智慧城市：5G技术与区块链的八个标准
时间：2017-03-14 21:18 浏览：2355 来源：
摘要: 互联网改变了世界，移动互联网重新塑造了生活，“在家不能没有网络，出门不能忘带手机”已成为很多人的共同感受。人们对动互联网的要求是更高速、更便捷、更强大、更便宜，需求的“更”是没有止境的，这促使着移动互联网技术突飞猛进，技术体制的更新换代也随之越来越快。很多用户刚刚踏入4G的门槛，5G时代很快就要来到了。
互联网改变了世界，移动互联网重新塑造了生活，“在家不能没有网络，出门不能忘带手机”已成为很多人的共同感受。人们对动互联网的要求是更高速、更便捷、更强大、更便宜，需求的“更”是没有止境的，这促使着移动互联网技术突飞猛进，技术体制的更新换代也随之越来越快。很多用户刚刚踏入4G的门槛，5G时代很快就要来到了。
5G该会有什么样的技术？很多专家都有过预测，但能让外行人能看懂的文章一篇都没有，毕竟通信专业的门槛较高，特别是对未来技术的演进问题更难以科普，这篇文章的写法很特别，初中生水平就能看懂，通篇只需要您懂一个公式【光速=频率×波长】。
一、绪论
1、双驼峰规律
一项新技术概念出现后，在业界会出现一个研究讨论的高潮，这是第一个驼峰。相关的学术论文会产为热点，成堆的博士硕士依托这项新技术完成了毕业论文，虽然很热闹，但这仅仅局限在学术研讨层面上，而在具体的技术实现方面还存在着很多问题，或者因成本原因而根本无法量产。
研究讨论高潮逐渐降温，这是第一个驼峰的下落期，接下来是低调务实的技术攻关，这个平台期可能几年也可能一二十年，当技术问题都解决后，就会迎来商家量产和投入市场的热潮，这就是第二个驼峰。
按照国际电信联盟关于2020年的规划，5年后就要全面进入5G了，而到现在核心技术体系还没有确立。回顾3G技术发展史，国际电信联盟于1998年6月30日接收了3G技术提案，并迎来了第一个驼峰期，直到2009年1月7日,工业和信息化部正式发放了三张3G牌照，这才进入到第二个驼峰，平台期持续了11年，特别是三张牌照之一的TD-SCDMA，直到2013年才真正成熟，平台期长达15年，可刚成熟4G时代就来临了。
按照“双驼峰规律”，5年后将在全球推广使用的技术，应在2010年左右就迎来第一个驼峰，而不会在2020前的两三年横空出世，然后迅速被国际电信联盟确定为全球的5G标准，这违反了一般的技术发展规律，不太可能成真。
2、通信技术的极限
通信技术可以用八个字概括，那就是调制、解调、编码、解码，这些技术发展到现在，已经普遍到了平台期，例如编码的效率已经接近了极限，内部挖潜增效的余地越来越小，有些业界大牛甚至觉得通信已经没啥搞头了，转行去了医疗设备行业，把其扎实的通信功底用在了高精尖医疗电子设备研发方面，以追求更有希望的未来。
您可能会有疑问：科学技术越来越强，为什么不能把极限突破了呢？其实通信技术的极限并不是技术工艺方面的限制，而是建立在严谨数学基础上的推论，在可以遇见的未来是基本不可能突破的。
根据技术发展的“双驼峰规律”和通信技术发展的现状，不大可能会在未来几年里横空出世个令人惊异的新技术，5G技术应是现有技术的新组合，是4G技术的再演进。为什么要有个“再”字？因为4G LTE的后三个字母就是长期演进的意思，5G应是在4G基础上的再演进。
二、5G关键技术
1、增加带宽是关键
5G最显著的特点是高速，按规划速率会高达10～50Gbps，人均月流量大约有36TB，如此高的速率该靠什么资源来支撑呢？必须要靠更大的带宽！
带宽用字母B来表示，它就好比是道路宽度，最大速率用C来表示，它就好比是道路的最大车流量。显然易见，4车道的最大车流量是2车道的2倍，8车道的是2车道的4倍，这非常好理解。
