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數據傳輸速度成倍增長

不同領域產生的數據量，正以令人難以置信的速度增長。就此而言，其挑戰就在于是否能以更快、更安全的方式無線傳輸和儲存這些海量數據。西門子研究人員想到了將多條通道連接在一起，以同時傳輸和接收數據。多通道方式還可改善其他類型的高頻應用，比如：旋轉雷達波束、雷達系統精確的角度測量以及RFID系統無線供電的本地優化等。

有針對性的供電：多通道系統幫助確保無線通信網絡以更高的傳輸速率進行更高效的數據傳輸。
Stefan Schwarzer博士正在研究多通道系統支持無線供電的不同方式。圖中所示，他正利用電磁波場合成技術，在預定區域生成電場。

在當今世界想要消失得無影無蹤，幾乎沒有可能。盡管這對于竊賊而言，情況并非*如此，但是在數字世界里，要想不留下任何蹤跡，幾乎沒有可能。在Facebook上發帖、瀏覽在線新聞或者駕駛帶有導航設備的汽車——不管是誰在做這件事，也不管他是有意還是無意，他都會留下以數據形式存在的痕跡。

到2020年數據量將高達44ZB

繁榮的移動設備市場：尤其是在發展中國家，
互聯網正變得日趨重要，在這些國家能無線上網的電腦
和智能手機正變得越來越普及

美國市場調查公司IDC（國際數據公司）進行的一項研究預計，到2020年全球的數據將浩若繁星：總數據量有望達到44ZB（相當于440億TB）。如果該預測是正確的，這將意味著全球數據量將在2013年的基礎上增長10倍。目前，一塊筆記本電腦硬盤（3.5英寸）可以最多儲存3TB數據，這意味著要想將2020年的所有數據儲存下來需要147億塊筆記本電腦硬盤。

數據爆炸性增長的原因有許多。IDC指出的原因包括：能無線上網的電腦和智能手機市場的持續繁榮發展，以及——更為重要的是——新興市場互聯網的迅速普及。

多通道系統可提升傳輸容量和速度

數據量增長的同時，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電腦共享網絡連接時，下載速度會大幅下滑，這還會進一步導致從其他用戶處“竊取”傳輸容量。如果全球數據量繼續增長，數據傳輸速率問題將會變得更為敏感。為何會出現這種情況？我們來看看下面這些事實：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送數據時，會造成進程中許多其他天線的傳輸中斷。這給全球數據傳輸容量和速率帶來了限制。

解決方案就是多通道系統，該系統裝備多根天線，可同時進行電信號交換。這種方式之所以有效，是因為每根天線都由多達上百根小天線組成，這意味著多通道系統，可非常精確地生成和指引其射電波束。這使得數據連接的損耗非常低，而且具有非常強的抗干擾能力。換句話說，理論上一個房間內的頻譜，可以同時被多臺不同的設備使用，而不會造成數據傳輸速率的下降。此外，多根獨立的天線，使得能同時生成針對不同用戶的不同方向的射電波束。

有效設計：眾多的小天線通常設計在印刷電路板上，以節省成本和空間

數據傳輸速率成倍增長

西門子也在利用多通道系統。共有40名高頻技術專家正在慕尼黑、埃爾蘭根和維也納針對該系統進行研究，并且根據公司需求對其進行優化。他們正在進行針對通信、無線供電和傳感器系統應用的測試。“這種系統的效果，類似于在黑屋子里利用10個手電筒，從不同方向照亮一個蘋果。”西門子中央研究院德國射頻技術研究部負責人Andreas Ziroff指出。每個手電筒自身的光束都較弱，但當所有光束匯聚在蘋果上時會變得非常亮。多通道系統利用眾多獨立的傳輸通道，增加數據容量和傳輸速度的原理與此相同。

其區別只有一點：10個手電筒的光束亮度只是簡單的疊加效果，而多通道效果則是“成倍增長”。這是因為通道相互連接，這使得每個獨立的信號不再需要分布到整個房間，而是以最直接——因此也是高效——的路徑傳輸到接收設備。

鏈接世界萬事萬物：多通道系統可幫助以更高的數據傳輸速率，進行更快、更安全的數據傳輸和儲存，以及更有效地利用電信號。譬如，智能手機將與汽車進行連接，汽車將使用信號來相互交換信息，以及與紅綠燈和停車位探測器等交通基礎設施交換信息。衣服或手表以及照明開關、百葉窗和樓宇供暖系統都將能實現聯網。

