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來(lái)源：返樸 ID：fanpu2019 撰文 | 徐曉（華南理工大學(xué)物理與光電學(xué)院） 2019年6月6日，工信部正式發(fā)放5G商用牌照，標志著(zhù)5G即將邁入商用階段。中國的通信行業(yè)在經(jīng)歷了“1G空白，2G追隨，3G參與，4G并跑”的階段后，終于在5G時(shí)代成為了領(lǐng)跑者之一。但對于大多數普通用戶(hù)而言，5G仍是一個(gè)模糊的概念。5G究竟是什么？在帶寬資源有限的情況下，如何做到傳輸速率的大幅提升？ 5G相當熱。 從英國首次5G電視直播，到5G牌照的發(fā)放；從對華為的制裁，到美國議員說(shuō)要賴(lài)掉華為的專(zhuān)利，近一個(gè)月的新聞實(shí)在是讓人目不暇接。 但是，5G究竟是什么？有什么關(guān)鍵技術(shù)？背后又有什么故事？為了做一名合格的“吃瓜群眾”，我們最好還是來(lái)了解一下。 了解了這些概念，至少在茶余飯后吹牛的時(shí)候，你會(huì )顯得比別人有檔次。 從香農公式說(shuō)起 作為一個(gè)老司機，你一定清楚，車(chē)要跑得快，路要寬，路面要平，油還要給足。同樣，上網(wǎng)速度想提高，信號傳輸的通道要寬，噪聲要小，信號功率還要大。 但是，1948年以前，沒(méi)有人能清楚地描述信號傳輸速率和通道寬度、噪聲大小以及信號功率的關(guān)系。直到香農提出了信息論，給出了香農公式： 
這公式形式簡(jiǎn)約，含義深遠。 C是單信道的信道容量，是指我們建立了一個(gè)單點(diǎn)輸入、單點(diǎn)輸出的通信通道（我們稱(chēng)為信道）后，這條通道每秒最多可以傳送多少bit的信息量。B是信道的帶寬，可以簡(jiǎn)單理解為分配給一個(gè)信道可用的頻率范圍的一半；S是傳送信號的平均功率，而N則是噪聲或者干擾信號的平均功率。 從香農公式可知，對于單信道而言，要增加信道容量C，無(wú)非三種方式：或增加帶寬B，或增加信號功率S，或減少噪聲或干擾信號的功率N。 八卦一下 新浪大V王小東引用別人的說(shuō)法，認為中心頻率越高，帶寬就越大。翻開(kāi)科普書(shū)，你也會(huì )發(fā)現上面寫(xiě)著(zhù)，光纖之所以比電線(xiàn)好是因為帶寬大。其實(shí)，現代無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)使用的頻率都已經(jīng)相當高了。所以中心頻率的高低，除了極限情況（比如需要非常寬的帶寬，到達奈奎斯特頻率對帶寬的限制）之外，一般不會(huì )構成對帶寬的限制。 所以現在，“頻率越高，傳輸的信息量越大”這一觀(guān)念并不完全正確。實(shí)際上，信息量只關(guān)乎帶寬，不關(guān)乎中心頻率。這一點(diǎn)，香農公式已經(jīng)告訴你了。 隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信的發(fā)展，帶寬也好，功率也好，這些資源只會(huì )越來(lái)越緊張，而空間中無(wú)線(xiàn)電的相互干擾也只會(huì )越來(lái)越大。 怎么辦？ 天無(wú)絕人之路。對于有多個(gè)輸入和多個(gè)輸出的信道而言，即使不改變以上三個(gè)條件，只要能保證該系統中的各輸入源或輸出源的信號可以彼此區分，就可以提高總的信道容量。 比如，假設有一個(gè)單輸入雙輸出的信道，并且，我們可以通過(guò)某種方式區分每個(gè)輸入信號到底是該到達輸出1，還是該到達輸出2。那么，這個(gè)系統就可以看成兩個(gè)獨立的信道：一個(gè)是從輸入到輸出1，一個(gè)是從輸入到輸出2。
