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數(shù)據(jù)傳輸速度成倍增長(zhǎng)

不同領(lǐng)域產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量，正以令人難以置信的速度增長(zhǎng)。就此而言，其挑戰(zhàn)就在于是否能以更快、更安全的方式無(wú)線傳輸和儲(chǔ)存這些海量數(shù)據(jù)。西門(mén)子研究人員想到了將多條通道連接在一起，以同時(shí)傳輸和接收數(shù)據(jù)。多通道方式還可改善其他類型的高頻應(yīng)用，比如：旋轉(zhuǎn)雷達(dá)波束、雷達(dá)系統(tǒng)精確的角度測(cè)量以及RFID系統(tǒng)無(wú)線供電的本地優(yōu)化等。

有針對(duì)性的供電：多通道系統(tǒng)幫助確保無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)以更高的傳輸速率進(jìn)行更高效的數(shù)據(jù)傳輸。
Stefan Schwarzer博士正在研究多通道系統(tǒng)支持無(wú)線供電的不同方式。圖中所示，他正利用電磁波場(chǎng)合成技術(shù)，在預(yù)定區(qū)域生成電場(chǎng)。

在當(dāng)今世界想要消失得無(wú)影無(wú)蹤，幾乎沒(méi)有可能。盡管這對(duì)于竊賊而言，情況并非*如此，但是在數(shù)字世界里，要想不留下任何蹤跡，幾乎沒(méi)有可能。在Facebook上發(fā)帖、瀏覽在線新聞或者駕駛帶有導(dǎo)航設(shè)備的汽車——不管是誰(shuí)在做這件事，也不管他是有意還是無(wú)意，他都會(huì)留下以數(shù)據(jù)形式存在的痕跡。

到2020年數(shù)據(jù)量將高達(dá)44ZB

繁榮的移動(dòng)設(shè)備市場(chǎng)：尤其是在發(fā)展中國(guó)家，
互聯(lián)網(wǎng)正變得日趨重要，在這些國(guó)家能無(wú)線上網(wǎng)的電腦
和智能手機(jī)正變得越來(lái)越普及

美國(guó)市場(chǎng)調(diào)查公司IDC（國(guó)際數(shù)據(jù)公司）進(jìn)行的一項(xiàng)研究預(yù)計(jì)，到2020年全球的數(shù)據(jù)將浩若繁星：總數(shù)據(jù)量有望達(dá)到44ZB（相當(dāng)于440億TB）。如果該預(yù)測(cè)是正確的，這將意味著全球數(shù)據(jù)量將在2013年的基礎(chǔ)上增長(zhǎng)10倍。目前，一塊筆記本電腦硬盤(pán)（3.5英寸）可以最多儲(chǔ)存3TB數(shù)據(jù)，這意味著要想將2020年的所有數(shù)據(jù)儲(chǔ)存下來(lái)需要147億塊筆記本電腦硬盤(pán)。

數(shù)據(jù)爆炸性增長(zhǎng)的原因有許多。IDC指出的原因包括：能無(wú)線上網(wǎng)的電腦和智能手機(jī)市場(chǎng)的持續(xù)繁榮發(fā)展，以及——更為重要的是——新興市場(chǎng)互聯(lián)網(wǎng)的迅速普及。

多通道系統(tǒng)可提升傳輸容量和速度

數(shù)據(jù)量增長(zhǎng)的同時(shí)，也催生了以更快速度傳輸更大量信息的需求。我們都知道，下載大文件以及多臺(tái)電腦共享網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，下載速度會(huì)大幅下滑，這還會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致從其他用戶處“竊取”傳輸容量。如果全球數(shù)據(jù)量繼續(xù)增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)傳輸速率問(wèn)題將會(huì)變得更為敏感。為何會(huì)出現(xiàn)這種情況？我們來(lái)看看下面這些事實(shí)：如今的筆記本電腦只配備一根天線，該天線向另外一根天線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)造成進(jìn)程中許多其他天線的傳輸中斷。這給全球數(shù)據(jù)傳輸容量和速率帶來(lái)了限制。