5G無線標準和物聯網

多通道系統可用于許多應用，其中之一就是通信技術。“無線通信系統已達到了容量極限。”西門子中央研究院高頻技術工程師Stefan Schwarzer表示。這就是未來無線系統將依賴5G多通道標準以確保用閃電般速度傳輸數據的原因所在。西門子專家認為：到2020年，通過上百個并行通道，每秒傳輸數GB數據*有可能。當今的較快數據傳輸速率大約是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是： 移動通信未來將會發生天翻地覆的變化。“其目標不再是簡單地將數據從一地發送到另一地。”德累斯頓工業大學移動通信系統系主任Gerhard Fettweis教授說道，“現在更重要的是針對大范圍對象進行實時聯網，并且人為影響較少。因此，我們將不得不重新思考無線通信，特別是在數據傳輸速率、滯后時間以及互聯網協議方面。” 多通道系統因此對于物聯網具有重要意義，因為只有在許多不同的、空間獨立的通道能交換海量數據的情況下，才能對快速增長的聯網和通信設備進行管理。

顏色編碼：西門子研究人員使用不同的顏色，來顯示電磁場的強度等級。從黃色到淡藍等亮色顯示高場強；深藍顯示低場強

提升數據傳輸速率，縮短滯后時間

正常情況下，人們將會注意到使用多通道系統的優勢，譬如說在使用他們的智能手機時。能同時利用多個數據通道的智能手機，將能比現在接收和發送多得多的數據。“多通道系統可以將當今的數據傳輸速率提升許多倍。”Schwarzer表示。這將大大縮短滯后時間——數據被發送和收到之間的時間間隔。“如今的單通道移動設備的滯后時間為數毫秒；我們的目標是將滯后時間降低至幾十微秒。”Schwarzer解釋道。

人們一般不太注意到短于50毫秒的滯后，譬如說在智能手機上觀看視頻時。然而，將滯后時間降至微妙級別，對于工業設備的優化操作至關重要。如果工業設備要進行遠程控制和無線同步，數據將能以微秒級滯后時間進行傳輸。

對RFID和傳感器的益處

更高效的RFID應答器：“電磁波場合成技術，可用來在大面積中的一點產生能量，而不用低效地布滿整個房間。”Schwarzer解釋道

西門子技術人員還在研究將多通道系統用于無線供電應用的不同方式。采用該理念的RFID芯片基站，將能針對性地進行芯片供電。“電磁波場合成技術，可用來在大面積中的一點產生能量，而不用低效地布滿整個房間。”Schwarzer解釋道。RFID芯片可以有許多不同的應用，譬如追蹤生產過程中的產品，或進行系統解鎖授權。

不同的應用： RFID應答器（參見上圖帶粘性的標簽）可以有許多不同的應用，譬如追蹤生產過程中的產品或確定具體人員是否獲得系統解鎖授權

然而，這些范例遠遠未能涵蓋多通道系統的全部潛在應用。西門子工程師正在優化多通道雷達傳感器，以用于停車位和停車場監控。多通道系統還以類似方式應用于露天采礦應用中：長達100米的工程機械，在進行運輸時必須進行精確至厘米級別的定位。這是在多通道雷達傳感器的幫助下完成的，該傳感器能精確測量角度。公交系統是多通道系統應用廣泛的又一典型范例，特別是在和電子票聯合應用的情況下。未來可在公交系統中使用RFID芯片，幫助搜索空座位和針對不同運輸模式自動開具車費發票。Schwarzer解釋道，多通道系統還可在醫療應用領域扮演關鍵角色，“最終，MRI會‘形同’一臺接收機，其中的多通道傳輸技術，可確保實現高質量的影像。”

微型電網：通往電力自給自足的道路

與利用可再生能源的發電設施不同的是，常規電廠供應的不只是電能，它們還提供從源頭確保電網可靠運行的系統服務。因此，如果到2050年，可再生能源發電量能占到德國總發電量的80%，那么，就必須開發出相應的新型解決方案。西門子領導下的一個研究小組所開發的微型電網等解決方案，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發揮重要作用。

IREN2項目的研究人員正在Wildpoldsried開發適合可再生能源并網發電的可持續發展電網。為此，他們將建造并分析具備獨立操作能力的微型電網原型，以及拓撲電廠原型。

德國正在全力推進可再生能源的經濟轉型。可再生能源占德國能源構成的比重已達25%左右。然而，如果德國要實現到2050年，將可再生能源發電比例提高至80%的能源轉型目標，那么，將需要向電網輸送更多利用可再生能源生產的電能。事實上，屆時可再生能源的發電量，甚至需要超過當前德國高峰時段的用電總量。

時至今日，德國可再生能源發電設施的裝機容量，已令其電網瀕臨崩潰。必須建設智能電網，以保證即使發電量隨天氣而波動，分布式發電系統也能持續不斷地為電力用戶提供充足的電能。與當今電網不同的是，智能網絡不僅能平衡電能的生產和消耗，而且可以分配電能，其調控范圍直達最終用電環節。

