“5G+北斗”的意義、路徑和愿景

◎中國工程院院士 劉經(jīng)南

中國工程院院士 劉經(jīng)南

用變化的聲音（人類的語言也屬變化的聲音）和身體運(yùn)動姿態(tài)變化來交流彼此對外界和相互的感知、認(rèn)知和情感是動物和人類進(jìn)化出通信智能的表現(xiàn)。行走、遷徙和圈地定居是動物和人類為生存而進(jìn)化獲得的定位（Positioning）、導(dǎo)航（Navigation）、察時知時節(jié)（Timing）的智能，簡稱為PNT智能。人類在一個地方待膩了要走，我們現(xiàn)在要到外太空去，這是人類愛行走的基因決定的。這表明，在人類的初期，通信、定位、導(dǎo)航和決策就是融合在一起的?，F(xiàn)在把5G和定位導(dǎo)航系統(tǒng)，像我們中國的北斗系統(tǒng)，以及世界上互相兼容的GNSS系統(tǒng)融合，簡稱“5G+BDS/GNSS”，就是通信、導(dǎo)航、授時和決策智能最新、最現(xiàn)代版的融合。

時間和空間位置是物質(zhì)、能量、信息和人類自身運(yùn)動與狀態(tài)的表征，也是人類對其運(yùn)動開展研究實(shí)現(xiàn)目標(biāo)管理與對象控制的基礎(chǔ)。隨著科技的發(fā)展和社會的進(jìn)步，人類對時空位置信息的需求從事后走向?qū)崟r和瞬間，從靜態(tài)走向動態(tài)和高速，從粗略走向精準(zhǔn)和完備，從陸地走向海洋和天空，從區(qū)域走向廣域和全球，從地球走向深空和宇宙。目前，正從實(shí)體空間走向虛擬網(wǎng)絡(luò)空間，從自然走向人類自身和社會。它的應(yīng)用只受人類想象力的限制，其特征是以GNSS為核心的時空位置服務(wù)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合泛在網(wǎng)或其他觀測技術(shù)可感知物質(zhì)、人類近地活動等任何能達(dá)到的宏觀空間和大尺度時間（＞um,＞10E-2ns），即陸?？仗旌褪覂?nèi)、地下，包括人類信息活動的虛擬空間——互聯(lián)網(wǎng)。這就是“5G+北斗”，作為時間和空間位置基于通信的融合，與泛在測繪、位置服務(wù)所能夠延伸拓展的依據(jù)。

移動通信的發(fā)展，從1G到4G是技術(shù)推動的，從4G到5G我們認(rèn)為主要是靠需求推動。5G是一個多業(yè)務(wù)、多技術(shù)融合的移動通信網(wǎng)絡(luò)，通過需求的牽引和技術(shù)的融合、演進(jìn)和創(chuàng)新，滿足未來廣泛數(shù)據(jù)和連接的各種業(yè)務(wù)的快速發(fā)展需要，提升用戶體驗(yàn)。另外，5G的關(guān)鍵新技術(shù)是泛在化的組網(wǎng)，是多系統(tǒng)、多分層、多小區(qū)、多載波的；在城市有城市的組網(wǎng)方式，在農(nóng)村需求少一點(diǎn)，人少一點(diǎn)，通信要求少一點(diǎn)，可能是另外一種組網(wǎng)方式。

