李進(jìn)良

【摘 要】首先回顧了現(xiàn)代通信的誕生與發(fā)展，指出人類即將進(jìn)入通信4.0感官泛在時(shí)代，隨后通過闡述移動通信5G的特征，分析人類信息技術(shù)的進(jìn)步與不足，提出非近軸光學(xué)為解決人類感官泛在的短板奠定了理論基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】5G+3D；通信4.0；非近軸光學(xué)

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 現(xiàn)代通信的誕生與發(fā)展

隨著19世紀(jì)中電報(bào)電話的發(fā)明，人類利用金屬導(dǎo)線，得以實(shí)現(xiàn)光速、遠(yuǎn)距離的文字語言溝通，進(jìn)入現(xiàn)代通信時(shí)代，到20世紀(jì)初，人們通過電磁波發(fā)明了無線電移動通信。人與人之間基本的必要通信需求得到滿足之后，自然而然會產(chǎn)生更高層次的需求。從20世紀(jì)50年代到現(xiàn)在，現(xiàn)代信息通信技術(shù)經(jīng)歷了半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)三次浪潮，給全球的社會、經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)和生活等方面帶來了巨大發(fā)展，帶動了不斷的本質(zhì)變革。當(dāng)前每一個(gè)人一年所接受的信息量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過200年前一個(gè)人一生接受的信息量。信息需求的高速膨脹和信息技術(shù)的突飛猛進(jìn)，共同推進(jìn)人類進(jìn)入信息社會。

上個(gè)世紀(jì)80年代，信息通信領(lǐng)域的巨大發(fā)明：貝爾實(shí)驗(yàn)室蜂窩通訊技術(shù)，為公眾移動通信發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，并經(jīng)歷了模擬化、數(shù)字化和IP化的發(fā)展。與此同時(shí)，美國國防部開發(fā)的計(jì)算機(jī)ARPA網(wǎng)，以IP協(xié)議為基礎(chǔ)，合并形成了世界規(guī)模的因特網(wǎng)，即互聯(lián)網(wǎng)。移動網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展與深度融合，形成了今天的移動互聯(lián)網(wǎng)。

2017年末，獲得IEEE杰出領(lǐng)導(dǎo)大獎(jiǎng)的李正茂先生新著《通信4.0》一書中描述的前通信4.0時(shí)代歷程如下：

（1）通信1.0時(shí)代：模擬通信——現(xiàn)代通信的原點(diǎn)，電話順風(fēng)耳的實(shí)現(xiàn)，相當(dāng)于1G時(shí)代，滿足了人類必要通信的需求；

（2）通信2.0時(shí)代：數(shù)字通信——香農(nóng)賦予通信數(shù)學(xué)之美，固定網(wǎng)與移動網(wǎng)的興起，相當(dāng)于2G、3G時(shí)代，滿足了人類普遍通信的需求；

（3）通信3.0時(shí)代：IP化通信網(wǎng)——大浪淘沙，IP笑到最后，移動互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，相當(dāng)于4G時(shí)代，滿足了人類信息消費(fèi)的需求，讓人得以更好地認(rèn)識世界、認(rèn)識自我，這是全民享受信息技術(shù)成果的時(shí)代，也是全面進(jìn)行信息消費(fèi)的時(shí)代。

截至2017年11月，我國4G用戶數(shù)近10億戶，實(shí)現(xiàn)了城區(qū)、縣城深度覆蓋，鄉(xiāng)鎮(zhèn)和重點(diǎn)行政村，以及高鐵、地鐵、高速、景區(qū)等基本覆蓋，建成了全球規(guī)模最大的4G網(wǎng)絡(luò)。4G的發(fā)展雖已滿足了人們高速上網(wǎng)的要求，深刻地改變了人們的生活，然而伴隨著移動數(shù)據(jù)流量的爆炸性增長，2010年開始進(jìn)入ZB（1021字節(jié)）時(shí)代。海量設(shè)備的連接、不斷涌現(xiàn)的各類新業(yè)務(wù)和應(yīng)用場景帶來了極大的挑戰(zhàn)，普通3D視頻流量只是傳統(tǒng)視頻流量的兩倍，而VR的流量一個(gè)60幀的4k視頻大約每分鐘就需要消耗1 GB到10 GB的流量，4G已難以滿足需求。在現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)中，頻繁的新功能啟用，使得網(wǎng)絡(luò)一直在不斷增補(bǔ)，網(wǎng)絡(luò)變得越來越臃腫，無法跟上互聯(lián)網(wǎng)日新月異的發(fā)展腳步。