解決方案就是多通道系統(tǒng)，該系統(tǒng)裝備多根天線，可同時(shí)進(jìn)行電信號(hào)交換。這種方式之所以有效，是因?yàn)槊扛炀€都由多達(dá)上百根小天線組成，這意味著多通道系統(tǒng)，可非常精確地生成和指引其射電波束。這使得數(shù)據(jù)連接的損耗非常低，而且具有非常強(qiáng)的抗干擾能力。換句話說(shuō)，理論上一個(gè)房間內(nèi)的頻譜，可以同時(shí)被多臺(tái)不同的設(shè)備使用，而不會(huì)造成數(shù)據(jù)傳輸速率的下降。此外，多根獨(dú)立的天線，使得能同時(shí)生成針對(duì)不同用戶的不同方向的射電波束。

有效設(shè)計(jì)：眾多的小天線通常設(shè)計(jì)在印刷電路板上，以節(jié)省成本和空間

數(shù)據(jù)傳輸速率成倍增長(zhǎng)

西門(mén)子也在利用多通道系統(tǒng)。共有40名高頻技術(shù)專家正在慕尼黑、埃爾蘭根和維也納針對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行研究，并且根據(jù)公司需求對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。他們正在進(jìn)行針對(duì)通信、無(wú)線供電和傳感器系統(tǒng)應(yīng)用的測(cè)試。“這種系統(tǒng)的效果，類似于在黑屋子里利用10個(gè)手電筒，從不同方向照亮一個(gè)蘋(píng)果。”西門(mén)子中央研究院德國(guó)射頻技術(shù)研究部負(fù)責(zé)人Andreas Ziroff指出。每個(gè)手電筒自身的光束都較弱，但當(dāng)所有光束匯聚在蘋(píng)果上時(shí)會(huì)變得非常亮。多通道系統(tǒng)利用眾多獨(dú)立的傳輸通道，增加數(shù)據(jù)容量和傳輸速度的原理與此相同。

其區(qū)別只有一點(diǎn)：10個(gè)手電筒的光束亮度只是簡(jiǎn)單的疊加效果，而多通道效果則是“成倍增長(zhǎng)”。這是因?yàn)橥ǖ老嗷ミB接，這使得每個(gè)獨(dú)立的信號(hào)不再需要分布到整個(gè)房間，而是以最直接——因此也是高效——的路徑傳輸?shù)浇邮赵O(shè)備。

鏈接世界萬(wàn)事萬(wàn)物：多通道系統(tǒng)可幫助以更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，進(jìn)行更快、更安全的數(shù)據(jù)傳輸和儲(chǔ)存，以及更有效地利用電信號(hào)。譬如，智能手機(jī)將與汽車進(jìn)行連接，汽車將使用信號(hào)來(lái)相互交換信息，以及與紅綠燈和停車位探測(cè)器等交通基礎(chǔ)設(shè)施交換信息。衣服或手表以及照明開(kāi)關(guān)、百葉窗和樓宇供暖系統(tǒng)都將能實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。

5G無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)和物聯(lián)網(wǎng)

