基于大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻譜數(shù)字孿生基礎(chǔ)設(shè)施

伴隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)、新基建和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等國(guó)家戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，實(shí)體經(jīng)濟(jì)與互聯(lián)網(wǎng)融合的步伐不斷加快，5G、物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)、新應(yīng)用大量涌現(xiàn)。無(wú)線電業(yè)務(wù)在此期間涵蓋了數(shù)字社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中具有重要的地位和作用，而無(wú)線電頻譜則是無(wú)線電業(yè)務(wù)賴以開(kāi)展的基礎(chǔ)。

無(wú)線頻譜的價(jià)值，可通過(guò)頻譜的數(shù)字孿生化來(lái)體現(xiàn)，借助數(shù)字孿生技術(shù)，建立無(wú)線頻譜的數(shù)字孿生基礎(chǔ)設(shè)施，在此之上拓展基于無(wú)線頻譜的數(shù)字孿生應(yīng)用，助力數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展，賦能實(shí)體經(jīng)濟(jì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

一、頻譜的數(shù)字化特征及價(jià)值

電磁頻譜中3000GHz以下的部分稱為無(wú)線電頻譜，可用于聲音和圖像廣播、導(dǎo)航、氣象、無(wú)線通信、報(bào)時(shí)、同步等。無(wú)線頻譜是無(wú)線電頻率的組合，是一種典型的數(shù)字模型，通過(guò)把傳統(tǒng)的物理模擬信號(hào)，即在時(shí)間維度內(nèi)可感知的實(shí)體信號(hào)，通過(guò)特定的算法，如傅里葉變換在另一個(gè)維度內(nèi)進(jìn)行體現(xiàn)，即成為頻譜。

新的維度即為數(shù)字化的頻域維度，正是有了頻譜這一新維度，關(guān)于頻譜的規(guī)劃、技術(shù)開(kāi)發(fā)和創(chuàng)新應(yīng)用成為了可能，也才會(huì)有無(wú)線電技術(shù)體制、空口傳輸技術(shù)、調(diào)制編碼創(chuàng)新等一系列針對(duì)于提高頻譜利用率的提升。

在人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)體系中，頻譜已經(jīng)具備了經(jīng)濟(jì)物品的所有屬性，通過(guò)人類的勞動(dòng)力、資本、知識(shí)和技術(shù)開(kāi)發(fā)的頻譜，已成為了現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)資源。頻譜作為各種無(wú)線電業(yè)務(wù)開(kāi)展的基礎(chǔ)資源，正如支撐房屋建設(shè)的土地資源，是當(dāng)今構(gòu)筑信息高速公路的基石，也是引領(lǐng)當(dāng)今整個(gè)通信信息產(chǎn)業(yè)繼續(xù)創(chuàng)新的重要?jiǎng)恿Α?/p>

深圳市工業(yè)和信息化局發(fā)布的《深圳市無(wú)線電發(fā)射設(shè)備發(fā)展情況評(píng)估報(bào)告》指出：2019年我國(guó)通信設(shè)備及無(wú)線用戶接入網(wǎng)設(shè)備出口金額為187億美元，占全國(guó)出口總額的0.78%，雖然統(tǒng)計(jì)的只是依賴于無(wú)線電頻譜資源的直接行業(yè)之一，但由此可見(jiàn)無(wú)線頻譜資源在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要地位。

無(wú)線電技術(shù)與應(yīng)用成為各行業(yè)數(shù)字化、信息化的重要手段，使整個(gè)社會(huì)的生產(chǎn)效率得到大幅提高。作為各種技術(shù)和應(yīng)用的必須要素，頻譜已成為行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展不可或缺的基礎(chǔ)資源。從3G時(shí)代起，智能手機(jī)開(kāi)始普及，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)有了雛形，從而催生出微信、淘寶等一系列數(shù)字經(jīng)濟(jì)的核心應(yīng)用；在頻譜資源領(lǐng)域的技術(shù)突破，使移動(dòng)通信的帶寬變大、速率大幅提升，社會(huì)進(jìn)入4G時(shí)代，更具附加值的應(yīng)用產(chǎn)生，出現(xiàn)了智慧城市、智能物聯(lián)等新的數(shù)字經(jīng)濟(jì)模式；而5G的到來(lái)，令行業(yè)出現(xiàn)了顛覆性的創(chuàng)新，尤其是在工業(yè)制造領(lǐng)域，推動(dòng)了以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為典型代表的智能制造、數(shù)字化轉(zhuǎn)型。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將傳統(tǒng)的工業(yè)制造業(yè)聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)系統(tǒng)工程模型，將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際情況在數(shù)字領(lǐng)域進(jìn)行映射，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字孿生體就此產(chǎn)生。

