感官泛在的通信4.0時代

李進良

【摘 要】首先回顧了現代通信的誕生與發(fā)展，指出人類即將進入通信4.0感官泛在時代，隨后通過闡述移動通信5G的特征，分析人類信息技術的進步與不足，提出非近軸光學為解決人類感官泛在的短板奠定了理論基礎。

【關鍵詞】5G+3D；通信4.0；非近軸光學

The Era of Communication 4.0 between the Senses

LI Jinliang

（The 7th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Guangzhou 510310， China）

[Abstract] First， the birth and development of modern communications were reviewed， and it was pointed out that mankind is entering the era of communication 4.0 between the Senses. Then， characteristics of 5G mobile communications were analyzed， the progress and shortcoming of information technology were discussed. It was proposed that non-paraxial optics can lay the foundation to deal with the flaw of mankind between the Senses.

[Key words]5G+3D； communication 4.0； non-paraxial optics

1 現代通信的誕生與發(fā)展

隨著19世紀中電報電話的發(fā)明，人類利用金屬導線，得以實現光速、遠距離的文字語言溝通，進入現代通信時代，到20世紀初，人們通過電磁波發(fā)明了無線電移動通信。人與人之間基本的必要通信需求得到滿足之后，自然而然會產生更高層次的需求。從20世紀50年代到現在，現代信息通信技術經歷了半導體、計算機、互聯網三次浪潮，給全球的社會、經濟、生產和生活等方面帶來了巨大發(fā)展，帶動了不斷的本質變革。當前每一個人一年所接受的信息量，遠遠超過200年前一個人一生接受的信息量。信息需求的高速膨脹和信息技術的突飛猛進，共同推進人類進入信息社會。

上個世紀80年代，信息通信領域的巨大發(fā)明：貝爾實驗室蜂窩通訊技術，為公眾移動通信發(fā)展奠定了基礎，并經歷了模擬化、數字化和IP化的發(fā)展。與此同時，美國國防部開發(fā)的計算機ARPA網，以IP協議為基礎，合并形成了世界規(guī)模的因特網，即互聯網。移動網與互聯網的高速發(fā)展與深度融合，形成了今天的移動互聯網。

2017年末，獲得IEEE杰出領導大獎的李正茂先生新著《通信4.0》一書中描述的前通信4.0時代歷程如下：

（1）通信1.0時代：模擬通信——現代通信的原點，電話順風耳的實現，相當于1G時代，滿足了人類必要通信的需求；

（2）通信2.0時代：數字通信——香農賦予通信數學之美，固定網與移動網的興起，相當于2G、3G時代，滿足了人類普遍通信的需求；

（3）通信3.0時代：IP化通信網——大浪淘沙，IP笑到最后，移動互聯網的出現，相當于4G時代，滿足了人類信息消費的需求，讓人得以更好地認識世界、認識自我，這是全民享受信息技術成果的時代，也是全面進行信息消費的時代。

截至2017年11月，我國4G用戶數近10億戶，實現了城區(qū)、縣城深度覆蓋，鄉(xiāng)鎮(zhèn)和重點行政村，以及高鐵、地鐵、高速、景區(qū)等基本覆蓋，建成了全球規(guī)模最大的4G網絡。4G的發(fā)展雖已滿足了人們高速上網的要求，深刻地改變了人們的生活，然而伴隨著移動數據流量的爆炸性增長，2010年開始進入ZB（1021字節(jié)）時代。海量設備的連接、不斷涌現的各類新業(yè)務和應用場景帶來了極大的挑戰(zhàn)，普通3D視頻流量只是傳統(tǒng)視頻流量的兩倍，而VR的流量一個60幀的4k視頻大約每分鐘就需要消耗1 GB到10 GB的流量，4G已難以滿足需求。在現有的4G網絡中，頻繁的新功能啟用，使得網絡一直在不斷增補，網絡變得越來越臃腫，無法跟上互聯網日新月異的發(fā)展腳步。