2 通信4.0感官泛在時(shí)代

我國短短的40年，實(shí)現(xiàn)了移動通信從“1G買入”、“2G跟隨”、“3G突破”及“4G同步”的迅速跨越，人際網(wǎng)已趨飽和，下一步必然要向人物網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。我國第13個(gè)五年計(jì)劃提出建議：“實(shí)施網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國戰(zhàn)略，加快構(gòu)建高速、移動、安全、泛在的新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施”，通信4.0的理念是對中央這個(gè)號召很好的呼應(yīng)。

通信4.0時(shí)代應(yīng)是“訊息隨心至，萬物觸手及”。物聯(lián)網(wǎng)相當(dāng)于5G時(shí)代，將全面滿足人類感官泛在的逼真需求。人類五官獲取信息的能力，視覺占了90%，世界萬物是立體的，因此3D自然是感官泛在時(shí)代的核心，再者，3D也是目前最熱門的VR、AR、MR的基礎(chǔ)。

通信4.0實(shí)質(zhì)是IT產(chǎn)業(yè)與CT產(chǎn)業(yè)的深度融合。標(biāo)志著我國通信業(yè)2020年將進(jìn)入一個(gè)完全嶄新的發(fā)展階段，信息通信業(yè)及其相關(guān)的產(chǎn)業(yè)都將發(fā)生劃時(shí)代的變化。其內(nèi)涵為：

一是移動通信領(lǐng)域?qū)⑦~上5G的新發(fā)展階段；

二是互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域?qū)⒉饺搿盎ヂ?lián)網(wǎng)+”的紅利時(shí)代；

三是整個(gè)工業(yè)制造業(yè)將實(shí)現(xiàn)“中國制造2025”規(guī)劃的轉(zhuǎn)型升級。

3 移動通信5G的特征

由于4G的不足，因而人們寄希望于未來的移動網(wǎng)可以呈現(xiàn)全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、高效的網(wǎng)絡(luò)管理、更快的傳輸速率、更低的運(yùn)營成本和開放的網(wǎng)絡(luò)能力，5G系統(tǒng)就此誕生。它將滲透到未來社會的各個(gè)領(lǐng)域，以人為中心，構(gòu)建全方位的信息生態(tài)系統(tǒng)；將使信息突破時(shí)空限制，為用戶提供極佳的交互體驗(yàn)，并帶來身臨其境的視覺盛宴；將拉近人與萬物的距離，通過對千億設(shè)備的無縫連接能力，便捷地實(shí)現(xiàn)人與萬物的智能聯(lián)接；將為用戶提供光纖般的接入速率和零時(shí)延的使用體驗(yàn)，超高流量密度、超高連接數(shù)密度和超高移動性等多場景的滿意服務(wù)，以及業(yè)務(wù)及用戶感知的智能優(yōu)化；同時(shí)將為網(wǎng)絡(luò)帶來超百倍的能效提升，降低超百倍的比特成本；在滿足移動寬帶的基礎(chǔ)上，以垂直行業(yè)需求為導(dǎo)向，構(gòu)建靈活、動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，滿足不同行業(yè)需求。5G將滲透到社會的各個(gè)領(lǐng)域，最終實(shí)現(xiàn)“訊息隨心至，萬物觸手及”的總體遠(yuǎn)景。endprint

3.1 移動互聯(lián)網(wǎng)

