“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）和身體運動姿態(tài)變化來交流彼此對外界和相互的感知、認知和情感是動物和人類進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化獲得的定位（Positioning）、導航（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、導航和決策就是融合在一起的。現(xiàn)在把5G和定位導航系統(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、信息和人類自身運動與狀態(tài)的表征，也是人類對其運動開展研究實現(xiàn)目標管理與對象控制的基礎。隨著科技的發(fā)展和社會的進步，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，正從實體空間走向虛擬網(wǎng)絡空間，從自然走向人類自身和社會。它的應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網(wǎng)絡聯(lián)合泛在網(wǎng)或其他觀測技術可感知物質(zhì)、人類近地活動等任何能達到的宏觀空間和大尺度時間（＞um,＞10E-2ns），即陸海空天和室內(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是技術推動的，從4G到5G我們認為主要是靠需求推動。5G是一個多業(yè)務、多技術融合的移動通信網(wǎng)絡，通過需求的牽引和技術的融合、演進和創(chuàng)新，滿足未來廣泛數(shù)據(jù)和連接的各種業(yè)務的快速發(fā)展需要，提升用戶體驗。另外，5G的關鍵新技術是泛在化的組網(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，人少一點，通信要求少一點，可能是另外一種組網(wǎng)方式。

一、“5G+北斗/GNSS”的意義

進入智能時代，“5G+北斗”是最重要的基礎設施，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、認知，進而決策，并付諸行動適應生存。所以我們定義智能為：感知何處何時外界發(fā)生了變化，學習并記憶形成經(jīng)驗，推理上升為知識，決策思維，實現(xiàn)時間、位置與姿態(tài)精準協(xié)同來調(diào)控自身，適應外界，或者局部地調(diào)控改變外界狀態(tài)，實現(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域內(nèi)的外界變化基礎上，認知該時空域內(nèi)的外界變化規(guī)律和作用機理，實現(xiàn)對外界在該空域內(nèi)外未來或未知的變化進行預測，或?qū)υ撟兓A設趨利避害的調(diào)控。例如：螞蟻的智慧是群體性的，我認為它的群體智慧超過了人類，水的高度不夠就丟石頭進去等等，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與各種技術加速互融互通，使社會生產(chǎn)和消費加速從工業(yè)化向自動化、智能化轉(zhuǎn)變，人類因此進入智能時代，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展到對自然與社會和機器進行感知、認知、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)絡將來變成智能化也是環(huán)境，不光是賦能給機器。這是我對智能化的理解，在這樣的基礎上我們討論“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，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展，基于個人和社會的需求，實現(xiàn)人與人、人與物、物與物之間按需進行的信息獲取、傳遞、存儲、認知、管控決策、使用等服務。互聯(lián)網(wǎng)不能實現(xiàn)管控決策，所以就受到了制約。這樣網(wǎng)絡具有超強的環(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、個性化的信息服務和管控應用。

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)絡的概念拓展了。物聯(lián)網(wǎng)可以實現(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現(xiàn)信息的互聯(lián)互通，還不能實現(xiàn)對外界的控制。而泛在網(wǎng)的目的就是實現(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設施，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、智能制造、自動駕駛等用戶和行業(yè)的應用需求，提供基礎支撐。5G的時延是毫秒級的，但還不能實現(xiàn)汽車的遠程控制；而且它是虛擬的，虛擬地點、虛擬位置，這些問題一定要解決。

解決問題需要新的基礎設施，就是北斗/GNSS。定位、導航、感知時間和時節(jié)本身就是自然進化產(chǎn)生的生物智能，智能時代的“5G+北斗”可將這種PNT生物智能賦給機器和環(huán)境，發(fā)揮機器和網(wǎng)絡環(huán)境的智能優(yōu)勢。人們將自然界的生物智能賦給機器、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，不能像圖靈機時代那樣定義人工智能。基于“5G+北斗/GNSS”的泛在測繪能力就是人類定位、導航、感知時間的智能基于現(xiàn)代技術的延伸，既是智能時代實現(xiàn)區(qū)域和廣域乃至全球精確感知時空事件和目標信息的關鍵基礎設施，也是實現(xiàn)支持廣域和全球智能協(xié)同控制的賦能技術。

北斗/GNSS是唯一的全球性、高精度時空基準。其最大的好處是系統(tǒng)的全球性，能實現(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。高精度導航增強技術對移動通信網(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，實現(xiàn)城市全時域/全空域定位的智慧城市建設需求。北斗/GNSS與5G相互賦能，彼此增強。這樣才能產(chǎn)生智能的五大能力：感知、學習、認知、決策、調(diào)控。因為調(diào)控需要在位置和時間上的精準協(xié)同，協(xié)同可能要達到微秒級、1000倍甚至是100萬倍。這五大功能，可以實現(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、可靠；不能在關鍵時候?qū)崿F(xiàn)調(diào)控，也不能在廣域上實現(xiàn)調(diào)控；在一個小工廠、小車間內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)精準調(diào)控，但是在全球方面不能實現(xiàn)。以后就可以解決這些問題，實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（CPS）的目標：讓廣域或全球性分布的物理設備在感知的基礎上具有計算、通信、遠程協(xié)同、精準控制和自治等五大功能，以實現(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，應用為重；服務行業(yè)、服務社會。具體怎么實現(xiàn)呢？