一、“5G+北斗/GNSS”的意義

進(jìn)入智能時代，“5G+北斗”是最重要的基礎(chǔ)設(shè)施，首先解釋一下智能時代的含義。

智能與智慧是生物界才有的能力，動物智能是自然進(jìn)化的最高形態(tài)，人類智能在其頂端。生物智能與智慧都離不開時間和空間位置上對外界的感知、認(rèn)知，進(jìn)而決策，并付諸行動適應(yīng)生存。所以我們定義智能為：感知何處何時外界發(fā)生了變化，學(xué)習(xí)并記憶形成經(jīng)驗(yàn)，推理上升為知識，決策思維，實(shí)現(xiàn)時間、位置與姿態(tài)精準(zhǔn)協(xié)同來調(diào)控自身，適應(yīng)外界，或者局部地調(diào)控改變外界狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)趨利避害。我給智慧下一個定義，大家可以批判性思考一下。所謂智慧，是在感知一定時空領(lǐng)域內(nèi)的外界變化基礎(chǔ)上，認(rèn)知該時空域內(nèi)的外界變化規(guī)律和作用機(jī)理，實(shí)現(xiàn)對外界在該空域內(nèi)外未來或未知的變化進(jìn)行預(yù)測，或?qū)υ撟兓A(yù)設(shè)趨利避害的調(diào)控。例如：螞蟻的智慧是群體性的，我認(rèn)為它的群體智慧超過了人類，水的高度不夠就丟石頭進(jìn)去等等，這都表現(xiàn)出它的智慧。

基于大數(shù)據(jù)、計算能力和計算方法的新一代人工智能技術(shù)與各種技術(shù)加速互融互通，使社會生產(chǎn)和消費(fèi)加速從工業(yè)化向自動化、智能化轉(zhuǎn)變，人類因此進(jìn)入智能時代，這是科技發(fā)展的必然結(jié)果，是智人將多種生物智能及人類自己的智能與智慧擴(kuò)展到對自然與社會和機(jī)器進(jìn)行感知、認(rèn)知、管理和調(diào)控的必然結(jié)果。以人的智能為參考，把這些智能都發(fā)掘出來賦予人類、社會、環(huán)境，現(xiàn)在的智能建筑是一種環(huán)境，將來的智能道路也是一種環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)將來變成智能化也是環(huán)境，不光是賦能給機(jī)器。這是我對智能化的理解，在這樣的基礎(chǔ)上我們討論“5G+北斗”融合的重要意義。

智能時代首先要把外界感知清楚，因此要用5G發(fā)展泛在感知網(wǎng)，即廣泛存在的感知網(wǎng)絡(luò)，它以無時不有（時間）、無處不在（空間）、無所不包（內(nèi)容的廣泛性）、無所不能為基本特征擴(kuò)展，基于個人和社會的需求，實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物之間按需進(jìn)行的信息獲取、傳遞、存儲、認(rèn)知、管控決策、使用等服務(wù)?；ヂ?lián)網(wǎng)不能實(shí)現(xiàn)管控決策，所以就受到了制約。這樣網(wǎng)絡(luò)具有超強(qiáng)的環(huán)境感知、內(nèi)容感知及智能性，為個人、行業(yè)和社會提供泛在、隨動、按需、個性化的信息服務(wù)和管控應(yīng)用。

從互聯(lián)網(wǎng)、“互聯(lián)網(wǎng)+”、物聯(lián)網(wǎng)到泛在網(wǎng)，信息網(wǎng)絡(luò)的概念拓展了。物聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)物與物、物與人之間信息的互聯(lián)互通，目前的水平也只能實(shí)現(xiàn)信息的互聯(lián)互通，還不能實(shí)現(xiàn)對外界的控制。而泛在網(wǎng)的目的就是實(shí)現(xiàn)人對虛擬空間和物理空間的感知、協(xié)同、融合與控制，需要廣域及全球性的高精度時間和空間位置。

5G是智能化時代的基礎(chǔ)設(shè)施，它高帶寬、高速度、大容量、低功耗、低延時、萬物互聯(lián)、信息可感知、可調(diào)控。5G“極高速率、極大容量、極低時延”的特征，為滿足未來虛擬現(xiàn)實(shí)、智能制造、自動駕駛等用戶和行業(yè)的應(yīng)用需求，提供基礎(chǔ)支撐。5G的時延是毫秒級的，但還不能實(shí)現(xiàn)汽車的遠(yuǎn)程控制；而且它是虛擬的，虛擬地點(diǎn)、虛擬位置，這些問題一定要解決。

