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专访童文:5G将成为物理世界的神经连接网 | 《国家科学评论》 精选

已有 3952 次阅读 2018-4-16 15:50 |个人分类:国家科学评论|系统分类:论文交流

 

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图源:Pixabay.com



撰文 | 赵维杰


  


在过去的十年中,智能手机以及无处不在的视频、游戏、社交平台、移动支付,让人们的生活发生了翻天覆地的变化。在智能手机和互联网行业爆炸式发展的背后,离不开第四代移动通信技术(4G)的强力支撑。按照国际标准组织3GPP和全球各大通信公司的路标,在2020年之前,下一代通信技术(5G)的商用化时代即将到来。和4G相比,5G的性能将有哪些提升,我们的基本生活方式是否将被再度改写?在本次NSR专访中,华为无线CTO及5G首席科学家童文博士对上述问题进行解答,并描述了中国通信行业从3G跟跑到5G领跑的转变历程。



从1G到5G


语言的起

NSR:过去几十年中,通信技术经历了怎样的演变?


童文:要说清这个问题,我们要从通信产业的发展源头说起。移动通信的规律,基本上每十年就会更新一代,因为每过十年,无线技术和相应的移动通信业务都会有一个很大的进步。


1G到2G,移动通信将语音交流的方式从固网电话转变为移动电话,这是数字化无线通信的成功。通信产业界花了80年时间来建设固网电话系统,把电话装到每一个家庭里。但是无线技术转型、移动电话的普及,只花了不到20年。这就是技术的威力。


而到了3G和4G时代,我们开始利用无线移动技术来进行数字通信,而不再只是语音通信。3G是承载语音和数据的一跳。二十世纪九十年代初,人们开始设计3G网络的时候,还没有预料到互联网的兴起,不能预测将要出现的新型互联网创新应用,所以,视频通话等功能在3G时代基本没有实现。在3G第一版完成之后,互联网兴起,个人移动计算机(PC)普及、IP技术成为主流,而当智能手机这一杀手级应用出现,移动通信技术再一次找到了自己的出路,3G的商业部署很快被4G取代。


而4G实际上只做了一件事,就是把互联网上的应用全部搬到手机上。在4G标准完成的时候,大家还没想到会有Facebook,会有Uber,没想到会有微信,会有Twitter,会有Instagram。这些互联网创新应用都是在4G移动技术发展之后,才能发展到今天的水平和经济规模的。这是我们当时所无法想象和预测的。作为4G技术标准的制定者之一,我要说,只有通信技术与新的应用和业务相结合,才能产生这么大的效益,才能真正改变世界。



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童文,华为5G首席科学家,IEEE Fellow,加拿大工程院院士。 (Courtesy of Wen Tong)


NSR:5G能做哪些4G做不了的事?


童文:这不是一个新问题。在3G、4G出现时,大家就在问类似的问题。但要做出完全准确的预测是不可能的,因为在5G推出之后,一定还会有新的应用和业务出现,做到一些我们现在无法想象的事情。但是从技术的角度出发,我们还是可以提出一个大概的愿景。


在技术上,5G会有三个方面的提升。第一个是“极致的速率”。它的速率可以达到光纤的速率。我们在实验网络测试中已经做到了这一点,华为最高的实验速率达到115 Gbps。第二个是“海量的连接”。5G有能力将所有的物体,包括现在我们面前的这个矿泉水瓶,都连接在网络上。这就是物联网、或者说全连接世界的概念。第三个就是“极低的时延”。低时延可以打破距离的限制,你可以和世界上任何地方进行零距离的沟通。


有了这些性能,我们就可以实现很多事。最经典的例子就是远程自动驾驶。我们将车身上各种传感器收集到的数据,通过5G网络传到云端,云计算给出指令,再传回给车辆执行,整个过程不需要人的参与。如果用现在的网络来做,高速路上时速120公里汽车的响应距离会达到两三米,而按照5G标准,将时延降低到1毫秒,响应距离将可以缩短到8厘米,足以保证自动驾驶的安全。如果可以做到自动驾驶,我们就可以做到许多与之类似的事情,比如远程手术,医生在另一个城市远程控制手术刀;再比如今天的采访,如果5G系统建成,显示技术也有相应的发展,那么你就完全没有必要从北京跑到上海,我们可以通过网络,将你的信息传输过来,在我这边进行全息重建和显示,这样完全可以实现和面对面沟通同样的效果,而它所需要的就是高速率、低时延的网络,以及足够快的图像运算和重建速率。


NSR:华为的白皮书里特别写到了“智能电网”,这是一个什么概念?


