鼎盛微胖

昨天在网上拜读了一篇自媒体文章《高通华为缘何热衷于将4.9G包装成5G 并不遗余力推广》， 文章中将5G对4G的技术升级比作将车道拓宽，而不是让原来的车道上跑更快的车，更多的车，因此尽管5G的理论速度提升到了4G系统的10倍，通讯技术也没有多大进步，5G只不过是包装后的4.9G，是华为高通等大企业骗钱的手段。该文作者期待着通讯技术的重大突破。笔者作为从业将近20年的通讯行业老兵，对文章中的这些说法如鲠在喉。如果速度提升10倍还不叫重大进步，那该作者期望什么通讯技术的进步？难道要突破香农极限才叫进步？

首先，要介绍一个常识。现代信息论的创始人香农（Claude Elwood Shannon）在1949年提出了著名的香农公式，严格证明了在被高斯白噪声干扰的信道中，传送的最大信息速率C由下述公式确定：

C=H*log₂（1+S/N)

其中C是信息速率的极限值，H为信道带宽，单位Hz；S是信号功率（瓦），N是噪声功率（瓦）。任何通讯信道里都有噪声，用户越多噪声越强，所以N不可能任意小；信号功率不能无限提高，事实上考虑到对人体健康的影响和对专业通讯频点的干扰，各国政府对基站和手机的发射功率都有限制，所以S的上限被锁定了；那么提升C就只有增大H了。

香农信息论设定了单一信道中的信息速率极限，宛如光速一般不可超越，所以也成为香农极限。那么4G LTE系统达到了香农极限的多少？

按照理论分析，计算机模拟和实际路测的结果，4G LTE网络在SISO（单入单出，基站和手机都只用1根天线）的条件下，通讯速率已经达到香农极限的约90%左右。因为各个研究机构所研究的系统里噪声水平有差异，所以数字略有出入。但是达到香农极限的九成左右是大家都能看到的事实。事实上我们家用的WIFI系统在最新的标准里，也差不多是这个数字。

是的，人类通讯技术已经达到极限的90%了。这意味着只要香农信息论没有被推翻，未来人类无论发明什么样的调制方式，多么先进的编码方式，相对于4G系统里的256QAM调制和Turbo码的效率提升，都只能有个位数的百分点。难道人类可以就此止步不前了吗？当然不会。

多天线技术就是人类想出的方法之一。4G标准里的MIMO技术，5G标准里的相控阵波束成形技术，都是多天线的应用。需要强调的是，MIMO和波束成形技术并没有打破香农极限。香农极限应对的是单一信道，MIMO和波束成形实际上是用多天线在同一频点上制造了多个信道，在每个信道里都是符合香农极限的。已经有学者对香农公式在MIMO条件下进行了改造，这里不再介绍。

另一个技术就是开拓更高频段。这里也不再多说。

然而实际环境要比理想环境要复杂得多。无线电在空气中的传播并非简单的衰减，接收方收到的信号要受到多径传播（发射方的信号由不同物体反射，经过不同路径，在不同时间受到不同衰减抵达接收方），干扰（白噪声，工业干扰，其他用户越多干扰越大等等），传播延迟等等因素的影响。在速率达高一定程度的时候，再提高就很难了。这几十年间，人类发明的OFDM，CDMA，各种纠错码，各种处理技术，总算能将通讯速率在单一信道提高到了香农极限的九成。虽然5G采用的各种技术比4G的效率只提高个位数的百分点，但是如果没有这些技术，效率会下降更多。

总之，那篇文章的作者贬低通讯行业的努力是没有道理的。修宽车道也是解决问题的方法。他期待的通讯技术的重大突破，恐怕只能是突破香农信息论了。

香农信息论公式是纯数学的推导，过程完美，其中并没有物理学公式中常见的假设常量。这个公式的确对信道噪声有预设的条件，但目前来看这些条件是合理的。世界上的确有些学者在研究新的理论，试图突破香农信息论，比如FTN（Faster Than Nyquist超奈奎斯特）就是其中一个方向。但目前所有理论离突破都还远，离实用更远。到底什么时候能够突破，谁也说不好，也许10年，也许100年。

所以人类科技进步不会停下脚步，5G系统在逼近香农极限的情况下提供了4G系统10倍的速率，是整个通讯行业努力的结果，是巨大的技术进步。如果停止不前，等上10年或者100年，再开发下一代系统，那才是人类的悲哀。