增加车道数是提高最大车流量最直接有效的方法，同样地，提高速率的最直接有效的方法就是增加带宽。我依然记得读研究生时，老师在讲到带宽时掷地有声地说“你们给我记住：高速就是宽带，宽带就是高速！”。
人们对通信速率要求越来越高，迫使着信道的带宽就越来越宽，几根电话线的带宽不够，那就增加到几百根，几百根不够就换成同轴电缆，电缆带宽不够就换成光纤，有线通信的带宽就是这样一代代地递增着。
而手机通信使用的是无线信道，那它的带宽是如何增加的呢？核心方法就是采用更高的频段。
上过初中的都知道【光速=频率×波长】这个公式，知道这个公式就能看懂上面这个表格了，频率与波长成反比，两者之积等于光速，即30万公里/秒。
请看表格中两个黄色块的数据，数值都是3～30，但单位不同，甚低频段的整个带宽是27kHz,超高频段的整个带宽是27GHz,后者是前者的100万倍！由此可见，频段越高且带宽越大，这点非常好理解，好比是低保户和大富豪都拿出全部的财产，后者会比前者多得多。
所以关系就来了：5G时代若想更高速，就得使用更大的带宽，而要取得更大的带宽，就得使用更高的频段。4G之前使用是特高频段，5G就得往超高频甚至更高的频段发展了。根据国际电信联盟的专家预测，将来有可能使用30GHz~60GHz的频段，俄罗斯专家甚至提出了80GHz的方案。
30GHz以上的频段，比上表中最后一项的超高频还要高，其波长自然要比厘米段更短，那就是更短的毫米波，因此毫米波就顺理成章地成为了5G的一项关键技术。
2、毫米波技术
电波传播的特性很有趣，频率越高（即波长越短）的电磁波，就越倾向于直线传播，当高到红外线和可见光以上时，就一点也不打弯了，这是个渐进的过程。
毫米波一般不用于移动通信领域，原因就是它的频率都快接近红外线了，信道太“直”，移动起来不容易对准。请想象一个场景，您拿着激光笔指远处墙壁上的图钉，是不是一件很困难的事？
例如卫星车就很难“动中通”，开动起来车身摇摆，天线（就是那个大锅）就很难对准卫星，通常只能驻车后工作，而且必须精细调整天线的角度，使其电波的辐射方向正对着卫星，否则就无法通信。
手机是移动使用的，不可能打电话时还举着手机瞄准准基站的方向，那样实在是反人性。虽然在非正对方向也有信号，但强度会明显衰弱，使用体验会比4G之前要差得多。
电磁波有五种传播模式，相对于未来的5G时代，我们现在手机的频率要低得多，其绕射能力还是不错的，楼房阴影处的信号也没太大问题，因为信号可以绕着到达。
而未来5G的频率会高得多，绕射能力会下降，信号只能傻楞楞地直着走，以往信号能到达的犄角旮旯就到不了了，那该怎么办呢？这就引出了更一项技术—微基站技术。
3、微基站技术
请您脑补一个场景，小区中心只立着一盏路灯，阴影面积当然会很大，而如果在小区里均匀设置很多路灯，阴影面积则会小得多了。所以说，将传统的宏基站变成站点更多密度更大的微基站，是解决毫米波“直线问题”的有效方法。
这只是微基站的一个原由，还有一个更强大的原由。5G时代的入网设备数量会呈爆炸性的增长，单位面积内的入网设备可能会增至千倍，若延续以往的宏基站覆盖模式，即使基站的带宽再大也无力支撑。这个原由很好理解，以前的宏基站覆盖1000个上网用户，这些用户均分这个基站的速率资源，而进入5G时代后用户的速率要求高多了，一个基站的资源就远远不够分了，只能布设更多的基站，例如让每个基站只负责20个用户，分餐的人少了，每个人自然就能多吃。
