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数据传输速度成倍增长

不同领域产生的数据量，正以令人难以置信的速度增长。就此而言，其挑战就在于是否能以更快、更安全的方式无线传输和储存这些海量数据。西门子研究人员想到了将多条通道连接在一起，以同时传输和接收数据。多通道方式还可改善其他类型的高频应用，比如：旋转雷达波束、雷达系统精确的角度测量以及RFID系统无线供电的本地优化等。

有针对性的供电：多通道系统帮助确保无线通信网络以更高的传输速率进行更高效的数据传输。
Stefan Schwarzer博士正在研究多通道系统支持无线供电的不同方式。图中所示，他正利用电磁波场合成技术，在预定区域生成电场。

在当今世界想要消失得无影无踪，几乎没有可能。尽管这对于窃贼而言，情况并非*如此，但是在数字世界里，要想不留下任何踪迹，几乎没有可能。在Facebook上发帖、浏览在线新闻或者驾驶带有导航设备的汽车——不管是谁在做这件事，也不管他是有意还是无意，他都会留下以数据形式存在的痕迹。

到2020年数据量将高达44ZB

繁荣的移动设备市场：尤其是在发展中国家，
互联网正变得日趋重要，在这些国家能无线上网的电脑
和智能手机正变得越来越普及

美国市场调查公司IDC（国际数据公司）进行的一项研究预计，到2020年全球的数据将浩若繁星：总数据量有望达到44ZB（相当于440亿TB）。如果该预测是正确的，这将意味着全球数据量将在2013年的基础上增长10倍。目前，一块笔记本电脑硬盘（3.5英寸）可以最多储存3TB数据，这意味着要想将2020年的所有数据储存下来需要147亿块笔记本电脑硬盘。

数据爆炸性增长的原因有许多。IDC指出的原因包括：能无线上网的电脑和智能手机市场的持续繁荣发展，以及——更为重要的是——新兴市场互联网的迅速普及。

多通道系统可提升传输容量和速度

数据量增长的同时，也催生了以更快速度传输更大量信息的需求。我们都知道，下载大文件以及多台电脑共享网络连接时，下载速度会大幅下滑，这还会进一步导致从其他用户处“窃取”传输容量。如果全球数据量继续增长，数据传输速率问题将会变得更为敏感。为何会出现这种情况？我们来看看下面这些事实：如今的笔记本电脑只配备一根天线，该天线向另外一根天线发送数据时，会造成进程中许多其他天线的传输中断。这给全球数据传输容量和速率带来了限制。

解决方案就是多通道系统，该系统装备多根天线，可同时进行电信号交换。这种方式之所以有效，是因为每根天线都由多达上百根小天线组成，这意味着多通道系统，可非常精确地生成和指引其射电波束。这使得数据连接的损耗非常低，而且具有非常强的抗干扰能力。换句话说，理论上一个房间内的频谱，可以同时被多台不同的设备使用，而不会造成数据传输速率的下降。此外，多根独立的天线，使得能同时生成针对不同用户的不同方向的射电波束。

有效设计：众多的小天线通常设计在印刷电路板上，以节省成本和空间

数据传输速率成倍增长

西门子也在利用多通道系统。共有40名高频技术专家正在慕尼黑、埃尔兰根和维也纳针对该系统进行研究，并且根据公司需求对其进行优化。他们正在进行针对通信、无线供电和传感器系统应用的测试。“这种系统的效果，类似于在黑屋子里利用10个手电筒，从不同方向照亮一个苹果。”西门子中央研究院德国射频技术研究部负责人Andreas Ziroff指出。每个手电筒自身的光束都较弱，但当所有光束汇聚在苹果上时会变得非常亮。多通道系统利用众多独立的传输通道，增加数据容量和传输速度的原理与此相同。

其区别只有一点：10个手电筒的光束亮度只是简单的叠加效果，而多通道效果则是“成倍增长”。这是因为通道相互连接，这使得每个独立的信号不再需要分布到整个房间，而是以最直接——因此也是高效——的路径传输到接收设备。

链接世界万事万物：多通道系统可帮助以更高的数据传输速率，进行更快、更安全的数据传输和储存，以及更有效地利用电信号。譬如，智能手机将与汽车进行连接，汽车将使用信号来相互交换信息，以及与红绿灯和停车位探测器等交通基础设施交换信息。衣服或手表以及照明开关、百叶窗和楼宇供暖系统都将能实现联网。

