数字基础设施技术趋势白皮书 2023.pdf

数字基础设施技术趋势白皮书数字基础设施技术趋势白皮书数字基础设施技术趋势白皮书数字基础设施技术趋势白皮书版本日期作者备注V1.02023.05中兴通讯数字基础设施技术趋势白皮书目录目录1.前言前言.52.数字基础设施数字基础设施技术发展的需求和挑战技术发展的需求和挑战.72.1.未来业务发展对于数字基础设施技术的需求和约束.72.2.传统的技术发展路径面临的挑战.102.3.未来技术发展路径概述.133.更宽的连接更宽的连接.143.1.综述.143.2.物理层（无线）：5G-A&6G 需要更大力度的空分复用及扩展频段.163.3.物理层（光传输）：单波提速、波段扩展和空分复用.203.4.分组层：兼顾容量和灵活性的分组转发芯片架构.223.5.应用层：基于深度学习视频编码进一步提升视频压缩效率.233.6.设备互联：光互联将逐步渗透到设备间及设备内互联.254.更强的算力更强的算力.284.1.综述.284.2.芯片架构：DSA&3D 堆叠&Chiplet.294.3.计算架构：存算一体使得计算和存储从分离走向联合优化.314.4.计算架构：基于对等系统的分布式计算架构.334.5.网络架构：支撑算网融合的 IP 网络技术实现算力资源高效调度.345.更高的智能更高的智能.375.1.综述.375.2.智能芯片：提高算力/能耗比的技术方向.385.3.智能算法：多样化分离小模型向通用大模型演进.40数字基础设施技术趋势白皮书5.4.智能网络：网络自智向 L4/L5 等级迈进.426.结语结语.457.参考文献参考文献.47数字基础设施技术趋势白皮书1.前言前言技术创新是生产力进步、产业发展的核心驱动力。世界经济论坛创始人克劳斯施瓦布（Klaus Schwab）在其所著的“第四次工业革命”中指出，近代以来，人类经历了四次由技术创新引领的工业革命。第一次起始于 1760 年左右，以蒸气机、铁路的发明和广泛应用为主要标志，使人类从手工工艺时期跃进到机械化生产阶段；第二次始于 19 世纪末，以电的发明和广泛应用为标志，电力工业、化学工业以及电报、电话等的迅速发展，使人类进入大规模工业化生产时代；第三次工业革命始于 20 世纪中期，以通信技术、计算机技术、互联网技术（简称信息通信技术，或 ICT 技术）为主要标志，人类进入自动化生产阶段；第四次工业革命目前正在发生，是第三次工业革命的延续，但技术创新的速度、广度和影响力以指数级别上升。第四次工业革命以数字化和智能化为主要特征，标志性技术有物联网、大数据、人工智能等，尤其是以深度学习为代表的人工智能技术的突破，使人类逐渐从数字社会迈向智能社会。高效的数字基础设施是数字社会、智能社会的关键支撑。面向 2030，产业互联、全息通信、元宇宙、自动驾驶等新型应用对信息通信技术提出了更高的需求。但应该看到，信息通信技术的发展是以 19 世纪末到 20 世纪中叶人类在电磁学、量子力学、信息论等数学、物理学的突破为基础的，而近几十年来，基础科学的突破有放缓的迹象，这使得信息通信领域的未来技术发展面临越来越严峻的挑战。传统的技术演进路线面临摩尔定律、香农定理的限制以及节能减排的约束，亟需在基础理论、核心算法和系统架构方面有根本性的创新。国际形势的风云变幻，也对技术自主创新提出了很高的要求。本白皮书是对数字基础设施的未来技术发展趋势的解读，由中兴通讯技术专家委员会集体编写完成。与业界常见的以商业模式、应用愿景、技术需求为主的白皮书不同，本技术白皮书更多地把重点放在技术发展面临的挑战，以及解决这些挑战的技术实现路径上。白皮书第二章介绍了未来的业务场景对于数字基础技术的需求，提出了数字基础设施最关键的三个技术要素是连接、算力和智能。但是这三个技术要素的发展，面临着香农定理极限、摩尔定律放缓和智能本质认知不足的问题，使得未来的技术进步面临很大的挑战。第三五章分别针对更宽的连接、更强的算力、更高的智能三个方向进行了具体技术趋数字基础设施技术趋势白皮书势的描述。每个技术方向均描述了未来的技术需求和面临的技术挑战，以及解决问题和挑战的技术发展路径。既有对业界发展现状和主流观点的描述，也有中兴通讯的技术创新和对未来发展的预判。第六章是整个白皮书的总结，同时也针对数字基础设施能力如何更好服务于各行各业提出了我们的一些思考。中兴通讯的技术创新瞄准技术发展趋势、行业发展方向和国家重大需求，依托于政、产、学、研、用各方的协同与支持，目前已经取得了丰硕的成果。