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劉經南:“5G+北鬥”的意義、路徑和願景
2019-12-11 16:00:36 來源: 新華網
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  【編者按】2019年10月30日,在西安舉辦的第十八期錢學森論壇上,中國工程院院士、新華網融媒體未來研究院生物傳感與智能交通聯合實驗室學術委員會主任委員劉經南作了題為《“5G+北鬥”的意義、路徑和願景》的主題報告,指出智能時代,“5G+北鬥/GNSS”將成為最重要的基礎設施,並提出了“5G+北鬥/GNSS”的具體融合路徑和應用場景。

  用變化的聲音(人類的語言也屬變化的聲音)和身體運動姿態變化來交流彼此對外界和相互的感知、認知和情感是動物和人類進化出通信智能的表現。行走、遷徙和圈地定居是動物和人類為生存而進化獲得的定位(Positioning)、導航(Navigation)、察時知時節(Timing)的智能,簡稱為PNT智能。人類在一個地方待膩了要走,我們現在要到外太空去,這是人類愛行走的基因決定的。這表明,在人類的初期,通信、定位、導航和決策就是融合在一起的。現在把5G和定位導航係統,像我們中國的北鬥係統,以及世界上互相兼容的GNSS(Global Navigation Satellite System,全球導航衛星係統)係統融合,簡稱“5G+BDS/GNSS”(其中BDS,即BeiDou Navigation Satellite System,北鬥衛星導航係統),就是通信、導航、授時和決策智能最新、最現代版的融合。

  時間和空間位置是物質、能量、信息和人類自身運動與狀態的表徵,也是人類對其運動開展研究,實現目標管理與對象控制的基礎。隨著科技的發展和社會的進步,人類對時空位置信息的需求從事後走向實時和瞬間,從靜態走向動態和高速,從粗略走向精準和完備,從陸地走向海洋和天空,從區域走向廣域和全球,從地球走向深空和宇宙。目前,正從實體空間走向虛擬網絡空間,從自然走向人類自身和社會。它的應用只受人類想象力的限制,其特徵是以GNSS為核心的時空位置服務網絡聯合泛在網或其他觀測技術可感知物質、人類近地活動等任何能達到的宏觀空間和大尺度時間(>um,>10E-2ns),即陸海空天和室內、地下,包括人類信息活動的虛擬空間——互聯網。這就是“5G+北鬥”,作為時間和空間位置基于通信的融合,與泛在測繪、位置服務所能夠延伸拓展的依據。

  移動通信的發展,從1G到4G是技術推動的,從4G到5G我們認為主要是靠需求推動。5G是一個多業務、多技術融合的移動通信網絡,通過需求的牽引和技術的融合、演進和創新,滿足未來廣泛數據和連接的各種業務的快速發展需要,提升用戶體驗。另外,5G的關鍵新技術是泛在化的組網,是多係統、多分層、多小區、多載波的;在城市有城市的組網方式,在農村需求少一點,人少一點,通信要求少一點,可能是另外一種組網方式。

    中國工程院院士、新華網融媒體未來研究院生物傳感與智能交通聯合實驗室學術委員會主任委員劉經南 

  一、“5G+北鬥/GNSS”的意義

  進入智能時代,“5G+北鬥”是最重要的基礎設施,首先解釋一下智能時代的含義。

  智能與智慧是生物界才有的能力,動物智能是自然進化的最高形態,人類智能在其頂端。生物智能與智慧都離不開時間和空間位置上對外界的感知、認知,進而決策,並付諸行動適應生存。所以我們定義智能為:感知何處何時外界發生了變化,學習並記憶形成經驗,推理上升為知識,決策思維,實現時間、位置與姿態精準協同來調控自身,適應外界,或者局部地調控外界狀態,實現趨利避害。我給智慧下一個定義,供大家批判。所謂智慧,是在感知一定時空領域內的外界變化基礎上,認知該時空域內的外界變化規律和作用機理,實現對外界在該空域內未來的變化進行預測,或對該變化預設趨利避害的調控。例如:螞蟻的智慧是群體性的,我認為它的群體智慧超過了人類,還有烏鴉,喝瓶子裏面的水,高度不夠就丟石頭進去等等,這都表現出生物的智慧。

