北京信息科学与技术国家研究中心

Beijing National Research Center for Information Science and Technology

未来网络理论与应用研究部

未来网络理论与应用研究部

    一、研究部介绍
    网络空间正发展成为继陆、海、空和太空之后的人类第五疆域,网络承载的信息已成为国家经济发展的重要战略资源。当前互联网、物联网、未来移动通信网络等各类网络有趋于融合和一体化的趋势,急需建立未来融合网络体系结构领域的新理论和新技术。
    未来网络理论与应用研究部针对未来网络融合的技术趋势,提出新型互联网的创新思路,通过引入人工智能技术解决互联网扩展性、安全性和性能之间相互制约的基本矛盾,开展超大空间的高效寻址路由、开放网络的跨域可信访问与攻防、竞争资源的实时传输控制等研究。在此基础上,发展网络化的通信理论与方法、新型物联网业务模式、通信与广播融合的创新业务模式。

    二、主要研究方向
    未来网络理论与应用研究部将重点布局新型互联网体系结构、新一代物联网平台与操作系统、5G与通信、宽带多媒体传输等研究方向,为网络空间智能化、安全化发展和技术变革奠定基础。

    1.未来互联网体系结构
    现有互联网体系结构正面临着日益严峻的挑战:(1)由于网络规模的快速扩张,为编址和路由等互联网的体系结构要素带来新的挑战。大规模编址和路由迫切需要基础理论研究。(2)网络安全问题日趋严重。当前的互联网体系结构由于缺乏安全可信基础,很容易受到攻击,解决网络安全问题迫切需要在网络可信访问等核心技术方面取得突破。(3)当前互联网缺乏对网络传输实时性的有效控制。实时性在工业控制、虚拟现实、车联网、远程医疗、灾害救援、乃至国家安全等方面都意义重大。现有互联网面临着异构接入网络的传输时延不可控和不可预测的重大挑战。未来互联网体系结构研究方向针对当前互联网在扩展性、安全性和性能之间相互制约的基本矛盾,以知识平面为核心,通过人工智能技术的引入,围绕智能化的知识平面、超大空间的高效寻址路由、开放网络的跨域可信访问与攻防、竞争资源的实时传输控制等4个核心科学问题开展研究。在人工智能技术支撑的网络知识平面、延时优化的网络资源调度传输、跨域网络信任体系和可信访问、大规模网络中可扩展路由寻址等研究中力争突破一批核心关键技术,包含面向网络智能的学习算法、网络功能虚拟化、网络可编程与抽象、内容寻址与管理、移动性机制、协作缓存与传输、管控与自治管理、主动防御技术等。在教育科研实验网平台开展集成验证,实现大规模网络中的真实定位符验证和可信身份标识符认证和可信访问,支持资源实时调度,网络安全自动攻击防御和智能管理,以及动态密集接入和柔性组网等。

    2.新一代物联网平台与操作系统
    海量异构的物联网终端设备通常采用嵌入式OS,功能固化严重,对上层服务兼容性极低,且由于物联网设备计算和存储资源有限,难以支撑动态安装软件以获取服务,无法满足人们对服务多样性日益增长的需求。因此需要设计新一代分布式的物联网OS,在服务器端统一管理终端软件/服务,在终端/网络边缘设备处按需加载软件程序块(非完整软件)支撑流式计算,从而充分利用终端/边缘设备与服务器的协同计算和存储能力,实现海量轻量级物联网终端的快速动态服务供给。新一代物联网平台与操作系统在以下主要方向开展研究:(1)分布式物联网OS内核设计与实现:研究新型内核同步、权限控制及中断机制;研究服务器与终端联动的资源管理机制等;(2)分布式文件管理系统及块流式服务加载的理论方法:设计基于新型计算模式的分布式文件系统、专属网络通信协议;研究功能级程序分块执行机制、终端程序生存周期管理机制等;(3)基于分布式物联网OS的网络计算模式及基础理论:研究新型物联网计算任务建模及其卸载和调度方案;研究终端及多层次服务器端的分布式协同计算模型及性能优化方案等;(4)异构物联网终端的轻量级虚拟化方案:研究屏蔽终端硬件结构差异性、统一化的软件执行环境,实现跨平台服务加载和共享;(5)基于分布式物联网OS的系统安全及隐私保护机制:利用分布式物联网OS直接管理终端硬件资源以及进程等软件资源的优势,以及多层服务设备的异构计算能力,实现多级别、全方位的安全认证、系统安全防护、数据隐私保护方案等。预期打造拥有自主产权的物联网OS推动其产业化以及相关技术成果的标准化,形成可穿戴设备、无人机等一批示范性演示平台和相关应用,推动物联网领域的基础性创新。

    3.宽带多媒体传输
    宽带多媒体传输方向主要线多媒体信息传输技术、移动通信网络资源管理、新型异构多媒体传输架构等方面开展研究:(1)针对中国广播电视更新换代的需求,创新无线多媒体信息传输理论和编码调制等关键技术,建立标准制定到产业化的技术体系,实现我国地面数字电视广播传输标准成为国际标准的历史性突破,达到同类技术标准的国际领先水平。(2)针对移动通信网络面临的资源和能耗的双重约束,从系统角度提出了以基站休眠和柔性覆盖为基础的超蜂窝架构。该架构将蜂窝网络的控制信道覆盖和业务信道覆盖进行适度分离,可根据不同业务需求动态地调整覆盖模式和范围,从而实现能效与资源的联合优化。(3)针对多媒体信息传输深度覆盖的需要,提出基于通信与广播融合的新型网络构架,在国际顶级机构间开展合作,研究异构无线、光、电缆等多种媒介传输体系,实现信息与能量深度双向融合、交换和共享。相关核心技术成果不仅服务于宽带多媒体传输,也为能源互联网、物联网和工业互联网应用提供了重要技术手段。