我们将继续与产业伙伴一起，共同推动信息通信领域的技术创新工作，为人类迈向数字社会和智能社会作出贡献。数字基础设施技术趋势白皮书2.数字基础设施数字基础设施技术发展的需求和挑战技术发展的需求和挑战2.1.未来业务发展对于数字基础设施技术的需求和约束未来业务发展对于数字基础设施技术的需求和约束自从 1837 年美国人摩尔斯发明摩尔斯电码和电报以来，信息通信技术迅速发展，极大地改变了人类生活、生产的方式。通信业务从最初单一的电报、电话到现在涉及人类经济、社会、生活的方方面面。全球数字经济规模持续上涨。2021 年，全球主要的 47 个国家数字经济增加值规模为 38.1 万亿美元，同比名义增长 15.6%，占 GDP 比重为 45.0%01。2022年，我国数字经济规模达到 50.2 万亿元，同比名义增长 10.3%，已连续 11 年显著高于同期GDP 名义增速02。九层之台，起于累土。高效的数字基础设施是数字经济的核心基础能力。在 ToC 和 ToH领域，新冠疫情带来的工作和生活方式的变化、短视频及直播等应用的爆发、在线教育和远程办公的普及，对于网络带宽和覆盖提出了更高的要求；在 ToB 领域，从 ICT 向 OT（生产域）的纵深拓展和贯通融合，也对网络性能、经济便捷和安全可靠等提出更高的期望。2023 年 2 月，中共中央、国务院印发了数字中国建设整体布局规划03（以下简称规划）。规划明确指出，数字中国建设按照“2522”的整体框架进行布局，即夯实数字基础设施和数据资源体系“两大基础”，推进数字技术与经济、政治、文化、社会、生态文明建设“五位一体”深度融合，强化数字技术创新体系和数字安全屏障“两大能力”，优化数字化发展国内国际“两个环境”。规划指出，打通数字基础设施大动脉，有如下具体要求：加快 5G 网络与千兆光网协同建设，深入推进 IPv6 规模部署和应用，推进移动物联网全面发展，大力推进北斗规模应用；系统优化算力基础设施布局，促进东西部算力高效互补和协同联动，引导通用数据中心、超算中心、智能计算中心、边缘数据中心等合理梯次布局；整体提升应用基础设施水平，加强传统基础设施数字化、智能化改造。根据 规划 的要求和中兴通讯对于行业的理解，数字基础设施有三个基本要素：连接、算力、智能。数字基础设施的目标就是，网络无所不达、算力无所不在、智能无所不及。数字基础设施技术趋势白皮书“连接”是互联网最核心的特征，连接速率从最初电报的每秒约 1 个字符，到现在的“双千兆”接入（即无线接入和光纤接入均达到千兆）和骨干网单光纤几十 Tbps 的速率。无线通信网络基本每十年进行一次更新迭代，速率提升约 10 倍。面向 2030（6G），随着全息通信、元宇宙等新业务的发展，预计业务对于连接的需求相比目前（5G）仍将增长 12 个数量级04。其中，带宽峰值速率将达到 1 Tbit/s（50 倍），用户体验速率达 20 Gbit/s（200倍），时延可低至 0.5ms（8 倍），连接密度达到 100 个/m2（100 倍）。“算力”在数字社会已成为像水电煤一样的基本设施。据 IDC&浪潮信息&清华全球产业院的评估，计算力指数平均每提高 1 个点，数字经济和 GDP 将分别增长 3.5和 1.805；据中国信通院统计，2021 年全球计算设备算力总规模达到 615 EFlops，预计 2030 年达到56 ZFlops，平均年增速达到 65%06。算力是实现其他技术需求的关键要素。比如通信容量的提升需要有各种编解码计算；视频领域的 AR/VR、全息等业务，需要视频编解码、图像渲染、动画生成等高计算量的技术；近十多年来广泛应用的人工智能技术对于算力的需求是前所未有的。随着近十多年深度神经网络算法的突破，人工智能技术不断拓展应用的深度和广度，已经成为人类社会从数字化向智能化迈进的强大引擎。数字化的前提是用数学模型表示物理世界，数学建模是算法和软件的基础。而 AI 技术突破之前，现实世界有大量的复杂系统无法用数学模型表示。深度神经网络技术的本质，是用简单神经元节点的大规模互联来逼近各类复杂系统的数学模型（比如人类认知系统或者高度非线性的物理系统），极大拓展了数字化的应用广度和深度。从物理层链路的非线性补偿，到网络层资源的智能化调度，再到应用层的视频处理、人机交互、安全态势感知、自动驾驶等等。智能成为最为关键的数字化基础技术之一。由此可见，连接、算力、智能是未来数字化应用的基本技术需求。未来数字社会的根基是融合的算网基础设施及智能化服务体系。