童文:按照5G的愿景,一切都可以是智能的,智能驾驶,智能购物,智能医疗,智能穿戴设备。智能电网就是把电网的各个组成模块都连接到网络上,而在网络背后有人或者计算机来进行分析和控制。5G更大的愿景,是要改造各个垂直行业。


NSR:要实现这些目标,是不是除了通信能力,还需要计算能力的提升?


童文:我们构想中的未来系统可以分为3个比较清晰的领域:万物感知、万物连接和万物智能。我们通过无所不在的各种传感器来感知万物,再通过网络将它们全部连接起来,而在后台,要通过云计算来最终实现万物智能。所以计算确实是其中的一个重要方面。在人工智能概念出现之前,我们通常会使用“自动化”这个说法,要实现万物的自动化。


NSR:这个系统其实和动物很像,我们的神经感知外界信息,再把信息传递到中枢神经系统。


童文:你这个比喻很好,人感知外界,然后在大脑中计算。按照这个比喻,那么我们整个物理世界的神经连接网,就是5G。



  5G技术   



NSR:在通信行业中,“标准”似乎是一个特别重要的概念?


童文:通信行业的标准中,首先,国际电讯联盟会定义一个顶层的框架,规定要达到多少速率,多少时延,多少个连接数才能称之为5G。其次还有一个非常具体的工业标准,3GPP国际标准中做了非常细致的规范,要求所有手机和网络设备厂家都按照同样的标准来生产。


对于我们的行业,全球统一的标准非常重要。有两个原因。第一,标准化可以使全世界所有的手机互联互通,无论你是出差到另一个城市,还是去另一个国家,都能同样的连上网络。第二个原因是市场的需求。对于消费者来说,标准可以让你拿到最廉价的商品。如果不同厂家使用不同的标准,那么每一家都需要独立研发所有的部件,这样最终的产品会非常昂贵。


在3G的时代,标准还没能完全统一,当时的美国、欧洲、中国都有自己的标准。真正的融合是在第四代。两三年前5G标准开始建立之初,也有过观点的分裂,但是现在已经确定了。实际上,第一个5G标准已经基本确定,即将公布。(注:2017年12月21日,采访结束9天后,3GPP宣布第一个5G标准,5G New Radio标准完成。)


NSR:为实现5G,技术上有哪些关键的创新?


童文:在无线网络技术里,最核心的是空口接入技术,空口技术当中,最关键的又是物理层技术。如果说空口是无线技术的皇冠,那么物理层就是皇冠上的钻石。物理层技术是指将数据调制、编码、通过无线电传输,再在网络的另一侧接收、排除掉干扰信息并解调重现出来的整个过程。


要实现5G,物理层技术需要有很大的改变。首先,通信传播的速度极限,早在1948年就已经由一个严密的数学定理来计算和定义了,这就是香农极限。通过多年来很多代工程师的不断尝试和改进,到差不多十年前,我们的技术就已经很接近这个极限了。要继续提高速率很不容易,所以在5G刚开始的时候,学术界中很多人,包括一些很著名的学者,都公开表示这个领域已经死亡了。其次,是频谱的问题,既有的网络已经占用了许多频段,我们要找到剩余频段中,哪些可以用来构建5G的网络,并且对新频谱进行优化设计。最后,还有实现技术工程化的问题,有哪些新的技术可以支撑更高性能终端和网络的大规模生产和快速部署。


在研究5G的初期,我们在学术界已发表的研究成果中,找到了十几个可以作为5G技术候选的新技术。这些研究大部分都是数学家的工作,它们都是很不成熟、无法实用的,有一些只是很粗的概念。我们花了很大的精力,在2010年到2013年之间,把整个物理层的技术做了创新式的梳理,把这些不能用的技术转变成可用的5G技术,并且对它们进行评估,选出其中最好的。最终,我们构建出了5G的技术框架,其中包括了编码技术、帧结构设计技术、MIMO(Multiple-Input Multiple-Output,多入多出技术)传输技术等。最终的成果不是一个单一的技术,是一个拼盘和框架。我们将这个全新的空口技术称作NR,New Radio。


举个简单通俗的例子,弗莱明发现了一种生物学现象,一种微生物杀死了另一种微生物。而要把这一发现变成药物,变成造福人类的青霉素,则需要另一些人的努力。我们的工作就是把科学发现做成青霉素,做成可用的5G技术。


NSR:提起5G,人们也常常会提起网络切片技术?


