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誰是5G的主宰？

點(diǎn)擊：  作者：走進(jìn)科學(xué)    來源：量子學(xué)派  發(fā)布時(shí)間:2019-01-31 13:52:35

  

 

香農(nóng)重新建造了一個(gè)全新的世界，

從宙斯的額頭開始。

——節(jié)選自《公式之美》

 

/ 01 /5G背后的主宰：香農(nóng)公式

 

2019年1月24日，華為發(fā)布了全球首款5G手機(jī)。

 

一時(shí)之間，“華為主宰5G時(shí)代”的言論又甚囂塵上。

 

為什么每每談到5G，總會(huì)讓許多人激動(dòng)莫名。

 

通訊標(biāo)準(zhǔn)真的這么重要？有人說，5G是國家基礎(chǔ)設(shè)施和經(jīng)濟(jì)增長新引擎，也是科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重要驅(qū)動(dòng)，所以大國之爭在所難免，沒有誰不想主宰這個(gè)領(lǐng)地。

 

除了國家介入，全球通信企業(yè)也在爭奪5G的話語權(quán)，包括AT&T、英國電信、中國移動(dòng)、愛立信、華為、英特爾、LG電子、聯(lián)發(fā)科技、諾基亞……都想成為5G時(shí)代的控制者。

 

從1G到5G的歷史中，無論是國家還是企業(yè)，都一直在明爭暗斗，爭奪通信業(yè)的“鐵王座”。

 

是的，這些都是我們看得到的一面，國家意志之爭，企業(yè)逐鹿全球。

 

如果拋棄意識(shí)形態(tài)之爭，淡化國家和民族的斗爭背景。平心靜氣，硝煙散盡之后，從技術(shù)的角度來看，主宰者從來只有一個(gè)，那就是香農(nóng)公式，它才是5G幕后真正的大BOSS。

 

香農(nóng)公式是什么？香農(nóng)又是誰？它為什么才是5G的真正主宰？

 

 

/ 02 /香農(nóng)是誰？

 

我們先來談?wù)勏戕r(nóng)是誰。

 

1997年，美國波士頓城外一幢用灰泥粉飾過的宅邸里，每天下午4點(diǎn)，總有一個(gè)銀發(fā)雪白的老頭一邊騎著獨(dú)輪車，一邊同時(shí)拋接4個(gè)球，不厭其煩地操練雜耍技藝。

 

若有到訪者來此，他會(huì)興致勃勃地分享他的“雜耍統(tǒng)一場論”：如果B代表球的數(shù)量，H代表手的數(shù)量，D表示球在手中度過的時(shí)間，F則代表著每個(gè)球的飛行時(shí)間，E代表每只手不拿球的時(shí)間，那B/H=(D+F)/(D+E)。

 

不幸的是，這理論并不能幫助這個(gè)71歲的老頭子實(shí)現(xiàn)扔四個(gè)球的美夢，所以，他耍賴地狡辯道：“這是我手太小了！”

 

盡管這老頭狡辯時(shí)滿臉無賴，但他身邊的每個(gè)人眼神里依舊透著敬畏，畢竟克勞德•香農(nóng)這個(gè)名字，在20世紀(jì)下半葉，與愛因斯坦一樣站在神壇之上。

 

他就是香農(nóng)，一個(gè)從小就開掛了的天才，8歲就幫姐姐做高數(shù)作業(yè)，輔導(dǎo)姐姐成為數(shù)學(xué)系教授………

 

相比于他各種各樣的“天才”傳說，香農(nóng)1948年發(fā)表的《通訊的數(shù)學(xué)原理》和1949年提出的《噪聲下的通信》，讓他成為“信息論”及“數(shù)字通信時(shí)代”的奠基人。

 

他以天才般的想象力和創(chuàng)造力，用科學(xué)方法定義什么是“信息”，發(fā)展了“信息論”，提出兩大定律，以信息論指引通信發(fā)展，第一次使人類從工業(yè)社會(huì)過渡到信息社會(huì)，最后進(jìn)入到前所未有的數(shù)字通訊時(shí)代。

 

 

 

/ 03 /5G前傳：信息即情報(bào)

 

什么是信息？

 