多通道系統(tǒng)可用于許多應(yīng)用，其中之一就是通信技術(shù)。“無(wú)線通信系統(tǒng)已達(dá)到了容量極限。”西門(mén)子中央研究院高頻技術(shù)工程師Stefan Schwarzer表示。這就是未來(lái)無(wú)線系統(tǒng)將依賴5G多通道標(biāo)準(zhǔn)以確保用閃電般速度傳輸數(shù)據(jù)的原因所在。西門(mén)子專家認(rèn)為：到2020年，通過(guò)上百個(gè)并行通道，每秒傳輸數(shù)GB數(shù)據(jù)*有可能。當(dāng)今的較快數(shù)據(jù)傳輸速率大約是300MB/s，盡管在日常生活中很少享受到這種速度。如今可以肯定的一點(diǎn)是： 移動(dòng)通信未來(lái)將會(huì)發(fā)生天翻地覆的變化。“其目標(biāo)不再是簡(jiǎn)單地將數(shù)據(jù)從一地發(fā)送到另一地。”德累斯頓工業(yè)大學(xué)移動(dòng)通信系統(tǒng)系主任Gerhard Fettweis教授說(shuō)道，“現(xiàn)在更重要的是針對(duì)大范圍對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)，并且人為影響較少。因此，我們將不得不重新思考無(wú)線通信，特別是在數(shù)據(jù)傳輸速率、滯后時(shí)間以及互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議方面。” 多通道系統(tǒng)因此對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)具有重要意義，因?yàn)橹挥性谠S多不同的、空間獨(dú)立的通道能交換海量數(shù)據(jù)的情況下，才能對(duì)快速增長(zhǎng)的聯(lián)網(wǎng)和通信設(shè)備進(jìn)行管理。

顏色編碼：西門(mén)子研究人員使用不同的顏色，來(lái)顯示電磁場(chǎng)的強(qiáng)度等級(jí)。從黃色到淡藍(lán)等亮色顯示高場(chǎng)強(qiáng)；深藍(lán)顯示低場(chǎng)強(qiáng)

提升數(shù)據(jù)傳輸速率，縮短滯后時(shí)間

正常情況下，人們將會(huì)注意到使用多通道系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，譬如說(shuō)在使用他們的智能手機(jī)時(shí)。能同時(shí)利用多個(gè)數(shù)據(jù)通道的智能手機(jī)，將能比現(xiàn)在接收和發(fā)送多得多的數(shù)據(jù)。“多通道系統(tǒng)可以將當(dāng)今的數(shù)據(jù)傳輸速率提升許多倍。”Schwarzer表示。這將大大縮短滯后時(shí)間——數(shù)據(jù)被發(fā)送和收到之間的時(shí)間間隔。“如今的單通道移動(dòng)設(shè)備的滯后時(shí)間為數(shù)毫秒；我們的目標(biāo)是將滯后時(shí)間降低至幾十微秒。”Schwarzer解釋道。

人們一般不太注意到短于50毫秒的滯后，譬如說(shuō)在智能手機(jī)上觀看視頻時(shí)。然而，將滯后時(shí)間降至微妙級(jí)別，對(duì)于工業(yè)設(shè)備的優(yōu)化操作至關(guān)重要。如果工業(yè)設(shè)備要進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和無(wú)線同步，數(shù)據(jù)將能以微秒級(jí)滯后時(shí)間進(jìn)行傳輸。

對(duì)RFID和傳感器的益處

更高效的RFID應(yīng)答器：“電磁波場(chǎng)合成技術(shù)，可用來(lái)在大面積中的一點(diǎn)產(chǎn)生能量，而不用低效地布滿整個(gè)房間。”Schwarzer解釋道

西門(mén)子技術(shù)人員還在研究將多通道系統(tǒng)用于無(wú)線供電應(yīng)用的不同方式。采用該理念的RFID芯片基站，將能針對(duì)性地進(jìn)行芯片供電。“電磁波場(chǎng)合成技術(shù)，可用來(lái)在大面積中的一點(diǎn)產(chǎn)生能量，而不用低效地布滿整個(gè)房間。”Schwarzer解釋道。RFID芯片可以有許多不同的應(yīng)用，譬如追蹤生產(chǎn)過(guò)程中的產(chǎn)品，或進(jìn)行系統(tǒng)解鎖授權(quán)。

不同的應(yīng)用： RFID應(yīng)答器（參見(jiàn)上圖帶粘性的標(biāo)簽）可以有許多不同的應(yīng)用，譬如追蹤生產(chǎn)過(guò)程中的產(chǎn)品或確定具體人員是否獲得系統(tǒng)解鎖授權(quán)