童文:那是另外一个概念了。空口技术是基础,而网络切片技术是一个宏观的架构,是网络的整体结构。


我们的网络结构有过好几次改变。在最早的时候,三四十年前,一个网络就只做一件事情,我们打电话、发电报、发传真,用的都是各自独立的网络。后来IP技术成熟了,它将所有东西都做成一个数据包来进行传输,不区分数据包中的内容,它对于所有数据的传输质量是相同的。但是不同数据的传输需求其实是不同的,重要数据,比如自动驾驶、远程手术的指令,要求高度的传输准确性,而普通数据,比如微信信息,它对传输质量的要求相对较低,但用户希望它是低成本、甚至免费的。


所以5G中就有了网络切片的技术,将同一个网络用云和虚拟化的概念,切割成许多个网络,这些网络使用相同的空口和传输设备,但是每个切片里的服务质量是不同的。而且这种切片方式是动态的、用软件定义的,你可以在需要的时候切出一片网络,在不需要的时候再把它取消掉,用来做其它的网络。切片技术使得定制化的服务成为可能,也为运营商提供了更多机遇。它们可以不再局限于人与人之间的连接,而是利用不同的网络切片来开展各项业务。


NSR:5G技术是否已经成熟?


童文:对,技术上已经没有大的问题。后面主要是商业的问题。



走向5G,超越5G



NSR:华为是在什么时候开始5G布局的?


童文:华为开始5G研究很早,在2009年,那时候LTE(Long Term Evolution,长期演进)技术还没有完全商用。那一年,华为提出了一个Vision2020项目,这个小项目就是去研究2020年的网络会是什么样子,它对2020年网络的速率,以及应用场景做了预测,这些预测中的大部分都和现在的5G构想是相同的。在2012年底,公司决定投入6亿美金来做5G的研发,这只是技术标准研发的投资,不包括产品的投入。


NSR:其它通信公司的起步时间,也和华为差不多吗?


童文:据我所知,华为是最早的。直到2012年,很多大公司还在公开的场合说,5G是不存在或者不可能的。我们对5G的投入很早、很坚决,技术方向也很稳定。所以,在早期的定义5G过程中,华为起到了重要的主导作用。标准中的速率,时延,连接数等量纲都是华为提出的。


NSR:5G商用化的时间表是怎样的?


童文:现在大家都说,2020年将是5G商用化的元年,但实际的进展可能还会更快一些。2018年下半年,5G网络设备投产,网络建设将会开始;到2019年上半年,5G手机将会问世。


NSR:5G的成本会比之前提高吗?


童文:成本有两个概念。对于用户来说,终端的成本不会有显著的提高。iPhone X的售价比之前高了很多,5G终端的售价不会超过这一水平。对运营商来说,它们要考虑建网的成本。和前面3G、4G一样,建网需要一笔投资,但在3到5年内,随着业务的发展,这些成本可以被收回,并且开始赚钱。到那时网络数据的价格就会开始下降。


NSR:在中国,工业和信息化部(工信部)在统筹行业发展方面发挥了哪些作用?


童文:工信部是我国的通信行业管理部门。他们在早期(2013年)组建了IMT-2020(5G)推进组,这个推进组从今天来看是成功的。推进组把主要的运营商、厂商都组织在一起,大家就“什么是5G”、“什么是5G技术”等基本问题达成共识。而且,推进组还组织测试,来测试大家做出来的技术,第二阶段的5G测试刚刚结束,我们取得了目前世界上最好的测试结果。中国现在是一个通信强国,引领5G,而在3G的时代,中国是赶超状态。


NSR:5G之后呢?还会有6G吗?


童文:有。这个问题我也被问过好几次。你我的想象力都很有限,想象不出十年以后的技术革命会是什么,但是当颠覆性技术和颠覆性业务相结合,6G一定会出现。


NSR:据您所知,华为或者其它地方,有人开始在做6G相关的研究吗?


童文:我认为6G相关的早期探索可能有,但是现在还没有到达一个点,说我们已经可以做6G了,这之前还是要有一段时间的探索和积累。



个人选择、公司成长与行业发展



NSR:华为在2009年开始做5G,您加入华为也是在2009年。您当时是为了5G来的吗?