為了保證這種方法的有效性，從2011年到2013年，作為德國開展的IRENE（可再生能源與電動交通系統集成）計劃的一部分，西門子領導下的一個研究小組，在德國南部Allgäu地區的Wildpoldsried市，建造了一個智能電網，并進行了試驗。在IRENE研究項目中，Michael Metzger博士是西門子派出的項目經理。他解釋說，Wildpoldsried是這個項目的理想啟動地點。他說：“早在2010年，Wildpoldsried利用風電、太陽能發電和生物質發電設施生產的電能，就已達到其用電量的兩倍左右。換句話說，它已經具備我們預期未來將在整個德國看到的條件。”

重疊系統

如今，Wildpoldsried的智能電網已經能夠靈活地平衡當地波動不定的電能供應和用電需求，從而維持電網穩定。有許多技術幫助實現了這一點，包括兩個可控制配電變壓器和一個蓄電池組裝置。當地的智能電網還配備了一個*的測定系統、一套技術*的通信基礎設施，以及分布式可再生能源發電系統，如光伏發電和沼氣發電設施。有了這些系統和智能電網，如今，Wildpoldsried的發電量已達到其居民用電量的五倍以上，大大超過這個只有2,500人的小型社區高峰時段的需求量。這樣一來，IRENE計劃的合作伙伴便能創造理想的技術條件，朝著實現德國2050能源轉型目標跨進一步。

不過，相比Wildpoldsried而言，在全國范圍內實現這個目標的挑戰要艱巨得多。來自德國亞琛工業大學的Torsten Sowa，是IRENE計劃的合作伙伴之一。他表示，“就當前的技術水平而言，我們仍面臨著一個重大挑戰。因為當今的可再生能源發電系統，尚不能提供所謂的系統服務，如提供無功功率，以維持多電源電網的電壓。換句話說，要想實現2050目標，我們需要一個新型解決方案。”

取代常規電廠

于是，IREN2計劃應運而生。由德國聯邦經濟和能源部出資開展的這個計劃，為期三年。其目標是使用分布式發電系統和組件，如蓄電池組、熱電聯產系統、沼氣發電系統和柴油發電機等來改造Allgäu地區現有的電網，使之能夠提供常規電廠如今提供的系統服務。

在Wildpoldsried，西門子安裝了一臺調壓變壓器，以消除電壓波動的影響——這種裝置是高壓電網上的標配設備，但用在電壓較低的配電網中卻是一個。

這一轉變將主要涉及兩個概念：

首先，參與研究的計劃伙伴將研究如何將Wildpoldsried的電網轉變成微型電網。當上一級主電網發生故障時，Wildpoldsried微型電網應當能自動與之脫離，并繼續作為一個獨立網絡向當地供應電能。Metzger解釋說：“這種微型電網的分散性質，使之能夠以經濟劃算的方式，幫助保障供電，哪怕它繼續吸納高比例的可再生能源發電。”

第二步涉及考察微型電網作為所謂的拓撲電廠，能夠以什么方式運行。拓撲電廠是指，可再生能源發電系統與附加組件交互作用，從而像如今的常規電廠那樣調節電網的某個網段。

開路先鋒

Sowa說：“一旦我們能夠證明這種拓撲電廠的可行性和經濟性，我們就能朝著實現能源轉型邁出又一個重要步伐。然后，我們必須確定需要創造什么樣的條件，以及必須將哪些影響因素納入考慮，才能在德國其他地區推廣我們的模式。我們希望我們的研究結果起到開路先鋒的作用，而不只是一個實踐示例。”

從紅色到綠色到藍色：IREN2計劃的研究人員將逐步在Wilpoldsried擴展其試驗電網

Sowa口中的“我們”，是指IRENE計劃的所有合作伙伴。包括位于Allgäu的肯普滕應用技術大學。這所大學與亞琛工業大學共同負責IREN2計劃的科學研究工作，以及建造和調試微型電網。另一個合作伙伴是Allgäu的AÜW供電公司，與IRENE一期計劃一樣，AÜW供電公司提供用于研究的電網。AÜW供電公司希望藉此進一步發展其電網技術，以應對能源轉型挑戰，從而從中受益。同在IRENE計劃中一樣，西門子將利用IREN2計劃的研究成果，進一步發展其面向德國及國際市場的智能電網解決方案。此外，來自肯普滕的IT服務提供商IDKOM Networks也作為AÜW公司的IT服務提供商，間接參與了IRENE計劃。為了便于公司根據新興智能電網市場的需求，來調整其產品組合，IDKOM側重于滿足在智能電網中使用數據解決方案的技術要求。

適于全球推廣的模式？

IREN2研究人員所設想的獨立網絡類型不僅對能源轉型有重要意義；同時，它也是適合在電網覆蓋不全的地區使用的解決方案。因此，德國經濟合作和發展部已明確表示，它對IREN2計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，德國經濟合作和發展部可能將獨立網絡解決方案與分布式可再生能源發電系統的組合，視為解決全球許多區域的能源短缺問題的有效手段。譬如，在非洲，仍有約5億人尚未通電。從這個意義上講，對于許多比德國更迫切地需要進行能源轉型的國家，Wildpoldsried有點像個實驗室。