然而，這些范例遠(yuǎn)遠(yuǎn)未能涵蓋多通道系統(tǒng)的全部潛在應(yīng)用。西門(mén)子工程師正在優(yōu)化多通道雷達(dá)傳感器，以用于停車位和停車場(chǎng)監(jiān)控。多通道系統(tǒng)還以類似方式應(yīng)用于露天采礦應(yīng)用中：長(zhǎng)達(dá)100米的工程機(jī)械，在進(jìn)行運(yùn)輸時(shí)必須進(jìn)行精確至厘米級(jí)別的定位。這是在多通道雷達(dá)傳感器的幫助下完成的，該傳感器能精確測(cè)量角度。公交系統(tǒng)是多通道系統(tǒng)應(yīng)用廣泛的又一典型范例，特別是在和電子票聯(lián)合應(yīng)用的情況下。未來(lái)可在公交系統(tǒng)中使用RFID芯片，幫助搜索空座位和針對(duì)不同運(yùn)輸模式自動(dòng)開(kāi)具車費(fèi)發(fā)票。Schwarzer解釋道，多通道系統(tǒng)還可在醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域扮演關(guān)鍵角色，“最終，MRI會(huì)‘形同’一臺(tái)接收機(jī)，其中的多通道傳輸技術(shù)，可確保實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的影像。”

微型電網(wǎng)：通往電力自給自足的道路

與利用可再生能源的發(fā)電設(shè)施不同的是，常規(guī)電廠供應(yīng)的不只是電能，它們還提供從源頭確保電網(wǎng)可靠運(yùn)行的系統(tǒng)服務(wù)。因此，如果到2050年，可再生能源發(fā)電量能占到德國(guó)總發(fā)電量的80%，那么，就必須開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的新型解決方案。西門(mén)子領(lǐng)導(dǎo)下的一個(gè)研究小組所開(kāi)發(fā)的微型電網(wǎng)等解決方案，便是適用于此的可選方案之一，它們最終將能在世界其他地區(qū)發(fā)揮重要作用。

IREN2項(xiàng)目的研究人員正在Wildpoldsried開(kāi)發(fā)適合可再生能源并網(wǎng)發(fā)電的可持續(xù)發(fā)展電網(wǎng)。為此，他們將建造并分析具備獨(dú)立操作能力的微型電網(wǎng)原型，以及拓?fù)潆姀S原型。

德國(guó)正在全力推進(jìn)可再生能源的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型。可再生能源占德國(guó)能源構(gòu)成的比重已達(dá)25%左右。然而，如果德國(guó)要實(shí)現(xiàn)到2050年，將可再生能源發(fā)電比例提高至80%的能源轉(zhuǎn)型目標(biāo)，那么，將需要向電網(wǎng)輸送更多利用可再生能源生產(chǎn)的電能。事實(shí)上，屆時(shí)可再生能源的發(fā)電量，甚至需要超過(guò)當(dāng)前德國(guó)高峰時(shí)段的用電總量。

時(shí)至今日，德國(guó)可再生能源發(fā)電設(shè)施的裝機(jī)容量，已令其電網(wǎng)瀕臨崩潰。必須建設(shè)智能電網(wǎng)，以保證即使發(fā)電量隨天氣而波動(dòng)，分布式發(fā)電系統(tǒng)也能持續(xù)不斷地為電力用戶提供充足的電能。與當(dāng)今電網(wǎng)不同的是，智能網(wǎng)絡(luò)不僅能平衡電能的生產(chǎn)和消耗，而且可以分配電能，其調(diào)控范圍直達(dá)最終用電環(huán)節(jié)。