在数据洪流对端、边、云的冲击之下，连接、算力、智能这三者相辅相成，体现出更加紧密的关系和更加模糊的边界，以实现海量数据的存储、交换和处理的全局效益最优。数字基础设施技术趋势白皮书连接、算力、智能也是实现其他技术需求的关键要素。比如，安全技术需求，最基本的技术就是各种加密解密算法和计算部件；可靠性需求的技术基础是器件、组件、系统的失效期计算，以及各种系统冗余、网络冗余的算法。目前 5G 的 URLLC 场景已经可以提供 4 个 9（99.99%）的可用性，未来要满足工业场景 5 个 9（99.999%）的可用性需求，可能的办法是引入 AI 算法实现信道预测、故障预测、干扰跟踪等技术手段。图 2.1 给出了未来各种应用场景与三大技术要素的对应关系。这些场景取自于国际电信联盟（ITU）网络 2030 焦点组于 2020 年 6 月提出的未来网络 12 个应用场景0708。图 2.1：未来业务场景与三大技术要素的对应关系与此同时，人类可持续发展的目标对于节能环保提出了越来越高的要求。各个国家都提出了双碳目标（碳达峰、碳中和）。尽管信息高效交互和处理可以提升物流和能量流的效率，从而降低整个人类活动的碳排放水平。例如 GeSI（Global Enabling Sustainability Initiative）发布的报告 SMARTer 2030 指出，ICT 技术有可能在 2030 年前帮助全球减少碳排放 2009。但信息通信行业自身的碳排放仍然是不可忽视的一个方面。据上述 GeSI 报告的估算，预计到 2030 年信息通信产业的碳排放占全球总碳排的 1.97%。未来的技术发展，数字基础设施的建设，除了业务驱动外，还必须把节能减排作为一个主要的约束条件。另一个重要的约束条件是国际政治形势对于全球技术融通和共享的影响。未来的技术供应链、全球的技术协作都很可能面临越来越多的困难。数字基础设施技术趋势白皮书2.2.传统的技术发展路径面临的挑战传统的技术发展路径面临的挑战从 19 世纪后期到 20 世纪中叶，人类在电磁学、量子力学、信息论等数理理论的突破，是现代信息通信技术的基础。信息通信技术三大要素，连接、算力、智能，既有各自的发展路径，又呈现相互支撑、协同并进的态势。香农信息论从理论上证明了，带宽恒定的信道在有噪声情况下存在传输容量上界，即香农极限。通信带宽的提升，一方面是研发更优的传输信道（无线、电缆、光纤等），另一方面是用不断演进的算法（调制解调、整形补偿、前向纠错等）逼近香农极限。先进的算法带来了计算复杂度的增加，必须依赖微电子技术的进步，以更强的数字信号处理能力满足通信算法的需求。计算机出现之后，对算力的需求成为微电子技术进步的最大驱动力。著名的摩尔定律最初就是对微处理器发展的预测，即，每隔 18 或 24 个月，单位面积的芯片上所集成的晶体管数量翻一番，微处理器性能提升一倍，价格减半。按摩尔定律发展的微处理器在过去 50 年来性能提升了 10 亿倍以上，其带来的半导体工艺技术的进步也同时带动了其他芯片的发展，包括用于通信的数字信号处理器（DSP）、网络处理器、交换芯片等。芯片技术的进步使得更加复杂的通信算法得以实现。人工智能算法对于算力的需求前所未有，除了研发性能越来越强大的 AI 算力芯片之外，分布式计算也是解决大算力需求的必由之路。分布式 AI 计算对于连接带宽、时延提出了很高的要求，连接技术的进步使得跨地域的云-边高效协同的分布式 AI 计算成为可能。反过来，连接带宽的提升也需要人工智能技术的支撑。目前 AI 算法已经在网络物理层优化、无损网络参数优化、神经网络视频编码等各层面发挥作用。由此看出，连接、算力、智能这三大技术要素，每个要素的发展都依赖其他要素的支撑，反之，任一个技术方向的受阻，都会影响其他技术方向的演进。目前看，这三个技术要素的未来发展路径均面临各自的困难。（一）通信算法已经逼近香农极限香农定理，即 C/W=log2（1+S/N），揭示了谱效（单位频谱宽度能传送的最大信息速率）与信噪比的关系。在通信实践中，经常根据信息速率（不含冗余信息）、通道宽度，来数字基础设施技术趋势白皮书确定最小信噪比容限。这个信噪比容限代表可实现无误码传输时所需信号质量的极限值。早在 2001 年就有研究论文指出10，目前无线通信中使用的 LDPC 编码算法，在白噪声信道中达到 10-6误码率的信噪比容限，是 0.31dB，而此场景下的香农理论极限是 0.18dB，两者只差 0.13dB，也就是实际信噪比容限比香农限只多了 3%（100.0131.03）。