基站微型化则设布设密度会加大，为避免基站之间的频谱互扰，基站的辐射功率谱就会降低，同时手机的辐射功率也会降低，这有两个好外，一是功耗小了待机时间会增加，二是对人体的辐射会降低。传统基站好比是房屋中间的火炉子，近处烫远处冷，而5G的微基站就好比是地暖，发热均匀更加舒适。
微基站数量大幅度增加后，传统的铁塔和楼顶架设方式将会扩展，路灯杆、广告灯箱、楼宇内部的天花板，都会是微基站架设的理想地点。
波长缩短到毫米波还会有什么影响呢？还会影响到手机天线的变化，这就是下一节要说的5G另一项技术—高阶MIMO。
4、高阶MIMO
根据天线理论，天线长度应与波长成正比，大约在1/10~1/4之间，当前手机使用的是甚高频段（即分米波），天线长线大约在几厘米左右，通常安装在手机壳内的上部。
天线的长度为什么应在波长的1/10~1/4之间？因为这个比例可使电波的辐射和接收更有效，为什么会更有效？这我就不知道了，这得问物理学家。
5G时代的手机频率在提升几十倍后，相应的手线天线长度也会降低到以前的几十分之一，会变成毫米级的微型天线，手机里就可以布设很多个天线，乃至形成多天线阵列。
多天线阵列要求天线之间的距离保持在半个波长以上，手机的面积很小，现在的手机天线是几厘米长，多天线阵列是难以设置的。而随着天线长度的降低，特别是5G时代的毫米尺寸天线，就可以布设多天线阵列了，就给高阶MIMO技术的实现带来了可能。
啥是MIMO呢？其英文简写是“多入多出”的意思，高阶MIMO的意思是指基站与手机之间有很多对的信道并行通信，每一对天线都独立传送一路信息，经汇集后可成倍提高速率，这当然是件极好的事。
不知您是否思考过这个问题：因为基站不知道您在哪个方位，所以它跟你通信使用的电磁波是全向辐射的，就好像是电灯泡发出的光那样，只有到达你手机的辐射才是有用的，其它方向的辐射都是浪费的，这种巨大的无用辐射还成为了其它手机的干扰。
如上图所示，因为手电筒的能量更集中，所以比灯泡照的更 远，基站与某部手机的关系就相当于光源与被照射物的关系，现在基站与手机的关系就是灯泡模式，不管手机在哪个方位，都会把针对这部手机的信号进行全向的辐 射，当然绝大多数非正对方向的能量都是浪费掉了，而且还成为了其它手机的干扰。
能不能把灯泡模式改成有指向性的手电筒模式呢，即把上图左面的全向辐射样式改成右面的这种窄波瓣样式呢？从而提高能量的使用效率？这就是下节要说到的波束赋形技术。
5、波束赋形技术
中国主导的3G国际标准TD-SCDMA有六大技术特点，其中有一项就是智能天线，在基站上布设天线阵列，通过对射频信号相位的控制，使得相互作用后的电磁波的波瓣变得非常狭窄，并指向它所提供服务的手机，而且能跟据手机的移动而转变方向。
由全向的信号覆盖变为了精准指向性服务，这种新形式的无线电波束就不会干扰到其它方向的波束，从而可以在相同的空间中提供更多的通信链路，这种充分利用空间的无线电波束技术是一种空间复用技术，这种技术可以极大地提高基站的服务容量。
遗憾的是这项技术并非在3G时代得到应用，但在5G入网设备数量成百上千倍增加的情况下，这种波束赋形技术所能带来的容量增加就显得非常有价值，波束赋形技术很可能成为5G的关键性技术之一。
波束赋形技术不仅能大幅度增加容量，还可大幅度提高基站定位精度，当前的手机基站定位的精度很粗劣，这是源于基站全向辐射的模式。而当波束赋型技术成功应用后，基站对手机的辐射波瓣是很窄的，这就知道了手机相对于基站的方向角，再加上通过接收功率大小推导出手机与基站的距离，就可以实现手机的精准定位了，并因此而扩展出非常多的定位增值服务。
6、综合分析