2020年4月10日，國(guó)家發(fā)展改革委和中央網(wǎng)信辦聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)“上云用數(shù)賦智”行動(dòng)培育新經(jīng)濟(jì)發(fā)展實(shí)施方案》，將數(shù)字孿生體提到了與大數(shù)據(jù)、人工智能、5G等并列的高度，并專辟章節(jié)談“數(shù)字孿生創(chuàng)新計(jì)劃”，要求“引導(dǎo)各方參與提出數(shù)字孿生（體）的解決方案”。

因此，除簡(jiǎn)單的數(shù)字領(lǐng)域的控制、評(píng)估、仿真、產(chǎn)品迭代等基本應(yīng)用外，更重要的是數(shù)字化的價(jià)值再次提升，基于數(shù)字孿生體的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型進(jìn)入質(zhì)變階段。

得益于新一代數(shù)字技術(shù)的出現(xiàn)，使當(dāng)前社會(huì)已經(jīng)具備了構(gòu)建數(shù)字孿生體經(jīng)濟(jì)的能力：全域立體感知、數(shù)字化標(biāo)識(shí)、萬(wàn)物在線、可信互連、泛在計(jì)算、智能定義一切，大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、人工智能、智能硬件、AR/VR等新技術(shù)應(yīng)用，使模擬、仿真、分析產(chǎn)業(yè)中發(fā)生的問(wèn)題成為可能，IT、DT技術(shù)不斷完善，為構(gòu)建數(shù)字孿生體奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。而以上應(yīng)用都由無(wú)線電頻譜作為基礎(chǔ)支撐。

基于頻譜于經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、國(guó)家的重要地位，在新形勢(shì)下有必要對(duì)頻譜進(jìn)行創(chuàng)新性的研究。

二、基于大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)頻譜數(shù)字孿生基礎(chǔ)設(shè)施

在時(shí)域、空域和頻域上的無(wú)線電頻譜狀態(tài)數(shù)據(jù)，如信號(hào)能量值、信號(hào)特征等，以及包含設(shè)備ID、用戶頻譜需求、反饋等的用戶或設(shè)備數(shù)據(jù)，還有頻譜使用環(huán)境下的地形數(shù)據(jù)、水文氣象數(shù)據(jù)等環(huán)境信息數(shù)據(jù)等構(gòu)成了無(wú)線電頻譜大數(shù)據(jù)，其具有“5V”特征：大量（Volume）、價(jià)值（Value）、真實(shí)（Veracity）、多樣（Variety）、高速（Velocity）。

研究無(wú)線頻譜大數(shù)據(jù)的最佳手段是直接處理原始（raw）數(shù)據(jù)，好處在于，一是避免人為“損害”數(shù)據(jù)，二是減少過(guò)程處理的時(shí)間。從數(shù)據(jù)層面解決問(wèn)題，才能滿足顛覆性的創(chuàng)新需要。

前文提到的數(shù)字孿生體，是一種為數(shù)字經(jīng)濟(jì)建設(shè)所服務(wù)的系統(tǒng)理論方法，無(wú)線頻譜的數(shù)字孿生化和其他的數(shù)字孿生體一樣，以服務(wù)數(shù)字經(jīng)濟(jì)為目的，遵循系統(tǒng)信息論的原則，第一，數(shù)字孿生化在信息轉(zhuǎn)換中需容易識(shí)別（代表信息的符號(hào)類型數(shù)量不宜太多）和高效編碼（用盡量少的符號(hào)表達(dá)盡量多的信息），即符合香農(nóng)第一定理，第二，把不容易識(shí)別的信息通過(guò)一種等價(jià)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，傅里葉變換是信息論體系中的重要支柱，在工業(yè)數(shù)字孿生化中，CAD圖紙、IT系統(tǒng)架構(gòu)以及二維物體圖片的自動(dòng)識(shí)別和建模方面應(yīng)用了傅里葉變換算法，而在前文中已經(jīng)提出，傅里葉變換是頻譜數(shù)字化的重要手段之一。