20世紀(jì)以前，“信息”尚處于混沌之中，其遠(yuǎn)比“運(yùn)動(dòng)”、“能量”等詞更晚才被抽象出來研究。更多的時(shí)候，它是一紙家書，是斗獸場的公示牌，是市場上的叫喝，或是沙龍女主人的八卦點(diǎn)滴……

 

香農(nóng)給予它明晰定義：信息是用來消除隨機(jī)不確定性的東西。

 

香農(nóng)究竟是如何找到它的精確定義的？二戰(zhàn)期間，呆在貝爾實(shí)驗(yàn)室15年為美國情報(bào)部門工作，使得香農(nóng)對“information”一詞有著深刻理解。英文中，信息和情報(bào)是同一個(gè)詞，而情報(bào)最大的作用就是消除不確定性。戰(zhàn)爭時(shí)期，情報(bào)在命懸一線間改變世界格局。

 

1941年，二戰(zhàn)正處于白熱化階段。德國430萬大軍兵臨莫斯科，斯大林在歐洲已無兵可派，想調(diào)回遠(yuǎn)在西伯利亞中蘇邊境駐扎著的60萬大軍。斯大林使勁揣度著德國盟友日本人的心思，這群東洋人究竟是選擇北上進(jìn)攻蘇聯(lián)，還是南下和美國開戰(zhàn)？

 

最終傳奇間諜佐爾格向莫斯科發(fā)來了信息量僅80比特，卻抵過千軍萬馬的情報(bào)（信息）：“日本將南下”。斯大林終于松了口氣，并即刻下令：大后方的60萬大軍撤回歐洲，增援莫斯科會(huì)戰(zhàn)。在日本偷襲美國珍珠港、德國于寒冬中滿盤皆輸下，隨后的歷史迅速發(fā)生大轉(zhuǎn)折。

 

斯大林通過獲取情報(bào)做出決斷的過程，其實(shí)就是一個(gè)獲取新信息、消除不確定性的過程，這個(gè)過程可以看做是信息作用的淋漓展現(xiàn)，也是信息論原理的一個(gè)具象呈現(xiàn)。

 

由此，信息的定義出來了，那什么是“信息論”呢？

 

 

 

/ 04 /信息論：新帝國的“理論基石”

 

信息論包括兩大定律：

 

?香農(nóng)第一定律，即信源編碼定律。

?香農(nóng)第二定律，即香農(nóng)公式。

 

1948年，在劃時(shí)代論文《通信的數(shù)學(xué)原理》中，正是這篇“20世紀(jì)最重要的碩士論文”，標(biāo)志著信息論的誕生，直接炸出了一個(gè)新的學(xué)科：信息學(xué)。這個(gè)世界所有的信息都可以用0和1來表示，香農(nóng)帶領(lǐng)人類從工業(yè)時(shí)代進(jìn)入了信息時(shí)代。

 

香農(nóng)提出了“比特”和“信息熵”的概念。

 

比特是香農(nóng)自創(chuàng)用來測量信息的單位，現(xiàn)已躋身于公尺、千克、分鐘之列，成為了日常生活中最常見的量綱之一，是計(jì)算機(jī)最小的數(shù)據(jù)單位。

 

例如“香農(nóng)真的好牛逼”這七個(gè)漢字一共是112bits，一個(gè)漢字兩個(gè)字節(jié)，一個(gè)字節(jié)8bits，總共就是7*2*8bits。

 

“信息熵”則是香農(nóng)從熱力學(xué)中偷過來用的，專門用于描述信源的不確定度，是消除不確定性所需信息量的度量。公式表示如下：

 

 

 

這個(gè)公式不在這里具體展開，“信息學(xué)”專業(yè)同學(xué)曾經(jīng)被它反復(fù)虐過，這里不再勾起傷心往事。

 

關(guān)于信息熵的公式，物理學(xué)家張首晟曾經(jīng)感慨：這個(gè)公式雖然不像E=mc²那么知名，但人類知識(shí)往前推進(jìn)，牛頓力學(xué)可能不對，量子力學(xué)可能不對，相對論可能也不對，而信息熵公式卻是永恒的。

 

定義以上信息之后，香農(nóng)提出“信息學(xué)”的兩大定律：

 

香農(nóng)第一定律叫做信源編碼定律，簡單講就是教會(huì)人類如何用數(shù)學(xué)方式將“信息”編碼。

 