任何更新换代的关键性技术，都必须是经历过多年研究的成熟技术，按规划还有5年就要进入5G时代了，不太可能突然出现一个全新的技术并被吸纳为5G的国际标准中，考察5G的技术发展脉络还得从成熟技术中寻找答案。
在传统的宏基站大覆盖的情况下提速是非常困难的，20%的频谱利用率的提升都是了不起的成就，而在5G时代的千倍提速要求面前，这种内部挖潜的方法是行不通的，只有通过大幅度的加大带宽才有可能。
加大带宽是起点，由此而产生的毫米波、微基站、高阶MIMO、波束赋型等都是顺理成章的技术趋势。只要把基站做得足够小，其服务范围变窄了，单个用户获得的资源就能足够大，速度就可以提高到足够快。
所以说，5G的任何一项关键技术都不会有革命性的突破，其上千倍综合能力的提升，更多地是来自移动网络的重新布局。
区块链八大标准
2017年区块链正在风口上。媒体上大量涌现出的区块链项目，表明了更多的人对区块链概念的接受，并积极地投入到实际应用中。但是对于一个多年的区块链研究者和从业者，我们更应该有清醒的认识，不断地反问自己：现阶段，区块链到底能给社会治理和企业运营带来什么真实的价值？
我知道，很多区块链项目还都在“概念验证”阶段，甚至有些项目跟区块链根本没有任何关系。从软件技术架构的角度来说，这些项目更适合采用“传统的关系型数据库”技术，比如 Oracle 和 SQL Server这样的企业级产品，或者 MySQL 和 PostgreSQL这样的轻量级产品。直接明了地说就是：
“如果一个项目的需求用关系型数据库技术就可以满足，那么你用区块链就是愚蠢的！”
为什么这么说呢？因为像 Oracle 或 MySQL 这样的数据系统，都有几十年的发展进程，已经部署在全球数以百万计的服务器上的数据库系统，每天运行数以万亿计的查询。这些系统都经过了严格测试和性能优化，每秒处理几千次的交易都毫不费劲。同时，这些系统背后还有数以万计的软件工程师和系统工程师在做技术支撑。实际上，我们常用的软件应用，在数据库技术上都能找到成熟的解决方案。
而区块链技术，即便是代表性的比特币网络，虽然经过8年的运行，仍然在稳定性和可靠性上面临挑战。更不要说其他区块链开发平台了，基本都处在白皮书和Alpha版本阶段。
这里，我不是说区块链的无用之处，而是因为整个区块链的技术发展仍然处在初级探索的阶段。如果我们采用区块链的技术路线，那么在IT规划阶段，我们就应该明白区块链运行需要一系列的约束条件。如果不满足这些条件，还是应该回到数据库的路线来，也许这能让你更准确地定义项目，或者节省更多的时间和成本。
下面我将介绍，使用区块链需要的8个基本条件：
1、基于数据库
如果你想开发区块链项目，那么首先它应该是个数据库项目。从技术上，区块链可以看做是一种“共享型数据库”。
关系型数据库是用多个表来存储结构化的数据，还有现在比较时尚的NoSQL是利用文件系统来存储数据。（在理论的层面上，NoSQL数据库都是关系型数据库的一个子集而已）区块链中的数据，以经常讨论的银行账单为例，也可以表示为数据库中的一张表，其中每一行对应一个银行账户信息，每行数据又包含三个列，分别代表：1）账户的标示，如唯一性的银行账号；2）资产类型，如“人民币”或“美元”等；3）所拥有的资产数量。
数据库中对数据的操作，可以通过简单的SQL命令执行，对于复杂的交易类型的操作，通常是通过“存储过程”这个功能实现的。存储过程就是多个SQL命令组合在一起，它们要么全部成功执行、要么全部失败。例如，一个人向另一个人发起了支付交易，对应就是数据库中减少某一行的资产数量，同时增加另一行的资产数量。
2、需要多个“写操作者”
对于数据的操作类型，可以分为“读操作”（对应数据库中的查询命令）和“写操作”（对应数据库中的增加、修改、删除操作），拥有写操作权限就表示对数据有了完全的控制能力。