  基于大數據、計算能力和計算方法的新一代人工智能技術與各種技術加速互融互通,使社會生産和消費加速從工業化向自動化、智能化轉變,人類因此進入智能時代,這是科技發展的必然結果,是智人將各種生物智能及人類自己的智能與智慧擴展到對自然、社會和機器,以進行感知、認知、管理和調控的必然結果。以人的智能為參考,把這些智能都發掘出來賦予人類、社會、環境,現在的智能建築是一種環境,將來的智能道路也是一種環境,網絡將來變成智能化也是環境,不光是賦能給機器。這是我對智能化的理解,在這樣的基礎上,我們來討論“5G+北鬥”融合的重要意義。

  智能時代首先要把外界感知清楚,因此要用5G發展泛在感知網,即廣泛存在的感知網絡,它以無時不有(時間)、無處不在(空間)、無所不包(內容的廣泛性)、無所不能為基本特徵擴展,基于個人和社會的需求,實現人與人、人與物、物與物之間按需進行的信息獲取、傳遞、存儲、認知、管控決策、使用等服務。互聯網不能實現管控決策,所以就受到了制約。這樣的網絡具有超強的環境感知、內容感知及智能性,為個人、行業和社會提供泛在、隨動、按需、個性化的信息服務和管控應用。

  從互聯網、“互聯網+”、物聯網到泛在網,信息網絡的概念拓展了。物聯網可以實現物與物、物與人之間信息的互聯互通,目前的水平也只能實現信息的互聯互通,還不能實現對外界的控制。而泛在網的目的就是實現人對虛擬空間和物理空間的感知、協同、融合與控制,需要廣域及全球性的高精度時間和空間位置來做技術支撐。

  5G是智能化時代的基礎設施,它高帶寬、高速度、大容量、低功耗、低延時、萬物互聯、信息可感知、可調控。5G“極高速率、極大容量、極低時延”的特徵,為滿足未來虛擬現實、智能制造、自動駕駛等用戶和行業的應用需求,提供基礎支撐。5G的時延是毫秒級的,但還不能實現汽車的遠程控制;而且它的網絡位置是虛擬的,這些問題一定要解決。

  解決問題需要新的基礎設施,就是北鬥/GNSS。定位、導航、感知時間和時節本身就是自然進化産生的生物智能,智能時代的“5G+北鬥”可將這種PNT生物智能賦給機器和環境,發揮機器和網絡環境的智能優勢。人們將自然界的生物智能賦給機器、環境使其産生的能力,就是人工智能。這就要考慮自然智能該怎麼定義,不能像圖靈機時代那樣定義人工智能。基于“5G+ 北鬥/GNSS”的泛在測繪能力就是人類定位、導航、感知時間的智能基于現代技術的延伸,既是智能時代實現區域和廣域乃至全球精確感知時空事件和目標信息的關鍵基礎設施,也是實現支持廣域和全球智能協同控制的賦能技術。

  北鬥/GNSS是唯一的全球性、高精度時空基準。其最大的好處是係統的全球性,能實現全球時間的精確同步,可以在廣域甚至全球把感知時間和位置的能力賦給5G,賦給其它的係統,如道路、環境等。高精度導航增強技術對移動通信網、互聯網賦能,給移動信息在網上瞬時位置定位,定其去向和瞬時流速,還能使移動互聯網具有室內外定位無縫化一體化功能,滿足城市全時域/全空域定位的智慧城市建設需求。北鬥/GNSS與5G相互賦能,彼此增強。這樣才能産生智能的五大能力:感知、學習、認知、決策、調控。因為調控需要在位置和時間上的精準協同,協同可能要達到微秒級、甚至是納秒級。這五大功能,可以實現人類感知和調控物理時間能力。我們現在能夠調控物理時間,但是不夠精準、可靠;不能在關鍵時候實現調控,也不能在廣域上實現調控;在一個小工廠、小車間內能夠實現精準調控,但是在全球方面不能實現。以後就可以解決這些問題,實現工業互聯網(CPS)的目標:讓廣域或全球性分布的物理設備在感知的基礎上具有計算、通信、遠程協同、精準控制和自治等五大功能,以實現人類感知和調控物理世界能力在時間、空間尺度方面的延拓。

