感官泛在的通信4.0时代

【摘 要】首先回顾了现代通信的诞生与发展，指出人类即将进入通信4.0感官泛在时代，随后通过阐述移动通信5G的特征，分析人类信息技术的进步与不足，提出非近轴光学为解决人类感官泛在的短板奠定了理論基础。

【关键词】5G+3D；通信4.0；非近轴光学

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 现代通信的诞生与发展

随着19世纪中电报电话的发明，人类利用金属导线，得以实现光速、远距离的文字语言沟通，进入现代通信时代，到20世纪初，人们通过电磁波发明了无线电移动通信。人与人之间基本的必要通信需求得到满足之后，自然而然会产生更高层次的需求。从20世纪50年代到现在，现代信息通信技术经历了半导体、计算机、互联网三次浪潮，给全球的社会、经济、生产和生活等方面带来了巨大发展，带动了不断的本质变革。当前每一个人一年所接受的信息量，远远超过200年前一个人一生接受的信息量。信息需求的高速膨胀和信息技术的突飞猛进，共同推进人类进入信息社会。

上个世纪80年代，信息通信领域的巨大发明：贝尔实验室蜂窝通讯技术，为公众移动通信发展奠定了基础，并经历了模拟化、数字化和IP化的发展。与此同时，美国国防部开发的计算机ARPA网，以IP协议为基础，合并形成了世界规模的因特网，即互联网。移动网与互联网的高速发展与深度融合，形成了今天的移动互联网。

2017年末，获得IEEE杰出领导大奖的李正茂先生新著《通信4.0》一书中描述的前通信4.0时代历程如下：

（1）通信1.0时代：模拟通信——现代通信的原点，电话顺风耳的实现，相当于1G时代，满足了人类必要通信的需求；

（2）通信2.0时代：数字通信——香农赋予通信数学之美，固定网与移动网的兴起，相当于2G、3G时代，满足了人类普遍通信的需求；

（3）通信3.0时代：IP化通信网——大浪淘沙，IP笑到最后，移动互联网的出现，相当于4G时代，满足了人类信息消费的需求，让人得以更好地认识世界、认识自我，这是全民享受信息技术成果的时代，也是全面进行信息消费的时代。

截至2017年11月，我国4G用户数近10亿户，实现了城区、县城深度覆盖，乡镇和重点行政村，以及高铁、地铁、高速、景区等基本覆盖，建成了全球规模最大的4G网络。4G的发展虽已满足了人们高速上网的要求，深刻地改变了人们的生活，然而伴随着移动数据流量的爆炸性增长，2010年开始进入ZB（1021字节）时代。海量设备的连接、不断涌现的各类新业务和应用场景带来了极大的挑战，普通3D视频流量只是传统视频流量的两倍，而VR的流量一个60帧的4k视频大约每分钟就需要消耗1 GB到10 GB的流量，4G已难以满足需求。在现有的4G网络中，频繁的新功能启用，使得网络一直在不断增补，网络变得越来越臃肿，无法跟上互联网日新月异的发展脚步。

2 通信4.0感官泛在时代

我国短短的40年，实现了移动通信从“1G买入”、“2G跟随”、“3G突破”及“4G同步”的迅速跨越，人际网已趋饱和，下一步必然要向人物网、物联网发展。我国第13个五年计划提出建议：“实施网络强国战略，加快构建高速、移动、安全、泛在的新一代信息基础设施”，通信4.0的理念是对中央这个号召很好的呼应。

通信4.0时代应是“讯息随心至，万物触手及”。物联网相当于5G时代，将全面满足人类感官泛在的逼真需求。人类五官获取信息的能力，视觉占了90%，世界万物是立体的，因此3D自然是感官泛在时代的核心，再者，3D也是目前最热门的VR、AR、MR的基础。

通信4.0实质是IT产业与CT产业的深度融合。标志着我国通信业2020年将进入一个完全崭新的发展阶段，信息通信业及其相关的产业都将发生划时代的变化。其内涵为：

一是移动通信领域将迈上5G的新发展阶段；

二是互联网领域将步入“互联网+”的红利时代；

三是整个工业制造业将实现“中国制造2025”规划的转型升级。

3 移动通信5G的特征

由于4G的不足，因而人们寄希望于未来的移动网可以呈现全新的网络架构、高效的网络管理、更快的传输速率、更低的运营成本和开放的网络能力，5G系统就此诞生。它将渗透到未来社会的各个领域，以人为中心，构建全方位的信息生态系统；将使信息突破时空限制，为用户提供极佳的交互体验，并带来身临其境的视觉盛宴；将拉近人与万物的距离，通过对千亿设备的无缝连接能力，便捷地实现人与万物的智能联接；将为用户提供光纤般的接入速率和零时延的使用体验，超高流量密度、超高连接数密度和超高移动性等多场景的满意服务，以及业务及用户感知的智能优化；同时将为网络带来超百倍的能效提升，降低超百倍的比特成本；在满足移动宽带的基础上，以垂直行业需求为导向，构建灵活、动态的网络，满足不同行业需求。5G将渗透到社会的各个领域，最终实现“讯息随心至，万物触手及”的总体远景。