另外，据中兴通讯实测数据，目前光传输算法在 416QAM 调制达到的信噪比容限，距离香农限约为 1dB 左右，只能等效提高 25%的传输距离，或提高 0.33bps/Hz 的谱效。越接近极限，提升算法复杂度所带来的性能收益越低，往往用数倍的计算量，才能带来几个百分点的性能提升。因此未来的算法即使能够继续逼近香农极限，其对于算力效能的需求（单位功耗的算力）也大大超过了摩尔定律能达到的水平。（二）微电子技术逐渐逼近物理学设定的边界代表微电子技术进步的摩尔定律也逐渐遇到越来越大的困难。在 28nm 工艺之前，业界通过缩小晶体管尺寸（如栅长）来增加单位面积的晶体管数量。但晶体管尺寸小到一定程度就会因为量子隧穿效应、寄生电容等问题而难以为继(一个硅原子的直径为 0.2 nm，20 nm 的栅极长度大约只有 100 个硅原子)。因此从 22nm 开始，主要靠晶体管结构创新来增加单位面积的晶体管数量，从鳍式结构 FinFET（预计可以支撑到 3nm）到全环结构 GAA（预计可再支撑 23 代）。但是复杂的结构创新所需要的成本和功耗很高，因此继续提升工艺节点的经济性越来越成为限制因素。目前看来，人类在微观世界的基础理论进展（量子力学）所带来的技术红利已经接近用尽。从二十世纪五十年代开始，以量子力学为基础的现代光学、电子学和凝聚态物理迅速发展，诞生了激光器、半导体和原子能等重大科技突破。但这次技术革命还只是从宏观统计的角度认识和利用量子现象，例如能级跃迁、受激辐射和链式反应，对于物理介质的观测和操控依然是宏观的手段和方法，例如电流、电压、光强等。微电子技术的物理学基础是基于电荷数量的电平检测，随着电荷团持续缩微，带来了静态泄漏电流增大等难以解决的问题。业内在研究将“电荷团迁移”改为“材料的阻变”、或“量子自旋”等新物理机制来降低功耗，但操控的仍然是宏观物理量，仍将面临尺寸缩微的极限。数字基础设施技术趋势白皮书要全面展示量子态的特性，充分释放量子的潜力，就必须通过对光子、电子和冷原子等微观粒子系统及其量子态进行精确的人工调控和观测。科学界在这方面的研究尚处于起步阶段，未来的发展路线、方式、目标都存在很大的不确定性。（三）智能的发展，缺少认知科学理论的指导人工智能是对人类思维过程和智能行为的模拟。对人工智能的研究从计算机诞生不久的20 世纪 50 年代就已经开始，真正在应用上取得突破是在 2006 年深度神经网络取得成功之后。但基于神经网络的人工智能算法是对人脑生理结构的浅层模拟，对于其深层工作机理的研究属于认知科学的范畴，目前尚未取得突破。目前人工智能算法已经在多个难以用数学模型描述的复杂问题域取得应用，包括人类智能相关领域，和非人类智能相关领域。在人类智能相关领域，比如机器视觉、自然语言处理、自动驾驶等，虽然在某些场景下已经非常逼近甚至超过人类的水平，但在通用性方面离人类智能仍然有差距。业界逐渐认识到，人工智能算法要真正达到人类智能的水平，需要在认知科学基础理论有突破性的进展。在非人类智能相关领域，比如通信物理层的神经网络建模和补偿算法，虽然取得了一些学术研究成果，但由于缺少对其内在物理机理的了解，使得业界对于这种模型的适应性和可靠性存疑，阻碍了其真正在工程上的大规模应用。目前的深度学习技术路线是靠算力和数据的大规模堆积来实现的，但在摩尔定律放缓，节能减排约束的背景下，这种技术路线从长期看是难以持续的。目前人工智能算法对算力需求增速远大于摩尔定律增速，特别是进入 Transformer 大模型时代后，训练模型所需的算力增速提升到平均每两年增长 275 倍，大幅超越摩尔定律每两年增长 2 倍的增速11。这种增速背离带来的直接结果，就是 AI 计算成本和对环境的压力快速上升。目前，全世界 1%的发电量被用于 AI 计算。全球 AI 计算能耗年增长率为 37%。据此估算，下一个 10 年，AI计算将消耗全世界发电量的 15%左右，将为环境带来沉重的负担。总的来说，信息通信技术的发展已经逼近数学（香农定理）、物理（量子力学）、认知科学三大基础理论所设定的边界。往前每走一步都要付出比以往更大的代价。而节能降耗的要求、技术效用的边际递减又给技术演进的经济可行性设置了更高的障碍。浅层的矿藏已经挖完，深层的矿藏是否具有技术经济性尚属疑问。这是目前的技术演进路线面临的主要问题。数字基础设施技术趋势白皮书2.3.