  二、“5G+ 北鬥/GNSS”的路徑

  路徑涉及到一些技術問題,兩者融合的基本原則可概括為:從易到難,從簡到繁;框架優先,應用為重;服務行業、服務社會。具體怎麼實現呢?

  第一步,實現北鬥/GNSS與5G基站的集成融合。現在5G自身控制的水平是幾微秒,不能多于10微秒;它對用戶的控制是1毫秒,又低了近1000倍。5G宏基站和關鍵微基站、重要網關、路由器,以及行業、區域的雲服務中心的服務器,都加裝集成以北鬥為主、自主可控、多頻多模、低功耗GNSS板卡,為5G網絡關鍵設施提供北鬥精準坐標位置和以北鬥時為準的全網精確時間同步,為5G全網基站、網關、路由器和主要服務器提供北鬥統一的納秒級時間係統和厘米級坐標係統。這樣的“5G+北鬥”係統,就賦予了很強的時空位置服務功能了,而且北鬥的板卡不怎麼費電,在0.5~2瓦之間,跟5G網絡本身相比,電力消耗可忽略不計。

  實現了這一步,就可以拓展出超多場景的新應用和新能力。因為“5G+北鬥”的基站本身就構成一個超高密度、超高精度的地基增強網,成為國家北鬥地球參考框架的延伸和補充,為地面用戶提供精密定位、授時和時間同步服務。通過檢索和修正北鬥信號,位置可達到毫米級水平,時間就可以達到納米級水平,可以提升監測、預警甚至預報地震的能力;可以為精準三維大氣濕分量建模,為精準大氣可降水汽預報提供大數據服務。分析精準位置與時間天氣中含水量的多少,實現定時定量的精準天氣預報,例如:明天西安高新技術區附近哪幾條路之間的范圍內,8點半到9點50,將下多少毫米的雨。這對于將來的車聯網與智能駕駛非常重要。還可以實現中國區域精細三維電離層模型建立、區域土壤濕度監測、雷電定位預報預警服務等。

  第二步,5G網絡加載北鬥/GNSS地基增強信號,提供基于5G的地基增強時空位置服務。讓5G網絡本身不僅接收北鬥信號,每個基站都有位置信息,也可以發出北鬥的信號。這等于增強了北鬥的信號源,把天上的衛星搬到地面上,發出信號就能用北鬥一樣的模式精準定位。實現這樣的功能,會産生很多重要的應用:智慧城市建設與管理、監控,自然資源規劃管理與精準農業,智能交通監管與風險控制,L4、L5級自動駕駛、無人駕駛基礎支持,天氣與地質災害監測與應急救援等。

  第三步,構建車聯網與智能網聯汽車運營中的應用。實現車路協同及道路及其周邊環境的全時空感控,實現自動駕駛無人駕駛的智能網聯車運行全過程感控。到這一步已經實現了對車聯網的精準時間控制和位置控制,可以精確到幾厘米、幾納秒,前面講到目前不能遠程控制汽車的問題,都將迎刃而解。

  第四步,構建遠程實時控制和信息安全的“人-機-物”CPS融合係統。基于5G構建網絡基站、路由、網關、關鍵服務器的高精度時空體係,實現全網信息的高精度時空位置可測量、可計算、可溯源、可調控,使虛擬空間、實體空間和人三者形成一個融合係統。通過對信息的調控實現對外界物理世界的調控,這就達到了智能的目的。智能是通過操作數學符號來操控物理世界,這就是一位諾貝爾獎和圖靈獎獲得者司馬賀關于人工智能的定義。只要做到本文剛才提到的第一點,加之某些深化就會實現。

