信息化前景和網絡演進探討

張新全，余少華

(1.中國信息通信科技集團有限公司，武漢 430074； 2.光纖通信技術和網絡國家重點實驗室，武漢 430074)

0 引 言

1948年，香農創立信息論，并將信息定義為可消除隨機不確定性的東西[1]；1963年，日本學者梅棹忠夫(Tadao Umesao)提出信息化概念；1980年，阿爾文·托夫勒(Alvin Toffler)在《第三次浪潮》中將人類社會發展劃分為第一次浪潮的農業時期、第二次浪潮的工業時期和第三次浪潮的信息化時期[2]。自此，信息化在西方社會逐漸取得共識。進入90年代后，中國高度重視信息化，認為“信息化是培育、發展以智能化工具為代表的新的生產力并使之造福于社會”，國務院于2008年設立了“工業和信息化部”。

最近10年，在以網絡和計算為代表的信息通信技術(Information and Communications Technology，ICT)進步的帶動下，信息化如催化劑般加速著世界科技和經濟的發展，網絡信息世界與自然世界和人類社會深度融合[3]。信息化對社會運行和人類生活的作用，在這次全球新冠疫情期間得到展示。

第1～4代移動通信技術(The 1th～4th Generation Mobile Communication Technology，1G～4G)網絡主要是為了滿足人的通信需求，但第5代移動通信技術(The 5th Generation Mobile Communication Technology，5G)網絡3大應用場景中的兩個已不再以人為直接服務對象，而是聚焦于行業信息化。這種改變在第6代移動通信技術(The 6th Generation Mobile Communication Technology，6G)中將更為顯著，揭示出未來網絡發展的主要驅動力將是信息化，對網絡的性能要求將不再以人為基本出發點。本文簡要介紹了信息化發展歷程，提出了數字孿生(Digital Twin)階段之后將是數字智驅(Digital Intelligence)和數字超越(Digital Transcendence)階段，并對信息化驅動下的未來網絡發展進行了探討。

1 信息化歷程與展望

信息化，是通過ICT實現對信息資源的高度和有效利用，使人的智能潛力以及社會的物質資源潛力被充分發揮，促進個人行為、組織決策和社會運行更趨合理。信息化的發展，是ICT在經濟、社會各領域不斷應用并改造和推動經濟、社會結構更趨合理的持續過程。第二次浪潮的核心是發展工業，重點推進機械化，機械化的基礎是動力設備和能源(石化和電力)。第三次浪潮重點推進信息化，其基礎是智能機器(由軟硬件構成，具備計算、存儲和輸入/輸出(Input/Output，I/O)等功能)、網絡和數據。

ICT的進步直接推動了信息化的發展。我們將到目前為止的信息化劃分為3個發展時期，如圖1所示。

圖1 信息化的發展歷程

第1個時期約始于全球第1個微處理器出現的1971年。這一時期以集成電路技術進步為基礎，計算和存儲等能力提升到可以有效支撐數字化，應用范圍大都局限于科研、自動化和數據管理。

第2個時期約始于互聯網逐漸大發展和電子商務逐漸興起的1996年。這一時期在光纖通信和移動通信等技術進步的支撐下，基于TCP/IP的互聯網持續爆發式發展，全社會的網絡化程度極大提升，通過網絡社交、網絡游戲、網絡視頻和網絡購物等拓展到生活和消費領域。

第3個時期約始于智慧城市和工業互聯網漸起的2012年。這一時期以物聯網、4G/5G和寬帶光接入等技術進步為基礎的網絡化繼續深入，以云計算、大數據和機器學習等技術大量應用為基礎的智能化成為發展焦點，信息化應用領域則繼續擴張，進入到生產、服務以及社會運行的方方面面。