5G无线标准和物联网

多通道系统可用于许多应用，其中之一就是通信技术。“无线通信系统已达到了容量极限。”西门子中央研究院高频技术工程师Stefan Schwarzer表示。这就是未来无线系统将依赖5G多通道标准以确保用闪电般速度传输数据的原因所在。西门子专家认为：到2020年，通过上百个并行通道，每秒传输数GB数据*有可能。当今的较快数据传输速率大约是300MB/s，尽管在日常生活中很少享受到这种速度。如今可以肯定的一点是： 移动通信未来将会发生天翻地覆的变化。“其目标不再是简单地将数据从一地发送到另一地。”德累斯顿工业大学移动通信系统系主任Gerhard Fettweis教授说道，“现在更重要的是针对大范围对象进行实时联网，并且人为影响较少。因此，我们将不得不重新思考无线通信，特别是在数据传输速率、滞后时间以及互联网协议方面。” 多通道系统因此对于物联网具有重要意义，因为只有在许多不同的、空间独立的通道能交换海量数据的情况下，才能对快速增长的联网和通信设备进行管理。

颜色编码：西门子研究人员使用不同的颜色，来显示电磁场的强度等级。从黄色到淡蓝等亮色显示高场强；深蓝显示低场强

提升数据传输速率，缩短滞后时间

正常情况下，人们将会注意到使用多通道系统的优势，譬如说在使用他们的智能手机时。能同时利用多个数据通道的智能手机，将能比现在接收和发送多得多的数据。“多通道系统可以将当今的数据传输速率提升许多倍。”Schwarzer表示。这将大大缩短滞后时间——数据被发送和收到之间的时间间隔。“如今的单通道移动设备的滞后时间为数毫秒；我们的目标是将滞后时间降低至几十微秒。”Schwarzer解释道。

人们一般不太注意到短于50毫秒的滞后，譬如说在智能手机上观看视频时。然而，将滞后时间降至微妙级别，对于工业设备的优化操作至关重要。如果工业设备要进行远程控制和无线同步，数据将能以微秒级滞后时间进行传输。

对RFID和传感器的益处

更高效的RFID应答器：“电磁波场合成技术，可用来在大面积中的一点产生能量，而不用低效地布满整个房间。”Schwarzer解释道

西门子技术人员还在研究将多通道系统用于无线供电应用的不同方式。采用该理念的RFID芯片基站，将能针对性地进行芯片供电。“电磁波场合成技术，可用来在大面积中的一点产生能量，而不用低效地布满整个房间。”Schwarzer解释道。RFID芯片可以有许多不同的应用，譬如追踪生产过程中的产品，或进行系统解锁授权。

不同的应用： RFID应答器（参见上图带粘性的标签）可以有许多不同的应用，譬如追踪生产过程中的产品或确定具体人员是否获得系统解锁授权

然而，这些范例远远未能涵盖多通道系统的全部潜在应用。西门子工程师正在优化多通道雷达传感器，以用于停车位和停车场监控。多通道系统还以类似方式应用于露天采矿应用中：长达100米的工程机械，在进行运输时必须进行精确至厘米级别的定位。这是在多通道雷达传感器的帮助下完成的，该传感器能精确测量角度。公交系统是多通道系统应用广泛的又一典型范例，特别是在和电子票联合应用的情况下。未来可在公交系统中使用RFID芯片，帮助搜索空座位和针对不同运输模式自动开具车费发票。Schwarzer解释道，多通道系统还可在医疗应用领域扮演关键角色，“最终，MRI会‘形同’一台接收机，其中的多通道传输技术，可确保实现高质量的影像。”

微型电网：通往电力自给自足的道路

与利用可再生能源的发电设施不同的是，常规电厂供应的不只是电能，它们还提供从源头确保电网可靠运行的系统服务。因此，如果到2050年，可再生能源发电量能占到德国总发电量的80%，那么，就必须开发出相应的新型解决方案。西门子领导下的一个研究小组所开发的微型电网等解决方案，便是适用于此的可选方案之一，它们最终将能在世界其他地区发挥重要作用。

IREN2项目的研究人员正在Wildpoldsried开发适合可再生能源并网发电的可持续发展电网。为此，他们将建造并分析具备独立操作能力的微型电网原型，以及拓扑电厂原型。

德国正在全力推进可再生能源的经济转型。可再生能源占德国能源构成的比重已达25%左右。然而，如果德国要实现到2050年，将可再生能源发电比例提高至80%的能源转型目标，那么，将需要向电网输送更多利用可再生能源生产的电能。事实上，届时可再生能源的发电量，甚至需要超过当前德国高峰时段的用电总量。

时至今日，德国可再生能源发电设施的装机容量，已令其电网濒临崩溃。必须建设智能电网，以保证即使发电量随天气而波动，分布式发电系统也能持续不断地为电力用户提供充足的电能。与当今电网不同的是，智能网络不仅能平衡电能的生产和消耗，而且可以分配电能，其调控范围直达最终用电环节。