  我們團隊已經研發成功的亞納秒級天穩的高精度高穩定度北鬥/GNSS 精密授時守時終端,這是一個時間接收終端,面向GPS和北鬥係統。過去因為兩個係統的信息延時不一樣,這是不能實現的;現在GPS、北鬥延時非常清楚,都可以通過某些技術改進實現一定的高穩定度,用來進行5G網絡時間性能測試。我們做了大量相關實驗,測量了網絡中有路由器、服務器的時候,數據包在路由器、服務器和軟件上的時延。如果軟件被病毒感染了,指令的時延也會跟原來不一樣。我們做了現場測試的網絡安全試驗:利用高精度位置戳和時戳機,精確度量網絡設備轉發包的指令級處理時間。有些指令處理耗時不一樣,是因為軟件被感染了,計算機硬件也可能發生了某種錯誤性延時;即這種高精度高穩定度北鬥時間終端能發現計算機硬件和軟件的延時錯誤,就相當于給硬件環境和軟件環境都進行CT掃描,進而推測其內部處理流程是否發生了改變,甚至精確推測發生了什麼改變。實驗表明,通過高精度位置戳和時戳機能夠清楚檢測到待測網絡設備內部處理流程中發生的指令級變化。我們認為這些試驗提供了將來實現遠程實施控制和信息安全的基礎。現在的網絡是隨機路由,哪裏通了網,信息就往哪裏跑,我問過美國的互聯網專家,這是網絡的不可控造成的。“5G+北鬥”給互聯網帶來的最大好處,就是:實現人、機、物融合係統中信息的可追溯、可攔截的精準控制。

  第五步,實現室內外一體化的導航定位授時。這個是最難的,要實現陸、海、天、空、水下、室內都能入網,都要感知,專業性比較強,所以放在第五步。

  三、“5G+北鬥/GNSS”的應用

  首先是整合北鬥衛星係統、地基增強係統、5G通信網絡、高分遙感、互聯網五維空間數據資源;其次是打造基礎、綠色、智能、泛在、安全、可控六大功能;最後是支撐各種各樣的應用。

  “5G+北鬥”將服務車聯網、智能能源、無線機器人雲端控制等行業應用。智能能源、智能電網現在的時間標準還是太低,每一個電廠的交流電送到電網上去,相位要同步,目前相位同步精度是18度,就是允許相差18度,在時間上相當于1毫秒,這是造成大電網自身耗能的重要因素之一,是很大的能量浪費,從愛迪生時代到現在一直沒有變。將來“5G+北鬥”能為全國電網提供納秒級和米級時空協同,實現電網全網設備輸入輸出電壓的可高至納秒級相位同步。

  另外,我提出了制時空權,就是時空位置的精準和可靠,再就是時空位置的精準協同。“5G+北鬥/GNSS+星基通信”是實現陸海空天和信息網絡制時空權的關鍵基礎設施。現在這些概念正在被大家所認識,所以成立了中國“5G+北鬥”精準定位聯盟籌備會。我曾較早提倡通導遙一體化,天基地基PNT增強一體化這個願景。在目前的國際上所有的GNSS衛星導航係統中,只有中國的全球衛星導航係統北鬥三號初步實現了這兩個一體化。我認為,我們一定要牢牢地把握住這個後發優勢,一定要發揮我們的制度優勢,通過“5G+北鬥”的加速融合和相互賦能盡早地實現網絡信息的時空位置可感知、可計算、可量測、可控制。

  “5G+北鬥”最重要的是實現信息的時空位置可感知、可計算、可量測、可控制。實現“5G+北鬥”融合和相互賦能,將有大量的機遇,更有巨大的挑戰,還有眾多的技術細節要攻關。勇敢面對這一挑戰,能産生顛覆性的技術,能創造跨世紀的輝煌!

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【糾錯】 責任編輯: 徐一嫣
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