移動互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)是未來移動通信發(fā)展的主要驅(qū)動力，將為5G提供廣闊的前景。移動互聯(lián)網(wǎng)顛覆了傳統(tǒng)移動通信的業(yè)務(wù)模式，為用戶提供前所未有的使用體驗(yàn)，深深影響了人們工作生活的方方面面。面向2020年，超高清、3D、VR的流行將會驅(qū)動數(shù)據(jù)速率大幅提升，大數(shù)據(jù)規(guī)模將達(dá)到40 ZB。例如一個(gè)8 Mbit·s-1的攝像頭一小時(shí)能產(chǎn)生28 MB（106字節(jié)）數(shù)據(jù)，現(xiàn)在我國正在推進(jìn)智慧城市，一個(gè)城市安裝幾十萬個(gè)交通和安防攝像頭，每月產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量將達(dá)幾十PB（1 015字節(jié)）；一個(gè)病人的CT影像數(shù)據(jù)量達(dá)幾十GB（109字節(jié)），全國每年門診人數(shù)以數(shù)十億計(jì)，并且他們的信息需要長時(shí)間保存。AR/MR、在線游戲等業(yè)務(wù)，不僅對上下行數(shù)據(jù)傳輸速率提出挑戰(zhàn)，也對時(shí)延提出了“無感知”的苛刻要求，5G的高頻小區(qū)是可以輕松承受這些業(yè)務(wù)流量需求的。未來社交網(wǎng)絡(luò)等OTT業(yè)務(wù)將會成為主導(dǎo)應(yīng)用之一，還將有大量的個(gè)人和辦公的數(shù)據(jù)被存儲在云端，海量實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交互，急需媲美光纖的傳輸速率，并且會在熱點(diǎn)區(qū)域?qū)σ苿油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)造成流量壓力。未來人們對各種應(yīng)用場景的通訊體驗(yàn)要求會越來越高，用戶希望能在體育場、露天集會、演唱會等超密集場景中以及高速汽車、高鐵、地鐵等高速移動環(huán)境下獲得高質(zhì)量3D的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。移動互聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展，將帶來未來移動流量超千倍的增長，推動移動通信技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的新一輪變革。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展了移動通信的服務(wù)范圍，從人與人延伸到人與物、物與物的智能互聯(lián)，使移動通信技術(shù)滲透到更加廣闊的行業(yè)與領(lǐng)域之中。在不遠(yuǎn)的將來，數(shù)以千億的設(shè)備將接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)真正的萬物互聯(lián)，將會推動物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用出現(xiàn)爆發(fā)式的增長，并衍生出規(guī)?？涨暗男屡d產(chǎn)業(yè)，為移動通信帶來無限生機(jī)。

物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)類型豐富多彩，業(yè)務(wù)特征也差異巨大。環(huán)境監(jiān)測、智能家居、智能電網(wǎng)、智能農(nóng)業(yè)和智能抄表等業(yè)務(wù)，都需要網(wǎng)絡(luò)支持海量設(shè)備連接和大量的小數(shù)據(jù)包頻發(fā)，將造成信令資源的大量消耗；視頻監(jiān)控、移動醫(yī)療等業(yè)務(wù)，對3D圖像質(zhì)量和傳輸速率提出了很高的要求；車聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)控制等業(yè)務(wù)，還要求毫秒級的時(shí)延和接近百分之百的可靠性；另外，大量物流網(wǎng)設(shè)備會部署在山區(qū)、森林等偏遠(yuǎn)地區(qū)以及室內(nèi)角落、地下室、隧道等信號難以覆蓋的地區(qū)，要求移動通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力進(jìn)一步增強(qiáng)；為了滲透到更多的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)中，5G應(yīng)具備更強(qiáng)的靈活性和可拓展性，以適應(yīng)海量的設(shè)備連接和多樣化的用戶需求。

4 人類信息技術(shù)的進(jìn)步與不足

隨著社會文明的進(jìn)步，人類逐步脫離了蒙昧的原始狀態(tài)，步入今天的信息時(shí)代。信息鏈有5個(gè)環(huán)節(jié)：獲取、處理、存儲、傳輸及顯示。