3.1 移动互联网

移动互联网与物联网是未来移动通信发展的主要驱动力，将为5G提供广阔的前景。移动互联网颠覆了传统移动通信的业务模式，为用户提供前所未有的使用体验，深深影响了人们工作生活的方方面面。面向2020年，超高清、3D、VR的流行将会驱动数据速率大幅提升，大数据规模将达到40 ZB。例如一个8 Mbit·s-1的摄像头一小时能产生28 MB（106字节）数据，现在我国正在推进智慧城市，一个城市安装几十万个交通和安防摄像头，每月产生的数据量将达几十PB（1 015字节）；一个病人的CT影像数据量达几十GB（109字节），全国每年门诊人数以数十亿计，并且他们的信息需要长时间保存。AR/MR、在线游戏等业务，不仅对上下行数据传输速率提出挑战，也对时延提出了“无感知”的苛刻要求，5G的高频小区是可以轻松承受这些业务流量需求的。未来社交网络等OTT业务将会成为主导应用之一，还将有大量的个人和办公的数据被存储在云端，海量实时的数据交互，急需媲美光纤的传输速率，并且会在热点区域对移动通信网络造成流量压力。未来人们对各种应用场景的通讯体验要求会越来越高，用户希望能在体育场、露天集会、演唱会等超密集场景中以及高速汽车、高铁、地铁等高速移动环境下获得高质量3D的业务体验。移动互联网的进一步发展，将带来未来移动流量超千倍的增长，推动移动通信技术和产业的新一轮变革。

3.2 物联网

物联网扩展了移动通信的服务范围，从人与人延伸到人与物、物与物的智能互联，使移动通信技术渗透到更加广阔的行业与领域之中。在不远的将来，数以千亿的设备将接入网络，实现真正的万物互联，将会推动物联网应用出现爆发式的增长，并衍生出规模空前的新兴产业，为移动通信带来无限生机。

物联网业务类型丰富多彩，业务特征也差异巨大。环境监测、智能家居、智能电网、智能农业和智能抄表等业务，都需要网络支持海量设备连接和大量的小数据包频发，将造成信令资源的大量消耗；视频监控、移动医疗等业务，对3D图像质量和传输速率提出了很高的要求；车联网和工业控制等业务，还要求毫秒级的时延和接近百分之百的可靠性；另外，大量物流网设备会部署在山区、森林等偏远地区以及室内角落、地下室、隧道等信号难以覆盖的地区，要求移动通信网络的覆盖能力进一步增强；为了渗透到更多的物联网业务中，5G应具备更强的灵活性和可拓展性，以适应海量的设备连接和多样化的用户需求。

4 人类信息技术的进步与不足

随着社会文明的进步，人类逐步脱离了蒙昧的原始状态，步入今天的信息时代。信息链有5个环节：获取、处理、存储、传输及显示。

（1）信息获取是从给定的环境背景（噪声）中提取有用的信息。人类获取信息主要靠自身眼、耳、鼻、舌、身五官，特别是视觉占了举足轻重的关键地位。凭借发明的各种各样的传感工具与遥感、遥测手段，扩展了感官外延获取信息的能力。但是感官外延获取信息的能力仍有局限。

（2）信息存储是将信息以某种形式从时间上的某一点转移到另一点。书籍就是较早的信息存储方式，人类发明了各种存储介质不断增长存储容量，例如海量的云存储。

（3）信息传输是将信息以某种形式从空间上的某一点转移到另一点。从最早的烽火狼烟到19世纪的电报电话，电信以光速传输文字和话音，这个革命性的飞跃是现代通信的肇始。

（4）信息处理是将获得的信息加以变换，便于提取有用的信息，以提高其可利用性。有用信息日积月累，才有知识，才逐步形成科学。特别是计算机大大提高了人类处理信息的能力。

（5）信息显示是将信息以某种形式加以重现，供人类的听觉或视觉感知，其最重要的指标是所显示信息的精确性和完备性。在听觉方面的进步比较理想，由单声道到双声道，到立体声，再到绕立体声。遗憾的是，在視觉方面的发展却不够理想，仍停留在由二维刚刚起步过渡到三维世界的水平。

