鼎盛微胖
昨天在網上拜讀了一篇自媒體文章《高通華為緣何熱衷於將4.9G包裝成5G 並不遺餘力推廣》， 文章中將5G對4G的技術升級比作將車道拓寬，而不是讓原來的車道上跑更快的車，更多的車，因此儘管5G的理論速度提升到了4G系統的10倍，通訊技術也沒有多大進步，5G只不過是包裝後的4.9G，是華為高通等大企業騙錢的手段。該文作者期待著通訊技術的重大突破。筆者作為從業將近20年的通訊行業老兵，對文章中的這些說法如鯁在喉。如果速度提升10倍還不叫重大進步，那該作者期望什麼通訊技術的進步？難道要突破香農極限才叫進步？
首先，要介紹一個常識。現代資訊理論的創始人香農（Claude Elwood Shannon）在1949年提出了著名的香農公式，嚴格證明了在被高斯白噪聲幹擾的信道中，傳送的最大信息速率C由下述公式確定：
C=H*log（1+S/N)
其中C是信息速率的極限值，H為信道帶寬，單位Hz；S是信號功率（瓦），N是噪聲功率（瓦）。任何通訊信道裡都有噪聲，用戶越多噪聲越強，所以N不可能任意小；信號功率不能無限提高，事實上考慮到對人體健康的影響和對專業通訊頻點的幹擾，各國政府對基站和手機的發射功率都有限制，所以S的上限被鎖定了；那麼提升C就只有增大H了。
香農資訊理論設定了單一信道中的信息速率極限，宛如光速一般不可超越，所以也成為香農極限。那麼4G LTE系統達到了香農極限的多少？
按照理論分析，計算機模擬和實際路測的結果，4G LTE網絡在SISO（單入單出，基站和手機都只用1根天線）的條件下，通訊速率已經達到香農極限的約90%左右。因為各個研究機構所研究的系統裡噪聲水平有差異，所以數字略有出入。但是達到香農極限的九成左右是大家都能看到的事實。事實上我們家用的WIFI系統在最新的標準裡，也差不多是這個數字。
是的，人類通訊技術已經達到極限的90%了。這意味著只要香農資訊理論沒有被推翻，未來人類無論發明什麼樣的調製方式，多麼先進的編碼方式，相對於4G系統裡的256QAM調製和Turbo碼的效率提升，都只能有個位數的百分點。難道人類可以就此止步不前了嗎？當然不會。
多天線技術就是人類想出的方法之一。4G標準裡的MIMO技術，5G標準裡的相控陣波束成形技術，都是多天線的應用。需要強調的是，MIMO和波束成形技術並沒有打破香農極限。香農極限應對的是單一信道，MIMO和波束成形實際上是用多天線在同一頻點上製造了多個信道，在每個信道裡都是符合香農極限的。已經有學者對香農公式在MIMO條件下進行了改造，這裡不再介紹。
另一個技術就是開拓更高頻段。這裡也不再多說。
然而實際環境要比理想環境要複雜得多。無線電在空氣中的傳播並非簡單的衰減，接收方收到的信號要受到多徑傳播（發射方的信號由不同物體反射，經過不同路徑，在不同時間受到不同衰減抵達接收方），幹擾（白噪聲，工業幹擾，其他用戶越多幹擾越大等等），傳播延遲等等因素的影響。在速率達高一定程度的時候，再提高就很難了。這幾十年間，人類發明的OFDM，CDMA，各種糾錯碼，各種處理技術，總算能將通訊速率在單一信道提高到了香農極限的九成。雖然5G採用的各種技術比4G的效率只提高個位數的百分點，但是如果沒有這些技術，效率會下降更多。
總之，那篇文章的作者貶低通訊行業的努力是沒有道理的。修寬車道也是解決問題的方法。他期待的通訊技術的重大突破，恐怕只能是突破香農資訊理論了。
香農資訊理論公式是純數學的推導，過程完美，其中並沒有物理學公式中常見的假設常量。這個公式的確對信道噪聲有預設的條件，但目前來看這些條件是合理的。世界上的確有些學者在研究新的理論，試圖突破香農資訊理論，比如FTN（Faster Than Nyquist超奈奎斯特）就是其中一個方向。但目前所有理論離突破都還遠，離實用更遠。到底什麼時候能夠突破，誰也說不好，也許10年，也許100年。
所以人類科技進步不會停下腳步，5G系統在逼近香農極限的情況下提供了4G系統10倍的速率，是整個通訊行業努力的結果，是巨大的技術進步。如果停止不前，等上10年或者100年，再開發下一代系統，那才是人類的悲哀。