通讯产业的能源瓶颈,凸显三网融合的必要性!

作者:网站编辑   来源:本站原创    日期:2022/7/28 15:45:00    人气:62634

导语

现在,通信市场变成了红海,有线电视陷入了困境。根源在于电信、广电在三网融合政策放开后,都在自己不擅长的领域投入了大量的资源,导致通信产业的发展过早进入能源依赖状态。

本文我们将交通与作为对比,深入浅出地为你揭示网络背后的能源消耗问题,你会看到推动三网融合的现实意义!

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交通与通信

交通、是两种重要的基础设施。一个承载实体经济,一个承载数字经济。

交通网络将人员、货物从一个地方运输到另一个地方。网络则将信息从一个地方传递到另一个地方。二者在网络架构上有很多的相似之处。

交通网络中的十字路口就好比是网络中的交换机或路由器,有红绿灯和停车线。
交通中的车站或者物流中心,有较大的场地用于客流、仓储管理。它们就好比是网络的数据中心(云计算)。从一个车站到另一个车站的道路,就好比网中的光纤或5G无线信道。
在道路上跑的各种交通工具,运输的货物越多,途经的车站越多,装卸次数越多,红绿灯越多,烧的油也就越多,在路上花的时间也就越长。解释这些现象使用牛顿力学。
网络上,传输的数据越多,经过的数据中心越多,使用的交换机路由器越多,数据的存取次数越多,所消耗的电力也就越多,的延时也就越大。解释这些现象需要使用香农定律、兰道尔定律等通信及计算机知识。
仅从能量消耗的角度,完全可以将交通与通信进行对照。

线路一般也是沿着交通路线铺设。交通网和通讯网在架构上几乎可以等同。

信道中的载波,就好比是汽车。对载波的调制,就好比是往汽车里装货物。ASK调制就好比一辆卡车拉一只乒乓球,而高阶QAM调制,就好比将货物尽量装满一辆车
所以,你看到从3G到5G,从WiFi5到WiFi7,从DVBC到DVBC2,主要的变化是调制阶数大幅增加。就好比把汽车的犄角旮旯都装满货物。曾经被神化的5G也不过如此。
两地之间的直达运输,最省油,耗时也最小。对应的通信技术就是两点之间直通、不需要红绿灯路由器的广播。
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通信正在成为高能耗行业

基于基础通信网,将计算机连在一起,就升级为互联网。

互联网的最初应用是传输文字图片,最广泛的应用是电子邮件。鼠标轻轻一点,就可以取代邮差。这时,我们感觉不到能源的消耗。
后来,我们用互联网点视频时,图像质量稍高点的视频会容易让电脑发热,手机电量也快速下降。有机构测算,我们每点播一集视频,终端与云端消耗的电力,大约可以烧开三壶水。

从标清到高清,再到超高清,需要消耗的电力呈指数级增长。通信网络和云计算的效率提升,并没有按照指数级速度跟上,遇到了能耗瓶颈。
比如,手机开了5G功能,电量会很快下降,5G基站也成为电老虎,视频网站的会员费不断提高也不能阻挡他们的亏损。
信息通信是文明的基础,越来越高的通信设备能耗,开始让我们将文明与能源消耗联系在一起。
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文明等级与能源消耗

前苏联天体物理学家尼古拉-卡尔达舍夫提出了这样一个理论:人类文明的技术进步与可控制的能源总量息息相关。根据这条思路,他从低到高确定了银河系中文明发展的三种类型:

类型I :该文明是行星能源的主人,这意味着他们可以主宰整个世界能源的总和。

类型II :该文明能够收集整个恒星系统的能源。

类型III :该文明可以利用银河系系统的能源而为其所用。

卡尔达舍夫等级用一个对数公式表示。如果一个文明的全部能源消耗为P,那么这个文明对应的卡尔达舍夫等级K可以表示为:

根据国际能源署的数据,2018年全球能源消费为14 281 889千吨油当量(能量单位),大约为1.90×10¹³W。由该公式计算出地球上人类文明,目前属于0.728级文明。

现在,我们的衣食住行都有了很好的保障,这方面的能耗增加有限。互联网通讯产业的能耗以每年超过20%的速度快速增加,将很快成为主要的能源消耗。

如果将现在网络中的视频全部改为8K超高清,可能全社会的发电用于通信也不够。更不用说热炒的16K/120Hz元宇宙超高清视频了。

超高清视频通讯或者说元宇宙,所带来的高能耗,或许是推动人类向1.0级文明发展的动力。

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通信产业的背后是能源

种种迹象表明,从5G开始,通信产业的发展和能源消耗关联起来。
数据中心也可以称为电力向算力的转化中心,运营商正在大力推广的“算力网”,从能源角度可以称为数字经济时代的基础“能源网”,是数字经济的核心。
国家正在实施的东数西算工程,就好比西电东送建设的坑口发电厂,就近将西部的电力转化为算力,用通信网络将运算结果送到东部,大幅降低能源消耗。
超高清时代,通讯作为一个大产业,其发展正在与人们可控制的能源有关,与尼古拉-卡尔达舍夫的文明等级理论开始关联,激励人们进行创新。
比如,有头有脸的资本开始投资核聚变发电。据悉再过10年,核聚变电力有可能上网销售。
这时,请允许泰信君进行更长远的畅想:

