現在，通(tong)信市場變成了紅海，有(you)線電視(shi)陷入了困(kun)境。根源在(zai)于(yu)電信、廣電在(zai)三網融合(he)政策放開后，都在(zai)自己(ji)不擅長的領域投入(ru)(ru)了大(da)量的資源，導(dao)致通信產業的發展(zhan)過(guo)早(zao)進(jin)入(ru)(ru)能源依賴狀態。
本文我們將交通與通信(xin)作為對比，深入淺出地為你揭示網絡通信背后的能源消耗問題，你會看到推動三網融合的現實意義！
交通(tong)與通(tong)信
交通、通(tong)信是兩種重要的基礎設施。一個承(cheng)載實體(ti)經濟，一個承(cheng)載數字經濟。
交通網絡將人員、貨物從一個地方運輸到另一個地方。通信網絡則將信息從一個地方傳遞到另一個地方。二者在網絡架構上有很多的相似(si)之處。
交通網絡中的十字路口就好比是通信網絡中的交換機或路由器，有紅綠燈和停車線。交通中的車站或者物流中心，有較大的場(chang)地用于客流、倉(cang)儲管(guan)理。它們就好比是通信網絡的數據中心（云計算）。從一個車站到另一個車站的道路，就好比通信網中的光纖(xian)或(huo)5G無線信道。在(zai)道路上(shang)跑(pao)的(de)各種(zhong)交通工具(ju)，運(yun)輸的(de)貨物(wu)越多(duo)，途(tu)經的(de)車站(zhan)越多(duo)，裝(zhuang)卸次數越多(duo)，紅綠(lv)燈越多(duo)，燒的(de)油也就(jiu)越多(duo)，在(zai)路上(shang)花的(de)時間(jian)也就(jiu)越長(chang)。解釋這些現象(xiang)使用牛(niu)頓(dun)力學。在通信網絡上，傳輸的數據越多，經過的數據中心越多，使用的交換機路由器越多，數據的存取次數越多，所消耗的電力也就越多，通信的延時也就越大。解釋這些現象需要使用香農(nong)定(ding)(ding)律、蘭道(dao)爾定(ding)(ding)律等通信及(ji)計算機知識(shi)。僅從能量消耗(hao)的(de)角度，完(wan)全可以將交通與通信進(jin)行對照。
通信線路一般也是沿著交通路線鋪設。交通網和通訊網在架構上幾乎可以等同。
通(tong)信信道中的載波，就好比是汽車。對(dui)載波的調(diao)制(zhi)，就好比是往汽車(che)里裝貨物。ASK調制就好比讓一輛(liang)卡車(che)拉一(yi)只(zhi)乒乓球，而高(gao)階(jie)QAM調制，就好比將(jiang)貨物盡量(liang)裝滿一(yi)輛車。所以，你看到從3G到5G，從WiFi5到WiFi7，從DVBC到DVBC2，主要(yao)的變化是調制階數大幅(fu)增加。就好比(bi)把(ba)汽車的犄角旮旯都裝滿貨物。曾經被神化的5G也不過如此(ci)。兩地之(zhi)間(jian)的(de)直達運輸，最(zui)省油(you)，耗時也最(zui)小。對應的(de)通信技(ji)術就是兩點之(zhi)間(jian)直通、不需要紅(hong)綠燈(deng)路由器的(de)廣播。
通信正在(zai)成為高能耗行業
基于基礎通信網，將計算機連在一起，就升級為互(hu)聯網。
互聯網的最初應用是傳輸文字圖片，最廣泛的應用是電子郵件。鼠標輕輕一點，就可以取代郵差。這時，我們感覺不到能源的消耗。
