現(xiàn)在，通信市場(chǎng)變成了紅海，有線電視陷入了困境。根源在于電信、廣電在三網(wǎng)融合政策放開(kāi)后，都在自己不擅長(zhǎng)的領(lǐng)域投入了大量的資源，導(dǎo)致通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過(guò)早進(jìn)入能源依賴狀態(tài)。
本文我們將交通與通信作為對(duì)比，深入淺出地為你揭示網(wǎng)絡(luò)通信背后的能源消耗問(wèn)題，你會(huì)看到推動(dòng)三網(wǎng)融合的現(xiàn)實(shí)意義！
交通與通信
交通、通信是兩種重要的基礎(chǔ)設(shè)施。一個(gè)承載實(shí)體經(jīng)濟(jì)，一個(gè)承載數(shù)字經(jīng)濟(jì)。
交通網(wǎng)絡(luò)將人員、貨物從一個(gè)地方運(yùn)輸?shù)搅硪粋€(gè)地方。通信網(wǎng)絡(luò)則將信息從一個(gè)地方傳遞到另一個(gè)地方。二者在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上有很多的相似之處。
交通網(wǎng)絡(luò)中的十字路口就好比是通信網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)或路由器，有紅綠燈和停車線。交通中的車站或者物流中心，有較大的場(chǎng)地用于客流、倉(cāng)儲(chǔ)管理。它們就好比是通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)中心（云計(jì)算）。從一個(gè)車站到另一個(gè)車站的道路，就好比通信網(wǎng)中的光纖或5G無(wú)線信道。在道路上跑的各種交通工具，運(yùn)輸?shù)呢浳镌蕉啵窘?jīng)的車站越多，裝卸次數(shù)越多，紅綠燈越多，燒的油也就越多，在路上花的時(shí)間也就越長(zhǎng)。解釋這些現(xiàn)象使用牛頓力學(xué)。在通信網(wǎng)絡(luò)上，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)越多，經(jīng)過(guò)的數(shù)據(jù)中心越多，使用的交換機(jī)路由器越多，數(shù)據(jù)的存取次數(shù)越多，所消耗的電力也就越多，通信的延時(shí)也就越大。解釋這些現(xiàn)象需要使用香農(nóng)定律、蘭道爾定律等通信及計(jì)算機(jī)知識(shí)。僅從能量消耗的角度，完全可以將交通與通信進(jìn)行對(duì)照。
通信線路一般也是沿著交通路線鋪設(shè)。交通網(wǎng)和通訊網(wǎng)在架構(gòu)上幾乎可以等同。
通信信道中的載波，就好比是汽車。對(duì)載波的調(diào)制，就好比是往汽車?yán)镅b貨物。ASK調(diào)制就好比讓一輛卡車拉一只乒乓球，而高階QAM調(diào)制，就好比將貨物盡量裝滿一輛車。所以，你看到從3G到5G，從WiFi5到WiFi7，從DVBC到DVBC2，主要的變化是調(diào)制階數(shù)大幅增加。就好比把汽車的犄角旮旯都裝滿貨物。曾經(jīng)被神化的5G也不過(guò)如此。兩地之間的直達(dá)運(yùn)輸，最省油，耗時(shí)也最小。對(duì)應(yīng)的通信技術(shù)就是兩點(diǎn)之間直通、不需要紅綠燈路由器的廣播。
通信正在成為高能耗行業(yè)
基于基礎(chǔ)通信網(wǎng)，將計(jì)算機(jī)連在一起，就升級(jí)為互聯(lián)網(wǎng)。
互聯(lián)網(wǎng)的最初應(yīng)用是傳輸文字圖片，最廣泛的應(yīng)用是電子郵件。鼠標(biāo)輕輕一點(diǎn)，就可以取代郵差。這時(shí)，我們感覺(jué)不到能源的消耗。
后來(lái)，我們用互聯(lián)網(wǎng)點(diǎn)視頻時(shí)，圖像質(zhì)量稍高點(diǎn)的視頻會(huì)容易讓電腦發(fā)熱，手機(jī)電量也快速下降。有機(jī)構(gòu)測(cè)算，我們每點(diǎn)播一集視頻，終端與云端消耗的電力，大約可以燒開(kāi)三壺水。從標(biāo)清到高清，再到超高清，需要消耗的電力呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。通信網(wǎng)絡(luò)和云計(jì)算的效率提升，并沒(méi)有按照指數(shù)級(jí)速度跟上，遇到了能耗瓶頸。比如，手機(jī)開(kāi)了5G功能，電量會(huì)很快下降，5G基站也成為電老虎，視頻網(wǎng)站的會(huì)員費(fèi)不斷提高也不能阻擋他們的虧損。信息通信是文明的基礎(chǔ)，越來(lái)越高的通信設(shè)備能耗，開(kāi)始讓我們將文明與能源消耗聯(lián)系在一起。
文明等級(jí)與能源消耗
前蘇聯(lián)天體物理學(xué)家尼古拉-卡爾達(dá)舍夫提出了這樣一個(gè)理論：人類文明的技術(shù)進(jìn)步與可控制的能源總量息息相關(guān)。根據(jù)這條思路，他從低到高確定了銀河系中文明發(fā)展的三種類型：