數字化，是運用數字技術進行數據采集、呈現、分析、處理和控制，形成一個個數字對象或個體。長期以來，摩爾定律表征了數字化的性能提升規律。摩爾定律可表述為：(每芯片上電路增長倍數)=2×(年份-1975)/1.5。未來學家雷·庫茲韋爾(Ray Kurzweil)進一步指出：一種技術一旦被數字化，被編輯為以0和1表示的計算機代碼，它就能夠呈指數級加速發展。

網絡化，是以數字化為基礎，運用網絡技術實現數字對象與資源的連接和交互，從而構建數字空間。梅特卡夫定律揭示了網絡化帶來的價值提升規律，其可表述為：網絡的價值V=k×N2，式中：k為價值系數；N為聯網終端數量。

智能化，是以數字化和網絡化為基礎，運用智能技術實現數字個體與資源的便捷和有效協同，從而支撐數字空間的合理和高效運行。智能化的核心是基于數據提升效能，美國通用電氣公司指出了工業互聯網的“1%的威力”[4]，我們擬在后期研究中嘗試提出能揭示智能化帶來效能提升的一般規律。

數字化、網絡化和智能化可被視為信息化發展的3步，如圖2所示。但一是由于各垂直領域的基礎差異大，二是由于各種應用對性能的要求不斷提升，所以在圖1所述信息化的每個時期，數字化、網絡化和智能化都在推進，只是每個時期人們更關注其中的某一個。比如我們現在所處的第3個時期，智能化最為人們關注，但數字化和網絡化俱在持續深化中，且較之于前兩個時期都處于更高水平。

圖2 信息化的發展步驟

我們認為，信息化發展的第3個時期可進一步分為3個階段：數字孿生、數字智驅和數字超越階段。

(1)數字孿生階段

傳感、計算、存儲和網絡等能力顯著提升，數字化和網絡化水平已可以支撐在數字空間建構起與物理系統相“孿生”的一個個虛擬系統——“孿生體”。借助孿生體，我們可以方便和有效地對物理系統進行仿真、預測、管理和優化等[5]。在這一階段，云計算/邊緣計算、大數據、機器學習、模式識別和人機交互等推動人工智能(Artificial Intelligence，AI)在處理確定性的封閉化和特定化問題方面發揮重要作用。通過虛實映射及雙向交互構成“數據感知—實時分析—智能決策—精準執行”的閉環[6]，數字孿生推動智能制造的實現。數字孿生階段需要進行廣泛和大量的信息基礎設施建設，如我國正在著力開展的數字新基建。據預測，全球數字孿生市場在2020～2030年間的復合年增長率將達31.9%[7]。

我們正在邁入數字孿生階段，對其的具體論述有很多[5]，在此不贅述。數字孿生階段的局限性主要體現于兩個方面，一是受制于數字化和網絡化水平，這種數字空間的“孿生體”僅是服務于特定應用目的的特定側面或維度的刻畫，因此不同孿生體之間難以交互和融合；二是受制于智能化水平，智能化多局限于單個對象系統有預期的特定目的[8]。

(2)數字智驅階段

在數字智驅階段，以多維度更全面感知能力為基礎，以更深入、更廣泛的數字化和網絡化為基礎，可支撐在數字空間建構出物理世界和人類社會的神經層[9]，智能化地驅動組織、城市和社會的合理、高效運轉。圖3所示為物理世界和人類社會的神經層示意圖。

圖3 物理世界和人類社會的神經層示意圖

神經層是機體進行生理功能活動的主導系統，由中樞神經和周圍神經兩部分組成。與之相類比，對于在數字空間所構建的神經層，數字化和網絡化主要通過各種傳感和網絡等形成周圍神經，智能化主要通過各種信息處理平臺(云計算和邊緣計算等)形成中樞神經。

有了神經層，物理世界的各種組織(企業和機構等)和城市演化成為一個個“智能體”(具有一定的自感知、自學習、自決策、自執行和自適應等“自”能力[9])，并使整個社會融合成為一個大智能體。在神經層的作用下，各智能體的功能活動得到增強，可達到前所未有的合理和高效，經濟和社會發展從技術手段上將實現盡可能地優化，并基本達到信息化的目標：充分發揮各種資源潛力，充分優化組織和社會的運行。