圖1 單輸入雙輸出信道 如果這個(gè)模型是無(wú)線(xiàn)電傳輸的，則信道的噪聲N不會(huì )變化。信號總功率還定為S，每個(gè)信道各分一半，即S/2。那么我們很容易推算，這個(gè)信道的總容量為： C=B log2（1+S/2N）+B log2（1+S/2N） =2B log2（1+S/2N） （2） 為了做個(gè)簡(jiǎn)單比較，我們假定S/N=10，B=1Hz，就很容易算出在單信道的情況下，單信道容量約為3.46Bits/S，而新的信道的總容量為5.17Bits/S。5G，即第五代移動(dòng)通信，主要就是利用多輸入與多輸出技術(shù)（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）來(lái)提高信道容量的。 這個(gè)例子還給我們另外一個(gè)啟示：犧牲單個(gè)信道的功率，雖然單個(gè)信道的容量有所降低，但是這個(gè)降低卻能換來(lái)信道數目的增長(cháng)。因此，有的時(shí)候，犧牲一定的帶寬、提高一點(diǎn)噪聲或是降低一點(diǎn)信號功率，如果能使輸入或輸出信號之間的區分度增加，也是可以提高信道總容量的。這正是5G的另一類(lèi)重要技術(shù)，非正交復用技術(shù)（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）的原理基礎。 補充：蜂窩移動(dòng)通訊的基本結構 在了解MIMO和NOMA之前，讓我們對現在手機通信依賴(lài)的蜂窩移動(dòng)通信的結構先有個(gè)基本了解。 如下圖。手機的信號傳遞，是靠離它不遠的基站，也就是圖中畫(huà)的那些天線(xiàn)樣的東西來(lái)實(shí)現的。這些基站一般幾公里布置一個(gè)（5G要降到300米左右一個(gè)基站）。一般情況下，基站的位置會(huì )放在一個(gè)六角形“蜂巢”的中央，以保證基站發(fā)出的信號可以最好地覆蓋手機工作的區域。正是這個(gè)原因，手機用的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )被稱(chēng)作“蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )”。 基站的信號一般通過(guò)光纖，被送到一些設備構成的系統網(wǎng)絡(luò )。這個(gè)系統叫“核心網(wǎng)”，它會(huì )對基站送來(lái)的信號進(jìn)行分揀和檢查，然后，把屬于電話(huà)、短信或微信等數字通信的信號，分門(mén)別類(lèi)送進(jìn)相應的公用網(wǎng)絡(luò )，比如電話(huà)的網(wǎng)絡(luò )、因特網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )等。同時(shí)，核心網(wǎng)還會(huì )把手機用戶(hù)在哪個(gè)基站附近通信、用了多少流量等信息送到服務(wù)與管理中心，用來(lái)進(jìn)行計費等工作。
圖2 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )基本結構 多輸入與輸出技術(shù) 先說(shuō)多輸入與多輸出技術(shù)（MIMO）。 對于無(wú)線(xiàn)通信而言，MIMO是指在基站上使用更多數量的天線(xiàn)。這當然就意味著(zhù)在不增加頻帶和功率的情況下增加信道容量。 最能在直觀(guān)上體現這種信道容量增加的，是波束賦形（beam forming）技術(shù)[1]。 我們都很清楚，無(wú)線(xiàn)電波是一種電磁波，和水波、聲波一樣，有相干現象。如圖3所示，如果使用很多天線(xiàn)發(fā)射同樣頻率的電磁波，控制好發(fā)射的波的相位，就可以讓這個(gè)信號向一個(gè)或幾個(gè)特定的方向傳播。