網絡通信技術的發展與變革分析

況文杰+陳征望+蔡道威

摘要：網絡通信技術的發展是有目共睹的，其進入了一個前所未有的發展時期，在通信流量保持快速增長的同時，業務應用將呈現更為豐富的多樣性。依靠單項技術的進一步突破愈來愈難滿足上述發展的需求，技術深度融合將是今后5？10年的主要發展趨勢。另一方面，網絡通信系統正日益發展成為一個復雜巨系統，傳統的設計理念與方法正遭遇巨大的挑戰，必須在基礎理論與方法、基礎器件、支撐軟件、終端形態、網絡構建方法尋求新的基礎性和革命性的突破，才能使未來的網絡通信技術滿足人類社會更為長遠的發展需求。

關鍵詞：網絡通信技術；發展；變革

1.網絡通信技術當前的發展態勢

我國網絡通信的發展正處于深度交叉與融合的階段，同時也是向著新技術革命的關鍵時期。一方面，網絡通信領域的各種單項技術發展已趨于性能極限，網絡通信技術正呈現高速光互聯、云計算、大數據、新型微電子與光電子器件、大規模射頻與天線技術密切結合與相互融合的特征，以應對互聯網絡業務爆炸式增長與多樣性發展的應用需求。另一方面，傳統網絡通信技術的發展正逐漸遇到靠漸進式改進難以繼續發展的重大障礙：摩爾定律難以維系；傳統的基于“光—電—光”轉換原理的高速網絡核心設備的性能正逐步受制于功耗的限制；以IP為基礎的傳統互聯網絡愈來愈難以實現業界所追求的可管、可控、可信之目標；可方便用于移動互聯的無線頻率資源正趨于枯竭等等，必須在網絡通信技術的基本原理、基礎器件、資源利用方式、系統構架等尋求新的基礎性和革命性突破，才能使未來的網絡通信技術滿足人類社會更為長遠的發展需求。

2.網絡通信技術未來的發展趨勢與挑戰

（1） 互聯網在世界范圍內的影響力已經到達一定程度，且具有難以撼動的發展慣性，也在某種程度阻礙了信息通信領域革命性新技術的發生。以IP為核心的技術體系仍然將主宰未來5？10年全球信息網絡的發展，但將面臨可擴展性、安全性、實時性、可管理性等重大技術挑戰。

（2） 互聯網技術體系并非一成不變，革命性的新元素不斷融合到現有IP技術體系。隨著不同類型的需求快速增長，除引發互聯網流量持續快速增長外，網絡流量的非均勻分布特性、網絡服務內容多樣化，使得靈活的鏈路調配能力和豐富的業務適配能力成為網絡發展的關鍵，引發軟件定義網絡（SDN）、網絡功能虛擬化（NFV）以及信息中心網絡（ICN）等新興技術快速發展。

（3） 面向特殊應用的工業互聯網將有可能成為互聯網技術體系取得率先突破的關鍵領域。隨著互聯網與傳統行業深度融合發展，互聯網+、工業4.0等將成為國民經濟命脈領域的新支柱，對現有互聯網絡在可靠性、實時性、服務等級、業務多樣性等方面提出了一系列全新的挑戰，輕量化、可裁剪、軟件可定義的IP網絡代表了未來行業應用的發展方向。

（4） IT技術融合步入加速發展期，技術與產業生態在未來10年將發生劇烈變革。信息網絡節點具備融合感知、計算、存儲及處理功能，使得網絡的技術和設備向“IT化”、“云化”和“數據中心化”演進，平臺通用化成為電信領域重要的發展方向，帶來網絡架構演進、設備形態變化和組網運營模式變革，OTT運營商、電信運營商、設備制造商正在尋求自己在未來產業發展中的全新定位。

（5）3D、虛擬現實、全息圖像等高帶寬新興業務的快速普及，使得網絡傳輸容量的進一步快速提升仍然任重而道遠。2018年全球IP流量將是2013年的4倍，高峰期流量將達到1Pbps，其中80%以上是視頻流量。P比特級傳輸、E比特級交換、千兆以上接入將逐步成為現實。

3.網絡通信技術的潛在突破

（1） 在非精準通信系統設計基礎理論的不斷突破。自從Shannon在1948年發現信息論以來，通信系統的設計始終無法脫離該理論的制約，即使網絡技術極為發達的今天，Shannon信息論仍然是不可或缺的理論基礎。工程師們所能夠做的僅僅是使用各種工程手段，使系統的性能逼近Shannon信息論在各種環境約束條件下所能提供的性能界，精準設計成為業界長期追求的目標。但不幸的是，這種精準設計愈來愈難以適應日益復雜的通信巨系統與互聯網絡。以概率設計和“夠用就好”理念設計復雜的通信系統與互聯網絡將逐步成為必然，基于大數據設計通信網絡是這方面的一個范例，基于大數定理及概率統計設計大規模天線無線通信系統則是另外一個范例。

（2） 網絡通信系統關鍵器件突破。采用各種新工藝或混合工藝（如高K材料、銦磷材料、寬禁帶材料等）進一步提升基礎器件的極限特性，作為通信系統設計者當然愿意樂享其成。通信系統設計者通常更加注重的是在可使用的工藝上開發出更加適用于復雜通信系統的基礎器件，當單個處理單元性能趨于極限時，并行處理是必然選擇。

（3） 網絡通信系統資源利用突破。盡管光纖通信所需的波長資源在未來可能成為制約通信系統性能提高的關鍵因素，但無線頻譜資源的日趨匱乏已成為限制移動互聯網絡容量提升的瓶頸所在，開發毫米波、太赫茲以及可見光等新的頻譜資源將得到業界更為廣泛的重視。依據傳統的觀點，毫米波及更高的頻譜資源難以應用于大范圍的無線覆蓋，但近年來的研究表明，如果采用分布式或集中式的大規模天線陣列（天線數達到數千或者數萬），大范圍無線覆蓋仍然是可能的。如果這方面的努力是富有成效的，將開啟無線頻譜資源利用的全新模式。

（4） 終端應用形態突破。自從蘋果公司開創了智能手機應用的新模式以來，通信世界走向了“千機一面”的大一統局面，今后5？10年也正是孕育著物極必反的革命性變革的機遇期。3D、虛擬現實等新興業務的發展以及可折疊顯示屏（OLED）、柔性電子技術的日趨成熟，為這種變革提供了可能，孕育著嶄新形式的個人通信終端信息承載平臺的誕生。

（5） 網絡支撐軟件突破。根據業內專家的預計，通信網絡的平臺通用化將是其未來5？10年的主要發展趨勢，現有的基于Linux命令行的開發系統難以滿足通信網絡的高效開發需求，網絡操作系統將成為技術的制高點，也將是通信網絡整個生態鏈中最核心的組成部分，所有的業務與應用都需要圍繞網絡操作系統來設計開發與生長。

參考文獻：

[1]尤肖虎.網絡通信融合發展與技術革命[J].中國科學：信息科學， 2017， 47： 144–148endprint