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數(shù)據(jù)傳輸速度成倍增長

不同領域產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量，正以令人難以置信的速度增長。就此而言，其挑戰(zhàn)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(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)。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(tǒng)精確的角度測量以及RFID系統(tǒng)無線供電的本地優(yōu)化等。

有針對性的供電：多通道系統(tǒng)幫助確保無線通信網(wǎng)絡以更高的傳輸速率進行更高效的數(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(qū)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(shù)字世界里，要想不留下任何蹤跡，幾乎沒有可能。在Facebook上發(fā)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(shù)據(jù)形式存在的痕跡。

到2020年數(shù)據(jù)量將高達44ZB

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

美國市場調(diào)查公司IDC（國際數(shù)據(jù)公司）進行的一項研究預計，到2020年全球的數(shù)據(jù)將浩若繁星：總數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，這意味著要想將2020年的所有數(shù)據(jù)儲存下來需要147億塊筆記本電腦硬盤。

數(shù)據(jù)爆炸性增長的原因有許多。IDC指出的原因包括：能無線上網(wǎng)的電腦和智能手機市場的持續(xù)繁榮發(fā)展，以及——更為重要的是——新興市場互聯(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(wǎng)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(shù)據(jù)量繼續(xù)增長，數(shù)據(jù)傳輸速率問題將會變得更為敏感。為何會出現(xiàn)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(fā)送數(shù)據(jù)時，會造成進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(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，而且具有非常強的抗干擾能力。換句話說，理論上一個房間內(nèi)的頻譜，可以同時被多臺不同的設備使用，而不會造成數(shù)據(jù)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(jié)省成本和空間

數(shù)據(jù)傳輸速率成倍增長

西門子也在利用多通道系統(tǒng)。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(tǒng)進行研究，并且根據(jù)公司需求對其進行優(yōu)化。他們正在進行針對通信、無線供電和傳感器系統(tǒng)應用的測試。“這種系統(tǒng)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(tǒng)利用眾多獨立的傳輸通道，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：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?shù)浇邮赵O備。

鏈接世界萬事萬物：多通道系統(tǒng)可幫助以更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，進行更快、更安全的數(shù)據(jù)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(tǒng)都將能實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。

5G無線標準和物聯(lián)網(wǎng)

多通道系統(tǒng)可用于許多應用，其中之一就是通信技術。“無線通信系統(tǒng)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(tǒng)將依賴5G多通道標準以確保用閃電般速度傳輸數(shù)據(jù)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(shù)GB數(shù)據(jù)*有可能。當今的較快數(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是： 移動通信未來將會發(fā)生天翻地覆的變化。“其目標不再是簡單地將數(shù)據(jù)從一地發(fā)送到另一地。”德累斯頓工業(yè)大學移動通信系統(tǒng)系主任Gerhard Fettweis教授說道，“現(xiàn)在更重要的是針對大范圍對象進行實時聯(lián)網(wǎng)，并且人為影響較少。因此，我們將不得不重新思考無線通信，特別是在數(shù)據(jù)傳輸速率、滯后時間以及互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議方面。” 多通道系統(tǒng)因此對于物聯(lián)網(wǎng)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(shù)據(jù)的情況下，才能對快速增長的聯(lián)網(wǎng)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(shù)據(jù)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(tǒng)的優(yōu)勢，譬如說在使用他們的智能手機時。能同時利用多個數(shù)據(jù)通道的智能手機，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間——數(shù)據(jù)被發(fā)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(shù)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(yè)設備的優(yōu)化操作至關重要。如果工業(yè)設備要進行遠程控制和無線同步，數(shù)據(jù)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(chǎn)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(tǒng)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(chǎn)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(chǎn)過程中的產(chǎn)品，或進行系統(tǒng)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(chǎn)過程中的產(chǎn)品或確定具體人員是否獲得系統(tǒng)解鎖授權

然而，這些范例遠遠未能涵蓋多通道系統(tǒng)的全部潛在應用。西門子工程師正在優(yōu)化多通道雷達傳感器，以用于停車位和停車場監(jiān)控。多通道系統(tǒng)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(tǒng)是多通道系統(tǒng)應用廣泛的又一典型范例，特別是在和電子票聯(lián)合應用的情況下。未來可在公交系統(tǒng)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(fā)票。Schwarzer解釋道，多通道系統(tǒng)還可在醫(yī)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(xiàn)高質量的影像。”