香農(nóng)第二定律描述了一個(gè)信道中的極限信息傳輸率和該信道能力，這是現(xiàn)代通信的“金科玉律”。

 

香農(nóng)的信息論在新時(shí)代掀起了一場信息革命，一個(gè)新帝國正以前所未有的速度崛起。

 

/ 05 /什么是“香農(nóng)公式”？

 

敲黑板，劃重點(diǎn)，談?wù)?ldquo;香農(nóng)公式”。

 

1948年，香農(nóng)提出的信息熵，解決了電報(bào)、電話、無線電等如何計(jì)量信號(hào)信息量的問題。

但怎么在遠(yuǎn)距離通信中進(jìn)一步提高信道容量？也就是信息傳送速率上限，即“香農(nóng)極限”。

 

這是個(gè)令人捉急的煩惱，不能一輩子總是只發(fā)幾個(gè)字的電報(bào)吧。

但信息這玩意兒無質(zhì)無量，誰知道到底是什么在影響它的速率呢？

 

這就是高手存在的意義。香農(nóng)給出了信道容量公式，也就是“香農(nóng)公式”，這使得至今幾乎所有的現(xiàn)代通信理論都是基于這個(gè)公式展開。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

 

 

 

其中：C為信息速率的極限值；B為信道帶寬（Hz）；S為信號(hào)功率（W）；N為噪聲功率（W）；S/N表示信噪比。

 

我們可以簡單地把信息通道看作是城市道路，那么在這條道路上的單位時(shí)間內(nèi)的車流量就受到道路寬度和車輛速度等因素的制約，在這些特定制約條件下，單位時(shí)間內(nèi)最大車流量就被稱為極限值。而根據(jù)香農(nóng)定理，由于受到一些固有規(guī)律的制約，任何信道都不能無限增加信息傳送的速率。

 

從香農(nóng)公式中我們可以看出，想要提高信息的傳送速率關(guān)鍵在于提高信噪比和帶寬。

 

同時(shí)，C一定時(shí)，B與S/N可以互換，即帶寬和信噪比可以互相交換，也就是說，在傳輸速度不變的情況下，提高帶寬可以容忍更低的信噪比，反之亦然。帶寬和信噪比的互換是擴(kuò)頻通信的理論基石，通過增加帶寬，我們甚至可以輕松應(yīng)對小于0的信噪比。

 

香農(nóng)公式雖然總共才112bits，卻是“信息時(shí)代”的極簡《圣經(jīng)》。

 

它是現(xiàn)代“信息革命”必須遵循的基本原理，也是“數(shù)字通訊時(shí)代”不可逾越的底線。

 

造物主就是這樣，世界很簡單，原則就兩條，你們自己玩去吧。

 

 

 

/ 06 /信息時(shí)代：在“香農(nóng)公式”中追逐極限

 

香農(nóng)到墻角玩自己的雜耍去了，而全世界為他的公式瘋狂。

 

從1G至2G至3G至4G，甚至到5G的通信變更，全世界一流的通信運(yùn)營商和生廠商也一直廢寢忘食地追逐著香農(nóng)極限。

 

在這期間，以香農(nóng)公式為通信理論之基，通過不斷革新技術(shù)，提高信噪比，增加帶寬，我們也經(jīng)歷了大約每十年就發(fā)生一場時(shí)代劇變的移動(dòng)通信技術(shù)演進(jìn)史（如圖14-3所示），生活也因此而瞬息萬變。

 

 

圖14-3

 

1986年左右，依托著頻分多址（FDMA）技術(shù)，1G時(shí)代崛起，生活在信息依靠模擬信號(hào)傳遞的世界，我們手拿高昂的“大哥大”，躲在墻角里，四處尋找能聽得清楚對方講話的最佳方位。

 

1995年左右，揮別1G，時(shí)分多址（TDMA）技術(shù)使我們進(jìn)入到了2G世界，諾基亞7110開啟了人類手機(jī)上網(wǎng)的時(shí)代，也開啟了160字長度的短信來回傳遞的甜蜜夜生活，數(shù)字移動(dòng)電話逐漸取代模擬移動(dòng)電話，一代巨頭摩托羅拉也就此走下神壇。