2 通信4.0感官泛在時代

我國短短的40年，實現了移動通信從“1G買入”、“2G跟隨”、“3G突破”及“4G同步”的迅速跨越，人際網已趨飽和，下一步必然要向人物網、物聯網發(fā)展。我國第13個五年計劃提出建議：“實施網絡強國戰(zhàn)略，加快構建高速、移動、安全、泛在的新一代信息基礎設施”，通信4.0的理念是對中央這個號召很好的呼應。

通信4.0時代應是“訊息隨心至，萬物觸手及”。物聯網相當于5G時代，將全面滿足人類感官泛在的逼真需求。人類五官獲取信息的能力，視覺占了90%，世界萬物是立體的，因此3D自然是感官泛在時代的核心，再者，3D也是目前最熱門的VR、AR、MR的基礎。

通信4.0實質是IT產業(yè)與CT產業(yè)的深度融合。標志著我國通信業(yè)2020年將進入一個完全嶄新的發(fā)展階段，信息通信業(yè)及其相關的產業(yè)都將發(fā)生劃時代的變化。其內涵為：

一是移動通信領域將邁上5G的新發(fā)展階段；

二是互聯網領域將步入“互聯網+”的紅利時代；

三是整個工業(yè)制造業(yè)將實現“中國制造2025”規(guī)劃的轉型升級。

3 移動通信5G的特征

由于4G的不足，因而人們寄希望于未來的移動網可以呈現全新的網絡架構、高效的網絡管理、更快的傳輸速率、更低的運營成本和開放的網絡能力，5G系統(tǒng)就此誕生。它將滲透到未來社會的各個領域，以人為中心，構建全方位的信息生態(tài)系統(tǒng)；將使信息突破時空限制，為用戶提供極佳的交互體驗，并帶來身臨其境的視覺盛宴；將拉近人與萬物的距離，通過對千億設備的無縫連接能力，便捷地實現人與萬物的智能聯接；將為用戶提供光纖般的接入速率和零時延的使用體驗，超高流量密度、超高連接數密度和超高移動性等多場景的滿意服務，以及業(yè)務及用戶感知的智能優(yōu)化；同時將為網絡帶來超百倍的能效提升，降低超百倍的比特成本；在滿足移動寬帶的基礎上，以垂直行業(yè)需求為導向，構建靈活、動態(tài)的網絡，滿足不同行業(yè)需求。5G將滲透到社會的各個領域，最終實現“訊息隨心至，萬物觸手及”的總體遠景。endprint

3.1 移動互聯網

移動互聯網與物聯網是未來移動通信發(fā)展的主要驅動力，將為5G提供廣闊的前景。移動互聯網顛覆了傳統(tǒng)移動通信的業(yè)務模式，為用戶提供前所未有的使用體驗，深深影響了人們工作生活的方方面面。面向2020年，超高清、3D、VR的流行將會驅動數據速率大幅提升，大數據規(guī)模將達到40 ZB。例如一個8 Mbit·s-1的攝像頭一小時能產生28 MB（106字節(jié)）數據，現在我國正在推進智慧城市，一個城市安裝幾十萬個交通和安防攝像頭，每月產生的數據量將達幾十PB（1 015字節(jié)）；一個病人的CT影像數據量達幾十GB（109字節(jié)），全國每年門診人數以數十億計，并且他們的信息需要長時間保存。AR/MR、在線游戲等業(yè)務，不僅對上下行數據傳輸速率提出挑戰(zhàn)，也對時延提出了“無感知”的苛刻要求，5G的高頻小區(qū)是可以輕松承受這些業(yè)務流量需求的。未來社交網絡等OTT業(yè)務將會成為主導應用之一，還將有大量的個人和辦公的數據被存儲在云端，海量實時的數據交互，急需媲美光纖的傳輸速率，并且會在熱點區(qū)域對移動通信網絡造成流量壓力。未來人們對各種應用場景的通訊體驗要求會越來越高，用戶希望能在體育場、露天集會、演唱會等超密集場景中以及高速汽車、高鐵、地鐵等高速移動環(huán)境下獲得高質量3D的業(yè)務體驗。移動互聯網的進一步發(fā)展，將帶來未來移動流量超千倍的增長，推動移動通信技術和產業(yè)的新一輪變革。