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)電設施不同的是，常規(guī)電廠供應的不只是電能，它們還提供從源頭確保電網(wǎng)可靠運行的系統(tǒng)服務。因此，如果到2050年，可再生能源發(fā)電量能占到德國總發(fā)電量的80%，那么，就必須開發(fā)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(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項目的研究人員正在Wildpoldsried開發(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立操作能力的微型電網(wǎng)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(jīng)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(xiàn)到2050年，將可再生能源發(fā)電比例提高至80%的能源轉型目標，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。事實上，屆時可再生能源的發(fā)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(fā)電設施的裝機容量，已令其電網(wǎng)瀕臨崩潰。必須建設智能電網(wǎng)，以保證即使發(fā)電量隨天氣而波動，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。與當今電網(wǎng)不同的是，智能網(wǎng)絡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，作為德國開展的IRENE（可再生能源與電動交通系統(tǒng)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(qū)的Wildpoldsried市，建造了一個智能電網(wǎng)，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(jīng)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(fā)電和生物質發(fā)電設施生產(chǎn)的電能，就已達到其用電量的兩倍左右。換句話說，它已經(jīng)具備我們預期未來將在整個德國看到的條件。”

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?shù)夭▌硬欢ǖ碾娔芄陀秒娦枨螅瑥亩S持電網(wǎng)穩(wěn)定。有許多技術幫助實現(xiàn)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?shù)氐闹悄茈娋W(wǎng)還配備了一個*的測定系統(tǒng)、一套技術*的通信基礎設施，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)電設施。有了這些系統(tǒng)和智能電網(wǎng)，如今，Wildpoldsried的發(fā)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(qū)高峰時段的需求量。這樣一來，IRENE計劃的合作伙伴便能創(chuàng)造理想的技術條件，朝著實現(xiàn)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(nèi)實現(xiàn)這個目標的挑戰(zhàn)要艱巨得多。來自德國亞琛工業(yè)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?nèi)悦媾R著一個重大挑戰(zhàn)。因為當今的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，尚不能提供所謂的系統(tǒng)服務，如提供無功功率，以維持多電源電網(wǎng)的電壓。換句話說，要想實現(xiàn)2050目標，我們需要一個新型解決方案。”

取代常規(guī)電廠

于是，IREN2計劃應運而生。由德國聯(lián)邦經(jīng)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(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)電機等來改造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。

在Wildpoldsried，西門子安裝了一臺調(diào)壓變壓器，以消除電壓波動的影響——這種裝置是高壓電網(wǎng)上的標配設備，但用在電壓較低的配電網(wǎng)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(wǎng)轉變成微型電網(wǎng)。當上一級主電網(wǎng)發(fā)生故障時，Wildpoldsried微型電網(wǎng)應當能自動與之脫離，并繼續(xù)作為一個獨立網(wǎng)絡向當?shù)毓娔?。Metzger解釋說：“這種微型電網(wǎng)的分散性質，使之能夠以經(jīng)濟劃算的方式，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)作為所謂的拓撲電廠，能夠以什么方式運行。拓撲電廠是指，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)的某個網(wǎng)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(jīng)濟性，我們就能朝著實現(xiàn)能源轉型邁出又一個重要步伐。然后，我們必須確定需要創(chuàng)造什么樣的條件，以及必須將哪些影響因素納入考慮，才能在德國其他地區(qū)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(wǎng)

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(yè)大學共同負責IREN2計劃的科學研究工作，以及建造和調(diào)試微型電網(wǎng)。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(wǎng)。AÜW供電公司希望藉此進一步發(fā)展其電網(wǎng)技術，以應對能源轉型挑戰(zhàn)，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(fā)展其面向德國及國際市場的智能電網(wǎng)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(jù)新興智能電網(wǎng)市場的需求，來調(diào)整其產(chǎn)品組合，IDKOM側重于滿足在智能電網(wǎng)中使用數(shù)據(jù)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(wǎng)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(wǎng)覆蓋不全的地區(qū)使用的解決方案。因此，德國經(jīng)濟合作和發(fā)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(jīng)濟合作和發(fā)展部可能將獨立網(wǎng)絡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。