（1）信息獲取是從給定的環(huán)境背景（噪聲）中提取有用的信息。人類獲取信息主要靠自身眼、耳、鼻、舌、身五官，特別是視覺占了舉足輕重的關(guān)鍵地位。憑借發(fā)明的各種各樣的傳感工具與遙感、遙測手段，擴(kuò)展了感官外延獲取信息的能力。但是感官外延獲取信息的能力仍有局限。

（2）信息存儲是將信息以某種形式從時(shí)間上的某一點(diǎn)轉(zhuǎn)移到另一點(diǎn)。書籍就是較早的信息存儲方式，人類發(fā)明了各種存儲介質(zhì)不斷增長存儲容量，例如海量的云存儲。

（3）信息傳輸是將信息以某種形式從空間上的某一點(diǎn)轉(zhuǎn)移到另一點(diǎn)。從最早的烽火狼煙到19世紀(jì)的電報(bào)電話，電信以光速傳輸文字和話音，這個(gè)革命性的飛躍是現(xiàn)代通信的肇始。

（4）信息處理是將獲得的信息加以變換，便于提取有用的信息，以提高其可利用性。有用信息日積月累，才有知識，才逐步形成科學(xué)。特別是計(jì)算機(jī)大大提高了人類處理信息的能力。

（5）信息顯示是將信息以某種形式加以重現(xiàn)，供人類的聽覺或視覺感知，其最重要的指標(biāo)是所顯示信息的精確性和完備性。在聽覺方面的進(jìn)步比較理想，由單聲道到雙聲道，到立體聲，再到繞立體聲。遺憾的是，在視覺方面的發(fā)展卻不夠理想，仍停留在由二維剛剛起步過渡到三維世界的水平。

5 當(dāng)前人類感官泛在的短板

人類五官獲取信息的能力中，視覺占了90%，世界萬物本來是立體的，自然地，3D是感官泛在時(shí)代的核心，數(shù)字化后的現(xiàn)階段，在3D信息的獲取、處理、存儲、傳輸與顯示5個(gè)環(huán)節(jié)雖有長足的進(jìn)步，但滿足大眾化的能力各有差異。由于計(jì)算機(jī)的進(jìn)步，處理3D信息這個(gè)環(huán)節(jié)完全沒有問題；由于以4G構(gòu)成的移動互聯(lián)網(wǎng)遍布全國，萬物互聯(lián)的5G使廉價(jià)而快速傳輸3D信息這個(gè)環(huán)節(jié)更輕而易舉；由于云存儲技術(shù)的進(jìn)步，存儲3D信息這個(gè)環(huán)節(jié)也非常簡單；3D信息的獲取尚需昂貴的立體拍攝設(shè)備，比較難實(shí)現(xiàn)；在3D信息顯示方面，看立體電影尚需到巨幕電影院，看立體電視尚需去買昂貴的3D電視機(jī)，看VR因3D技術(shù)不完善會有頭暈等不適。因此，信息獲取和信息顯示這2個(gè)環(huán)節(jié)還不具備大眾化普及的條件，是進(jìn)入感官泛在時(shí)代的短板。

6 非近軸光學(xué)為解決短板奠定了理論基礎(chǔ)