未来技术发展路径概述未来技术发展路径概述上一节提到，连接、算力、智能这三大技术要素的演进都碰到了瓶颈，技术提升所需要的成本、功耗与带来的收益越来越不成比例。而未来业务需求对于带宽、时延、算力的需求仍然是数量级的上升。如何突破技术瓶颈，打造“连接+计算+数智能力”的数字底座，是当前面临的重大课题。本白皮书第 3 章第 5 章分别从“更宽的连接”、“更强的算力”、“更高的智能”三个方面描述未来技术发展的可能路径。美国思想家布莱恩阿瑟在技术的本质一书中提出，技术的本质是被捕获并加以利用的现象的集合；技术的进化类似于生物进化，是一种组合进化的过程，新技术是已有技术的新组合。我们认为，未来的技术发展，除了继续单点突破，挖掘现有技术路径的潜力外，另一方面也将更多聚焦到多种技术的协同、系统架构的优化。信息通信系统的架构，不管是计算架构还是网络架构，都是以模块化、分层、解耦为特征，比如冯诺依曼计算架构的特征是计算和存储分离；网络架构采用协议分层和层间解耦的设计。分离和解耦的好处是各个模块独立发展，便于创新和维护。但模块间简单化、通用化的协作与接口，对于某些特定业务来说并不能达到性能最优。在单个模块的性能提升遇到瓶颈的时候，往往需要模块间的协同和融合去带来性能和功耗的收益。在后面章节描述的技术路径中，既有现有技术路径的挖潜，比如无线、有线通信中开发新的频谱和信道；也有多种技术的协同和耦合，比如光电集成、存算一体、算网融合等等。表格 2-1 是对于连接、算力、智能三个方向的技术发展路径的概述。表 2-1未来技术发展路径的概述单点纵深突破立体协同耦合更宽的连接提高频谱效率继续逼近香农极限；扩展频谱带宽；空分复用光电集成；分组转发芯片架构创新更强的算力More Moore：半导体工艺继续缩微路线算、存、网从分离到融合：存算一体、对等系统、算网融合更高的智能AI 芯片架构创新，实现更高算力/能耗比；AI 算法从多样化的分离小模型向通用大模型演进；智能化能力向数字基础设施自身、行业、企业赋能；数字基础设施技术趋势白皮书3.更宽的连接更宽的连接3.1.综述综述万物互联是数字化时代的主要特征。提升连接带宽是信息通信技术的主要追求目标。目前，无线接入（5G）和有线接入（10GPON）已经具备向用户提供“双千兆”接入带宽的能力。骨干光纤网开始部署长途 400G 单波传输技术。如第二章所述，未来 510 年，业务对于带宽的需求仍将有 12 个数量级的增长。网络带宽提升不仅是物理层传输带宽的提升，还涉及分组层、应用层等数据处理能力的提高。同时，机架及设备内部互联的带宽也需要相应提升。（一）物理层通信物理层以电磁波理论为基础，电磁场表达式如以下公式所示：根据电磁场表达式，通信可复用的维度有偏振、空间分布、幅度、相位、波长和符号周期（波特率），一般把幅度和相位合称为 QAM 调制（Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度调制），因此一共是 5 个维度。其中偏振、QAM、波特率与单波速率有关。因此总传输速率可以写成：注：此公式是一个简化表示，无线领域涉及多个空分通道的计算公式较复杂由公式可知，提升传输容量可通过提升单波速率、波段扩展和空分复用，合计 3 个技术途径。其中单波速率受限于香农定理，提升单波速率一方面通过高阶调制、偏振复用等技术提升谱效，逼近香农限，另一方面通过提高波特率，从而提升单波带宽；波段扩展是指增加通信可用的频段；空分复用通过多天线或者光纤的多个纤芯、模式，增加通道数量，实现容量数倍提升。表 3-1 是无线通信、光通信对于上述 5 个维度、3 个技术途径的发展现状和未来技术路数字基础设施技术趋势白皮书径的简要总结。详细的描述分别见第 3.2 节和 3.3 节。表 3-1：无线通信、光通信的技术发展现状和未来技术路径5 5 个维度个维度三个技三个技术术途径途径无线无线光传输（长距）光传输（长距）幅度和相位（QAM）单波提速（单自由度提速）现状：1024QAM 已经标准化，但还没有商用；调制阶数越高，距离香农限距离越远 趋势：更高调制阶数，提高星座成形增益，编码调制联合优化 现状：相干 416QAM 调制编码已逼近香农极限；波特率64128GBd 趋势：继续提升单波带宽（波特率）、新型光纤/放大器与DSP 均衡算法提升 SNR（支持更高阶 QAM）偏振/极化波特率波长波段扩展/频谱使用效率提升 现状：已有 200MHz 载波聚合；子带全双工正在标准化 趋势：载波聚合，全双工技术、毫米波/太赫兹、多址/复用 现状：C+L 波段 12THz 谱宽支持 80 波*400G/800G 趋势：向 S+C+L 波段扩展空间空分复用 现状：业界公认提升容量的最主要方法之一；64TR/16 流已商用；NCR 正在标准化 趋势：eMIMO/Beam、分布式MIMO，超大孔径 ELAA，Cell-free、RIS、NCR 等 现状：尚未商用 趋势：多芯少模；多芯弱耦合或率先商用（二）分组层互联网诞生以来，以 IP、以太网为代表的分组技术就是网络技术的核心。