2019年6月6日，工信部正式發放5G商用派司，標記著5G即將邁入商用階段。中國的通信行業在履歷了“1G空白，2G跟隨，3G介入，4G并跑”的階段后，終于在5G時代當作為了領跑者之一。但對于大大都通俗用戶而言，5G仍是一個恍惚的概念。5G事實是什么？在帶寬資本有限的環境下，若何做到傳輸速度的大幅晉升？

撰文 | 徐曉（華南理工大學物理與光電學院）

5G半斤八兩熱。

從英國初次5G電視直播，到中美5G派司的發放；從對華為的制裁，到美國議員說要賴失落華為的專利，近一個月的新聞其實是讓人目不暇接。

可是，5G事實是什么？有什么關頭手藝？背后又有什么故事？為了做一名及格的“吃瓜群眾”，我們最好仍是來領會一下。

領會了這些概念，至少在茶余飯后吹法螺的時辰，你會顯得比別人有檔次。

從噴鼻農公式說起

作為一個老司機，你必然清晰，車要跑得快，路要寬，路面要平，油還要給足。同樣，上彀速度想提高，旌旗燈號傳輸的通道要寬，噪聲要小，旌旗燈號功率還要大。

可是，1948年以前，沒有人能清晰地描述旌旗燈號傳輸速度和通道寬度、噪聲巨細以及旌旗燈號功率的關系。直到噴鼻農提出了信息論，給出了噴鼻農公式：

這公式形式簡約，寄義深遠。

C是單信道的信道容量，是指我們成立了一個單點輸入、單點輸出的通信通道（我們稱為信道）后，這條通道每秒最多可以傳送幾多bit的信息量。B是信道的帶寬，可以簡單理解為分派給一個信道可用的頻率規模的一半；S是傳送旌旗燈號的平均功率，而N則是噪聲或者干擾旌旗燈號的平均功率。

從噴鼻農公式可知，對于單信道而言，要增添信道容量C，無非三種體例：或增添帶寬B，或增添旌旗燈號功率S，或削減噪聲或干擾旌旗燈號的功率N。

八卦一下

新浪大V王小東引用別人的說法，認為中間頻率越高，帶寬就越大。掀開科普書，你也會發現上面寫著，光纖之所以比電線好是因為帶廣大。其實，現代無線通信手藝利用的頻率都已經半斤八兩高了。所以中間頻率的凹凸，除了極限環境（好比需要很是寬的帶寬，達到奈奎斯特頻率對帶寬的限制）之外，一般不會組成對帶寬的限制。

所以此刻，“頻率越高，傳輸的信息量越大”這一不雅念并不完全準確。現實上，信息量只關乎帶寬，不關乎中間頻率。這一點，噴鼻農公式已經告訴你了。

跟著無線通信的成長，帶寬也好，功率也好，這些資本只會越來越嚴重，而空間中無線電的彼此干擾也只會越來越大。

怎么辦？

天無絕人之路。對于有多個輸入和多個輸出的信道而言，即使不改變以上三個前提，只要能包管該系統中的各輸入源或輸出源的旌旗燈號可以彼此區分，就可以提高總的信道容量。

好比，假設有一個單輸入雙輸出的信道，而且，我們可以經由過程某種體例區分每個輸入旌旗燈號到底是該達到輸出1，仍是該達到輸出2。那么，這個系統就可以算作兩個自力的信道：一個是從輸入到輸出1，一個是從輸入到輸出2。

圖1 單輸入雙輸出信道

若是這個模子是無線電傳輸的，則信道的噪聲N不會轉變。旌旗燈號總功率還心猿意馬為S，每個信道各分一半，即S/2。那么我們很輕易推算，這個信道的總容量為：

C=Blog2（1+S/2N）+Blog2（1+S/2N）

=2Blog2（1+S/2N） （2）

為了做個簡單比力，我們假心猿意馬S/N=10，B=1Hz，就很輕易算出在單信道的環境下，單信道容量約為3.46Bits/S，而新的信道的總容量為5.17Bits/S。5G，即第五代移動通信，本家兒要就是操縱多輸入與多輸出手藝（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）來提高信道容量的。