解決問題需要新的基礎(chǔ)設(shè)施，就是北斗/GNSS。定位、導(dǎo)航、感知時間和時節(jié)本身就是自然進(jìn)化產(chǎn)生的生物智能，智能時代的“5G+北斗”可將這種PNT生物智能賦給機(jī)器和環(huán)境，發(fā)揮機(jī)器和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的智能優(yōu)勢。人們將自然界的生物智能賦給機(jī)器、環(huán)境使其所產(chǎn)生的能力，就是人工智能。這就要考慮自然智能該怎么定義，不能像圖靈機(jī)時代那樣定義人工智能?；凇?G+北斗/GNSS”的泛在測繪能力就是人類定位、導(dǎo)航、感知時間的智能基于現(xiàn)代技術(shù)的延伸，既是智能時代實(shí)現(xiàn)區(qū)域和廣域乃至全球精確感知時空事件和目標(biāo)信息的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，也是實(shí)現(xiàn)支持廣域和全球智能協(xié)同控制的賦能技術(shù)。

北斗/GNSS是唯一的全球性、高精度時空基準(zhǔn)。其最大的好處是系統(tǒng)的全球性，能實(shí)現(xiàn)全球時間的精確同步，可以在廣域甚至全球把感知時間和位置的能力賦給5G，賦給其它的系統(tǒng)，賦給道路、環(huán)境。高精度導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)對移動通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)賦能，給移動信息在網(wǎng)上瞬時位置定位，定其去向和瞬時流速，還能使移動互聯(lián)網(wǎng)具有室內(nèi)外定位無縫化一體化功能，實(shí)現(xiàn)城市全時域/全空域定位的智慧城市建設(shè)需求。北斗/GNSS與5G相互賦能，彼此增強(qiáng)。這樣才能產(chǎn)生智能的五大能力：感知、學(xué)習(xí)、認(rèn)知、決策、調(diào)控。因?yàn)檎{(diào)控需要在位置和時間上的精準(zhǔn)協(xié)同，協(xié)同可能要達(dá)到微秒級、1000倍甚至是100萬倍。這五大功能，可以實(shí)現(xiàn)人類感知和調(diào)控物理時間能力。我們現(xiàn)在能夠調(diào)控物理時間，但是不夠精準(zhǔn)、可靠；不能在關(guān)鍵時候?qū)崿F(xiàn)調(diào)控，也不能在廣域上實(shí)現(xiàn)調(diào)控；在一個小工廠、小車間內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控，但是在全球方面不能實(shí)現(xiàn)。以后就可以解決這些問題，實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（CPS）的目標(biāo)：讓廣域或全球性分布的物理設(shè)備在感知的基礎(chǔ)上具有計算、通信、遠(yuǎn)程協(xié)同、精準(zhǔn)控制和自治等五大功能，以實(shí)現(xiàn)人類感知和調(diào)控物理世界能力在時間、空間尺度方面的延拓。

二、“5G+北斗/GNSS”的路徑

路徑涉及到一些技術(shù)問題，兩者融合的基本原則可概括為：從易到難，從簡到繁；框架優(yōu)先，應(yīng)用為重；服務(wù)行業(yè)、服務(wù)社會。具體怎么實(shí)現(xiàn)呢？

第一步，實(shí)現(xiàn)北斗/GNSS與5G基站的集成融合。現(xiàn)在5G自身控制的水平是幾微秒到10微秒，不能多于10微秒；它對用戶的控制是1毫秒，又低了1000倍。5G宏基站和關(guān)鍵微基站、重要網(wǎng)關(guān)、路由器，以及行業(yè)、區(qū)域的云服務(wù)中心的服務(wù)器，都加裝集成以北斗為主、自主可控、多頻多模、低功耗GNSS板卡，為5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵設(shè)施提供北斗精準(zhǔn)坐標(biāo)位置和以北斗時為準(zhǔn)的全網(wǎng)精確時間同步，為5G全網(wǎng)基站、網(wǎng)關(guān)和主要服務(wù)器提供北斗統(tǒng)一的納秒級時間系統(tǒng)和厘米級坐標(biāo)系統(tǒng)?，F(xiàn)在已經(jīng)在把北斗接上去，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控地震等應(yīng)用了，這就說明可以實(shí)現(xiàn)很多能力，而且板卡不怎么費(fèi)電，跟5G網(wǎng)絡(luò)本身相比電量消耗基本上等于零。