為了保證這種方法的有效性，從2011年到2013年，作為德國(guó)開(kāi)展的IRENE（可再生能源與電動(dòng)交通系統(tǒng)集成）計(jì)劃的一部分，西門(mén)子領(lǐng)導(dǎo)下的一個(gè)研究小組，在德國(guó)南部Allgäu地區(qū)的Wildpoldsried市，建造了一個(gè)智能電網(wǎng)，并進(jìn)行了試驗(yàn)。在IRENE研究項(xiàng)目中，Michael Metzger博士是西門(mén)子派出的項(xiàng)目經(jīng)理。他解釋說(shuō)，Wildpoldsried是這個(gè)項(xiàng)目的理想啟動(dòng)地點(diǎn)。他說(shuō)：“早在2010年，Wildpoldsried利用風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電和生物質(zhì)發(fā)電設(shè)施生產(chǎn)的電能，就已達(dá)到其用電量的兩倍左右。換句話說(shuō)，它已經(jīng)具備我們預(yù)期未來(lái)將在整個(gè)德國(guó)看到的條件。”

重疊系統(tǒng)

如今，Wildpoldsried的智能電網(wǎng)已經(jīng)能夠靈活地平衡當(dāng)?shù)夭▌?dòng)不定的電能供應(yīng)和用電需求，從而維持電網(wǎng)穩(wěn)定。有許多技術(shù)幫助實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，包括兩個(gè)可控制配電變壓器和一個(gè)蓄電池組裝置。當(dāng)?shù)氐闹悄茈娋W(wǎng)還配備了一個(gè)*的測(cè)定系統(tǒng)、一套技術(shù)*的通信基礎(chǔ)設(shè)施，以及分布式可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，如光伏發(fā)電和沼氣發(fā)電設(shè)施。有了這些系統(tǒng)和智能電網(wǎng)，如今，Wildpoldsried的發(fā)電量已達(dá)到其居民用電量的五倍以上，大大超過(guò)這個(gè)只有2,500人的小型社區(qū)高峰時(shí)段的需求量。這樣一來(lái)，IRENE計(jì)劃的合作伙伴便能創(chuàng)造理想的技術(shù)條件，朝著實(shí)現(xiàn)德國(guó)2050能源轉(zhuǎn)型目標(biāo)跨進(jìn)一步。

不過(guò)，相比Wildpoldsried而言，在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的挑戰(zhàn)要艱巨得多。來(lái)自德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)的Torsten Sowa，是IRENE計(jì)劃的合作伙伴之一。他表示，“就當(dāng)前的技術(shù)水平而言，我們?nèi)悦媾R著一個(gè)重大挑戰(zhàn)。因?yàn)楫?dāng)今的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，尚不能提供所謂的系統(tǒng)服務(wù)，如提供無(wú)功功率，以維持多電源電網(wǎng)的電壓。換句話說(shuō)，要想實(shí)現(xiàn)2050目標(biāo)，我們需要一個(gè)新型解決方案。”

取代常規(guī)電廠

于是，IREN2計(jì)劃應(yīng)運(yùn)而生。由德國(guó)聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)和能源部出資開(kāi)展的這個(gè)計(jì)劃，為期三年。其目標(biāo)是使用分布式發(fā)電系統(tǒng)和組件，如蓄電池組、熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、沼氣發(fā)電系統(tǒng)和柴油發(fā)電機(jī)等來(lái)改造Allgäu地區(qū)現(xiàn)有的電網(wǎng)，使之能夠提供常規(guī)電廠如今提供的系統(tǒng)服務(wù)。

在Wildpoldsried，西門(mén)子安裝了一臺(tái)調(diào)壓變壓器，以消除電壓波動(dòng)的影響——這種裝置是高壓電網(wǎng)上的標(biāo)配設(shè)備，但用在電壓較低的配電網(wǎng)中卻是一個(gè)。

這一轉(zhuǎn)變將主要涉及兩個(gè)概念：

首先，參與研究的計(jì)劃伙伴將研究如何將Wildpoldsried的電網(wǎng)轉(zhuǎn)變成微型電網(wǎng)。當(dāng)上一級(jí)主電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，Wildpoldsried微型電網(wǎng)應(yīng)當(dāng)能自動(dòng)與之脫離，并繼續(xù)作為一個(gè)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)向當(dāng)?shù)毓?yīng)電能。Metzger解釋說(shuō)：“這種微型電網(wǎng)的分散性質(zhì)，使之能夠以經(jīng)濟(jì)劃算的方式，幫助保障供電，哪怕它繼續(xù)吸納高比例的可再生能源發(fā)電。”