這樣的信號不僅能量集中，遠距離傳輸時(shí)功率也不會(huì )急劇降低，還可以區分不同的空間位置。利用這種區分度，也就相當于建立了更多的信道。 而MIMO的一般解釋要涉及無(wú)線(xiàn)電信號的基本傳輸模型，這里我就不展開(kāi)講解了。只是給出當接收和發(fā)射天線(xiàn)都比較多時(shí)，其信道容量的常見(jiàn)的估計公式： C=min（mR，mT）B log2（1+S/N）（3） [2] 這里mT和mR分別是信道中發(fā)射和接收天線(xiàn)的數量，min表示mT和mR兩者中的最小值�？梢�(jiàn)，天線(xiàn)數量的增加，大大提升了系統的信道容量。
圖3 波束賦形（藍色圓圈表示電磁波，這些圓圈的疊加有方向性，指向與天線(xiàn)排列平行的方向。） 非正交復用技術(shù) 非正交復用技術(shù)（NOMA）是指利用某種資源差異（比如接收功率差異、空間位置差異等）來(lái)區分不同接收手機的收發(fā)信號的技術(shù)。由于這些手機和基站之間使用的是同一個(gè)頻道，只通過(guò)資源差異做一定區分，這在通信技術(shù)上意味著(zhù)無(wú)法劃出獨立的信道，所以叫“非正交”。 最成熟的NOMA方式是利用功率差異。[3]如圖4，基站通過(guò)功率檢測發(fā)現，手機1、2、3依次從近到遠分布。那么，基站就可以把發(fā)給3的信號功率調到最強，發(fā)給2的次之，發(fā)給1的最弱。這些信號可以在同一個(gè)頻段內發(fā)出。 于是，在手機1收到的信號中，最強的信號是3的，其次是2的，最弱的才是自己的。那么，手機1就可以先將其他信號當成噪聲，解出3的信號，然后將3的信號從接收信號中扣除。再在經(jīng)過(guò)扣除的信號中，解出2的信號并扣除。最后才解出自己的信號。 而對于手機2，由于其離基站有一定的距離，所以收到的1的信號相當弱，只要將其當噪聲就可以了。剩下要做的，就是參照上面的方法，扣除手機3的信號，解出自己的信號。 手機3就更不必說(shuō)了，它收到的手機1、2的信號都相當弱，只需解出自己的信號就可以了。 這種信號處理的方式叫作“連續干擾消除”（successive interference cancellation ，SIC），是指通過(guò)一連串信號的扣除來(lái)去掉干擾。 正是通過(guò)這樣的方式，我們再次提高了信道的容量。
圖4 利用功率差異實(shí)現NOMA 八卦一下 搜狐張朝陽(yáng)曾經(jīng)在視頻節目中提到，5G要求的速率大，使用的頻率也偏高，估計使用的功率也會(huì )偏大，會(huì )不會(huì )因此對人體造成損害？ 他的問(wèn)題也是很多人擔心的。 通過(guò)這兩節的說(shuō)明，我們知道，5G主要是通過(guò)增加信道，而非增加功率的方式，來(lái)提高速率的。 5G（第5代移動(dòng)通信）使用的低頻頻段，跟我們現在用的4G（第4代移動(dòng)通信）沒(méi)有本質(zhì)差異，而高頻頻段則是以前衛星用來(lái)跟地面進(jìn)行通信的頻段。這些頻段，在一定功率范圍內，對人體都沒(méi)有什么影響。 [4， 5] 逼近香農極限 信道容量，是理論上的一個(gè)極限值，被稱(chēng)為香農極限（Shannon limit）。 真實(shí)的通信過(guò)程，要接近極限并不容易。為了對抗信道中的干擾，我們必須對要傳遞的信息進(jìn)行編碼。這樣一來(lái)，在大多數情況下，即使傳送的信號由于受到干擾而在到達目的地時(shí)出錯，我們也能根據出錯情況把原始信息恢復出來(lái)。比如，在干擾不太嚴重時(shí)，我們把同樣的碼傳上3遍，然后3判2，一般就能恢復信息。當然，這樣編碼的效率非常低，浪費了信道的容量。 而一個(gè)好的編碼，不但要能克服噪聲或者干擾，其中用來(lái)克服干擾的信息位數還要足夠少，這樣才有可能接近香農極限。 