3.2 物聯網

物聯網擴展了移動通信的服務范圍，從人與人延伸到人與物、物與物的智能互聯，使移動通信技術滲透到更加廣闊的行業(yè)與領域之中。在不遠的將來，數以千億的設備將接入網絡，實現真正的萬物互聯，將會推動物聯網應用出現爆發(fā)式的增長，并衍生出規(guī)?？涨暗男屡d產業(yè)，為移動通信帶來無限生機。

物聯網業(yè)務類型豐富多彩，業(yè)務特征也差異巨大。環(huán)境監(jiān)測、智能家居、智能電網、智能農業(yè)和智能抄表等業(yè)務，都需要網絡支持海量設備連接和大量的小數據包頻發(fā)，將造成信令資源的大量消耗；視頻監(jiān)控、移動醫(yī)療等業(yè)務，對3D圖像質量和傳輸速率提出了很高的要求；車聯網和工業(yè)控制等業(yè)務，還要求毫秒級的時延和接近百分之百的可靠性；另外，大量物流網設備會部署在山區(qū)、森林等偏遠地區(qū)以及室內角落、地下室、隧道等信號難以覆蓋的地區(qū)，要求移動通信網絡的覆蓋能力進一步增強；為了滲透到更多的物聯網業(yè)務中，5G應具備更強的靈活性和可拓展性，以適應海量的設備連接和多樣化的用戶需求。

4 人類信息技術的進步與不足

隨著社會文明的進步，人類逐步脫離了蒙昧的原始狀態(tài)，步入今天的信息時代。信息鏈有5個環(huán)節(jié)：獲取、處理、存儲、傳輸及顯示。

（1）信息獲取是從給定的環(huán)境背景（噪聲）中提取有用的信息。人類獲取信息主要靠自身眼、耳、鼻、舌、身五官，特別是視覺占了舉足輕重的關鍵地位。憑借發(fā)明的各種各樣的傳感工具與遙感、遙測手段，擴展了感官外延獲取信息的能力。但是感官外延獲取信息的能力仍有局限。

（2）信息存儲是將信息以某種形式從時間上的某一點轉移到另一點。書籍就是較早的信息存儲方式，人類發(fā)明了各種存儲介質不斷增長存儲容量，例如海量的云存儲。

（3）信息傳輸是將信息以某種形式從空間上的某一點轉移到另一點。從最早的烽火狼煙到19世紀的電報電話，電信以光速傳輸文字和話音，這個革命性的飛躍是現代通信的肇始。

（4）信息處理是將獲得的信息加以變換，便于提取有用的信息，以提高其可利用性。有用信息日積月累，才有知識，才逐步形成科學。特別是計算機大大提高了人類處理信息的能力。

（5）信息顯示是將信息以某種形式加以重現，供人類的聽覺或視覺感知，其最重要的指標是所顯示信息的精確性和完備性。在聽覺方面的進步比較理想，由單聲道到雙聲道，到立體聲，再到繞立體聲。遺憾的是，在視覺方面的發(fā)展卻不夠理想，仍停留在由二維剛剛起步過渡到三維世界的水平。

5 當前人類感官泛在的短板

人類五官獲取信息的能力中，視覺占了90%，世界萬物本來是立體的，自然地，3D是感官泛在時代的核心，數字化后的現階段，在3D信息的獲取、處理、存儲、傳輸與顯示5個環(huán)節(jié)雖有長足的進步，但滿足大眾化的能力各有差異。由于計算機的進步，處理3D信息這個環(huán)節(jié)完全沒有問題；由于以4G構成的移動互聯網遍布全國，萬物互聯的5G使廉價而快速傳輸3D信息這個環(huán)節(jié)更輕而易舉；由于云存儲技術的進步，存儲3D信息這個環(huán)節(jié)也非常簡單；3D信息的獲取尚需昂貴的立體拍攝設備，比較難實現；在3D信息顯示方面，看立體電影尚需到巨幕電影院，看立體電視尚需去買昂貴的3D電視機，看VR因3D技術不完善會有頭暈等不適。因此，信息獲取和信息顯示這2個環(huán)節(jié)還不具備大眾化普及的條件，是進入感官泛在時代的短板。

