第五代移動互聯網林金桐，許曉東
互聯網的物理層：光纖網絡“互聯網是人類有史以來最具顛覆性的科技”。美國生活科學網站的這項評定，充分顯示了互聯網對世界歷史的影響力和它在網民心目中的地位。互聯網的物理層是由光纖構成的。基于光纖通信技術的逐年發展，特別是幾次里程碑式的技術進步，才有了今天發達的互聯網。
2009年，諾貝爾物理學獎授予了華裔科學家、光纖之父高錕博士。評委會對于43年前的這項發明所給予的崇高評價，是通過描述互聯網來表達的——“光流動在細小如線的玻璃絲中，它攜帶著各種信息數據傳遞向每一個方向，文本、音樂、圖片和視頻因此能在瞬間傳遍全球。”
林金桐與光纖之父高錕（中）、霍肯（左）。2008年
在光纖通信的發展過程中，還產生過更早的一項諾貝爾物理學獎。2000年度諾貝爾物理學獎授予雙異質結半導體激光器的發明人、俄羅斯科學家若列斯·伊萬諾維奇·阿爾費羅夫。
阿爾費羅夫擔任北郵名譽教授。2006年
20世紀80年代，摻鉺光纖放大器（EDFA）[3]的出現使得光纖通信告別了光—電—光轉換的中繼模式。英國南安普頓大學的甘柏林教授和佩恩教授領導的研究組所取得的成就解決了限制系統容量和質量提高的本質問題——光損耗。光纖放大器不僅補償了光纖本身的損耗，實現了光纖長距離傳輸；而且大大增加了功率預算的冗余，使得系統中可以引入各種新型光器件。更重要的是，由于光纖放大器具備對于波長、偏振、調制速率和調制格式透明的特性，使波分復用（WDM）技術得以實現。
佩恩擔任北郵名譽教授。2007年
華裔美籍科學家、美國光學學會前任會長厲鼎毅博士為20世紀90年代波分復用技術的推廣應用做出了貢獻。由于應用了WDM技術，光纖傳輸的帶寬容量得到百倍千倍地增加，網絡的比特傳輸成本也因此大幅度下降。
厲鼎毅訪問北郵，與光通信研究生合影。2005
正是在這樣的光通信技術的背景下，跨越世紀（1997-2004年）的全球超級互聯網（global super internet）計劃付諸實施。這個工程使用了30萬公里海底光纜和陸纜，將全世界171個國家和地區連接起來，分設265個登陸站，耗資達140億美元。工程采用EDFA技術和密集波分復用（DWDM）技術，使長途海底路由達到640 Gbit/s，陸地和短途海底線路速率高達1.92 Tbit/s。 這項工程，與各國內部的光纖網絡相連接，就是今天全球互聯網的基礎設施。光纖通信的技術還在進步。數字相干技術的問世，偏分復用-正交相移鍵控（PDM-QPSK）的100 Gbit/s相干系統已經商用。更高速率的幅度和相位聯合鍵控（PDM-16QAM）的400 Gbit/s相干系統也已經形成了標準。正是不斷進步的光纖通信技術，支撐著互聯網的持續快速的發展。
互聯網的演進互聯網的演進過程見表1。協議，從一開始就在網絡標準中占據著支配的地位。第一代（1G）互聯網是用傳輸控制協議（TCP）和互聯網協議（IP）來規定互聯網的基本架構。因此，人們稱呼當年領導協議制定工作的文頓·瑟夫和羅伯特·凱恩為互聯網之父。
文頓?瑟夫擔任北郵名譽教授。2004年
羅伯特?凱恩與林金桐。2010
[pagebreak] 萬維網（world wide web, WWW）技術[6]的誕生和超文本傳輸協議（HTTP）的引入開啟了互聯網的第二代（2G）。從此，成千上萬的WWW網站問世。英國學者蒂姆·伯納斯·李對于互聯網的這項貢獻，贏得了人們對他的尊重。2012年，蒂姆·伯納斯·李應邀在倫敦奧運會開幕式上亮相。他拿著話筒，對全世界說了一句“這（互聯網）是為每一個人的！”這句話概括了互聯網早期開拓者們的奉獻精神。互聯網上有人說，假如瑟夫、凱恩和李為自己的發明申請專利，獲取報酬，他們如今應該會是世界首富。
又過了幾年，Web2.0問世。Web 2.0 的核心是用戶創建和分享內容，這要歸功于提姆·奧瑞利[7]。從此，博客、BBS、個人出版成為互聯網上的廣泛應用，維基百科（Wikipedia）這樣的網站也應運而生。