類型I ：該文明是行星能源的主人，這意味著他們可以主宰整個(gè)世界能源的總和。
類型II ：該文明能夠收集整個(gè)恒星系統(tǒng)的能源。
類型III ：該文明可以利用銀河系系統(tǒng)的能源而為其所用。
卡爾達(dá)舍夫等級(jí)用一個(gè)對(duì)數(shù)公式表示。如果一個(gè)文明的全部能源消耗為P，那么這個(gè)文明對(duì)應(yīng)的卡爾達(dá)舍夫等級(jí)K可以表示為：
根據(jù)國(guó)際能源署的數(shù)據(jù)，2018年全球能源消費(fèi)為14 281 889千噸油當(dāng)量（能量單位），大約為1.90×1013W。由該公式計(jì)算出地球上人類文明，目前屬于0.728級(jí)文明。
現(xiàn)在，我們的衣食住行都有了很好的保障，這方面的能耗增加有限。互聯(lián)網(wǎng)通訊產(chǎn)業(yè)的能耗以每年超過(guò)20%的速度快速增加，將很快成為主要的能源消耗。
如果將現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中的視頻全部改為8K超高清，可能全社會(huì)的發(fā)電用于通信也不夠。更不用說(shuō)熱炒的16K/120Hz元宇宙超高清視頻了。
超高清視頻通訊或者說(shuō)元宇宙，所帶來(lái)的高能耗，或許是推動(dòng)人類向1.0級(jí)文明發(fā)展的動(dòng)力。
通信產(chǎn)業(yè)的背后是能源
種種跡象表明，從5G開(kāi)始，通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和能源消耗關(guān)聯(lián)起來(lái)。數(shù)據(jù)中心也可以稱為電力向算力的轉(zhuǎn)化中心，運(yùn)營(yíng)商正在大力推廣的“算力網(wǎng)”，從能源角度可以稱為數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代的基礎(chǔ)“能源網(wǎng)”，是數(shù)字經(jīng)濟(jì)的核心。國(guó)家正在實(shí)施的東數(shù)西算工程，就好比西電東送建設(shè)的坑口發(fā)電廠，就近將西部的電力轉(zhuǎn)化為算力，用通信網(wǎng)絡(luò)將運(yùn)算結(jié)果送到東部，大幅降低能源消耗。超高清時(shí)代，通訊作為一個(gè)大產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展正在與人們可控制的能源有關(guān)，與尼古拉-卡爾達(dá)舍夫的文明等級(jí)理論開(kāi)始關(guān)聯(lián)，激勵(lì)人們進(jìn)行創(chuàng)新。比如，有頭有臉的資本開(kāi)始投資核聚變發(fā)電。據(jù)悉再過(guò)10年，核聚變電力有可能上網(wǎng)銷售。這時(shí)，請(qǐng)?jiān)试S泰信君進(jìn)行更長(zhǎng)遠(yuǎn)的暢想：將來(lái)，當(dāng)人類有了新的理論，可以使用可控核聚變方式，產(chǎn)生特定的電磁波，或其它什么波，并對(duì)其進(jìn)行高效調(diào)制，然后再定向發(fā)射，既可以用于地球尺度的全息通信，也可以與外星人進(jìn)行聯(lián)系，而通信用的能源可能就是一罐氫氣，而且可以用很長(zhǎng)時(shí)間。這時(shí)的人類應(yīng)該早已實(shí)現(xiàn)了能源自由，文明水平至少達(dá)到了尼古拉-卡爾達(dá)舍夫定義的類型I水平。但目前的通信還必須接受香農(nóng)定律約束，設(shè)法降低能耗。香農(nóng)定律給我們描述了能源與信息通信之間的關(guān)系。這個(gè)定律我們時(shí)常提起，但又很容易忽視。時(shí)常提起是因?yàn)橛匈Y源約束的無(wú)線通信，必須在香農(nóng)定律的指導(dǎo)下，才能提高通信效率。被忽視的原因是，有線通信，特別是光纖通信，因?yàn)槲锢硇诺蕾Y源豐富，在很多應(yīng)用場(chǎng)景不需要考慮香農(nóng)定律的存在。但這并不意味著沒(méi)有香農(nóng)定律約束。比如，雖然光纖帶寬很大，但光模塊的射頻電路帶寬有限，也受香農(nóng)定律約束。比較遺憾的是，芯片技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)射頻電路的功耗降低作用不大，用這類光電轉(zhuǎn)換模塊的IP網(wǎng)絡(luò)通信，被鎖定在了低效的ASK調(diào)制上，邏輯電路需要外接容量越來(lái)越大的DDR存儲(chǔ)器，增加延時(shí)。隨著摩爾定律逼近物理極限，通信技術(shù)發(fā)展的指揮棒，就交到了香農(nóng)定律手里。也就是，通信技術(shù)的發(fā)展水平，將取決于人類獲取能源的能力。
如何節(jié)省通信產(chǎn)業(yè)所消耗的能源？