区块链可以认为是具有多个写操作者的共享型数据库。也就是说，可以有多个用户发起交易命令，对区块链中的数据进行修改。你知道这些写操作者是谁吗？
在区块链的网络中，这些写操作者通常都是“区块链节点”的运行者，他们每个人都拥有一份区块链数据的备份，并且通过P2P的方式传递交易命令。
当然，也有很多用户可以发起交易，但是他们并没有运行节点，他们通过其他节点，间接地对区块链数据进行修改。例如，一个由多个银行共同维护的区块链支付系统，但在移动设备上拥有数百万终端用户，他们只与自己的银行系统通信。
3、存在信任缺失的情况
如果多个用户同时需要对区块链数据进行修改，那么一定存在某种程度的不信任关系。区块链就是一种支持多个相互不信任的写操作者的数据库技术。
你也许会认为，不信任关系只存在于分散的组织之间，比如在一个跨国的贸易市场中的多个银行之间的交易等。实际上，不信任关系也存在于组织内部，比如不同副总裁管辖的部门之间。
在数据层面的“不信任”是指，每个用户都不希望其他人对自己的数据就行修改，同时也不会相信其他人对你报告的数据情况（不是自己查询到的数据是不可信的），因为每个人都有不同的利益诉求或者代表了不同的价值主张。
4、需要去中心化（或者去中介化、或脱媒）
到此，我们讨论到区块链可以应对多个不信任的主体对数据的操作问题。其实这个问题，我们还有一个众所周知的解决方案，就是找一个大家都信赖的中介。也就是说，所有人都信任这个中介，但是每个人相互不需要信任。
这种解决方案在现实中大量应用，比如银行账单系统就是这样。我们每个人对自己的银行账户进行数据查询或修改，其实并不是你直接进行数据库操作的，而是委托了银行后台系统的一个数据库用户来完成的。因为我们都信任银行，银行确保我们交易的有效性和账户的安全性。
区块链可以摆脱对这种中介机构的依赖，也就是所有用户可以直接发起交易，完成对数据的操作。所有这些交易由区块链节点进行授权认证和有效性认证。
有个问题会经常困扰我们：找个可靠的中介有什么不好？为什么非要搞去中心化？一个很好的理由就是，基于区块链的去中心化的结构，在降低成本、提高交易速度方面更具优势，同时有自动对账的特点，况且在很多系统中，选择或确定一个可信的中介方也是一件头疼的事情。
5、交易之间的交互
前面提到一个区块链系统涉及的多个操作者、不需要信任、去中介化等，但是这不还不是部署区块链系统真正的理由。如果你的需求中，需要处理多个交易之间的交互关系，那么区块链是个很好的选择。
什么是多个交易之间的交互？简单说就是，不同操作者发起的交易之间存在互相依赖的关系。例如，A向B发起一个交易，B又向C发起一个交易。这种情况B的交易就依赖于A的交易，如果不验证A交易的合法性，也就无法验证B交易的合法性。
再进一步说，区块链还有一个特性是，交易可以由多个用户共同发起（三角债或多方债务）清算，任何一方都不需要承担风险，这也是为什么银行间结算可以安全地在区块链上运行的原因，且不需要一个中介结构的参与。
还有一个例子是在身份识别系统中，一个客户的身份信息的不同方面可以被不同的主体进行独立的验证，比如公安部门验证户籍信息、银行部门验证金融信息、医院验证医疗信息等。虽然这些验证都是相互独立的，区块链提供了一个机制让这些信息可以统一起来。
6、制定交易规则的需要
这不是采用区块链技术的一个条件，而是使用区块链面临的一个必然结果。当多个相互不信任的主体，发起不同的交易时，那么区块链中需要有某种内置的交易规则进行约束。
