在不同环 境下的业务需求 3 D2D Device to Device 通信 D2D 技术无需借助基站的帮助就能够实现通信终端之间的 直接通信 拓展网络连接和接入方式 由于短距离直接通 信 信道质量高 D2D 能够实现较高的数据速率 较低的 时延和较低的功耗 通过广泛分布的终端 能够改善覆盖 实现频谱资源的高效利用 支持更灵活的网络架构和连接 方法 提升链路灵活性和网络可靠性 目前 D2D 采用广 播 组播和单播技术方案 未来将发展其增强技术 包括 基于 D2D 的中继技术 多天线技术和联合编码技术等 移动通信传统工作频段主要集中在 3GHz 以下 这段频谱资 源十分拥挤 潜力已经开发殆尽 而在高频段 如毫米波 厘米波频段 可用频谱资源丰富 能够有效缓解频谱资源 紧张的现状 可以实现极高速短距离通信 支持 5G 容量和 传输速率等方面的需求 IMT 2020 计划开发 6G 以下的频 段供 5G 使用 随着射频技术趋于成熟 再逐步开发 6G 以 上的高频段 频段扩展 目前 监测中心目前正在积极开展高频段需求研究以及潜 在候选频段的遴选工作 高频段资源虽然目前较为丰富 但是仍需要进行科学规划 统筹兼顾 从而使宝贵的频谱 资源得到最优配置 高频段在移动通信中的应用是未来的发展趋势 业界对此 高度关注 高频通信存在传输距离短 穿透和绕射能力差 容易受气候环境影响等缺点 考虑到未来的 5G 网络是高密 度性网络 覆盖面积最小的微小区和热点仅需达到 50 米以 下的覆盖范围 高频段频谱资源用于微小区的小型化高增 益天线和设备中 可实现很高的通信速率 网络架构 随着各种智能终端的普及 数据流量将出现井喷式的增长 未来数据业务将主要分布在室内和热点地区 这使得超密 集网络成为实现未来 5G 的 1000 倍流量需求的主要手段之 一 超密集网络能够改善网络覆盖 大幅度提升系统容量 并且对业务进行分流 具有更灵活的网络部署和更高效的 频率复用 5G 通信系统将采用更加密集的网络方案 部署 更多小小区来满足局部热点地区的大容量需求 同时可以 起到为宏站和微站分流的效果 在无线接入技术上 5G 可能采用 C RAN Cloud Radio Access Network 接入网架构 C RAN 的基本思想是通过充 分利用低成本高速光传输网络 直接在远端天线和集中化 的中心节点间传送无线信号 以构建覆盖上百个基站服务 区域 甚至上百平方公里的无线接入系统 C RAN 架构适 于采用协同技术 能够减小干扰 降低功耗 提升频谱效 率 同时便于实现动态使用的智能化组网 集中处理有利 于降低成本 便于维护 减少运营支出 各种新型高速无 线局域网接入点和蜂窝小基站共同构成立体的超密集的组 网方式 形成一张超级带宽能力网络 愈发密集的网络部 署也使得网络拓扑更加复杂 小区间干扰已经成为制约系 统容量增长的主要因素 极大地降低了网络能效 干扰协 调与管理 密集小区间协作 基于终端能力提升的移动性 增强方案等 都是目前密集网络方面的研究热点 二 Wi Fi 与 LTE 融合 Wi Fi 最大的优势在于 它是在未授权的频谱上运行的 任 何人都可以部署 Wi Fi 网络 而且能够支持人们能想到的几 乎所有智能手持设备或物联网设备 Wi Fi 最适合的是大容 量 高密度且低移动性的室内应用 另一方面 蜂窝技术 具备无处不在的室外覆盖 无缝的移动等优点 更完美支 持语音和流媒体等实时应用 两项技术的结合将为整个行 业带来巨大的希望 各行各业不断尝试 Wi Fi 蜂窝网络融合 随着各个技术的不 断推进 了解这些不同方法之间的区别非常重要 其实答 案并没有正确或错误之分 只是选择不同而已 具体取决 于用户的参考架构 预计在 2020 年前 Wi Fi 和 LTE 小 蜂窝基站技术仍将继续融合 带来始终保持最佳连接的使 用体验 LTE U LTE LAA LWA 和多链路 TCP 都是融 合这两大无线技术的选择 市场会决定最终在什么时间采 用什么方法 三 云计算 大数据 一 云计算 云计算 Cloud Computing 是由分布式计算 Distributed Computing 并行处理 ParallelComputing 网格计算 Grid Computing 发展来的 其最基本的概念 是透过网络将庞大 的计算处理程序自动分拆成无数个较小的子程序 再交由 多部服务器所组成的庞大系统经搜寻 计算分析之后将处 理结果回传给用户 透过这项技术 网络服务提供者可以 在数秒之内 达成处理数以千万计甚至亿计的信息 达到 和 超级计算机 同样强大效能的网络服务 是一种新兴 的商业计算模型 云计算系统运用了许多技术 其中以编程模型 数据管理 技术 数据存储技术 虚拟化技术 云计算平台管理技术 最为关键 1 编程模型 MapReduce 是 Google 开发的 java Python C 编程模型 它是一种简化的分布式编程模型和高效的任务调度模型 用于大规模数据集 大于 1TB 的并行运算 严格的编程模型 使云计算环境下的编程十分简单 MapReduce 模式的思想 是将要执行的问题分解成 Map 映射 和 Reduce 化简 的方式 先通过 Map 程序将数据切割成不相关的区块 分配 调度 给大量计算机处理 达到分布式运算的效果 再通过 Reduce 程序将结果汇整输出 2 海量数据分布存储技术 云计算系统由大量服务器组成 同时为大量用户服务 因 此云计算系统采用分布式存储的方式存储数据 用冗余存 