后來，我們用(yong)互聯網點視頻時，圖像質量稍高點的視頻會容(rong)易讓電腦發熱，手機電量也快速下降。有機構測算(suan)，我們(men)每點播一集視頻，終端與云端消耗的電力，大(da)約可以燒開三(san)壺水。從標清到高清，再到超高清，需要消耗的電力呈(cheng)指數級增長。通信網絡和云(yun)計算的效率提升(sheng)，并沒有按(an)照(zhao)指數級(ji)速度跟上(shang)，遇到(dao)了能耗瓶頸。比如(ru)，手機(ji)開了5G功能(neng)，電量會很快下降，5G基站(zhan)也成為電老(lao)虎，視頻網(wang)站的會員(yuan)費不(bu)斷提高(gao)也(ye)不(bu)能阻擋他們的虧損。信息通信是文明(ming)的(de)基礎(chu)，越來越高的(de)通信設(she)備能耗，開始(shi)讓我們將文明(ming)與(yu)能源消耗聯系在一起。
文明等級與能源消耗
前蘇聯天體物理學家尼古拉-卡爾達舍夫提出了這樣一個理論：人類(lei)文(wen)明(ming)的技術進步與可(ke)控制的能(neng)源(yuan)總(zong)量息息相關。根據這條思路，他(ta)從低(di)到高(gao)確定(ding)了銀河系中(zhong)文(wen)明(ming)發(fa)展的三種類(lei)型：
類型(xing)I ：該文明(ming)是行星(xing)能源的(de)主人(ren)，這意味著他們可(ke)以主宰整個(ge)世界能源的(de)總(zong)和。
類型II ：該文明能(neng)夠(gou)收集(ji)整個恒(heng)星系統的能(neng)源(yuan)。
類型(xing)III ：該文明可以利用銀河系系統(tong)的能源而為其(qi)所(suo)用。
卡(ka)(ka)爾達(da)舍(she)夫(fu)等(deng)級用一個對數公式表示。如果一個文明(ming)的全部能源消耗為(wei)P，那么這個文明(ming)對應的卡(ka)(ka)爾達(da)舍(she)夫(fu)等(deng)級K可以表示為(wei)：
根(gen)據國(guo)際能(neng)源(yuan)署的數據，2018年全(quan)球(qiu)能(neng)源(yuan)消(xiao)費為14 281 889千噸油當(dang)量(liang)（能(neng)量(liang)單位(wei)），大約為1.90×1013W。由該公式計算(suan)出地球(qiu)上人類文明(ming)(ming)，目前屬于(yu)0.728級(ji)文明(ming)(ming)。
現在(zai)，我們(men)的(de)衣(yi)食住行都有了(le)很好(hao)的(de)保障，這方(fang)面(mian)的(de)能耗增加有限。互聯網通(tong)訊產業的能(neng)耗以(yi)每年超(chao)過(guo)20%的速度(du)快(kuai)速增(zeng)加，將很快(kuai)成為(wei)主要的能(neng)源消(xiao)耗。
如(ru)果將現在網(wang)絡中的(de)(de)視(shi)頻全(quan)部(bu)改(gai)為8K超高清，可(ke)能全(quan)社會(hui)的(de)(de)發電用于通信(xin)也不(bu)(bu)夠。更(geng)不(bu)(bu)用說熱(re)炒(chao)的(de)(de)16K/120Hz元宇宙(zhou)超高清視(shi)頻了。
超高清視頻通訊或者說元宇宙，所帶來的高能耗，或許是推動人類向1.0級文明(ming)發展的動力。
通信產業的背后是能源
種種跡象表(biao)明，從5G開始，通(tong)信產(chan)業的發展和(he)能(neng)源消耗關(guan)聯起來。數據中心(xin)也可(ke)(ke)以(yi)(yi)稱(cheng)(cheng)為電力向算力的(de)轉化中心(xin)，運營商正(zheng)在(zai)大力推廣的(de)“算力網(wang)”，從能(neng)源角度(du)可(ke)(ke)以(yi)(yi)稱(cheng)(cheng)為數字經濟(ji)時代的(de)基礎(chu)“能源網”，是數字經濟(ji)的(de)核心(xin)。