互聯網不僅能像傳統電話網一樣，將人和人連接起來，還能把網站和網站連接起來。互聯網提供的不是簡單的話路連接，互聯網能夠向全世界提供知識、信息和智能。盡管互聯網的物理層與傳統電話網可以有很大部分的重合，但互聯網是把人類星球連接成為一個地球村的嶄新的信息網絡。于是，社會學家開始使用一個詞匯：互聯網時代。
接下來，出現了一批開發互聯網應用服務，并且創造經濟奇跡的年輕人：雅虎的楊致遠、費羅，谷歌的佩奇、布林，Facebook的扎克伯格，Twitter的威廉姆斯等。這個時期（3G）的互聯網主導服務除了電子商務，又增加了搜索引擎和社交空間。中國后來跟上的年輕人也干得同樣出色：阿里巴巴、騰訊、百度、網易……
是喬布斯的蘋果公司讓一個原本只能打電話發短信的手機，加上了智能，拓展成為互聯網的終端設備。這是一個了不起的進步。原先的互聯網隨著光纖和網線，送到樓、送到戶、送到屋、送到桌、送到了網絡終端：個人電腦。現在，移動通信和智能手機，把互聯網的終端真正交給了每個人口袋里的手機。帶著手機的網民，在任何時候、任何地方都在網上。
從此，就有了一個新詞：移動互聯。
移動通信的演進人類對于移動通信的設想，伴隨著馬可尼1896年發明無線電技術就產生了。早在20世紀20年代，歐美一些國家就曾經有過車載無線電系統問世。
現代蜂窩無線移動通信（cellular radio mobile communication）的概念是美國的貝爾實驗室在1947年提出的[9]，并于1958年向美國聯邦通信委員會（FCC）提出了建議。1977年，貝爾實驗室完成了可行性技術論證。1978年，他們成功地進行了芝加哥先進移動電話系統（advanced mobile phone system, AMPS）的試驗。
三十多年來移動通信的演進過程中各代系統的主要特點參見表2。
第二代（2G）移動通信系統采用了數字信號技術。多址方式采用了時分多址（TDMA）和窄帶碼分多址（CDMA），有歐洲的全球移動通信系統（GSM）和美國的暫時-95（IS-95）兩個主流標準。中國移動采用了GSM標準，后來成立的中國聯通則采用了IS-95標準。2G可以提供更豐富的業務，并且在保密性、頻譜利用效率方面都有顯著的提高，推動了移動通信系統的全球普及。
第三代（3G）通信系統，國際電信聯盟（ITU）將其命名為國際移動通信-2000（IMT-2000）。3G有3個主流技術標準，分別是歐洲提出的WCDMA、美國提出的cdma2000和中國提出的TD-SCDMA，于2000年發布。3G的大規模商用使得更高速率及更高質量的業務成為移動通信服務的主要內容。
CDMA之父雅各布應邀參加北郵50年校慶。2005年
到了第四代（4G）移動通信系統，無線傳輸技術獲得了進一步的突破。基于正交頻分復用（OFDM）及多入多出（MIMO）等關鍵技術的應用，使網絡容量、蜂窩邊緣性能、系統延遲等性能指標都得到了較好的改善。移動通信的發展史，是載波頻率不斷向高頻遷移的歷史；是數據速率不斷提高的歷史；也是應用服務內容不斷拓展的歷史。發展至今的移動通信，已經與互聯網相連接，與互聯網密不可分。因此，今天的移動網，不僅是人與人之間的通信網，更是一張可以讓移動著的網民獲取知識、搜索信息、進行社交、開展商務的網絡。
光纖網絡、無線移動網絡，幾十年來不斷地增強傳輸能力、增加接入帶寬，根本的驅動力是視頻。3 分鐘語音的信息量為2.9 兆比特，3 分鐘 CD質量的音樂為125兆比特，而3 分鐘的高清電視則高達150千兆比特。即使利用圖像壓縮技術，可以減少視頻帶寬，但視頻所需的傳輸帶寬仍然是語音和音樂的幾十倍、幾百倍。正是為了把視頻傳到網絡終端、送往手機屏幕，促使互聯網和移動互聯網不斷地增加帶寬。
隨著移動通信技術的升級換代和用戶需求的擴展，與移動接入相配合的技術標準相繼形成。針對無線局域網（WLAN）和無線個域網（WPAN），產生了IEEE 802.11a/b/g/n、 藍牙、ECMA-387、 Wi-Fi VHT、ZigBee、WiMedia等各項標準。表3列出了部分主要標準的技術參數和應用場景。