實(shí)現(xiàn)了這一步，可以拓展出新應(yīng)用和新能力。“5G+北斗”的基站本身就構(gòu)成一個超高密度、超高精度的地基增強(qiáng)網(wǎng)，成為國家北斗地球參考框架的延伸和補(bǔ)充，為地面用戶提供精密定位、授時和時間同步服務(wù)。通過檢索和修正北斗信號，時間就可以達(dá)到納米級水平，可以為精準(zhǔn)三維大氣濕分量建模，為精準(zhǔn)精細(xì)大氣可降水汽預(yù)備提供大數(shù)據(jù)服務(wù)。精準(zhǔn)分析具體位置與時間天氣中含水量的多少，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)天氣預(yù)報，例如：明天西安高新技術(shù)區(qū)哪條路到哪條路8點(diǎn)半到9點(diǎn)50下多少毫米的雨。這不僅對于將來的車聯(lián)網(wǎng)與智能駕駛非常重要，還可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)中國區(qū)域三維電離層模型建立、區(qū)域土壤濕度監(jiān)測、雷電定位預(yù)報預(yù)警服務(wù)等。

第二步，5G網(wǎng)絡(luò)加載北斗/GNSS地基增強(qiáng)信號，提供基于5G的地基增強(qiáng)時空位置服務(wù)。讓5G網(wǎng)絡(luò)本身不僅接收北斗信號，每個基站都有位置，也可以發(fā)出北斗的信號。這等于增強(qiáng)了北斗的信號源，把天上的衛(wèi)星搬到地面上來，發(fā)出信號就能用北斗一樣的模式精準(zhǔn)定位。實(shí)現(xiàn)這樣的功能，會產(chǎn)生很多重要的應(yīng)用：智慧城市建設(shè)與管理、監(jiān)控，自然資源規(guī)劃管理與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，智能交通監(jiān)管與風(fēng)險控制，L4、L5級自動駕駛、無人駕駛基礎(chǔ)支持，天氣與地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與應(yīng)急救援等。

第三步，構(gòu)建車聯(lián)網(wǎng)與智能網(wǎng)聯(lián)汽車運(yùn)營中的應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)道路及其周邊環(huán)境的全時空感控，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)聯(lián)車運(yùn)行全過程感控。到這一步已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)的時間控制和位置控制，可以精確到幾毫米、幾納秒，前面講到目前不能遠(yuǎn)程控制汽車的問題都可以迎刃而解。

第四步，構(gòu)建遠(yuǎn)程實(shí)時控制和信息安全的“人-機(jī)-物”CPS融合系統(tǒng)?；?G構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)基站、路由、網(wǎng)關(guān)、關(guān)鍵服務(wù)器的高精度時空體系，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)信息的高精度時空位置可測量、可計算、可溯源、可調(diào)控，使虛擬空間、實(shí)體空間和人三者形成一個融合系統(tǒng)。通過對信息的調(diào)控實(shí)現(xiàn)對外界物理世界的調(diào)控，這就達(dá)到了智能的目的。智能是通過操作數(shù)學(xué)符號來操控物理世界，這是一位圖靈獎獲得者的定義。只要做到我們剛才提到的這一點(diǎn)，就會實(shí)現(xiàn)。