童文:你这个问题倒是提醒了我,我还没认真想过这个……我来给你讲讲我的经历吧。我1984年本科毕业于东南大学无线电系。然后去加拿大读了博士,博士期间我做的是信号处理方面的工作,我的毕业论文还拿到了加拿大的总督奖。那时刚好是2G标准化完成的时候。博士毕业后,我暂时没有想清楚要做什么,于是就接受了加拿大北方贝尔研究所的邀请,做博士后。我做了一些语音识别和神经网络相关的工作。但我那时对神经网络和AI并不看好,所以当我决定要到工业界去的时候,我接受导师的建议,选择了通信公司加拿大北电网络。


当时的北电是业界第一大的程控交换机公司,无线是其中一个很小的部门。不过小有小的好处,没有论资排辈,年轻人的工作比较自由。刚进公司不久,在一次公司的年度展会上,我在实验室展示了用一台冰箱大小的3G样机下载网页。结果公司总裁看过之后反问道:“谁会用手机来上网?”北电在无线市场不是第一,要超越对手,就只能选择技术革命的方向。在3G、4G的标准制定过程中,我推动引入了一批断代技术,如OFDM、Turbo Code、HARQ、空口VoIP等。2007年,公司开始实施Fellow制度,我是第一个Fellow,随后成为北电在各个国家所有研究实验室的主管。但好景不长,2009年北电申请破产。我当时已经做到了北电Fellow,如果要到西方国家的姐妹公司去,依旧是类似的岗位,缺少挑战性。所以我当时的选择主要有两个,华为或者Google,这两个公司是我不熟悉的。我选择了华为。


NSR:那您觉得,作为中国公司的华为,和您之前所在的国外公司有什么差别?


童文:有差别。而且2009年的华为和今天也不一样。在我看来,华为有几个非常重要的特质。一是华为对技术的追求,这是我来华为之前没有想到的;第二,和西方的公司不同,华为总是把客户放在第一位,这一点也是要到华为里面来才能有深刻感受的;第三,就是执行力,华为的执行力在科技公司中是顶尖的,公司确定了要做一件事,一定聚焦,一定做成。


NSR:华为在加拿大的研究所,是在您加入华为之后建立的?


童文:对,我们当时是一个大概200人的多学科团队,一起建立了这个研究所。在海外研究所的建设方面,华为在中国公司里面是规模最大,也是最成功的。我们在欧洲有二十多个研究所,北美有十几个,这里面都是产业界中一级的人才,帮助华为将知识和技术转化为产品和价值。


NSR:华为是依据什么来选择在哪里来建立海外研究所的?


童文:最大的原则是人才,另外还有文化和DNA。人才在哪里,研究氛围在哪里,我们的研究所就建在哪里。


NSR:在信息领域还有哪些研究风口?


童文:很多技术都会经历过热,随后冷静下来,最终又在一段时间之后实现。这是正常的发展规律。我们作为技术转化者,要做的就是在冷静的一段时期坚持下来,最终将技术转化为产品。现在很火的AI技术就经历过这样的历程,华为也同样关注AI。但其实直到现在,我个人对AI还是持怀疑的态度。它确实可以在一些领域取得应用,为大家提供一些方便,提升效益。但问题是,现在人们对AI的希望显然不止如此。


NSR:您本科就读的东南大学,在通信领域的实力很强。


童文:我1980年本科入学,那时无线通信是一个很冷门、没有前途的专业。但是当时东南大学有一个无线移动通信实验室,是中国最好的无线通信实验室。在那个实验室里,有我国无线通信领域的第一个博士生导师,中国在这一领域中最早的几个博士生,都是在他的实验室毕业的,比如李正茂(中国移动通信集团公司副总裁,1988年在东南大学取得博士学位),尤肖虎(东南大学教授,1988年在东南大学取得博士学位,被誉为中国3G、4G掌门人)


NSR:对于想要从事技术研发工作的年轻人,您有什么建议?


童文:我参与过华为的招聘,了解了一些现在的博士毕业生在选择工作时的考虑。有些人是待遇导向的,有些人看重未来的发展空间,也有人全凭兴趣。而我认为,对一个年轻人几年后成长情况影响最大的可能有两点,第一是他对自己有没有一个大致的长期计划;第二,最终发展得比较好的,其实都是那些比较“傻”,能够坚持做一件事的人。无论你去Google、微软还是华为,这些原则都是一样的。


英文原文2018年3月发表于《国家科学评论》(National Science Review,NSR),原标题为“Wen Tong: 5G will be the neural network of the physical world”。NSR是科学出版社旗下期刊,与牛津大学出版社联合出版。《知识分子》获NSR和牛津大学出版社授权刊发该文中文翻译。英文原文请见下方链接:https://academic.oup.com/nsr/article/5/2/292/4880449




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