网络设备的分组处理能力往往成为提升网络容量和性能的瓶颈。分组处理需要兼顾容量和灵活性，其整体性能的提升，不仅依赖芯片工艺的进步，也跟分组处理芯片架构的改进密切相关。随着带宽增长，分组芯片容量每 23 年增长一倍，仅靠工艺进步难以满足芯片容量、成本、功耗的要求，需要芯片架构优化和算法优化，以兼顾容量、灵活性和低时延需求。本白皮书第3.4 节描述了未来分组转发芯片架构的演进方向。（三）应用层数字基础设施技术趋势白皮书在应用层提高信源压缩率的努力也与通信容量紧密相关。香农定理除了证明了信道编码的上限，也证明了无损信源编码的压缩率上限（与信息熵有关），但对于有损的信源编码，并没有压缩率的极限。随着 XR、全息等应用的发展，到 2030 年，视频流量预计将占到互联网总流量的 90%以上。因此如何通过视频编码技术进一步提高压缩率，是降低整个网络带宽压力的重要研究方向。本白皮书第 3.5 节描述了基于深度学习的视频编码提升视频压缩率。（四）设备互连随着外部链路带宽和端口密度的提升，通信和计算设备内外部互连总线也将成为瓶颈。光互联相对电互联在性能和功耗的优势凸显，随着光电共封装（CPO，Co-Packaged Optics）技术的日渐成熟，设备内部也将出现“光进铜退”，同时，光互连在空间距离上的损耗非常小，将推进信息通信设备的形态向分布式和大容量的方向演进。具体见 3.6 节。3.2.物理层物理层（无线）（无线）：5G-A&6G 需要更大力度的空分复用及扩展频段需要更大力度的空分复用及扩展频段自上世纪 80 年代以来，移动通信基本上以十年为周期出现新一代变革性技术，从 1G逐步发展至现在的 5G，目前 5G 已经在全球范围内开始大规模部署，各国更是已将 6G 列入未来几年的国家计划。如 3.1 节所述，无线提升通信容量的方法有：提升单个自由度的频谱效率、增加带宽或带宽利用提效、增加空域复用阶数等。4G 采用高阶调制提升编码效率，引入 MIMO 多天线技术提高信道容量，引入载波聚合获得更大的频谱带宽。5G 为了实现更高网络容量，主要采用两种方法，其一是继续增加天线数量，采用大规模天线阵列（Massive-MIMO）和超密集组网（UDN）。其二是拓展 5G 使用频谱的范围，从 4G 的 Sub-3GHz 频谱，扩展到 5G 的 Sub-6GHz 频谱。如第二章所述，面对未来的业务需求，6G 在几个核心的指标，比如带宽、时延、可靠数字基础设施技术趋势白皮书性等，相比 5G 都有 12 个数量级的提升。3GPP 第一个 6G 版本预计会在 2030 年左右出现，在这之前还有 3 到 4 个版本的演进聚焦于 5G 增强技术“5G-Advanced”。从频谱效率看，虽然 5G 技术低谱效到中等谱效下已逼近单链路的香农限，但在高谱效区距离香农限还有一定距离。另外，6G 需要在增加带宽或提升带宽利用率、增加空域复用阶数上更大力度地下功夫。包括载波聚合、全双工、更高频谱（Beyond 6G 和太赫兹）、非正交/OFDM 及其变形/高频波形/感知波形、超大规模天线和极致 MIMO、RIS（智能超表面）技术、网络控制 Relay（NCR）等。在上述技术中包含基础性的技术趋势，即：用越来越强的计算能力，尤其是底层的计算能力，去换取资源利用效率的提升。下面针对几项典型技术分别进行阐述。（一）高阶调制高阶调制/星座整形星座整形/编码调制联合方案编码调制联合方案当前调制方式可以到 1024QAM，每个符号可以携带 10 比特。6G 为了进一步提升谱效，可能会将调制阶数提升到 4096QAM 甚至更高。在高阶调制方式下，传统的方形 QAM 星座图的效率不是最优的，可能会导致谱效越高，距离香农限越远的情况。基于几何整形/概率整形的高阶调制、编码调制联合方案有望更加逼近香农限，尤其在高 SNR 区域。（二）（二）提升频谱提升频谱使用效使用效率：全双工及子带全双工率：全双工及子带全双工全双工是提高网络数据速率以及频谱使用效率的新技术。