國家(jia)正在實施的(de)東(dong)數西算(suan)工程，就好比西電(dian)東(dong)送建設的(de)坑(keng)口發電(dian)廠，就近將西部的(de)電(dian)力轉化為算(suan)力，用通信網(wang)絡將運算(suan)結果送到東(dong)部，大幅降(jiang)低能源消耗。超高清(qing)時代(dai)，通訊作為一個(ge)大產(chan)業，其發(fa)展(zhan)正在與人們(men)可控制的能源有關，與尼古拉-卡爾(er)達舍夫(fu)的(de)文明等(deng)級理論開始關聯，激勵人(ren)們進行創新。比如(ru)，有頭有臉的資本(ben)開始投資核(he)聚(ju)變發電。據悉再過10年，核(he)聚(ju)變電力有可能上網銷售。這時，請(qing)允許泰信君進行更(geng)長(chang)遠的暢(chang)想：將來，當人類有了新(xin)的理論，可(ke)以(yi)使用可(ke)控核聚變方(fang)式(shi)，產(chan)生特定(ding)(ding)的(de)電磁波(bo)，或其它什么波(bo)，并對(dui)其進行高效調(diao)制(zhi)，然后再定(ding)(ding)向(xiang)發射(she)，既可(ke)以(yi)用于(yu)地球尺度的(de)全息通信，也可(ke)以與外星人進(jin)行聯系，而(er)通信用的能源可能就是(shi)一(yi)罐氫(qing)氣，而(er)且可以用很長時間(jian)。這時的人類應該早已實現了(le)能(neng)源自由，文明水平至少達到了尼古拉-卡爾達舍夫定義的類型(xing)I水平。但目前的通信還必須(xu)接受香農定律約束，設法降低能耗。香農定律(lv)給我們(men)描述了能源與信(xin)息通信(xin)之(zhi)間的關系。這個(ge)定律我們(men)時常提起，但又很容(rong)易忽視(shi)。時常提起是因為有資源約束的無線通信，必須在香農定律的指導下，才能提高通信效率。被(bei)忽視的(de)原因(yin)是，有線通信(xin)，特別(bie)是光纖通信(xin)，因(yin)為物(wu)理(li)信(xin)道資源豐富，在很(hen)多應用場景不需要考(kao)慮香農定律的(de)存在。但這(zhe)并不意味著沒有香農定律約(yue)束(shu)。比如，雖(sui)然光纖帶寬很大，但(dan)光模塊的射頻電路帶寬有(you)限，也(ye)受(shou)香(xiang)農定律約(yue)束。比較遺憾的是，芯片(pian)技術的進步，對射頻電(dian)路的功耗(hao)降低作用不大(da)，用這類光電轉換(huan)模塊(kuai)的IP網絡通信，被鎖定在了(le)低效的ASK調制上，邏輯電路(lu)需要外接容量越來越大的DDR存儲(chu)器(qi)，增加延時。隨著摩爾定律逼近物理極限，通信技術發展的指揮棒，就交到了香農定律手里。也就是，通信技術的發展水平，將取決于人類獲取能源的能力。
如何節省通信產業所消耗的能源？
依照我們目前的認(ren)知(zhi)水平，距離能(neng)源自由還很遙遠。特別是考慮到我國仍以(yi)煤電(dian)為主的現狀，以(yi)及(ji)雙碳目標的實現，對通(tong)信產業的節能(neng)必須更加重視。正如文章開頭，通(tong)信系統的節能完全可以參照交通(tong)系統。比(bi)如，不需(xu)要中轉的(de)貨物盡量直(zhi)達，減少十(shi)字(zi)路口(kou)及(ji)紅綠燈(deng)，開(kai)通直達列車或直達飛機。這對應了沒有中轉路(lu)由的廣播通(tong)信。對(dui)廣播通信的(de)研究與(yu)3-5G無線(xian)信道研究完(wan)全一樣，就是采用更先進的調制和編碼技術。比如，采用DVBC2的4096QAM以及LDPC編碼，可以實現10bit/Hz的信道效率，就好比使用更省油和裝貨能力更高的汽車。