物聯網的興起傳感技術，無論是在物理學領域還是在信息通信領域，一直是一個重要的研究方向。伴隨著最近30年來移動通信的進步，無線傳感器網絡的研究取得了重大進展。
現代微型傳感器，已經具備3種能力：感知、計算和通信。而且具有體積小、能耗小的特征。現代無線傳感器網絡將傳感器、嵌入式計算、分布式信息處理和無線通信技術結合在一起，能將感知信息通過多跳的方式傳輸給用戶。又可以做到傳感器節點相對密集。這些節點既可以是靜止的，也可以是移動的。網絡還具備通信路徑自組織能力（Ad-Hoc）。
將現代傳感器網絡與互聯網聯接，是世間人類和萬物的聯接，有著極其廣闊的發展前景和極其深遠的歷史意義。
正是在這樣的背景下，產生了物聯網（Internet of things, IOT）的概念。2005年，在信息社會世界峰會（WSIS）上，國際電信聯盟發布了《ITU互聯網報告2005：物聯網》。報告指出，無所不在的“物聯網”通信時代即將來臨，世界上所有的物體從輪胎到牙刷、從房屋到紙巾都可以通過因特網主動進行信息交換。射頻識別技術（RFID）、傳感器技術、納米技術、智能嵌入技術將得到更加廣泛的應用。
2012年，全球聯網的無線傳感器的數量是87億。業界預測，到2020年，將達到500億。占無線傳感器總量的比例，即滲透率，將從2012年的0.6%增加到2020年的2.7%。如圖1所示
第五代移動互聯網按技術、按功能劃分，互聯網和移動通信網都經歷了4代發展演進。天作之合！可以把下一代網絡統稱為“第五代移動互聯網”。
1、特征第五代移動互聯網是互聯網、移動通信網和物聯網的融合；將實現50億互聯網、移動網用戶和500億物聯網設備的互聯。
互聯網和移動通信網在較長的發展過程中不斷的進行技術借鑒并最終走向融合，在過去近十年的發展過程中，逐漸融合成為移動互聯網；并在智能終端的普及下迅速進入高速發展階段，也進一步促使移動互聯網與物聯網技術產生交集，使得物聯網成為第五代移動互聯網的重要內容，得以在行業應用及個人用戶市場發揮強大作用。
2、關鍵技術指標針對第五代移動互聯網，5G移動通信技術和光纖通信技術將是提供用戶網絡接入功能的關鍵技術，目前5G移動通信系統正在研發之中，其關鍵技術指標也在逐漸明確。互聯網技術也在向“互聯網＋”方向進一步演進。另外，智能家居、智能醫療、智能電網等物聯網技術的行業應用也對移動互聯網的發展提出了新的需求。
在無線接入能力方面，5G移動通信系統的指標將是第五代移動互聯網接入技術的代表。業內專家普遍認為，5G系統的需求及關鍵技術性能指標主要包括六個方面。圖2采用“5G之花”的形式繪出5G的性能指標。“5G之花”的6枚花瓣分別介紹如下。
用戶無線接入速率：100 Mbit/s～1 Gbit/s。
無線接入峰值速率：數十Gbit/s。
設備連接密度：在體育館、露天集會等接入設備眾多的場合，達到每平方公里連接設備數目達100萬個。
端到端傳輸時延：毫秒級。
數據流量密度：在室內熱點覆蓋場景，達到每平方公里數十Tbit/s。
用戶移動性：保證在速度為500 km/h的高速移動時，用戶能夠正常通信。
除此6項指標以外，與目前應用的4G移動通信系統相比，5G系統的頻譜效率將有5~15倍的提升，在能量效率和降低成本兩個方面期望達到百倍以上的提升，以期對第五代移動互聯網的高密度的設備接入提供更好的支撐能力。
[pagebreak] 第五代移動互聯網未來關鍵技術從5G移動通信技術、互聯網技術、物聯網技術3方面來看，影響第五代移動互聯網未來發展的關鍵技術將主要包括高頻段通信、大規模MIMO、小蜂窩、云無線接入網和光載無線（radio over fiber，ROF）技術等網絡接入技術；軟件定義網絡（software defined network，SDN）、內容分發網絡（content distribution network，CDN）等互聯網技術和機器通信（machine type communication，MTC）等物聯網技術。上述關鍵技術的引入，將對促進第五代移動互聯網的健康發展奠定良好的基礎。
（1）高頻段通信