对于未来大带宽低时延的业务，全双工使用非成对频谱，通过释放 DL/UL 资源使用上互斥的限制，能够增强频谱使用效率和减少传输延时。但实现全双工需要基站或终端能够处理自干扰（SI）以支持同时进行的收发信功能，实现复杂度以及硬件代价还是相当大的，尤其是对于多天线 Massive MIMO机型。因此实际上多天线技术与全双工有一定互斥性。目前的研究大多是从天线数较少的机型和子带全双工开始，即在带内不同频率上分别配置上行和下行资源。这种方法能够灵活地配置更多上行资源，有助于降低上下行时延、提升上行覆盖和容量。虽然子带全双工降低了基站内部干扰消除能力要求，但是 UE 间的互干扰还是很严重，需要业界共同努力。数字基础设施技术趋势白皮书（三）（三）扩展更多频谱：太赫兹技术扩展更多频谱：太赫兹技术作为 6G 潜在的基础技术，太赫兹是指 100GHz10THz 的频段资源，具有连续可用的大带宽，将有助于构建 6G 短距离、高速率的传输系统，支持超高速率的数据传输，满足超密集设备的连接需求，增强网络连接的可靠性，并支撑高能效的终端网络。但太赫兹的缺点也比较明显。相比于毫米波，太赫兹频率的提高使传播路径损耗明显增大，室外通信在受到雨雾天气影响时也会带来额外损耗。此外，发射机功放功率低、低噪声放大器噪声系数高、高增益天线设计加工难度大等都极大地限制了太赫兹波的传输范围。通过与多天线技术结合，太赫兹可借助极窄波束来克服路径衰落问题和扩展传播距离。此外，将 RIS（智能超表面，见第五条）应用于太赫兹频段是未来的技术发展趋势。将 RIS密集地分布在室内和室外空间中会对太赫兹覆盖空洞产生积极作用。（四）（四）更大力度的空分复用：超大规模天线和分布式更大力度的空分复用：超大规模天线和分布式 MIMO超大规模天线能有效增强上行容量和提高新频段的覆盖性能。一些新兴的工业互联网应用，例如现代工厂中的机器视觉类应用，对上行带宽的要求远高于下行带宽，极端情况下需要满足 Gbps 或 10Gbps 数量级的吞吐量。解决方案之一是NR（5G 空口）的上行支持更多的天线或 MIMO 层数、支持更多用户的 MU-MIMO，以及更灵活的载波分配和聚合等。5G-Advanced 能支持最多 24 正交的解调参考信号 DMRS（DeModulation Reference Signal）端口，如果每个用户支持单流上行传输，在共同的时频资源可以支持最多 24 个用户的上行传输；此外，5G-Advanced 支持上行能力更强大的终端，单用户可以支持到 8 流，能大大提高峰值速率，在密集网络部署的情况下，有效提高上行吞吐量。新增频段也对天线数目有要求。2023 年世界无线电通信大会（WRC-23）将对6Ghz-10Ghz 做分配，这些频段具有波长短，传播损耗大特点。为了提升这些频段的覆盖性能，系统设计时需要考虑增加天面，以增强天线增益，降低功耗和网络成本。我们认为由于芯片集成度提升，设备成本将快速下降，未来趋势是通过利用更多数字通道，改善赋形或者让接收波束更窄，以大幅提升无线性能。数字基础设施技术趋势白皮书另一方面，更大力度的空分复用未来发展趋势是分布式程度越来越高，等效孔径越来越大。从包含少量接入点（AP）的 MTP/eCoMP，发展成为更大规模的异质分布式 MIMO，进而发展为超大 AP 规模的 Cell-free 网络。大规模的分布式 MIMO 需要解决时频同步、前传带宽和 AP 供电等问题。（五）（五）提升信道覆盖质量：智能超表面技术提升信道覆盖质量：智能超表面技术 RIS智能超表面（Reconfigurable Intelligent Surfaces，RIS）是一种无线环境优化技术，具有低成本、低能耗、高可靠、大容量的特点。RIS 主要通过以下几种方式提升小区边缘用户的覆盖、吞吐量和能量效率：(1)在直射传播路径受阻时提供有效的反射传播路径，避免覆盖空洞；(2)为目标用户进行波束赋型，充分利用空间分集和复用增益；(3)对干扰用户进行零点波束赋型，实现小区间干扰抑制。RIS 本质上是一种分布式空分复用技术，通过多天线技术更好地、更精细地利用空间电磁场特征，从而提升无线性能。相比之下，Massive MIMO 是一种集中式空分复用技术；RIS 由于成本低，容易做到更大规模，容易进行多点部署。目前业界对 RIS 的优点已认识比较充分，对其所带来的问题，尤其是规模组网时的部署和性能问题认识得并不充分。