为了保证这种方法的有效性，从2011年到2013年，作为德国开展的IRENE（可再生能源与电动交通系统集成）计划的一部分，西门子领导下的一个研究小组，在德国南部Allgäu地区的Wildpoldsried市，建造了一个智能电网，并进行了试验。在IRENE研究项目中，Michael Metzger博士是西门子派出的项目经理。他解释说，Wildpoldsried是这个项目的理想启动地点。他说：“早在2010年，Wildpoldsried利用风电、太阳能发电和生物质发电设施生产的电能，就已达到其用电量的两倍左右。换句话说，它已经具备我们预期未来将在整个德国看到的条件。”

重叠系统

如今，Wildpoldsried的智能电网已经能够灵活地平衡当地波动不定的电能供应和用电需求，从而维持电网稳定。有许多技术帮助实现了这一点，包括两个可控制配电变压器和一个蓄电池组装置。当地的智能电网还配备了一个*的测定系统、一套技术先进的通信基础设施，以及分布式可再生能源发电系统，如光伏发电和沼气发电设施。有了这些系统和智能电网，如今，Wildpoldsried的发电量已达到其居民用电量的五倍以上，大大超过这个只有2,500人的小型社区高峰时段的需求量。这样一来，IRENE计划的合作伙伴便能创造理想的技术条件，朝着实现德国2050能源转型目标跨进一步。

不过，相比Wildpoldsried而言，在全国范围内实现这个目标的挑战要艰巨得多。来自德国亚琛工业大学的Torsten Sowa，是IRENE计划的合作伙伴之一。他表示，“就当前的技术水平而言，我们仍面临着一个重大挑战。因为当今的可再生能源发电系统，尚不能提供所谓的系统服务，如提供无功功率，以维持多电源电网的电压。换句话说，要想实现2050目标，我们需要一个新型解决方案。”

取代常规电厂

于是，IREN2计划应运而生。由德国联邦经济和能源部出资开展的这个计划，为期三年。其目标是使用分布式发电系统和组件，如蓄电池组、热电联产系统、沼气发电系统和柴油发电机等来改造Allgäu地区现有的电网，使之能够提供常规电厂如今提供的系统服务。

在Wildpoldsried，西门子安装了一台调压变压器，以消除电压波动的影响——这种装置是高压电网上的标配设备，但用在电压较低的配电网中却是一个。

这一转变将主要涉及两个概念：

首先，参与研究的计划伙伴将研究如何将Wildpoldsried的电网转变成微型电网。当上一级主电网发生故障时，Wildpoldsried微型电网应当能自动与之脱离，并继续作为一个独立网络向当地供应电能。Metzger解释说：“这种微型电网的分散性质，使之能够以经济划算的方式，帮助保障供电，哪怕它继续吸纳高比例的可再生能源发电。”

第二步涉及考察微型电网作为所谓的拓扑电厂，能够以什么方式运行。拓扑电厂是指，可再生能源发电系统与附加组件交互作用，从而像如今的常规电厂那样调节电网的某个网段。

开路先锋

Sowa说：“一旦我们能够证明这种拓扑电厂的可行性和经济性，我们就能朝着实现能源转型迈出又一个重要步伐。然后，我们必须确定需要创造什么样的条件，以及必须将哪些影响因素纳入考虑，才能在德国其他地区推广我们的模式。我们希望我们的研究结果起到开路先锋的作用，而不只是一个实践示例。”

从红色到绿色到蓝色：IREN2计划的研究人员将逐步在Wilpoldsried扩展其试验电网

Sowa口中的“我们”，是指IRENE计划的所有合作伙伴。包括位于Allgäu的肯普滕应用技术大学。这所大学与亚琛工业大学共同负责IREN2计划的科学研究工作，以及建造和调试微型电网。另一个合作伙伴是Allgäu的AÜW供电公司，与IRENE一期计划一样，AÜW供电公司提供用于研究的电网。AÜW供电公司希望藉此进一步发展其电网技术，以应对能源转型挑战，从而从中受益。同在IRENE计划中一样，西门子将利用IREN2计划的研究成果，进一步发展其面向德国及国际市场的智能电网解决方案。此外，来自肯普滕的IT服务提供商IDKOM Networks也作为AÜW公司的IT服务提供商，间接参与了IRENE计划。为了便于公司根据新兴智能电网市场的需求，来调整其产品组合，IDKOM侧重于满足在智能电网中使用数据解决方案的技术要求。

适于全球推广的模式？

IREN2研究人员所设想的独立网络类型不仅对能源转型有重要意义；同时，它也是适合在电网覆盖不全的地区使用的解决方案。因此，德国经济合作和发展部已明确表示，它对IREN2计划的研究成果十分感兴趣。如果Wildpoldsried的研究人员取得成功，那么，德国经济合作和发展部可能将独立网络解决方案与分布式可再生能源发电系统的组合，视为解决全球许多区域的能源短缺问题的有效手段。譬如，在非洲，仍有约5亿人尚未通电。从这个意义上讲，对于许多比德国更迫切地需要进行能源转型的国家，Wildpoldsried有点像个实验室。