5 当前人类感官泛在的短板

人类五官获取信息的能力中，视觉占了90%，世界万物本来是立体的，自然地，3D是感官泛在时代的核心，数字化后的现阶段，在3D信息的获取、处理、存储、传输与显示5个环节虽有长足的进步，但满足大众化的能力各有差异。由于计算机的进步，处理3D信息这个环节完全没有问题；由于以4G构成的移动互联网遍布全国，万物互联的5G使廉价而快速传输3D信息这个环节更轻而易举；由于云存储技术的进步，存储3D信息这个环节也非常简单；3D信息的获取尚需昂贵的立体拍摄设备，比较难实现；在3D信息显示方面，看立体电影尚需到巨幕电影院，看立体电视尚需去买昂贵的3D电视机，看VR因3D技术不完善会有头晕等不适。因此，信息获取和信息显示这2个环节还不具备大众化普及的条件，是进入感官泛在时代的短板。

6 非近轴光学为解决短板奠定了理论基础

学电子光学出身的丁守谦教授的理想是“让立体像像立体声一样走进千家万户”，他毅然放弃了激光全息的技术路线，创建了非近轴光学，这是一项未被研究的理论，基于此新理论衍生出两项已授权的3D发明专利，成像质量非常高。2009年，在宇龙酷派的协助下，丁守谦教授做出了全球第一款“双摄像头的3D手机”，在上海国际3D会议上报告并演示；2012年，在北京国际通信展，丁守谦教授展出了“丁氏立体眼镜”，用它可以在手机、笔记本电脑、电视机或投影的各种大小屏幕上欣赏3D节目，而且是高清晰、高亮度、全彩色的。2013年北京国际通信展上，丁守谦教授又展出“个人立体影院”，可以不戴任何专用的3D眼镜（也可说是准裸眼）就能看出生动的静态或动态的大屏幕立体像，等同于巨幕立体电影院的效果。特别需要指出的，这是目前世界独一无二具有最高质量的立体显示平台，而且本身就是和4G（如果5G技术成熟，就直接与5G）相结合，可应用于远程医疗等需要精确显示的领域，手机制造厂都可以大规模生产，预计价格不会比iPhone、iPAD高，为大众化的3D信息显示提供了价廉物美的手段。

7 建议5G+3D技术路线

世界本来是3D的，由于人类科技发展的局限性，不得不用2D来显示万物，自3D电影阿凡达上演开辟了3D新纪元，信息的显示必然从2D向3D过渡，信息的传递也必然从3G向4G/5G过渡。就3D信息而言，处理、存储、传输3个环节完全具备大众化普及的条件，因此我们针对3D大众化的短板另辟蹊径，深入研究，取得了2项发明，建议的5G+3D技术路线是：以双摄像头3D手机来解决3D信息的拍摄获取；以4G/5G网络与云计算来满足3D信息的处理、存储与传输；以我们的发明立体眼镜、立体影院来解决3D信息的显示，这是一个可以还原世界本来面目的比较完整的技术体系，完全有条件推广应用，如能实施，必将全面迅速推进我国的5G+3D新兴产业。

8 决不应让5G+3D错过良机

4G+3D的技术路线与3D显示发明专利的提出已有四年了，如果业界还在犹豫，开始醒悟过来的国际信息通信界又将以其雄厚的基础与巨大的能量重新利用起3D这项技术占领全球市场，我国就将丢失这一发展良机。就像2000年，我们在美国SID会议宣读的论文就提出发展触摸屏手机，5年后却被乔布斯掌控的苹果iPhone iPAD占据领先地位了；我们曾经为中国的TD-SCDMA、TD-LTE发表了很多文章呼吁，出版了《创新的忧思》、《创新的呐喊》；今天我们还在为我国5G+3D的前途忧思，还将为我国自主创新的3D发明继续呐喊，希望业界能大力推广应用具有拍摄立体影像功能的3D智能手机，从而使百姓可自拍并能自行发布立体微电影，用丁氏立体眼镜、个人立体影院在家观看3D电影。3D的推广，在文化、医疗、教育、安全、国防等各行各业都可以应用，就必须提前布局，形成合力，找到风口，这样就会相应推进4G的升级与5G的部署，必然大大推进中国的信息产业与信息消费进入感官泛在的通信4.0时代。据粗略估计，3D将有10万亿元的市场规模。在技术推动与市场牵引二者的合力驱动下，未来我国3D、VR就可以与5G共同发展。

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