    4.5G与通信
    5G与通信研究方向主要面向5G演进和6G系统,突破无线信息网络体系架构、全新无线传输技术和毫米波技术,打造通信-计算-数据-智能融合发展的全新开放生态,建立我国自主的无线信息网络开源组织,支撑我国网络强国战略目标的达成。主要研究内容有:(1)5G演进与6G创新无线传输技术。包括超高吞吐率、超高能效无线传输技术,巨容量、巨连接与超低功耗移动无线接接入组网技术,以及新型频谱资源开发与利用技术。(2)基于ICDT深度融合的网络架构技术。研究面向全行业全生态的普适性移动信息网络总体架构,研究SDN/NFV演进技术、网络切片演进技术,边缘计算演进技术,端到端高可靠、高安全与超低时延网络技术,基于AI和大数据的ICDT融合网络技术。(3)毫米波通信技术。包括毫米波系统设计和智能波束管理,以及毫米波关键器件实现和验证技术。(4)面向未来数字经济与应用的产业发展新模式和新技术。支持自主硬件白盒化网络化的高实时操作系统、分布式协议栈及工具链,基于微服务、无服务框架的甚敏捷调度技术,研究支持持续集成、持续上线的全生命周期研究开发运维工具链,自主网络操作系统开源协作技术,支持构建车联网、全无线工厂、全无线医疗、智能电网、智慧城市、新零售和共享经济等全无线产业新业态和新模式。

    三、重要研究成果 

    1.未来互联网体系结构
    承担多项CNGI中国下一代互联网示范工程、863、973、十二五科技支撑、十三五国家重点研发项目等国家重大科研项目,推动我国互联网科技进步。

    在源地址验证、IPv4/IPv6过渡技术等方面获得IETF国际标准20多项;获得国家科技进步,自然科学、技术发明二等奖11项;获得教育部、中国通信学会、上海市、辽宁省、江苏省、国防科技奖励17项;获得国际互联网协会最高奖Jonathan B. Postel奖。

    在网络体系结构、网络空间安全、天地一体化信息网络、大规模互联网测量管理与态势感知方面承担国家重要研究课题,取得多项核心关键技术突破。

    2. 新一代物联网平台与操作系统
    (没有提供图文)打造拥有自主产权的物联网OS推动其产业化以及相关技术成果的标准化,占领部分物联网终端软件解决方案市场;打造生态完善的基于流块式服务的分布式物联网OS,形成可穿戴设备、无人机等一批示范性演示平台和相关应用,推动物联网领域的基础性创新。

    3.宽带多媒体传输
    在无线多媒体信息传输理论和编码调制等关键技术方面,实现我国地面数字电视广播传输标准成为国际标准的历史性突破,达到同类技术标准的国际领先水平。已在包括中国在内的14个国家和地区落地,取得了巨大的经济和社会效益。研究成果荣获2016年国家科技进步一等奖。该方向获得了自然科学基金、国家“973”、“核高基”、科技部国际合作重点领域项目以及多个与国内外企业合作项目的支持。
    在移动通信网络架构方面,提出了以基站休眠和柔性覆盖为基础的超蜂窝架构,实现能效与资源的联合优化。该方向获得了自然科学基金、国家“973”、以及科技部国际合作项目的支持。

超蜂窝架构的控制覆盖和业务覆盖分离

    提出基于通信与广播融合的新型网络构架,研究异构无线、光、电缆等多种媒介传输体系,实现信息与能量深度双向融合、交换和共享,创建了相关领域国家标准体系。相关核心技术成果已在国家电网规模应用。获得国家重点研发计划、欧盟Horizon2020等项目的支持。

国家重点研发计划项目

欧盟地平线2020计划资助项目IoRL

电力线与可见光通信深度融合网络构架

    近10年来获奖30项,其中国家及省部级奖励9项、其它学会、协会、国际贡献奖项19项。

    负责、参与制定国际标准17项/次、国家标准 12 项。

    4.5G与通信
    在无线网络方面,在IMT-2020 技术组会议上首倡“开放网络架构”。牵头2项5G相关的863项目,以及获得10个5G课题。与中移动、中电信、中兴、高通、华为在5G网络架构研究中取得深度合作。在科技部港澳台合作专项中是牵头单位。参与倡议发起5G开源协作社区open5G,并贡献开源软件和硬件模块。

 5G开放网络架构工具集

开源协作社区open5G成员

    已经取得4个重要理论成果 :超蜂窝无线组网,覆盖子系统,YaRAN和NoStack。建设1个开放公共5G网络架构测试床,覆盖FIT楼周边,60根天线,一个小型接入网虚拟化云中心。

NoStack体系架构

    在毫米波研究方面,提出毫米波多波束自适应跟踪反射波的系统概念。其他代表性成果包括OFDM Downlink Shared Channel,WiFi同步序列等。

    研制出CMOS 60GHz射频前端全集成系统芯片,传输速率6Gbps,通过973、863项目验收。研制出毫米波通信系统平台,算法、信号和系统,相互对应,有效支持技术验证。

研制出毫米波通信系统平台

    在5G毫米波的波束管理研究方面,提出基于位置的Massive MIMO导频分配、FDD Massive MIMO码本设计和基于角度域FDD Massive MIMO导频设计等理论和机制。在5G毫米波的干扰抑制研究方面,提出了针对NR的多小区干扰管理机制。