頻譜可作為一種數(shù)字化的模型，從數(shù)字經(jīng)濟(jì)維度上看，頻率可類比于一個(gè)個(gè)基礎(chǔ)“硬件”資源，這些硬件資源是支撐數(shù)字經(jīng)濟(jì)的物理顆粒，可作為數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況的度量之一。從頻率維度而言，產(chǎn)生了應(yīng)用，則會(huì)產(chǎn)生“硬件”塊，應(yīng)用越多，塊越厚重，對(duì)經(jīng)濟(jì)的支撐效果則越好。另外，頻率使用率低、使用效果不充分、價(jià)值未充分發(fā)揮等情況，通過(guò)數(shù)字化的頻率物理模型，都可以得到直觀的體現(xiàn)。

三、借助數(shù)字孿生體賦能數(shù)字經(jīng)濟(jì)

數(shù)字孿生城市是無(wú)線頻譜數(shù)字孿生化的應(yīng)用場(chǎng)景之一，數(shù)字孿生體在城市建設(shè)與發(fā)展中的核心價(jià)值在于，它能夠在物理世界和數(shù)字世界之間全面建立實(shí)時(shí)聯(lián)系，進(jìn)而對(duì)城市物理實(shí)體全生命期的變化進(jìn)行數(shù)字化。

而無(wú)線電頻譜數(shù)字孿生化是指電磁環(huán)境的當(dāng)前狀態(tài)、綜合形勢(shì)和發(fā)展趨勢(shì)的“數(shù)字”化。無(wú)線電頻譜數(shù)字孿生化研究的核心是將復(fù)雜物理電磁環(huán)境映射到數(shù)字空間中，形成數(shù)字的電磁頻譜空間，為未來(lái)數(shù)字系統(tǒng)提升動(dòng)態(tài)頻譜效率、為無(wú)線電秩序管理提供工程應(yīng)用支撐、為頻譜應(yīng)用提升數(shù)字經(jīng)濟(jì)價(jià)值提供有效的數(shù)字抓手。

目前的城市數(shù)字化建設(shè)可分為四個(gè)階段，第一、二階段是初步的城市數(shù)字治理和應(yīng)用的網(wǎng)格化，第三階段是借助于云、物聯(lián)網(wǎng)、5G等將數(shù)據(jù)上云，形成城市大數(shù)據(jù)，第四階段，則是將先進(jìn)技術(shù)綜合應(yīng)用，形成與物理城市相對(duì)的城市全城大數(shù)據(jù)。

無(wú)線電頻譜及無(wú)線技術(shù)始終貫穿了城市數(shù)字化建設(shè)應(yīng)用及發(fā)展的整個(gè)進(jìn)程，存在著“與物理城市相對(duì)應(yīng)的城市數(shù)字化頻譜基礎(chǔ)設(shè)施”，這一基礎(chǔ)設(shè)施，使得頻譜不再是看不見(jiàn)、摸不著的信號(hào)數(shù)字特征，而轉(zhuǎn)變?yōu)椤翱吹靡?jiàn)、摸得著”的數(shù)字物理模型；從數(shù)字經(jīng)濟(jì)的重要支撐轉(zhuǎn)變?yōu)橹匾臄?shù)字度量。而通過(guò)頻譜大數(shù)據(jù)的技術(shù)手段，能從新的維度上檢視數(shù)字孿生城市，能更有效地促進(jìn)和提升數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

總結(jié)

基于無(wú)線頻譜和數(shù)字孿生體融合的巨大潛力和價(jià)值，深圳無(wú)線電檢測(cè)技術(shù)研究院立足于運(yùn)營(yíng)的短距離無(wú)線電設(shè)備檢測(cè)與評(píng)估部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、粵港澳5G和新一代無(wú)線信息技術(shù)公共服務(wù)平臺(tái)，在國(guó)家政策支持下開(kāi)展關(guān)于頻譜大數(shù)據(jù)的研究，并聯(lián)合數(shù)字孿生體聯(lián)盟，共建“數(shù)字孿生城市實(shí)驗(yàn)室”。

我們將充分發(fā)揮“數(shù)字孿生城市實(shí)驗(yàn)室”的作用，基于前期頻譜大數(shù)據(jù)的研究基礎(chǔ)，借助新型城市信息載體（智慧桿等），同時(shí)利用傳統(tǒng)的無(wú)線電監(jiān)測(cè)渠道和手段，實(shí)現(xiàn)無(wú)線頻譜數(shù)字孿生基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，并開(kāi)展無(wú)線頻譜與數(shù)字經(jīng)濟(jì)相關(guān)性的模型和仿真研究，最終形成一個(gè)無(wú)線頻譜賦能數(shù)字經(jīng)濟(jì)的理論模型和可實(shí)操的實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景。
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