這一階段里，在數字空間中對物理系統的刻畫已擴展到多個側面或維度，各智能體之間可以有效地交互和融合[8]；智能化也不再局限于單個系統和特定目的，而是群體的、混合的、復雜的。

(3)數字超越階段

生物科技和信息科技的進步和融合，將推動腦機接口這一類技術的突破，使人的生活空間擴展到虛擬世界成為可能[8,10]。并且，人不再僅是作為“物”存在于數字空間，還可兼具情感、情緒、感覺和體驗等“靈性”屬性[11]。

數字超越階段是在數字空間形成一個虛擬世界，人類生存空間從單一的現實世界擴展到虛擬世界。數字超越階段的虛擬世界，不是物理世界的簡單鏡像，更是超越，可突破現實世界的一些規則和極限，人類在虛實高度融合和虛實高度協同的場景中活動。在數字超越階段，自然界和人類社會的很多重要功能將轉移到虛擬空間，呈現非物質化或減物質化特征[6]，人類的認知、生產生活和社會運行可能出現顛覆性變化。

如果數字孿生和數字智驅階段是以優化現實世界的運行為目標，那么，數字超越階段將以人的自我實現[12]為目標，人將可以在某種意義上突破空間和時間的限制，人類將在現實和虛擬共同構成的世界中突破和超越自身的體力和腦力極限。

現在還很難對數字超越階段進行嚴格描述，但可以預見，虛擬世界可以出現并沒有現實對象相對應的“超體”，我們不僅可以在虛擬世界舉行會議、觀光旅游和訓練技能等[10]，而且人類社會對資源、資產、生產要素和生產力等的定義將被顛覆。比如，一些主要依靠智力的行業將雇傭虛擬勞動力(虛擬律師、醫生、畫師和撰稿人等)，這樣“我”可以一邊在現實世界休閑，一邊由虛擬“我”掙錢，當然“我”也需要通過數據、算法和學習等手段來對虛擬“我”進行知識儲備、技能提升和個體特色打造；再比如，權威會發生轉移，一個企業將不再需要一個實體意義上的董事長來進行管理決策，而是在一個擁有該企業歷代管理者經驗、擁有該企業所需內外部相關數據、擁有決策和管理等相關知識技能的虛擬“董事長”領導下運行；又比如，一個虛擬“人”對應的實體人死亡后，該虛擬“人”可以繼續在虛擬世界存在，或該虛擬“人”的經驗、見識和知識技能(背后是數據和算力等)等可如遺產一樣在數字空間被繼承和吸收。

根據前述分析，我們在表1中對數字孿生、數字智驅和數字超越3個階段進行了一些角度的比較，以探討相互間的差異。隨著無人駕駛、機器人施行手術、AI應答和全息影像等許多原本來自科幻作品的暢想已經或正在被我們見證，隨著信息化帶來的各種技術的指數級發展，人在擁有更多高科技帶來的便利的同時，也將更加依賴科技。可以預見，在數字超越階段，人對網絡和智能機器將極度依賴，可能達到須臾、寸步不可離的程度。在信息化演進的過程中，數字、網絡和智能技術將長期保持持續和快速進步。

表1 數字孿生、數字智驅和數字超越3個階段的比較

2 信息化驅動網絡發展

長期以來，網絡的發展是為了更好地滿足人自身的信息傳遞需求。但是，網絡發展的驅動力正在發生改變，未來網絡發展的主要驅動力將是信息化。5G是第1個體現出這種驅動力的公眾通信網絡。5G網絡的3大應用場景增強型移動寬帶(Enhance Mobile Broadband，eMMB)、超低時延高可靠通信(Ultra Reliable & Low Latency Communication，uRLLC)和海量物聯網通信(Massive Machine Type Communication，mMTC)中，uRLLC和mMTC是服務于機器和物的。這是5G相對于之前1G～4G的階躍性突變，不僅反映了數字孿生階段的網絡特點，而且鮮明揭示出未來網絡發展將不再是以滿足人自身的信息需求為主要目標。