這樣的碼雖說(shuō)不好找，但真找起來(lái)也不是特別困難。 不過(guò)，人們很快就發(fā)現，很多碼的解碼過(guò)程實(shí)在太復雜，沒(méi)有辦法設計出能馬上解碼的芯片。 1993年，法國的Berrou、Glavieux 和他們的緬甸籍博士生Thitimajshima [6]發(fā)布了Turbo碼，采用了大多數研究編碼的學(xué)者都沒(méi)有注意的一種方式[7]，即所謂“軟判決”的方式來(lái)譯碼。第一次，我們在實(shí)用意義上接近了香農極限。4G通信，采用的就是Turbo碼。但是，軟判決雖然比較容易實(shí)現，但其計算過(guò)程需要迭代，不能并行，所以提速是個(gè)問(wèn)題。 而5G的速度要求要比4G快至少10倍以上。因此，我們需要的譯碼方案不僅要能容易實(shí)現，最好還能并行計算以提升速度。 第一個(gè)被關(guān)注的碼是LDPC碼，其提出者是香農的學(xué)生Gallager。該編碼在上世紀60年代被首次提出時(shí)，因當時(shí)的硬件不能滿(mǎn)足編碼的要求而被擱置。直到Turbo碼被提出，大家才發(fā)現，LDPC碼有相似的譯碼性能，在長(cháng)碼時(shí)更接近香農極限，且并行性也不錯。所以，在向5G前進(jìn)的過(guò)程中，大量學(xué)者都把注意力放在了LDPC碼上。[8] 2008年，Gallager的學(xué)生，土耳其畢爾肯大學(xué)的Erdal Arikan教授提出了Polar碼 [9]。由于大家的關(guān)注點(diǎn)都在LDPC碼上，所以他的發(fā)現在歐美廠(chǎng)商那里受到了冷遇。[10] Polar碼 講述Polar碼，需要非常專(zhuān)業(yè)和繁復的背景知識。但是，我們可以講點(diǎn)簡(jiǎn)單的東西，來(lái)“淺嘗”一下Polar碼。
圖5 老王送信息圖 如圖5，隔壁老王要給張三傳遞消息，但又不想讓李四知道，怎么辦？他就想到用紙牌來(lái)送消息，牌面朝上表示明天有空，朝下表示明天忙。但是，老王碰到了兩個(gè)麻煩。一個(gè)麻煩是，附近有個(gè)小孩總會(huì )在張三、李四不在時(shí)來(lái)翻牌，會(huì )有40%的可能把牌翻個(gè)面（如圖5，小孩把第一張牌翻了面）。另外有個(gè)麻煩是，李四多次觀(guān)察，已經(jīng)知道了紙牌正面和反面的含義。于是，老王決定用兩張牌，第二張牌的含義還跟原來(lái)一樣，正面表示有空，反面表示忙，但第一張牌則用來(lái)跟張三進(jìn)行事前約定，約定兩張牌的牌面是相同還是相反（圖5所示的就是相反）。通過(guò)這樣的方法，老王認為他既能更好地對抗小孩的干擾，也能防止李四猜準結果。請問(wèn)，老王的辦法靠譜嗎？ 信息論回答我們，靠譜！ 先看李四碰到的情況。 如果李四直接通過(guò)第二張牌來(lái)判斷老王是否有空，那么準確率只有60%。這個(gè)準確率還能不能再提高呢？比如，李四可不可以先猜猜老王事先跟張三的約定是什么？如果老王決定兩張牌同面和反面的概率各為50%，那么，通過(guò)概率論計算，李四推斷出約定內容的可能性最多為52%。如果他想在此基礎上再推斷牌面的準確含義，也就是想同時(shí)猜準約定的內容和老王是否有空，那么結果只會(huì )更糟，只有36%的可能猜對�？偟目磥�(lái)，還不如直接用第二張牌的6成把握算了。 再說(shuō)張三。比如圖5中的情況，既然事先約好了牌面相反，張三一看牌面相同就知道被小孩動(dòng)過(guò)手腳，便會(huì )直接根據第二張牌推斷，準確性即6成；但是，假設張三碰上的是牌面相反的情況，那么，通過(guò)概率論計算，他判斷的準確率將一躍至69%，比60%高了不少。 總結起來(lái)，我們可以認為張三占了好信道，好的時(shí)候準確率高達69%；而李四占了爛信道，他不像張三能提前知道老王的約定，他猜對約定內容的準確率只有52%。