第二步涉及考察微型電網(wǎng)作為所謂的拓?fù)潆姀S，能夠以什么方式運(yùn)行。拓?fù)潆姀S是指，可再生能源發(fā)電系統(tǒng)與附加組件交互作用，從而像如今的常規(guī)電廠那樣調(diào)節(jié)電網(wǎng)的某個(gè)網(wǎng)段。

開(kāi)路先鋒

Sowa說(shuō)：“一旦我們能夠證明這種拓?fù)潆姀S的可行性和經(jīng)濟(jì)性，我們就能朝著實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型邁出又一個(gè)重要步伐。然后，我們必須確定需要?jiǎng)?chuàng)造什么樣的條件，以及必須將哪些影響因素納入考慮，才能在德國(guó)其他地區(qū)推廣我們的模式。我們希望我們的研究結(jié)果起到開(kāi)路先鋒的作用，而不只是一個(gè)實(shí)踐示例。”

從紅色到綠色到藍(lán)色：IREN2計(jì)劃的研究人員將逐步在Wilpoldsried擴(kuò)展其試驗(yàn)電網(wǎng)

Sowa口中的“我們”，是指IRENE計(jì)劃的所有合作伙伴。包括位于Allgäu的肯普滕應(yīng)用技術(shù)大學(xué)。這所大學(xué)與亞琛工業(yè)大學(xué)共同負(fù)責(zé)IREN2計(jì)劃的科學(xué)研究工作，以及建造和調(diào)試微型電網(wǎng)。另一個(gè)合作伙伴是Allgäu的AÜW供電公司，與IRENE一期計(jì)劃一樣，AÜW供電公司提供用于研究的電網(wǎng)。AÜW供電公司希望藉此進(jìn)一步發(fā)展其電網(wǎng)技術(shù)，以應(yīng)對(duì)能源轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)，從而從中受益。同在IRENE計(jì)劃中一樣，西門(mén)子將利用IREN2計(jì)劃的研究成果，進(jìn)一步發(fā)展其面向德國(guó)及國(guó)際市場(chǎng)的智能電網(wǎng)解決方案。此外，來(lái)自肯普滕的IT服務(wù)提供商IDKOM Networks也作為AÜW公司的IT服務(wù)提供商，間接參與了IRENE計(jì)劃。為了便于公司根據(jù)新興智能電網(wǎng)市場(chǎng)的需求，來(lái)調(diào)整其產(chǎn)品組合，IDKOM側(cè)重于滿足在智能電網(wǎng)中使用數(shù)據(jù)解決方案的技術(shù)要求。

適于全球推廣的模式？

IREN2研究人員所設(shè)想的獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)類型不僅對(duì)能源轉(zhuǎn)型有重要意義；同時(shí)，它也是適合在電網(wǎng)覆蓋不全的地區(qū)使用的解決方案。因此，德國(guó)經(jīng)濟(jì)合作和發(fā)展部已明確表示，它對(duì)IREN2計(jì)劃的研究成果十分感興趣。如果Wildpoldsried的研究人員取得成功，那么，德國(guó)經(jīng)濟(jì)合作和發(fā)展部可能將獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)解決方案與分布式可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的組合，視為解決全球許多區(qū)域的能源短缺問(wèn)題的有效手段。譬如，在非洲，仍有約5億人尚未通電。從這個(gè)意義上講，對(duì)于許多比德國(guó)更迫切地需要進(jìn)行能源轉(zhuǎn)型的國(guó)家，Wildpoldsried有點(diǎn)像個(gè)實(shí)驗(yàn)室。