這意味著，如果終端直接(jie)連(lian)接(jie)光纖，將10G基帶IP傳輸光模塊的射(she)頻(pin)技術(shu)用(yong)于(yu)設計(ji)高頻(pin)頭(tou)，通(tong)過多載波(bo)分(fen)段調制，像5G那樣擴(kuo)展頻(pin)譜(pu)及頻(pin)譜(pu)效率，可以(yi)實現(xian)100G以(yi)上的無路由器低成本廣播直連，信道容量至少比全基帶ASK調制提高10倍，容納200M碼流的高標準8K電視頻道500套以上，可滿足廣播網10年的發展。這樣(yang)做還同時降低終端(duan)的IP包卸載(zai)算力，降低終端(duan)成本和能耗，讓幾十元的DVBC2機頂盒終端(duan)進入(ru)市場(chang)成為可(ke)能。如果網絡運營商吸引專業的芯片公司以及終端廠家分工合作，共同制定一個開放的標(biao)準，實現多方共贏，而不是閉門造車，上述目標不需要投資就可以達到，而且還可以帶動終端及傳輸設備的產業升級，產生網絡效應。
這時，對于電視終端的升級，只需更換高頻頭芯片即可。然后再將RF輸入換成光口，再去掉防雷擊電路，總成本應該(gai)會下降。對于必須經(jing)過(guo)存儲中轉的貨物(wu)，盡量減(jian)少貨物(wu)的中間裝卸次(ci)數。對應的是電(dian)信網(wang)絡(luo)運營商扁(bian)平(ping)化的網(wang)絡(luo)架構，減少網(wang)絡(luo)層級，減少數據路由環節，實現(xian)效(xiao)率提(ti)升、能耗下降。近年來，一些云計算巨頭(tou)進入服務器芯片設計領域(yu)，從(cong)算力角度提高視頻數(shu)據的分發效(xiao)率(lv)，降低能耗。但(dan)無論(lun)如何(he)，寬帶網+云計算+路(lu)由器的通(tong)信(xin)效率(lv)，都(dou)不可(ke)能與(yu)基于基礎信(xin)道調制的廣(guang)播(bo)傳輸相比。
三(san)網融(rong)合仍有很強的(de)必要(yao)性！
目(mu)前，電信運營商在(zai)“算(suan)力(li)網”上(shang)的(de)(de)巨額投資，會(hui)導致主營業務重心向云計(ji)算(suan)偏(pian)離，使(shi)用廣播網卸載(zai)算(suan)力(li)網超(chao)高清數(shu)據負載(zai)的(de)(de)可(ke)能性較低，反而會(hui)將超(chao)高清作為消(xiao)化(hua)算(suan)力(li)網的(de)(de)應用，短暫降低對管(guan)道的(de)(de)關注度。這(zhe)或(huo)許是有線電視建設DVBC2廣播網實現最后逆襲的機會。但是，如果有線電視以機頂盒為中心的計劃經濟體(ti)制不變，對戰略機遇期不敏感，廣播網絡入戶資源繼續大量閑置浪費，國家會不會為了綠色發展，鼓勵電信運營商參與競爭(zheng)，提(ti)高(gao)廣(guang)播網資(zi)源利用效率(lv)呢？所以(yi)，電信運(yun)營商建設DVBC2廣播網的可能(neng)性并不(bu)為零。有(you)線電視(shi)必須加快市場化改革步伐，高(gao)效利(li)用(yong)已有(you)資源，進入三網融合2.0時(shi)代(dai)。三網(wang)融合2.0是一件很有意義的(de)事，泰信希(xi)望(wang)與產(chan)業鏈伙(huo)伴一起，將(jiang)這件利(li)國利(li)民的(de)事做(zuo)成！全文完，如果覺得對行業健康發展有利(li)，就請隨手(shou)點個贊和在看吧(ba)。
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