5g与北斗技术（刘经南5G）

【编者按】2019年10月30日，在西安举办的第十八期钱学森论坛上，中国工程院院士、新华网融媒体未来研究院生物传感与智能交通联合实验室学术委员会主任委员刘经南作了题为《“5G 北斗”的意义、路径和愿景》的主题报告，指出智能时代，“5G 北斗/GNSS”将成为最重要的基础设施，并提出了“5G 北斗/GNSS”的具体融合路径和应用场景。

用变化的声音（人类的语言也属变化的声音）和身体运动姿态变化来交流彼此对外界和相互的感知、认知和情感是动物和人类进化出通信智能的表现。行走、迁徙和圈地定居是动物和人类为生存而进化获得的定位（Positioning）、导航（Navigation）、察时知时节（Timing）的智能，简称为 PNT 智能。人类在一个地方待腻了要走，我们现在要到外太空去，这是人类爱行走的基因决定的。这表明，在人类的初期，通信、定位、导航和决策就是融合在一起的。现在把 5G 和定位导航系统，像我们中国的北斗系统，以及世界上互相兼容的GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)系统融合，简称“5G BDS/GNSS”(BDS,即BeiDou Navigation Satellite System，中国北斗卫星导航系统)，就是通信、导航、授时和决策智能最新、最现代版的融合。

时间和空间位置是物质、能量、信息和人类自身运动与状态的表征，也是人类对其运动开展研究实现目标管理与对象控制的基础。随着科技的发展和社会的进步，人类对时空位置信息的需求从事后走向实时和瞬间，从静态走向动态和高速，从粗略走向精准和完备，从陆地走向海洋和天空，从区域走向广域和全球，从地球走向深空和宇宙。目前，正从实体空间走向虚拟网络空间，从自然走向人类自身和社会。它的应用只受人类想象力的限制，其特征是以 GNSS 为核心的时空位置服务网络联合泛在网或其他观测技术可感知物质、人类近地活动等任何能达到的宏观空间和大尺度时间（>um,>10E-2ns），即陆海空天和室内、地下，包括人类信息活动的虚拟空间——互联网。这就是“5G 北斗”，作为时间和空间位置基于通信的融合，与泛在测绘、位置服务所能够延伸拓展的依据。

移动通信的发展，从1G到4G是技术推动的，从4G到5G我们认为主要是靠需求推动。5G是一个多业务、多技术融合的移动通信网络，通过需求的牵引和技术的融合、演进和创新，满足未来广泛数据和连接的各种业务的快速发展需要，提升用户体验。另外，5G 的关键新技术是泛在化的组网，是多系统、多分层、多小区、多载波的；在城市有城市的组网方式，在农村需求少一点，人少一点，通信要求少一点，可能是另外一种组网方式。

中国工程院院士、新华网融媒体未来研究院生物传感与智能交通联合实验室学术委员会主任委员刘经南

一、“5G 北斗 /GNSS”的意义

进入智能时代，“5G 北斗”是最重要的基础设施，首先解释一下智能时代的含义。

智能与智慧是生物界才有的能力，动物智能是自然进化的最高形态，人类智能在其顶端。生物智能与智慧都离不开时间和空间位置上对外界的感知、认知，进而决策，并付诸行动适应生存。所以我们定义智能为：感知何处何时外界发生了变化，学习并记忆形成经验，推理上升为知识，决策思维，实现时间、位置与姿态精准协同来调控自身，适应外界，或者局部地调控改变外界状态，实现趋利避害。我给智慧下一个定义，大家可以批判性思考一下。所谓智慧，是在感知一定时空领域内的外界变化基础上，认知该时空域内的外界变化规律和作用机理，实现对外界在该空域内外未来或未知的变化进行预测，或对该变化预设趋利避害的调控。例如：蚂蚁的智慧是群体性的，我认为它的群体智慧超过了人类，水的高度不够就丢石头进去等等，这都表现出它的智慧。

基于大数据、计算能力和计算方法的新一代人工智能技术与各种技术加速互融互通，使社会生产和消费加速 从工业化向自动化、智能化转变，人类因此进 入智能时代，这是科技发展的必然结果，是智人将多种生物智能及人类自己的智能与智慧扩展到对自然与社会和机器进行感知、认知、管理和调控的必然结果。以人的智能为参考，把这些智能都发掘出来赋予人类、社会、环境，现在的智能建筑是一种环境，将来的智能道路也是一种环境，网络将来变成智能化也是环境，不光是赋能给机器。这是我对智能化的理解，在这样的基础上我们讨论“5G 北斗”融合的重要意义。