學(xué)電子光學(xué)出身的丁守謙教授的理想是“讓立體像像立體聲一樣走進(jìn)千家萬戶”，他毅然放棄了激光全息的技術(shù)路線，創(chuàng)建了非近軸光學(xué)，這是一項(xiàng)未被研究的理論，基于此新理論衍生出兩項(xiàng)已授權(quán)的3D發(fā)明專利，成像質(zhì)量非常高。2009年，在宇龍酷派的協(xié)助下，丁守謙教授做出了全球第一款“雙攝像頭的3D手機(jī)”，在上海國際3D會議上報(bào)告并演示；2012年，在北京國際通信展，丁守謙教授展出了“丁氏立體眼鏡”，用它可以在手機(jī)、筆記本電腦、電視機(jī)或投影的各種大小屏幕上欣賞3D節(jié)目，而且是高清晰、高亮度、全彩色的。2013年北京國際通信展上，丁守謙教授又展出“個(gè)人立體影院”，可以不戴任何專用的3D眼鏡（也可說是準(zhǔn)裸眼）就能看出生動的靜態(tài)或動態(tài)的大屏幕立體像，等同于巨幕立體電影院的效果。特別需要指出的，這是目前世界獨(dú)一無二具有最高質(zhì)量的立體顯示平臺，而且本身就是和4G（如果5G技術(shù)成熟，就直接與5G）相結(jié)合，可應(yīng)用于遠(yuǎn)程醫(yī)療等需要精確顯示的領(lǐng)域，手機(jī)制造廠都可以大規(guī)模生產(chǎn)，預(yù)計(jì)價(jià)格不會比iPhone、iPAD高，為大眾化的3D信息顯示提供了價(jià)廉物美的手段。

7 建議5G+3D技術(shù)路線

世界本來是3D的，由于人類科技發(fā)展的局限性，不得不用2D來顯示萬物，自3D電影阿凡達(dá)上演開辟了3D新紀(jì)元，信息的顯示必然從2D向3D過渡，信息的傳遞也必然從3G向4G/5G過渡。就3D信息而言，處理、存儲、傳輸3個(gè)環(huán)節(jié)完全具備大眾化普及的條件，因此我們針對3D大眾化的短板另辟蹊徑，深入研究，取得了2項(xiàng)發(fā)明，建議的5G+3D技術(shù)路線是：以雙攝像頭3D手機(jī)來解決3D信息的拍攝獲?。灰?G/5G網(wǎng)絡(luò)與云計(jì)算來滿足3D信息的處理、存儲與傳輸；以我們的發(fā)明立體眼鏡、立體影院來解決3D信息的顯示，這是一個(gè)可以還原世界本來面目的比較完整的技術(shù)體系，完全有條件推廣應(yīng)用，如能實(shí)施，必將全面迅速推進(jìn)我國的5G+3D新興產(chǎn)業(yè)。

8 決不應(yīng)讓5G+3D錯(cuò)過良機(jī)

4G+3D的技術(shù)路線與3D顯示發(fā)明專利的提出已有四年了，如果業(yè)界還在猶豫，開始醒悟過來的國際信息通信界又將以其雄厚的基礎(chǔ)與巨大的能量重新利用起3D這項(xiàng)技術(shù)占領(lǐng)全球市場，我國就將丟失這一發(fā)展良機(jī)。就像2000年，我們在美國SID會議宣讀的論文就提出發(fā)展觸摸屏手機(jī)，5年后卻被喬布斯掌控的蘋果iPhone iPAD占據(jù)領(lǐng)先地位了；我們曾經(jīng)為中國的TD-SCDMA、TD-LTE發(fā)表了很多文章呼吁，出版了《創(chuàng)新的憂思》、《創(chuàng)新的吶喊》；今天我們還在為我國5G+3D的前途憂思，還將為我國自主創(chuàng)新的3D發(fā)明繼續(xù)吶喊，希望業(yè)界能大力推廣應(yīng)用具有拍攝立體影像功能的3D智能手機(jī)，從而使百姓可自拍并能自行發(fā)布立體微電影，用丁氏立體眼鏡、個(gè)人立體影院在家觀看3D電影。3D的推廣，在文化、醫(yī)療、教育、安全、國防等各行各業(yè)都可以應(yīng)用，就必須提前布局，形成合力，找到風(fēng)口，這樣就會相應(yīng)推進(jìn)4G的升級與5G的部署，必然大大推進(jìn)中國的信息產(chǎn)業(yè)與信息消費(fèi)進(jìn)入感官泛在的通信4.0時(shí)代。據(jù)粗略估計(jì)，3D將有10萬億元的市場規(guī)模。在技術(shù)推動與市場牽引二者的合力驅(qū)動下，未來我國3D、VR就可以與5G共同發(fā)展。endprint