储的方式保证数据的可靠性 云计算系统中广泛使用的数 据存储系统是 Google 的 GFS 和 Hadoop 团队开发的 GFS 的 开源实现 HDFS GFS 即 Google 文件系统 Google File System 是一个可扩 展的分布式文件系统 用于大型的 分布式的 对大量数 据进行访问的应用 GFS 的设计思想不同于传统的文件系 统 是针对大规模数据处理和 Google 应用特性而设计的 它运行于廉价的普通硬件上 但可以提供容错功能 它可 以给大量的用户提供总体性能较高的服务 一个 GFS 集群由一个主服务器 master 和大量的块服务器 chunkserver 构成 并被许多客户 Client 访问 主服务器存 储文件系统所以的元数据 包括名字空间 访问控制信息 从文件到块的映射以及块的当前位置 它也控制系统范围 的活动 如块租约 lease 管理 孤儿块的垃圾收集 块服务 器间的块迁移 主服务器定期通过 HeartBeat 消息与每一个 块服务器通信 给块服务器传递指令并收集它的状态 GFS 中的文件被切分为 64MB 的块并以冗余存储 每份数据在 系统中保存 3 个以上备份 客户与主服务器的交换只限于对元数据的操作 所有数据 方面的通信都直接和块服务器联系 这大大提高了系统的 效率 防止主服务器负载过重 3 海量数据管理技术 云计算需要对分布的 海量的数据进行处理 分析 因此 数据管理技术必需能够高效的管理大量的数据 云计算系 统中的数据管理技术主要是 Google 的 BT BigTable 数据管 理技术和 Hadoop 团队开发的开源数据管理模块 HBase BT 是建立在 GFS Scheduler Lock Service 和 MapReduce 之 上的一个大型的分布式数据库 与传统的关系数据库不同 它把所有数据都作为对象来处理 形成一个巨大的表格 用来分布存储大规模结构化数据 Google 的很多项目使用 BT 来存储数据 包括网页查询 Google earth 和 Google 金融 这些应用程序对 BT 的要求各 不相同 数据大小 从 URL 到网页到卫星图象 不同 反应 速度不同 从后端的大批处理到实时数据服务 对于不同的 要求 BT 都成功的提供了灵活高效的服务 4 虚拟化技术 通过虚拟化技术可实现软件应用与底层硬件相隔离 它包 括将单个资源划分成多个虚拟资源的裂分模式 也包括将 多个资源整合成一个虚拟资源的聚合模式 虚拟化技术根 据对象可分成存储虚拟化 计算虚拟化 网络虚拟化等 计算虚拟化又分为系统级虚拟化 应用级虚拟化和桌面虚 拟化 5 云计算平台管理技术 云计算资源规模庞大 服务器数量众多并分布在不同的地 点 同时运行着数百种应用 如何有效的管理这些服务器 保证整个系统提供不间断的服务是巨大的挑战 云计算系统的平台管理技术能够使大量的服务器协同工作 方便的进行业务部署和开通 快速发现和恢复系统故障 通过自动化 智能化的手段实现大规模系统的可靠运营 二 大数据 大数据 是需要新处理模式才能具有更强的决策力 洞 察发现力和流程优化能力的海量 高增长率和多样化的信 息资产 大数据处理关键技术一般包括 大数据采集 大 数据预处理 大数据存储及管理 大数据分析及挖掘 大 数据展现和应用 大数据检索 大数据可视化 大数据应 用 大数据安全等 1 Hadoop 是开源大数据项目的总称 是一个由 Apache 基金会所开发 的分布式系统基础架构 主要是由 HDFS 和 MapReduce 组 成 HDFS 为海量的数据提供了存储 则 MapReduce 为海 量的数据提供了计算 MapReduce 是处理大量半结构化数据集合的编程模型 编 程模型是一种处理并结构化特定问题的方式 例如 在一 个关系数据库中 使用一种集合语言执行查询 如 SQL 告诉语言想要的结果 并将它提交给系统来计算出如何产 生计算 还可以用更传统的语言 C Java 一步步地来 解决问题 这是两种不同的编程模型 MapReduce 就是另 外一种 四 物联网 一 工业以太网 工业控制网络从最初的计算机集成控制系统 CCS 到集散控 制系统 DCS 发展到现场总线控制系统 近年来 以太网 进入工业控制领域 出现了大量基于以太网的工业控制网 络 同时 随着无线技术的发展 基于无线的工业控制网 络的研究也已开展 现场总线 广泛应用于连接现场设备 如控制器 传感器 与执行器等 采用全数字通信 结构简单 节约线缆 现 场总线是综合运用微处理技术 网络技术 通信技术和自 动控制技术的产物 他在现场控制设备和测量仪器中嵌入 微处理器 使他们具有数字计算和数字通信的能力 构成 能独立承担某些控制 通信任务的网络节点 工业以太网 随着应用需求的提高 现场总线的高成本 低速率 难于选择以及难于互连 互通 互操作等问题逐 渐显露 以太网具有传输速度高 易于安装和兼容性好等 优势 因此基于以太网的工业控制网络是发展的趋势 将以 太网应用于工业控制领域 构成工业以太网 工业无线网 无线通信技术逐渐进入工业控制网络领域 为工业控制带来了诸如降低安装复杂度以及减少线缆等好 处 同时其配置灵活 使用方便 目前 无线通信在工业 自动化领域的研究主要有以下几类 无线总线 RFiel dbus 无线传感器与执行器网络 WSAN 基于 I EEE 802 11 的无 线局域网 WL AN 以及基于 I EEE 802 15 的无线个域网 WPAN 等 二 车联网 1 ADAS 先进驾驶员