這個(gè)概率著(zhù)實(shí)不高，因為我們都知道，李四就算亂猜其實(shí)也有50%的機率猜對。 信道分了好和爛，就是極化（Polarization），也就是兩極分化的意思。 �。ㄟ@個(gè)計算過(guò)程并不嚴格，只是為了展示極化現象。真正要理解極化現象，還是需要信息論的基礎。具體的計算見(jiàn)附錄。） 所謂極化碼的編碼技術(shù)，就是以一種比較復雜的嵌套方式，并使用足夠多的牌，通過(guò)老王的約定，最后產(chǎn)生非常嚴重的信道極化�？梢詮臄祵W(xué)上證明，只要有足夠多的牌，李四到最后啥也猜不到；而只要張三事前知道了足夠多的約定內容，那么再?lài)乐氐男『⒏蓴_，都擋不住老王傳遞的每一個(gè)信息。當然，小孩干擾的情況越輕，需要的約定越少。 標 準 “一流廠(chǎng)商做標準，二流廠(chǎng)商做方案，三流廠(chǎng)商做產(chǎn)品�！边@是通信行業(yè)的共識。 為什么呢？因為通信行業(yè)是依靠信息的傳輸而存在的。而通信標準就是信息傳播和電信運營(yíng)商運營(yíng)的基礎。比如，你打電話(huà)，必須規定什么樣的聲音是忙音，什么樣的聲音是打通了的聲音。這就是標準。 實(shí)際上，電信標準的主要制定者——國際電聯(lián)（International Telecommunication Union）在1865年成立時(shí)，就是為了統一標準而結成的聯(lián)盟。1865年5月17日，由奧地利和法國發(fā)起，為了統一各個(gè)國家的電報格式、資費等問(wèn)題，20多國參與結成萬(wàn)國電報公會(huì )（International Telegraph Union），即國際電聯(lián)的前身。而當時(shí)清政府歷經(jīng)50年，才加入萬(wàn)國電報公會(huì )，僅為中文碼字收費一項，就和萬(wàn)國公會(huì )進(jìn)行了很久的協(xié)商。 由此可見(jiàn)，標準對通信業(yè)是多么重要。[11] 到了現代，通信標準越來(lái)越復雜，與之配套的專(zhuān)利、芯片、設備和軟件也越來(lái)越復雜。所以只要制定了標準，也就意味著(zhù)從技術(shù)、硬件到軟件都占得先機。比如，在第三代移動(dòng)通信有三大標準，WCDMA、CDMA2000和TDS-CDMA。而實(shí)現CDMA（Code Division Multiple Access，碼分多址）的核心技術(shù)就在高通公司（Qualcomm）[12]手中。因此，當時(shí)的高通公司除了賣(mài)芯片，還向世界各地的電信設備商和運營(yíng)商收取相關(guān)技術(shù)的專(zhuān)利費用，賺得盆滿(mǎn)缽滿(mǎn)，從1985年7個(gè)人創(chuàng )立的小公司一躍成為世界上最重要的通信企業(yè)之一。高通的例子清楚地詮釋了什么是“一流企業(yè)做標準”。 但是，標準不是你想做就能做的，因為如果沒(méi)有技術(shù)上可實(shí)現的有吸引力的方案，也就不會(huì )有眾多的廠(chǎng)家支持，你的方案是不會(huì )被國際電聯(lián)或其委托的相關(guān)機構選為標準，此其一；另外，也不是有了標準就一定會(huì )掙錢(qián)，因為如果缺乏相應比較經(jīng)濟實(shí)用的實(shí)現技術(shù)，標準依然不會(huì )轉成效益，此其二。 而Polar碼，比之LDPC碼，譯碼復雜度低。若研發(fā)其相應技術(shù)，一定會(huì )吸引大量的廠(chǎng)家，并帶來(lái)經(jīng)濟的實(shí)現方案。因此，其技術(shù)若實(shí)現，相應方案是有可能進(jìn)入新一代無(wú)線(xiàn)通信的標準并帶來(lái)效益的。 