6 非近軸光學為解決短板奠定了理論基礎

學電子光學出身的丁守謙教授的理想是“讓立體像像立體聲一樣走進千家萬戶”，他毅然放棄了激光全息的技術路線，創(chuàng)建了非近軸光學，這是一項未被研究的理論，基于此新理論衍生出兩項已授權的3D發(fā)明專利，成像質量非常高。2009年，在宇龍酷派的協助下，丁守謙教授做出了全球第一款“雙攝像頭的3D手機”，在上海國際3D會議上報告并演示；2012年，在北京國際通信展，丁守謙教授展出了“丁氏立體眼鏡”，用它可以在手機、筆記本電腦、電視機或投影的各種大小屏幕上欣賞3D節(jié)目，而且是高清晰、高亮度、全彩色的。2013年北京國際通信展上，丁守謙教授又展出“個人立體影院”，可以不戴任何專用的3D眼鏡（也可說是準裸眼）就能看出生動的靜態(tài)或動態(tài)的大屏幕立體像，等同于巨幕立體電影院的效果。特別需要指出的，這是目前世界獨一無二具有最高質量的立體顯示平臺，而且本身就是和4G（如果5G技術成熟，就直接與5G）相結合，可應用于遠程醫(yī)療等需要精確顯示的領域，手機制造廠都可以大規(guī)模生產，預計價格不會比iPhone、iPAD高，為大眾化的3D信息顯示提供了價廉物美的手段。

7 建議5G+3D技術路線

世界本來是3D的，由于人類科技發(fā)展的局限性，不得不用2D來顯示萬物，自3D電影阿凡達上演開辟了3D新紀元，信息的顯示必然從2D向3D過渡，信息的傳遞也必然從3G向4G/5G過渡。就3D信息而言，處理、存儲、傳輸3個環(huán)節(jié)完全具備大眾化普及的條件，因此我們針對3D大眾化的短板另辟蹊徑，深入研究，取得了2項發(fā)明，建議的5G+3D技術路線是：以雙攝像頭3D手機來解決3D信息的拍攝獲??；以4G/5G網絡與云計算來滿足3D信息的處理、存儲與傳輸；以我們的發(fā)明立體眼鏡、立體影院來解決3D信息的顯示，這是一個可以還原世界本來面目的比較完整的技術體系，完全有條件推廣應用，如能實施，必將全面迅速推進我國的5G+3D新興產業(yè)。

8 決不應讓5G+3D錯過良機

4G+3D的技術路線與3D顯示發(fā)明專利的提出已有四年了，如果業(yè)界還在猶豫，開始醒悟過來的國際信息通信界又將以其雄厚的基礎與巨大的能量重新利用起3D這項技術占領全球市場，我國就將丟失這一發(fā)展良機。就像2000年，我們在美國SID會議宣讀的論文就提出發(fā)展觸摸屏手機，5年后卻被喬布斯掌控的蘋果iPhone iPAD占據領先地位了；我們曾經為中國的TD-SCDMA、TD-LTE發(fā)表了很多文章呼吁，出版了《創(chuàng)新的憂思》、《創(chuàng)新的吶喊》；今天我們還在為我國5G+3D的前途憂思，還將為我國自主創(chuàng)新的3D發(fā)明繼續(xù)吶喊，希望業(yè)界能大力推廣應用具有拍攝立體影像功能的3D智能手機，從而使百姓可自拍并能自行發(fā)布立體微電影，用丁氏立體眼鏡、個人立體影院在家觀看3D電影。3D的推廣，在文化、醫(yī)療、教育、安全、國防等各行各業(yè)都可以應用，就必須提前布局，形成合力，找到風口，這樣就會相應推進4G的升級與5G的部署，必然大大推進中國的信息產業(yè)與信息消費進入感官泛在的通信4.0時代。據粗略估計，3D將有10萬億元的市場規(guī)模。在技術推動與市場牽引二者的合力驅動下，未來我國3D、VR就可以與5G共同發(fā)展。endprint