因此，對未來網絡的性能要求也將不再以人為主要出發點。在當前及以后的相當長一段時期，網絡將主要適應數字孿生的要求，通過物聯網、工業互聯網和5G/6G等持續提升覆蓋范圍和連接能力，對網絡性能的需求評估不再僅立足于人。愛迪生認為，“地球上的一切工具和機器，不過是人肢體與知覺的發展而已。”人類科技發展水平越高，人類對工具和機器越依賴。到了數字智驅和數字超越階段，人類將愈來愈多的功能和操作等移交給智能機器實現，網絡也將愈來愈多地以機器為出發點來制訂性能標準。

一般可認為，人眼大約僅等效于一臺快門1/24的連續拍攝相機，焦距50 mm，光圈F4～F32可變，像素400萬，感光度ISO50～6 400。另外，我們現在的圖像壓縮比和編碼位數等參數，也都是以人為應用對象進行確定的。表2對人的感知和反應水平進行了簡單量化，如果考慮到機器的各種能力將隨著技術進步而不斷提升(如溫度和位置感知的準確度、“聽”的范圍和響應速度等)，則人與機器的能力差異還會不斷擴大。

表2 人類感知和響應水平[13]

顯然，機器的超強感知能力意味著需要更高量級的網絡速率和帶寬，機器的超高反應速度意味著需要更苛刻的網絡時延。數字孿生階段對物理世界的感知主要是單個維度的，數字智驅階段需要構建一個能多維度感知物理世界的神經層，數字超越階段則需要構建出一個虛擬世界，網絡性能將遭遇巨大挑戰。

為了應對這些挑戰，網絡的未來發展將呈現以下幾個特征：

第1個特征是網算協同。網算協同的本質是以數據為中心來構建網絡和計算[13]。數字孿生、數字智驅和數字超越的3大核心功能是感知、互聯和計算，完成數據的采集、傳輸、分析和利用。從云計算開始，網絡成為提供算力資源的基礎途徑，有效降低了計算的成本和能耗。為了改善計算效率和及時性，近幾年邊緣計算逐漸引起重視。隨著智能化對算力提出無所不在的需求，提供算力成為網絡的最重要功能之一。一方面，網絡需要從架構上真正考慮與計算的協同，才能高效、靈活、低成本和低能耗地滿足智能化日益增長的算力需求；另一方面，計算需要從實現架構上考慮怎樣利用網絡來提升算力資源配置的合理性和計算效率。云計算中心的內部網絡為適應計算進行了相應優化，未來的廣域網絡也將需要以計算為出發點進行優化和重構。當前的云網融合是網算協同的起步，信息化的進一步發展要求網絡與計算在更深層次上緊密地協同，以達到計算能力和計算供給成本之間的有效平衡。

第2個特征是接入協同。接入是網絡與外部世界的I/O，更高性能(速率和帶寬)、更大便捷性和更低成本是接入技術演進的方向。在“光進銅退”的推動下，光纖成為固定通信的主要接入媒質。移動通信提升了接入的靈活性和機動性，其從1G～5G的各代發展，一大特征是將愈來愈多的頻段運用到了無線接入。業界提出的6G愿景，普遍強調“陸海空天”全覆蓋，衛星等方式也成為可選接入手段，太赫茲等更多頻段可能被納入使用。終端的智能化，使其具有多維度感知能力，并可運行多個具有差異性的應用，從而使得單種接入技術很難在成本、性能和便捷性上同時滿足要求。當前，智能手機已在一定程度上實現了移動通信接入和WiFi(Wireless Fidelity)接入的協同，多接入邊緣計算也已在進行探索和實踐[6]。數字智驅需要全方位感知物理世界，數字超越需要豐富的手段來打造虛擬世界，愈加凸顯出泛在、靈活、低成本和高性能接入的重要性。當前網絡互連協議多媒體子系統(Internet Protocol Multimedia Subsystem，IMS)和軟件定義網絡(Software Defined Network，SDN)等已為固移網絡融合創造了一定技術條件[14]，未來的網絡有望不再以接入技術進行區分，所有廣域網將融合成一個各種方式協同配合實現全方位接入的極簡和高效網絡。