将来,当人类有了新的理论,可以使用可控核聚变方式,产生特定的电磁波,或其它什么波,并对其进行高效调制,然后再定向发射,既可以用于地球尺度的全息通信,也可以与外星人进行联系,而通信用的能源可能就是一罐氢气,而且可以用很长时间
这时的人类应该早已实现了能源自由,文明水平至少达到了尼古拉-卡尔达舍夫定义的类型I水平。
但目前的通信还必须接受香农定约束,设法降低能耗。
香农定律给我们描述了能源与信息通信之间的关系。这个定律我们时常提起,但又很容易忽视。
时常提起是因为有资源约束的无线通信,必须在香农定律的指导下,才能提高通信效率。
被忽视的原因是,有线通信,特别是光纤通信,因为物理信道资源丰富,在很多应用场景不需要考虑香农定律的存在。但这并不意味着没有香农定律约束。
比如,虽然光纤带宽很大,但光模块的射频电路带宽有限,也受香农定律约束。
所以,从百兆、千兆再到万兆光模块的射频芯片面积越来越大,基带芯片能耗也越来越高,光猫也越来越热。
比较遗憾的是,芯片技术的进步,对射频电路的功耗降低作用不大,用这类光电转换模块的IP网络通信,被锁定在了低效的ASK调制上,逻辑电路需要外接容量越来越大的DDR存储器,增加延时。
随着摩尔定律逼近物理极限,通信技术发展的指挥棒,就交到了香农定律手里。
也就是通信技术的发展水平,将取决于人类获取能源的能力。
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如何节省通信产业所消耗的能源?

依照我们目前的认知水平,距离能源自由还很遥远。特别是考虑到我国仍以煤电为主的现状,以及双碳目标的实现,对通信产业的节能必须更加重视。
正如文章开头,通信系统的节能完全可以参照交通系统。
比如,不需要中转的货物尽量直达,减少十字路口及红绿灯,开通直达列车或直达飞机。这对应了没有中转路由的广播通信。
对广播通信的研究与3-5G无线信道研究完全一样,就是采用更先进的调制编码技术。比如,采用DVBC2的4096QAM以及LDPC编码,可以实现10bit/Hz的信道效率,就好比使用更省油和装货能力更高的汽车。
这意味着,如果终端直接连接光纤,将10G基带IP传输光模块的射频技术用于设计高频头,通过多载波分段调制,像5G那样扩展频谱及频谱效率,可以实现100G以上的无路由器低成本广播直连,信道容量至少比全基带ASK调制提高10倍,容纳200M码流的高标准8K电视频道500套以上,可满足广播网10年的发展。
这样做还同时降低终端的IP包卸载算力,降低终端成本和能耗,让几十元的DVBC2机顶盒终端进入市场成为可能。
如果网络运营商吸引专业的芯片公司以及终端厂家分工合作,共同制定一个开放的标准实现多方共赢而不是闭门造车上述目标不需要投资就可以达到,而且还可以带动终端及传输设备的产业升级,产生网络效应。

这时,对于电视终端的升级,只需更换高频头芯片即可。然后再将RF输入换成光口,再去掉防雷击电路,总成本应该会下降
对于必须经过存储中转的货物,尽量减少货物的中间装卸次数。对应的是电信网络运营商扁平化的网络架构,减少网络层级,减少数据路由环节,实现效率提升、能耗下降。
近年来,一些云计算巨头进入服务器芯片设计领域,从算力角度提高视频数据的分发效率,降低能耗。
但无论如何,宽带网+云计算+路由器的通信效率,都不可能与基于基础信道调制的广播传输相比。
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三网融合仍有很强的必要性!

我们在《超高清驱动三网融合进入2.0时代》一文,详细叙述了三网融合的来龙去脉。在分析发展超高清时,最后也到了能耗上。为此,我们提出必须跳出一根线上赢家通吃的三网融合思维,进入多根线分工、基于终端融合的三网融合2.0时代,才能降低能源消耗。
也就是说,超高清时代,依据香农定律,有可能是铺设更多光缆、掌握更多物理信道资源的运营商胜出,也意味着管道资源的价值更加凸显由此推测,同时建设DVBC2广播网和IP宽带网的运营商,会在市场竞争中占据主导地位。
国家政策规定的广播网独立到户,是一个巨大的绿色广播电视传输资源。如果政策允许,电信运营商有可能争抢有线电视入户资源。
目前,电信运营商在“算力网”上的巨额投资,会导致主营业务重心向云计算偏离,使用广播网卸载算力网超高清数据负载的可能性较低,反而会将超高清作为消化算力网的应用,短暂降低对管道的关注度。这或许是有线电视建设DVBC2广播网实现最后逆袭的机会。
但是,如果有线电视以机顶盒为中心的计划经济体制不变,对战略机遇期不敏感,广播网络入户资源继续大量闲置浪费,国家会不会为了绿色发展,鼓励电信运营商参与竞争,提高广播网资源利用效率呢
所以,电信运营商建设DVBC2广播网的可能性并不为零。
有线电视必须加快市场化改革步伐,高效利用已有资源,进入三网融合2.0时代。
三网融合2.0是一件很有意义的事,泰信希望与产业链伙伴一起,将这件利国利民的事做成!
全文完,如果觉得对行业健康发展有利,就请随手点个赞和在看吧。

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