2010年，由于加拿大北電倒閉[13]而在2009年加入華為的童文，敏銳地察覺(jué)到了Polar碼的巨大潛力。雖然，Polar碼譯碼有一定的串行性，但是解碼本身復雜度很低。所以，他決定冒一次險，豪賭一把，在工程上實(shí)現Polar碼的應用。[14] 實(shí)踐證明，童文賭對了。眾所周知，在5G標準的制定中，Polar碼以在測試中更優(yōu)異的性能勝過(guò)了Turbo/LDPC碼，并最終成為了eMBB場(chǎng)景的短碼控制信道編碼方案。[15] 而隨著(zhù)標準的制定，華為有更多的專(zhuān)利進(jìn)入了“標準必要專(zhuān)利”（表1）。 什么是“標準必要專(zhuān)利”？就是你一旦要采用這個(gè)通信標準來(lái)生產(chǎn)設備或進(jìn)行運營(yíng)，就必然會(huì )用到這些專(zhuān)利，并向專(zhuān)利持有的廠(chǎng)商繳納專(zhuān)利費用。 這不但使華為從芯片到硬件都占盡先機，僅是相應的專(zhuān)利費也極為可觀(guān)。 表1 5G標準必要專(zhuān)利統計[16]
八卦一下 有很多朋友說(shuō)，中國沒(méi)有核心技術(shù)，不如高通等等。這個(gè)問(wèn)題，我個(gè)人覺(jué)得，都沒(méi)有“標準必要專(zhuān)利統計”來(lái)得準確。 另外需要補充的細節是：童文獲得了2018年IEEE杰出行業(yè)領(lǐng)袖獎[17]；Erdal Arikan教授獲得了2019年香農獎[18]。 結 語(yǔ) 行將結束。 那些最最熱門(mén)的話(huà)題，比如貿易戰的諸多細節、芯片問(wèn)題、頻段問(wèn)題、5G有什么用等等我都沒(méi)有講。 因為天氣太熱，我實(shí)在寫(xiě)不下去了。 廣州這段時(shí)間不是大雨，就是高熱。據說(shuō)，這都是厄爾尼諾惹的禍。 為什么厄爾尼諾這么厲害？據說(shuō)是全球升溫造成的。 相比氣候的上升，有關(guān)5G的諸多爭論不過(guò)是小打小鬧罷了。 在這人類(lèi)欲望不受控制的世界里，長(cháng)程來(lái)看，一切都變得不確定。 因此，我更懷念1948年的香農（Claude Elwood Shannon）：
它叫香農熵。 熵，即不確定。 附錄：極化信道的說(shuō)明 正文中極化碼的例子，實(shí)際是對如圖6的信道圖的比喻。
圖6 信道極化的示意圖 解釋圖6相關(guān)計算如下： 有兩個(gè)二元信號X1和X2，其可取的值為{0，1}；這兩個(gè)信號進(jìn)行模2加（模2加的規則是：0+0=0；0+1=1；1+0=1；1+1=0）后，則送入一個(gè)噪聲信道W，其有60%的可能性維持原有的值輸出到Y1，40%由于干擾而被誤判成另一個(gè)符號（即“0”被判成“1”， “1”被判成“0”）；另外，X2直接通過(guò)一個(gè)干擾信道W，輸出為Y2。 為了方便計算，我們將計算需要使用的各種概率值列表如下（假定X1和X2取“0”和“1”的可能性都是各占50%）： 表1 Pr （Y1Y2 | X1X2）
表2 Pr （Y1Y2X1X2）
非常容易推知，Y1和Y2取“0”和“1”的可能性也都是各占50% 現在我們來(lái)計算一下聯(lián)合信道X1X2->Y1Y2傳遞的信息量：
平均每個(gè)W信道傳送信息量約為0.0290bit/sign。平均每個(gè)W信道傳送信息量約為0.0290bit/sign。 而由信息論可知，若X1與X2獨立，信道也可做如下分解：
則易求出：則易求出：
由此可知，信道X1->Y1Y2傳遞的信息量遠遠低于平均的0.0290bit/sign；而信道X2->Y1Y2X1傳遞的信息量幾乎等于原來(lái)兩個(gè)信道聯(lián)合傳遞的信息量，遠高于0.0290bit/sign。 此即信道極化。 |