目前，適合移動通信無線傳輸的低頻頻段已經基本被占用，針對未來的5G系統研發，采用高頻段通信將成為重要的技術手段。
移動通信的學者和企業的研發工程師，近年來在一個很寬的頻譜范圍內不懈探索，從6 GHz、15 GHz、28 GHz、60 GHz到79~90 GHz，在這些頻段開發的試驗系統在無線傳輸測試中最高傳輸速率可達到115 Gbit/s。采用不同高頻頻段的5G試驗系統也已經逐步出現。
（2）大規模MIMO技術
貝爾實驗室在20世紀90年代提出的MIMO技術是4G系統的主要技術之一。隨著5G技術的研發，大規模MIMO技術成為新的研究熱點，大規模MIMO技術可以充分挖掘空間維度資源，可以進一步提高移動通信的頻譜效率及功率效率。 但是在復雜的實際無線環境中，實現具備實用性的大規模MIMO技術仍然是目前較大的挑戰。
（3）小蜂窩技術
世界移動通信的現狀是數百萬蜂窩覆蓋著50億移動用戶。這樣的宏蜂窩（macrocell）基站覆蓋半徑約為2 km。理論上可以證明，蜂窩小型化是提高系統容量、減少系統能耗的重要方法。20年前，人們把小蜂窩統稱為微蜂窩（microcell）。現在，參照毫、微、納、皮、飛的進位表示法，把蜂窩半徑為200m的蜂窩稱為皮蜂窩（picocell），半徑為10 m的蜂窩稱為飛蜂窩（femtocell），以便精細地設計第五代移動互聯網。
皮蜂窩適合于戶外，飛蜂窩適合于室內。宏蜂窩基站的傳輸功率約為40 W，而皮蜂窩和飛蜂窩分別只需2W和0.1W。同時，小蜂窩的總體硬件成本可以大大低于宏蜂窩，而且更適合實現室內等熱點區域的覆蓋。
移動通信國際標準化組織第三代移動通信伙伴計劃（3GPP）也對小蜂窩技術進行了標準化研究。
應當指出，小蜂窩技術在帶來容量提升的過程中也帶來了新的問題，例如小區增多將引起干擾源的增加，小蜂窩的高密度混合部署也會使用戶的切換更加頻繁等，這使得5G系統的組網技術面臨挑戰。
（4）云無線接入網技術
云無線接入網（C-RAN）是針對5G大容量數據業務傳輸的組網方案。將云計算技術應用于移動通信系統組網，可以在減少運行成本的前提下提升網絡性能，同時降低網絡能耗。雖然C-RAN技術在實際網絡內的性能已經得到若干驗證，但是C-RAN技術在高效集中式無線資源管理方面仍然面臨較大的挑戰；對與光通信網絡也提出了更大容量更高速率的要求。
（5）光載無線技術
將攜帶著信息的微波/毫米波調制到激光上，調制后的光波通過光纖鏈路傳輸，到達小蜂窩的無線接入端，將微波/毫米波信號解調，再通過天線發射供用戶使用。這就是ROF技術。ROF技術示意如圖3所示。
除了上述提到的幾項關鍵技術之外，5G系統的研發還涉及其他一些關鍵技術，例如全雙工技術、非正交多址技術等。隨著研發的繼續深入，這些技術能否為5G所用將逐步明晰。
（6）軟件定義網絡技術
如今的互聯網網絡體系無法滿足巨大的網絡需求，2011年開放網絡基金會（Open Networking Foundation，ONF）提出了新的網絡體系結構——軟件定義網絡（SDN）。這種架構將控制面和數據面分離，是一種新的網絡控制方法。在這種架構下，網絡運營商和企業將打破不同設備商提供的產品之間的壁壘，脫離設備商的限制，對所有產品擁有編程、控制能力，以適應靈活變化的網絡需求。OpenFlow是第一個SDN控制面和數據面之間的標準接口，提供了一個統一的編程環境，使設備使用者能夠統一的控制管理不同設備商生產的產品，具備在會話層級、用戶級、設備和應用級實施細顆粒度的控制策略。
（7）內容分發網絡技術
在線視頻及網絡游戲等應用的興起，使網絡流量呈現出井噴的發展趨勢，集中放置的站點在應對大流量的訪問時略顯不足，且應對不可預計的風險能力較差。內容分發網絡（CDN）將源站點的內容分發到不同的地方或不同的服務器緩存，不同區域的用戶訪問距離最近的服務器，而且，即使有一個服務器出現故障，依然能保證站點的正常訪問，減少企業的潛在損失并提高用戶體驗。
（8）機器間通信技術