这种区块链中的交易约束规则跟数据库中的约束规则不同。数据库的约束主要是检查特定时间点的数据库状态；区块链的交易约束规则是要验证交易的合法性。每一个区块链节点都利用这些规则，对每一个交易进行验证，验证结果是：那么交易被拒绝，要么就传递给下一个节点，继续进行验证。
在区块链的金融系统中，一个基本的交易规则要防止交易凭空创造资产。规则规定，每次交易之前和之后，资产的总量必须相同。
7、需要选择交易仲裁者
前面几项要求都是针对数据层面的，那么在交易组织上，区块链的工作角色是交易仲裁者，它是一种权威性的交易结果的日志。如果你的项目中需要选择交易仲裁，那么区块链是一种很好的解决方案。
为什么需要这个日志呢？
第一，当区块链中增加新的节点时，它可以从头下载所有的交易历史记录，不需要从其他不信任的节点下载信息。
第二，有些节点可能由于系统故障或网络故障，错过了某些交易。如果没有这些日志，就会导致一个节点的数据库与其他节点的数据库分离，从而破坏共享数据库的目标。
第三，两个交易可能同时发生，但是只有一个交易被接受。一个典型的例子就是“双重消费”，一个区块链中的资产被同时支付了两个不同的主体，由于区块链是通过P2P方式进行信息传递的，不同的节点可以对交易有不同的看法，因此需要把交易“confirm”到区块中，确保不同节点达到统一的决策。
最后，在Ethereum风格的区块链平台中，交易的顺序起到了至关重要的作用，每一个交易都影响到后续的一个交易。这种情况下，没有区块链，交易根本无法进行。
区块链，从字面上讲就是多个区块组成一个链，每个区块中包含了若干个已经被confirm的交易。那么谁来决定，哪个交易应该进入到哪个区块中呢？ 这就需要区块链网络中某些节点承担“仲裁者”的角色，在比特币中就是“矿工”，他们可以创造新的区块，并通过数字签名的方式保证这些区块的合法性。
仲裁者跟中介的一个本质区别是，仲裁者对数据操作的权限要小得多，他们不能虚假交易或者违反规则修改数据内容。在金融系统案例中，仲裁者不能花别人的钱，也不能改变资产的总数量。
在企业级的区块链项目中，可以选择或指定仲裁者，通常有三种方案：1）某个组织控制下的多个节点；2）不同组织成立一个核心小组来负责维护区块链；3）所有节点。
8、锚定现实资产
我对区块链的认识，更趋向于“共享数据库”，而不是大家经常提到的“共享账单”。作为一种技术，区块链的应用范围远远超出对金融资产所有权的跟踪问题，只不过用区块链做资产账单管理，是最简单、最自然的一个应用，这跟比特币的发展有关。
用区块链做金融资产管理，一个核心的问题是？谁来为区块链中的交易数据做背书？也就是说，我在区块链上有十个单位的资产，谁能给我兑换现实世界的十个单位资产？或者说，如果没人给我兑换，我找谁去起诉或索赔？
当然在不同的项目案例中，答案是不同的。对于货币资产，我们可以想象托管银行收取了传统形式上的货币，然后把储户的账户信息发布到区块链上，那么托管银行就负责区块链上资产的兑换。在贸易融资中，信用证和提单将分别由进口商的银行和船运公司支持。我们还可以想象，未来某一天，公司可以直接在区块链上发行债券，成为一种新的融资工具，当然公司要为区块链上数据进行背书。
总结
就像我开始提到的那样，如果一个项目不符合上述8个条件中的每一个，那就不应该选择区块链技术，你应该考虑：1）常规的文件存储；2）中心化的关系型数据库；3）主-从数据库复制技术；4）基于用户订阅机制的多数据库系统。
如果你的项目需求满足前5个条件，你还要考虑如何设定应用中的交易规则，你需要对你选择的仲裁者充满信心。最后，让你开发的区块链系统需要锚定一种或多种金融产品时，你需要找到能为这些金融产品背书的机构。