最近随着研究的深入，越来越多的问题被认识，例如目前 RIS器件调控精度低，导致 RIS 口径效率低，存在栅瓣，会引起用户间和网络间的干扰；另外，目前还缺乏基站与 RIS 间的标准控制接口，仍以静态/半静态调控居多，只能改善固定用户的覆盖性能，后续需要实现基站与 RIS 动态协同技术，以提升更广域场景用户的覆盖性能和移动性能，等等。这些问题有的造成应用上的限制，有的导致成本上升或性能下降，上述问题需要产业界和学界共同攻克，需要客观估计 RIS 的适用场景和产业化进程。数字基础设施技术趋势白皮书3.3.物理层物理层（光传输）（光传输）：单波提速单波提速、波段扩展波段扩展和和空分复用空分复用高速、大容量和超长距是光传输的最重要需求。随着业务流量的增长，导致光传输系统单纤容量增长的压力越来越大。同时，在干线应用时，传输能力要求超过 1000km 以上。目前采用 super C（超宽 C 波段）的 200G PM-QPSK（偏振复用四相相移键控）系统已经广泛商用，400G PM-QPSK 预计 2023 年开始商用。如 3.1 节所述，提升通信容量可通过提升单波速率、波段扩展和空分复用 3 个技术途径。单波提速同时降低单比特成本，是容量扩展最直接/经济方式，而新波段扩展(比如 L 波段与S 波段)使得频谱成倍提升，可适配单波带宽与波道数的同步增长。随单纤波段继续扩展的性能/成本优势降低，空分复用或成为单纤容量持续提升的可选路径。接下来就单波提速、波段扩展、空分复用就未来的演进趋势分别展开介绍：（一）单波提速单波提速根据香农定理，单波提速的途径一方面是谱效提升，另一方面是单波带宽/波特率提升。谱效的提升意味着对接收信号处的 SNR（信噪比）需求提升，而光路依托新型光纤(如 G.654光纤、空芯光纤)降损耗/非线性，结合放大器降低噪声系数可显著提升信道 SNR，支持单信道容量成倍提升；先进相干 DSP 芯片采用高性能调制解调结合高编码增益 FEC（前向纠错编码），使得 SNR 容限继续趋近理论值，传输速率逼近信道容量上限；单波带宽提升方面，芯片与光器件带宽提升是单波提速与降比特成本主要方式，波特率从 64GBd 到96GBd/128GBd，并将持续往 180GBd+演进。（二）（二）波段扩展波段扩展随单波带宽提升与系统波道数要求，波段扩展是提升单模光纤容量主流方向。本着单波提速不减波数，容量翻倍的原则，长距模式 100G、200G、400G 分别应用了 C4T、C6T、C6T+L6T 的工作波段（如表 3-2 所述）。目前长距 400G 依托 C+L 波段逐步商用，长距 800G结合 S+C+L 波段扩展将成为下一步容量提升方向。同时还需要推动规范 G.654E 光纤的截数字基础设施技术趋势白皮书止波长到 1460nm 以下，以及规范 U 波段的宏弯损耗和 E 波段低水峰光纤规格。波段扩展依赖新波段光器件的材料工艺发展，以支持更宽波长范围。如放大器的 Tm/Bi离子或基质掺杂工艺、光模块的 128GBd 以上 TFLN（薄膜铌酸锂）相干调制器、ITLA（可调谐激光器）多波段外腔技术、WSS（光波长交换）器件多波段增透镀膜设计等。表 3-2光纤通信的波段扩展年度2010201720232026干线单波速率 bps100G200G400G800G800G工作波段CSuper CSuper C+LU/U/S+S+C+LC+L工作波段带宽4THz6THz12THz24THz/18THz24THz/18THz光纤G.652DG.652DG.654EG.654EG.654E干线单纤容量8Tbps16Tbps32Tbps64Tbps64Tbps波特率32GBd64GBd128GBd256GBd/192GBd256GBd/192GBd通道间隔50GHz75GHz150GHz300GHz/225GHz300GHz/225GHz（三）空分复用通过空分复用技术，即光纤芯数和传输模式的增加，可以实现单纤容量的大幅提升。从技术路线上可分为多芯弱耦、多芯强耦、少模弱耦、少模强耦。其中多芯弱耦合光纤/器件相对成熟，具备长距传输能力。受限光纤维护问题与多芯光放性能，多芯弱耦相比多纤芯光缆的陆缆商用价值或不显著，但因多芯放大器的能耗与多芯光缆的尺寸/密度优势，更受海缆应用关注。少模弱耦合光纤/器件能力具备，受限光纤与连接器的模式间串扰，传输距离不足，在 DCI 短距互联或具有应用潜力；多芯强耦合光纤/器件能力具备，主要受限于多路复用 OTU（MiMo DSP