第一步，實現(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宏基站和關鍵微基站、重要網(wǎng)關、路由器，以及行業(yè)、區(qū)域的云服務中心的服務器，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)絡關鍵設施提供北斗精準坐標位置和以北斗時為準的全網(wǎng)精確時間同步，為5G全網(wǎng)基站、網(wǎng)關和主要服務器提供北斗統(tǒng)一的納秒級時間系統(tǒng)和厘米級坐標系統(tǒng)。現(xiàn)在已經(jīng)在把北斗接上去，可以實現(xiàn)監(jiān)控地震等應用了，這就說明可以實現(xiàn)很多能力，而且板卡不怎么費電，跟5G網(wǎng)絡本身相比電量消耗基本上等于零。

實現(xiàn)了這一步，可以拓展出新應用和新能力。“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網(wǎng)，成為國家北斗地球參考框架的延伸和補充，為地面用戶提供精密定位、授時和時間同步服務。通過檢索和修正北斗信號，時間就可以達到納米級水平，可以為精準三維大氣濕分量建模，為精準精細大氣可降水汽預備提供大數(shù)據(jù)服務。精準分析具體位置與時間天氣中含水量的多少，可以實現(xiàn)精準天氣預報，例如：明天西安高新技術區(qū)哪條路到哪條路8點半到9點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，還可以實現(xiàn)精細中國區(qū)域三維電離層模型建立、區(qū)域土壤濕度監(jiān)測、雷電定位預報預警服務等。

第二步，5G網(wǎng)絡加載北斗/GNSS地基增強信號，提供基于5G的地基增強時空位置服務。讓5G網(wǎng)絡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定位。實現(xiàn)這樣的功能，會產(chǎn)生很多重要的應用：智慧城市建設與管理、監(jiān)控，自然資源規(guī)劃管理與精準農(nóng)業(yè)，智能交通監(jiān)管與風險控制，L4、L5級自動駕駛、無人駕駛基礎支持，天氣與地質(zhì)災害監(jiān)測與應急救援等。

第三步，構(gòu)建車聯(lián)網(wǎng)與智能網(wǎng)聯(lián)汽車運營中的應用。實現(xiàn)道路及其周邊環(huán)境的全時空感控，實現(xiàn)網(wǎng)聯(lián)車運行全過程感控。到這一步已經(jīng)實現(xiàn)了精準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程控制汽車的問題都可以迎刃而解。

第四步，構(gòu)建遠程實時控制和信息安全的“人-機-物”CPS融合系統(tǒng)。基于5G構(gòu)建網(wǎng)絡基站、路由、網(wǎng)關、關鍵服務器的高精度時空體系，實現(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)控實現(xiàn)對外界物理世界的調(diào)控，這就達到了智能的目的。智能是通過操作數(shù)學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，就會實現(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)。過去因為兩個系統(tǒng)的信息延時不一樣，這是不能實現(xiàn)的；現(xiàn)在GPS、北斗延時非常清楚，都可以實現(xiàn)一定的穩(wěn)定度，用來進行測試。我們做了大量相關實驗，測量了網(wǎng)絡中有路由器、服務器的時候，在路由器、服務器和軟件上的時延。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)絡安全試驗：利用高精度時戳機，精確度量網(wǎng)絡設備轉(zhuǎn)發(fā)包的指令級處理時間。有些指令處理耗時不一樣，是因為軟件被感染了，計算機硬件也發(fā)生了某種錯誤；發(fā)現(xiàn)硬件和軟件的錯誤，就相當于給硬件環(huán)境和軟件環(huán)境都進行CT掃描，進而推測其內(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。實驗表明，通過高精度時戳機能夠清楚檢測到待測網(wǎng)絡設備內(nèi)部處理流程中發(fā)生的指令級變化。我們認為這些試驗提供了將來實現(xiàn)遠程實施控制和信息安全的基礎。現(xiàn)在網(wǎng)絡是隨機控制，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)絡的不可控造成的。“5G+北斗”給互聯(lián)網(wǎng)帶來的最大好處，就是：實現(xiàn)人、機、物可追溯、可攔截的自由控制。

第五步，實現(xiàn)室內(nèi)外一體化的導航定位授時。這個是最難的，要實現(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，所以放在第五步。

三、“5G+北斗/GNSS”的應用

首先是整合北斗衛(wèi)星系統(tǒng)、地基增強系統(tǒng)、5G通信網(wǎng)絡、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、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用。

“5G+北斗”將服務車聯(lián)網(wǎng)、智能能源、無線機器人云端控制等行業(yè)應用。智能能源、智能電網(wǎng)現(xiàn)在的時間標準還是太低，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，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，實現(xiàn)電網(wǎng)全網(wǎng)設備輸入輸出電壓的納秒級或100納秒級相位同步。

“5G+北斗”還可以在軍事領域應用。我提出了制時空權，就是時空的精準和時空的可靠，再就是時空的協(xié)同。“5G+北斗+星基通信”是實現(xiàn)陸海空天和信息網(wǎng)絡制時空權的關鍵基礎設施。現(xiàn)在這些概念正在被大家所認識，所以成立了中國“5G+北斗”精準定位聯(lián)盟籌備會。我最早提出這個問題，講得也比較細一些、深一點，華為、移動、聯(lián)通都在跟武漢大學成立“5G+北斗”聯(lián)合研究中心。

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