智能时代首先要把外界感知清楚，因此要用5G 发展泛在感知网，即广泛存在的感知网络，它以无时不有（时间）、无处不在（空间）、无所不包（内容的广泛性）、无所不能为基本特征扩展，基于个人和社会的需求，实现人与人、人与物、物与物之间按需进行的信息获取、传递、存储、认知、管控决策、使用等服务。互联网不能实现管控决策，所以就受到了制约。这样网络具有超强的环境感知、内容感知及智能性，为个人、行业和社会提供泛在、随动、按需、个性化的信息服务和管控应用。

从互联网、“互联网 ”、物联网到泛在网，信息网络的概念拓展了。物联网可以实现物与物、物与人之间信息的互联互通，目前的水平也只能实现信息的互联互通，还不能实现对外界的控制。而泛在网的目的就是实现人对虚拟空间和物理空间的感知、协同、融合与控制，需要广域及全球性的高精度时间和空间位置。

5G是智能化时代的基础设施，它高带宽、高速度、大容量、低功耗、低延时、万物互联、信息可感知、可调控。5G“极高速率、极大容量、极低时延”的特征，为满足未来虚拟现实、智能制造、自动驾驶等用户和行业的应用需求，提供基础支撑。5G 的时延是毫秒级的，但还不能实现汽车的远程控制；而且它是虚拟的，虚拟地点、虚拟位置，这些问题一定要解决。

解决问题需要新的基础设施，就是北斗/GNSS。定位、导航、感知时间和时节本身就是自然进化产生的生物智能，智能时代的“5G 北斗”可将这种 PNT 生物智能赋给机器和环境，发挥机器和网络环境的智能优势。人们将自然界的生物智能赋给机器、环境使其所产生的能力，就是人工智能。这就要考虑自然智能该怎么定义，不能像图灵机时代那样定义人工智能。基于“5G 北斗 /GNSS”的泛在测绘能力就是人类定位、导航、感知时间的智能基于现代技术的延伸，既是智能时代实现区域和广域乃至全球精确感知时空事件和目标信息的关键基础设施，也是实现支持广域和全球智能协同控制的赋能技术。

北斗 /GNSS 是唯一的全球性、高精度时空基准。其最大的好处是系统的全球性，能实现全球时间的精确同步，可以在广域甚至全球把感知时间和位置的能力赋给，赋 5G给其它的系统，赋给道路、环境。高精度导航增强技术对移动通信网、互联网赋能，给移动信息在网上瞬时位置定位，定其去向和瞬时流速，还能使移动互联网具有室内外定位无缝化一体化功能，实现城市全时域/全空域定位的智慧城市建设需求。北斗/GNSS 与5G 相互赋能，彼此增强。这样才能产生智能的五大能力：感知、学习、认知、决策、调控。因为调控需要在位置和时间上的精准协同，协同可能要达到微秒级、1000 倍甚至是 100 万倍。这五大功能，可以实现人类感知和调控物理时间能力。我们现在能够调控物理时间，但是不够精准、可靠；不能在关键时候实现调控，也不能在广域上实现调控；在一个小工厂、小车间内能够实现精准调控，但是在全球方面不能实现。以后就可以解决这些问题，实现工业互联网（CPS）的目标：让广域或全球性分布的物理设备在感知的基础上具有计算、通信、远程协同、精准控制和自治等五大功能，以实现人类感知和调控物理世界能力在时间、空间尺度方面的延拓。

二、“5G 北斗 /GNSS”的路径

路径涉及到一些技术问题，两者融合的基本原则可概括为：从易到难，从简到繁；框架优先，应用为重；服务行业、服务社会。具体怎么实现呢？

第一步，实现北斗 /GNSS 与 5G 基站的集成融合。现在5G自身控制的水平是几微秒到10微秒，不能多于10微秒；它对用户的控制是1毫秒，又低了1000倍。5G 宏基站和关键微基站、重要网关、路由器，以及行业、区域的云服务中心的服务器，都加装集成以北斗为主、自主可控、多频多模、低功耗 GNSS 板卡，为 5G 网络关键设施提供北斗精准坐标位置和以北斗时为准的全网精确时间同步，为 5G 全网基站、网关和主要服务器提供北斗统一的纳秒级时间系统和厘米 级坐标系统。现在已经在把北斗接上去，可以实现监控地震等应用了，这就说明可以实现很多能力，而且板卡不怎么费电，跟 5G 网络本身相比电量消耗基本上等于零。

实现了这一步，可以拓展出新应用和新能力。“5G＋北斗”的基站本身就构成一个超高密度、超高精度的地基增强网，成为国家北斗地球参考框架的延伸和补充，为地面用户提供精密定位、授时和时间同步服务。通过检索和修正北斗信号，时间就可以达到纳米级水平，可以为精准三维大气湿分量建模，为精准精细大气可降水汽预备提供大数据服务。精准分析具体位置与时间天气中含水量的多少，可以实现精准天气预报，例如：明天西安高新技术区哪条路到哪条路8点半到9点50下多少毫米的雨。这不仅对于将来的车联网与智能驾驶非常重要，还可以实现精细中国区域三维电离层模型建立、区域土壤湿度监测、雷电定位预报预警服务等。