 

2007年左右，碼分多址（CDMA）技術(shù)大行其道，伴隨著智能手機(jī)iPhone的出臺(tái)，3G網(wǎng)絡(luò)火了起來，手機(jī)APP生態(tài)系統(tǒng)開始建立，喬布斯手握觸控式屏幕的蘋果一舉成功打敗了按鍵盤的諾基亞。

 

2013年左右，正交頻分多址（OFDMA）技術(shù)引發(fā)變局，4G以更高速的上網(wǎng)速度開創(chuàng)了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。我們用微信語音聊天，通過支付寶掃碼付款，看抖音短視頻消遣娛樂，手機(jī)已成為我們生活中不可或缺的一部分。

 

短短幾十年，依托著香農(nóng)定理建立起來的通信技術(shù)和系統(tǒng)，無時(shí)無刻不在以更快的速度推進(jìn)時(shí)代進(jìn)程。如圖14-4，2G實(shí)現(xiàn)從1G的模擬時(shí)代走向數(shù)字時(shí)代，3G實(shí)現(xiàn)從2G語音時(shí)代走向數(shù)據(jù)時(shí)代，現(xiàn)在，4G又開始要從移動(dòng)互聯(lián)時(shí)代向5G萬物互聯(lián)時(shí)代邁進(jìn)。

 

 

圖14-4

 

速度越來越迅猛，改變越來越劇烈，在更大的帶寬，更高的傳輸速率之下，收獲的是不僅是更低的通訊資費(fèi)，而是更便捷的生活方式，以及更高效的生產(chǎn)效率。

 

那即將到來的5G又會(huì)給我們的生活帶來怎樣的改變？它有以下3個(gè)基本特點(diǎn)：

 

?eMBB大帶寬：下載速率理論值將達(dá)到每秒10GB，將是當(dāng)前4G上網(wǎng)速率的10倍。

?uRLLC低延時(shí)：5G的理論延時(shí)是1ms，是4G延時(shí)的幾十分之一，基本達(dá)到了準(zhǔn)實(shí)時(shí)的水平。

?mMTC廣聯(lián)接：5G單通信小區(qū)可以連接的物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)量理論值將達(dá)到百萬級別，是4G的十倍以上。

 

屆時(shí)，VR/AR、自動(dòng)駕駛等應(yīng)用躍躍欲試，5G又是否會(huì)迎來人與物、物與物之間的通信，實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)？

 

答案未知。也有聲音說別狂吹5G了，但無疑如何，新的一輪信息技術(shù)革命已即將來臨。

 

不過，這一切，仍然在“香農(nóng)公式”的指掌之間。

  

/ 07 /與E=mc²比肩的香農(nóng)公式

 

人類文明史上有許多讓人為之魂?duì)繅衾@的公式。

它們有的簡潔美艷不可方物，有的高深莫測讓人膜拜。

但從實(shí)用層面來講，香農(nóng)公式至少可以排在前5位，它的偉大程度可以與愛因斯坦的E=mc²相提并論。

 

無論是1G、2G、3G，還是4G、5G，甚至是未來的6G、7G，萬變不離其宗，全部都是在香農(nóng)公式中尋找力量。大衛(wèi)•福爾內(nèi)曾稱贊：“香農(nóng)重新建造了一個(gè)全新的世界，從宙斯的額頭開始”。

 

人類從狼煙烽火到郵政印刷，從電報(bào)廣播到網(wǎng)絡(luò)通信，這是技術(shù)的進(jìn)步，是超越國家主權(quán)的物理存在。這種榮耀不僅僅屬于一個(gè)公司，一個(gè)國家，也屬于全人類，它最終惠及所有人。

 

沒有哪個(gè)國家永遠(yuǎn)是第一的。中美歐在通訊標(biāo)準(zhǔn)上的“皇帝輪流做，明年到我家”，已經(jīng)說明了這一點(diǎn)。

 

所以，在這樣的技術(shù)問題上，盡量避免動(dòng)輒用“中美主宰”“技術(shù)霸權(quán)”這樣的字眼，真正的較量應(yīng)該用在技術(shù)的研發(fā)和對未來的思考上。

 

如果真要談?wù)l是5G的主宰，那它只能是“香農(nóng)公式”。