機器通信（MTC）技術不僅包含發展完善的人與人之間的通信，還包含機器與機器、機器與人之間的通信方式。隨著物聯網、智慧城市的大力發展，智能家居、醫療衛生、車載通信等設備之間的通信業務量將急劇膨脹。移動互聯網的優點使其成為承載MTC的最佳選擇，但其業務特質又不同于傳統的無線業務，大量并發小數據傳輸為移動互聯網的無線網絡設計帶來新的難題，需要在網絡部署、資源管理、信息傳輸三方面開展面向MTC應用的超密集無線網絡研究。
第五代移動互聯網的標準化進程研究—開發—標準制定—商用產品競爭。這是帶有普遍性的從研發到產品的過程。在通信與網絡領域，標準制定尤其重要。沒有標準就不能聯通，沒有標準就沒有辦法組網。
目前移動互聯網的標準化進程主要表現在支撐移動互聯網技術發展的5G移動通信技術、互聯網技術以及物聯網技術標準的制訂進程。
針對5G移動通信技術的國際標準化進程，國際電信聯盟（ITU）根據其命名規則，將5G系統命名為國際移動通信系統-2020（IMT-2020），其標準化進程主要由ITU-R制訂。根據ITU-R的規劃，5G標準化進程如圖4所示，每次標準化會議將討論多項技術內容，但每一項技術內容預計都會經過多次會議以及系統評估后才能最終討論確定，5G最終的正式標準預計于2020年正式發布。
ITU理事長趙厚麟（左）與林金桐。2005
3GPP的5G標準化工作將參考ITU-R制訂的IMT-2020工作計劃，主要基于目前LTE-Advanced系統繼續后向演進。根據3GPP目前的標準化工作規劃，業界預計，3GPP將于標準第14版本（Release 14）階段開始啟動5G關鍵技術的標準化討論，在第15版本（Release 15）階段可能形成3GPP 5G標準的第一個正式版本，并在此版本基礎上繼續增強。我國也于2013年成立了IMT-2020推進組，目標是凝聚國內通信行業的產學研用力量，共同推動中國5G系統研發及參與國際標準化工作。
在互聯網技術標準的發展方面，以OpenFlow、SDN等為代表的下一代互聯網關鍵技術仍然在國際標準化推進過程之中，同時IEEE標準化組織將繼續針對下一代WLAN技術開展后續標準工作研發，進一步提供能滿足第五代移動互聯網需求的短距離高速無線數據傳輸能力。
在物聯網標準化進程方面，由于物聯網技術是經過各行業應用與通信技術融合發展的產物，因此不同行業對物聯網的認識有所不同，其標準化進程仍然需要各行業通力合作完成，目前物聯網的標準化工作在全球的多個標準化組織競相展開，包括ITU、國際互聯網工程任務組（The Internet Engineering Task Force， IETF）和中國通信標準化協會 (China Communications Standards Association，CCSA)等組織，2012 年2 月ITU-T 通過了“物聯網定義”和“物聯網概述”兩個國際建議；IETF 制訂了以IP為基礎的組網協議，主要研究6LoWPAN和ROLL（routing over lossy and low-power network，低功耗路由算法） 兩個協議。同年，中國通信標準化協會也成立了對物聯網進行全面研究和制定行業標準的“泛在網技術工作委員會”。未來物聯網標準制訂方面將需要各大標準化組織進一步協作，以產業應用為向導，著重分析行業應用對通信技術的需求，提取出共性的通信技術和接口標準，對未來物聯網技術的開發提供標準層面的支撐。
結束語
互聯網的物理層由光纖網絡組成。正是不斷進步的光纖通信技術，支撐著互聯網的持續快速的發展。
最近30年來，互聯網和移動通信網各自經歷了4代差不多是同步的快速發展。“移動”與“互聯”已經不可分割。第五代移動通信網就是，就必須是第五代移動互聯網。
第五代移動互聯網還將與遍布全球的物聯網相融合，地球因此將充滿智慧。
雖然，光通信、互聯網、移動通信和物聯網，都有各自獨立的標準化組織在制定未來的技術標準，但是，學者和工程師們沒有一個不認識到，他們的工作，朝著一個共同的目標：第五代移動互聯網。
第五代移動互聯網將在2020年到來。它必將是經濟、社會發展的巨大推動力。人們期待著；人們，更要準備著！