依照我們目前的認(rèn)知水平，距離能源自由還很遙遠(yuǎn)。特別是考慮到我國(guó)仍以煤電為主的現(xiàn)狀，以及雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，對(duì)通信產(chǎn)業(yè)的節(jié)能必須更加重視。正如文章開(kāi)頭，通信系統(tǒng)的節(jié)能完全可以參照交通系統(tǒng)。比如，不需要中轉(zhuǎn)的貨物盡量直達(dá)，減少十字路口及紅綠燈，開(kāi)通直達(dá)列車或直達(dá)飛機(jī)。這對(duì)應(yīng)了沒(méi)有中轉(zhuǎn)路由的廣播通信。對(duì)廣播通信的研究與3-5G無(wú)線信道研究完全一樣，就是采用更先進(jìn)的調(diào)制和編碼技術(shù)。比如，采用DVBC2的4096QAM以及LDPC編碼，可以實(shí)現(xiàn)10bit/Hz的信道效率，就好比使用更省油和裝貨能力更高的汽車。這意味著，如果終端直接連接光纖，將10G基帶IP傳輸光模塊的射頻技術(shù)用于設(shè)計(jì)高頻頭，通過(guò)多載波分段調(diào)制，像5G那樣擴(kuò)展頻譜及頻譜效率，可以實(shí)現(xiàn)100G以上的無(wú)路由器低成本廣播直連，信道容量至少比全基帶ASK調(diào)制提高10倍，容納200M碼流的高標(biāo)準(zhǔn)8K電視頻道500套以上，可滿足廣播網(wǎng)10年的發(fā)展。這樣做還同時(shí)降低終端的IP包卸載算力，降低終端成本和能耗，讓幾十元的DVBC2機(jī)頂盒終端進(jìn)入市場(chǎng)成為可能。如果網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商吸引專業(yè)的芯片公司以及終端廠家分工合作，共同制定一個(gè)開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)多方共贏，而不是閉門(mén)造車，上述目標(biāo)不需要投資就可以達(dá)到，而且還可以帶動(dòng)終端及傳輸設(shè)備的產(chǎn)業(yè)升級(jí)，產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)。
這時(shí)，對(duì)于電視終端的升級(jí)，只需更換高頻頭芯片即可。然后再將RF輸入換成光口，再去掉防雷擊電路，總成本應(yīng)該會(huì)下降。對(duì)于必須經(jīng)過(guò)存儲(chǔ)中轉(zhuǎn)的貨物，盡量減少貨物的中間裝卸次數(shù)。對(duì)應(yīng)的是電信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商扁平化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，減少網(wǎng)絡(luò)層級(jí)，減少數(shù)據(jù)路由環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)效率提升、能耗下降。近年來(lái)，一些云計(jì)算巨頭進(jìn)入服務(wù)器芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域，從算力角度提高視頻數(shù)據(jù)的分發(fā)效率，降低能耗。但無(wú)論如何，寬帶網(wǎng)+云計(jì)算+路由器的通信效率，都不可能與基于基礎(chǔ)信道調(diào)制的廣播傳輸相比。
三網(wǎng)融合仍有很強(qiáng)的必要性！
目前，電信運(yùn)營(yíng)商在“算力網(wǎng)”上的巨額投資，會(huì)導(dǎo)致主營(yíng)業(yè)務(wù)重心向云計(jì)算偏離，使用廣播網(wǎng)卸載算力網(wǎng)超高清數(shù)據(jù)負(fù)載的可能性較低，反而會(huì)將超高清作為消化算力網(wǎng)的應(yīng)用，短暫降低對(duì)管道的關(guān)注度。這或許是有線電視建設(shè)DVBC2廣播網(wǎng)實(shí)現(xiàn)最后逆襲的機(jī)會(huì)。但是，如果有線電視以機(jī)頂盒為中心的計(jì)劃經(jīng)濟(jì)體制不變，對(duì)戰(zhàn)略機(jī)遇期不敏感，廣播網(wǎng)絡(luò)入戶資源繼續(xù)大量閑置浪費(fèi)，國(guó)家會(huì)不會(huì)為了綠色發(fā)展，鼓勵(lì)電信運(yùn)營(yíng)商參與競(jìng)爭(zhēng)，提高廣播網(wǎng)資源利用效率呢？所以，電信運(yùn)營(yíng)商建設(shè)DVBC2廣播網(wǎng)的可能性并不為零。有線電視必須加快市場(chǎng)化改革步伐，高效利用已有資源，進(jìn)入三網(wǎng)融合2.0時(shí)代。三網(wǎng)融合2.0是一件很有意義的事，泰信希望與產(chǎn)業(yè)鏈伙伴一起，將這件利國(guó)利民的事做成！全文完，如果覺(jué)得對(duì)行業(yè)健康發(fā)展有利，就請(qǐng)隨手點(diǎn)個(gè)贊和在看吧。
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