我們研發(fā)了亞納秒級天穩(wěn)的高精度北斗/GNSS精密收時守時終端。這是一個時間接收終端，面向GPS和北斗系統(tǒng)。過去因?yàn)閮蓚€系統(tǒng)的信息延時不一樣，這是不能實(shí)現(xiàn)的；現(xiàn)在GPS、北斗延時非常清楚，都可以實(shí)現(xiàn)一定的穩(wěn)定度，用來進(jìn)行測試。我們做了大量相關(guān)實(shí)驗(yàn)，測量了網(wǎng)絡(luò)中有路由器、服務(wù)器的時候，在路由器、服務(wù)器和軟件上的時延。如果軟件被病毒感染了，時延就會跟原來不一樣。我們做了現(xiàn)場測試的網(wǎng)絡(luò)安全試驗(yàn)：利用高精度時戳機(jī)，精確度量網(wǎng)絡(luò)設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)包的指令級處理時間。有些指令處理耗時不一樣，是因?yàn)檐浖桓腥玖耍嬎銠C(jī)硬件也發(fā)生了某種錯誤；發(fā)現(xiàn)硬件和軟件的錯誤，就相當(dāng)于給硬件環(huán)境和軟件環(huán)境都進(jìn)行CT掃描，進(jìn)而推測其內(nèi)部處理流程是否發(fā)生了改變，甚至精確推測發(fā)生了什么改變。實(shí)驗(yàn)表明，通過高精度時戳機(jī)能夠清楚檢測到待測網(wǎng)絡(luò)設(shè)備內(nèi)部處理流程中發(fā)生的指令級變化。我們認(rèn)為這些試驗(yàn)提供了將來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)施控制和信息安全的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)是隨機(jī)控制，哪里通了網(wǎng)，信息就往哪里跑，我問過美國的互聯(lián)網(wǎng)專家，這是網(wǎng)絡(luò)的不可控造成的?！?G+北斗”給互聯(lián)網(wǎng)帶來的最大好處，就是：實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、物可追溯、可攔截的自由控制。

第五步，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外一體化的導(dǎo)航定位授時。這個是最難的，要實(shí)現(xiàn)陸、海、天、空、水下、室內(nèi)都能入網(wǎng)，都要感知，專業(yè)性比較強(qiáng)，所以放在第五步。

三、“5G+北斗/GNSS”的應(yīng)用

首先是整合北斗衛(wèi)星系統(tǒng)、地基增強(qiáng)系統(tǒng)、5G通信網(wǎng)絡(luò)、高分遙感、互聯(lián)網(wǎng)五維空間數(shù)據(jù)資源；其次是打造基礎(chǔ)、綠色、智能、泛在、安全、可控六大功能；最后是支撐各種各樣的應(yīng)用。

“5G+北斗”將服務(wù)車聯(lián)網(wǎng)、智能能源、無線機(jī)器人云端控制等行業(yè)應(yīng)用。智能能源、智能電網(wǎng)現(xiàn)在的時間標(biāo)準(zhǔn)還是太低，每一個電廠的交流電送到電網(wǎng)上去，相位要同步，目前相位同步精度是18度，就是允許相差18度，在時間上相當(dāng)于1毫秒，這是造成大電網(wǎng)自身耗能的重要因素之一，是很大的能量浪費(fèi)，從愛迪生時代到現(xiàn)在一直沒有變。將來“5G+北斗”能為全國電網(wǎng)提供5納秒級和米級時空協(xié)同，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)全網(wǎng)設(shè)備輸入輸出電壓的納秒級或100納秒級相位同步。

“5G+北斗”還可以在軍事領(lǐng)域應(yīng)用。我提出了制時空權(quán)，就是時空的精準(zhǔn)和時空的可靠，再就是時空的協(xié)同?！?G+北斗+星基通信”是實(shí)現(xiàn)陸?？仗旌托畔⒕W(wǎng)絡(luò)制時空權(quán)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施?，F(xiàn)在這些概念正在被大家所認(rèn)識，所以成立了中國“5G+北斗”精準(zhǔn)定位聯(lián)盟籌備會。我最早提出這個問題，講得也比較細(xì)一些、深一點(diǎn)，華為、移動、聯(lián)通都在跟武漢大學(xué)成立“5G+北斗”聯(lián)合研究中心。

“5G+北斗”最重要的是實(shí)現(xiàn)信息的時空位置可感知、可計算、可量測、可控制。實(shí)現(xiàn)“5G+北斗”融合和相互賦能，將有大量的機(jī)遇，更有巨大的挑戰(zhàn)，還有眾多的技術(shù)細(xì)節(jié)，勇敢面對這一挑戰(zhàn)，能產(chǎn)生顛覆性的技術(shù)，能創(chuàng)造跨世紀(jì)的輝煌！