第二步，5G网络加载北斗 /GNSS 地基增强信号，提供基于5G的地基增强时空位置服务。让5G网络本身不仅接收北斗信号，每个基站都有位置，也可以发出北斗的信号。这等于增强了北斗的信号源，把天上的卫星搬到地面上来，发出信号就能用北斗一样的模式精准定位。实现这样的功能，会产生很多重要的应用：智慧城市建设与管理、监控，自然资源规划管理与精准农业，智能交通监管与风险控制，L4、L5 级自动驾驶、无人驾驶基础支持，天气与地质灾害监测与应急救援等。

第三步，构建车联网与智能网联汽车运营中的应用。实现道路及其周边环境的全时空感控，实现网联车运行全过程感控。到这一步已经实现了精准的时间控制和位置控制，可以精确到几毫米、几纳秒，前面讲到目前不能远程控制汽车的问题都可以迎刃而解。

第四步，构建远程实时控制和信息安全的“人-机-物”CPS 融合系统。基于5G构建网络基站、路由、网关、关键服务器的高精度时空体系，实现全网信息的高精度时空位置可测量、可计算、可溯源、可调控，使虚拟空间、实体空间和人三者形成一个融合系统。通过对信息的调控实现对外界物理世界的调控，这就达到了智能的目的。智能是通过操作数学符号来操控物理世界，这是一位图灵奖获得者的定义。只要做到我们刚才提到的这一点，就会实现。

我们研发了亚纳秒级天稳的高精度北斗/GNSS 精密收时守时终端。这是一个时间接收终端，面向 GPS 和北斗系统。过去因为两个系统的信息延时不一样，这是不能实现的；现在 GPS、北斗延时非常清楚，都可以实现一定的稳定度，用来进行测试。我们做了大量相关实验，测量了网络中有路由器、服务器的时候，在路由器、服务器和软件上的时延。如果软件被病毒感染了，时延就会跟原来不一样。我们做了现场测试的网络安全试验：利用高精度时戳机，精确度量网络设备转发包的指令级处理时间。有些指令处理耗时不一样，是因为软件被感染了，计算机硬件也发生了某种错误；发现硬件和软件的错误，就相当于给硬件环境和软件环境都进行 CT 扫描，进而推测其内部处理流程是否发生了改变，甚至精确推测发生了什么改变。实验表明，通过高精度时戳机能够清楚检测到待测网络设备内部处理流程中发生的指令级变化。我们认为这些试验提供了将来实现远程实施控制和信息安全的基础。现在网络是随机控制，哪里通了网，信息就往哪里跑，我问过美国的互联网专家，这是网络的不可控造成的。“5G 北斗”给互联网带来的最大好处，就是：实现人、机、物可追溯、可拦截的自由控制。

第五步，实现室内外一体化的导航定位授时。这个是最难的，要实现陆、海、天、空、水下、室内都能入网，都要感知，专业性比较强，所以放在第五步。

三、“5G 北斗 /GNSS”的应用

首先是整合北斗卫星系统、地基增强系统、5G通信网络、高分遥感、互联网五维空间数据资源；其次是打造基础、绿色、智能、泛在、安全、可控六大功能；最后是支撑各种各样的应用。

“5G 北斗”将服务车联网、智能能源、无线机器人云端控制等行业应用。智能能源、智能电网现在的时间标准还是太低，每一个电厂的交流电送到电网上去，相位要同步，目前相位同步精度是18度，就是允许相差18度，在时间上相当于1毫秒，这是造成大电网自身耗能的重要因素之一，是很大的能量浪费，从爱迪生时代到现在一直没有变。将来“5G 北斗”能为全国电网提供5纳秒级和米级时空协同，实现电网全网设备输入输出电压的纳秒级或100纳秒级相位同步。

另外，我提出了制时空权，就是时空的精准和时空的可靠，再就是时空的协同。“5G 北斗 星基通信”是实现陆海空天和信息网络制时空权的关键基础设施。现在这些概念正在被大家所认识，所以成立了中国“5G 北斗”精准定位联盟筹备会。我最早提出这个问题，讲得也比较细一些、深一点，华为、移动、联通都在跟武汉大学成立“5G 北斗”联合研究中心。

“5G 北斗”最重要的是实现信息的时空位置可感知、可计算、可量测、可控制。实现“5G 北斗”融合和相互赋能，将有大量的机遇，更有巨大的挑战，还有众多的技术细节，勇敢面对这一挑战，能产生颠覆性的技术，能创造跨世纪的辉煌！