第3個特征是光電協同。延續摩爾定律的難度越來越大，使得光子技術在ICT領域的重要性不斷強化，尤其是硅光子技術的進步，為光電協同創造了有利條件[15]。一是業務承載上的光電協同，光網將從傳送網向業務承載網演進；二是網絡核心功能上的光電協同，光交換和光路由可以保障機器響應度級別的業務時延要求；三是計算上的光電協同，提升計算能力。

第4個特征是智能化。網絡的智能化有兩個維度，一是網絡能力的智能化，二是網絡管控的智能化。網絡的應用領域在信息化持續深入下正擴展到人類社會的方方面面，應用場景紛繁復雜，網絡能力必須智能化才可能適應各種應用的差異化要求，當前的SDN/網絡功能虛擬化(Network Function Virtualization，NFV)和網絡切片技術等初步反映了這種發展趨勢。網絡管控智能化是基于監控、預測、優化和仿真等使網絡具備自治能力[16]。網絡自身的信息化水平正是體現于網絡的智能化，未來的網絡將可以自優化、自演進和自生長。網絡智能化需要兩個基礎，一是硬件的通用化和動態可調；二是網絡功能的軟件化，使得網絡能極靈活地可編程和可自適應調整。

另外，需要強調的是，光通信和光電子在網絡中的作用和重要性將不斷提升。光纖的低損耗、大帶寬和低成本優勢，使得光通信在40多年的發展中已成為長途、城域和短距傳輸的最主要技術，數據中心內的互聯也愈來愈依賴光通信，“光進銅退”還將進一步深入到板卡、模塊和芯片間，甚至進入芯片內部。考慮到數字孿生、數字智驅和數字超越階段仍將不斷增長的帶寬需求，光通信是目前可知的唯一適合技術，并且超低時延和確定性連接等要求光在業務承載和路由交換等方面也承擔愈來愈多的功能和作用。因此，索尼、日本電報電話公司(Nippon Telegraph & Telephone，NTT)和英特爾等公司成立了創新光學無線網絡全球論壇(The Innovative Optical and Wireless Network Global Forum，IOWN-GF)，明確提出全光網將是面向2030年的最關鍵網絡基礎設施，現有網絡協議需作出適應性改變以有效利用全光網實現苛刻時延和確定性連接等要求[13]。當前，光通信本身遭遇香農極限和光纖可用帶寬資源耗盡等挑戰[17]，需要在空分復用(多芯、少模)[18]和軌道角動量復用[19]等技術上突破以化解容量危機[20]，需要在光交換/路由等方面突破以增強組網能力[21-22]，需要引入AI以提升光網的智能化水平[23]，我們在文獻[24]中對此進行了較為詳盡的闡述。

3 結束語

隨著ICT的進步，以數字化、網絡化和智能化為特征的信息化正深入到社會運行和人類生活的方方面面。我們在回顧信息化發展歷程的基礎上，提出數字孿生階段之后將是數字智驅和數字超越階段。信息化逐漸成為網絡未來發展的最主要驅動力，由此帶來網絡性能需求的相應變化。本文描述了未來網絡發展的網算協同、接入協同、光電協同和智能化4個特征，并初步探討了光通信在其中的關鍵作用和挑戰。