网络通信技术的发展与变革分析

况文杰+陈征望+蔡道威

摘要：网络通信技术的发展是有目共睹的，其进入了一个前所未有的发展时期，在通信流量保持快速增长的同时，业务应用将呈现更为丰富的多样性。依靠单项技术的进一步突破愈来愈难满足上述发展的需求，技术深度融合将是今后5？10年的主要发展趋势。另一方面，网络通信系统正日益发展成为一个复杂巨系统，传统的设计理念与方法正遭遇巨大的挑战，必须在基础理论与方法、基础器件、支撑软件、终端形态、网络构建方法寻求新的基础性和革命性的突破，才能使未来的网络通信技術满足人类社会更为长远的发展需求。

关键词：网络通信技术；发展；变革

1.网络通信技术当前的发展态势

我国网络通信的发展正处于深度交叉与融合的阶段，同时也是向着新技术革命的关键时期。一方面，网络通信领域的各种单项技术发展已趋于性能极限，网络通信技术正呈现高速光互联、云计算、大数据、新型微电子与光电子器件、大规模射频与天线技术密切结合与相互融合的特征，以应对互联网络业务爆炸式增长与多样性发展的应用需求。另一方面，传统网络通信技术的发展正逐渐遇到靠渐进式改进难以继续发展的重大障碍：摩尔定律难以维系；传统的基于“光—电—光”转换原理的高速网络核心设备的性能正逐步受制于功耗的限制；以IP为基础的传统互联网络愈来愈难以实现业界所追求的可管、可控、可信之目标；可方便用于移动互联的无线频率资源正趋于枯竭等等，必须在网络通信技术的基本原理、基础器件、资源利用方式、系统构架等寻求新的基础性和革命性突破，才能使未来的网络通信技术满足人类社会更为长远的发展需求。

2.网络通信技术未来的发展趋势与挑战

（1） 互联网在世界范围内的影响力已经到达一定程度，且具有难以撼动的发展惯性，也在某种程度阻碍了信息通信领域革命性新技术的发生。以IP为核心的技术体系仍然将主宰未来5？10年全球信息网络的发展，但将面临可扩展性、安全性、实时性、可管理性等重大技术挑战。

（2） 互联网技术体系并非一成不变，革命性的新元素不断融合到现有IP技术体系。随着不同类型的需求快速增长，除引发互联网流量持续快速增长外，网络流量的非均匀分布特性、网络服务内容多样化，使得灵活的链路调配能力和丰富的业务适配能力成为网络发展的关键，引发软件定义网络（SDN）、网络功能虚拟化（NFV）以及信息中心网络（ICN）等新兴技术快速发展。

（3） 面向特殊应用的工业互联网将有可能成为互联网技术体系取得率先突破的关键领域。随着互联网与传统行业深度融合发展，互联网+、工业4.0等将成为国民经济命脉领域的新支柱，对现有互联网络在可靠性、实时性、服务等级、业务多样性等方面提出了一系列全新的挑战，轻量化、可裁剪、软件可定义的IP网络代表了未来行业应用的发展方向。

（4） IT技术融合步入加速发展期，技术与产业生态在未来10年将发生剧烈变革。信息网络节点具备融合感知、计算、存储及处理功能，使得网络的技术和设备向“IT化”、“云化”和“数据中心化”演进，平台通用化成为电信领域重要的发展方向，带来网络架构演进、设备形态变化和组网运营模式变革，OTT运营商、电信运营商、设备制造商正在寻求自己在未来产业发展中的全新定位。

（5）3D、虚拟现实、全息图像等高带宽新兴业务的快速普及，使得网络传输容量的进一步快速提升仍然任重而道远。2018年全球IP流量将是2013年的4倍，高峰期流量将达到1Pbps，其中80%以上是视频流量。P比特级传输、E比特级交换、千兆以上接入将逐步成为现实。

3.网络通信技术的潜在突破

（1） 在非精准通信系统设计基础理论的不断突破。自从Shannon在1948年发现信息论以来，通信系统的设计始终无法脱离该理论的制约，即使网络技术极为发达的今天，Shannon信息论仍然是不可或缺的理论基础。工程师们所能够做的仅仅是使用各种工程手段，使系统的性能逼近Shannon信息论在各种环境约束条件下所能提供的性能界，精准设计成为业界长期追求的目标。但不幸的是，这种精准设计愈来愈难以适应日益复杂的通信巨系统与互联网络。以概率设计和“够用就好”理念设计复杂的通信系统与互联网络将逐步成为必然，基于大数据设计通信网络是这方面的一个范例，基于大数定理及概率统计设计大规模天线无线通信系统则是另外一个范例。

（2） 网络通信系统关键器件突破。采用各种新工艺或混合工艺（如高K材料、铟磷材料、宽禁带材料等）进一步提升基础器件的极限特性，作为通信系统设计者当然愿意乐享其成。通信系统设计者通常更加注重的是在可使用的工艺上开发出更加适用于复杂通信系统的基础器件，当单个处理单元性能趋于极限时，并行处理是必然选择。

（3） 网络通信系统资源利用突破。尽管光纤通信所需的波长资源在未来可能成为制约通信系统性能提高的关键因素，但无线频谱资源的日趋匮乏已成为限制移动互联网络容量提升的瓶颈所在，开发毫米波、太赫兹以及可见光等新的频谱资源将得到业界更为广泛的重视。依据传统的观点，毫米波及更高的频谱资源难以应用于大范围的无线覆盖，但近年来的研究表明，如果采用分布式或集中式的大规模天线阵列（天线数达到数千或者数万），大范围无线覆盖仍然是可能的。如果这方面的努力是富有成效的，将开启无线频谱资源利用的全新模式。

（4） 终端应用形态突破。自从苹果公司开创了智能手机应用的新模式以来，通信世界走向了“千机一面”的大一统局面，今后5？10年也正是孕育着物极必反的革命性变革的机遇期。3D、虚拟现实等新兴业务的发展以及可折叠显示屏（OLED）、柔性电子技术的日趋成熟，为这种变革提供了可能，孕育着崭新形式的个人通信终端信息承载平台的诞生。

（5） 网络支撑软件突破。根据业内专家的预计，通信网络的平台通用化将是其未来5？10年的主要发展趋势，现有的基于Linux命令行的开发系统难以满足通信网络的高效开发需求，网络操作系统将成为技术的制高点，也将是通信网络整个生态链中最核心的组成部分，所有的业务与应用都需要围绕网络操作系统来设计开发与生长。

参考文献：

[1]尤肖虎.网络通信融合发展与技术革命[J].中国科学：信息科学， 2017， 47： 144–148endprint