這個例子還給我們別的一個啟迪：犧牲單個信道的功率，固然單個信道的容量有所降低，可是這個降低卻能換來信道數量的增加。是以，有的時辰，犧牲必然的帶寬、提高一點噪聲或是降低一點旌旗燈號功率，若是能使輸入或輸出旌旗燈號之間的區分度增添，也是可以提高信道總容量的。這恰是5G的另一類主要手藝，非正交復用手藝（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）的道理根本。

彌補：蜂窩移動通信的根基布局

在領會MIMO和NOMA之前，讓我們對此刻手機通信依靠的蜂窩移動通信的布局先有個根基領會。

如下圖。手機的旌旗燈號傳遞，是靠離它不遠的基站，也就是圖中畫的那些天線樣的工具來實現的。這些基站一般幾公里安插一個（5G要降到300米擺布一個基站）。一般環境下，基站的位置會放在一個六角形“蜂巢”的中心，以包管基站發出的旌旗燈號可以最好地籠蓋手機工作的區域。恰是這個原因，手機用的移動通信收集被稱作“蜂窩移動收集”。

基站的旌旗燈號一般經由過程光纖，被送到一些設備組成的系統收集。這個系統叫“焦點網”，它會對基站送來的旌旗燈號進行分揀和查抄，然后，把屬于德律風、短信或微信等數字通信的旌旗燈號，分門別類送進響應的公用收集，好比德律風的收集、因特網的收集等。同時，焦點網還會把手機用戶在哪個基站四周通信、用了幾多流量等信息送到辦事與辦理中間，用來進行計費等工作。

圖2 移動通信收集根基布局

多輸入與輸出手藝

先說多輸入與多輸出手藝（MIMO）。

對于無線通信而言，MIMO是指在基站上利用更大都量的天線。這當然就意味著在不增添頻帶和功率的環境下增添信道容量。

最能在直不雅上表現這種信道容量增添的，是波束賦形（beam forming）手藝[1]。

我們都很清晰，無線電波是一種電磁波，和水波、聲波一樣，有相關現象。如圖3所示，若是利用良多天線發射同樣頻率的電磁波，節制好發射的波的相位，就可以讓這個旌旗燈號標的目的一個或幾個特心猿意馬的偏向傳布。這樣的旌旗燈號不僅能量集中，遠距離傳輸時功率也不會急劇降低，還可以區分分歧的空間位置。操縱這種區分度，也就半斤八兩于成立了更多的信道。

而MIMO的一般詮釋要涉及無線電旌旗燈號的根基傳輸模子，這里我就不睜開講解了。只是給出當領受和發射天線都比力多時，其信道容量的常見的估量公式：

圖3 波束賦形（藍色圓圈暗示電磁波，這些圓圈的疊加有偏向性，指標的目的與天線擺列平行的偏向。）

非正交復用手藝

非正交復用手藝（NOMA）是指操縱某種資本差別（好比領受功率差別、空間位置差別等）來區分分歧領受手機的收發旌旗燈號的手藝。因為這些手機和基站之間利用的是統一個頻道，只經由過程資本差別做必然區分，這在通信手藝上意味著無法劃出自力的信道，所以叫“非正交”。

最當作熟的NOMA體例是操縱功率差別。[3]如圖4，基站經由過程功率檢測發現，手機1、2、3依次從近到遠分布。那么，基站就可以把發給3的旌旗燈號功率調到最強，發給2的次之，發給1的最弱。這些旌旗燈號可以在統一個頻段內發出。

于是，在手機1收到的旌旗燈號中，最強的旌旗燈號是3的，其次是2的，最弱的才是本身的。那么，手機1就可以先將其他旌旗燈號當當作噪聲，解出3的旌旗燈號，然后將3的旌旗燈號從領受旌旗燈號中扣除。再在顛末扣除的旌旗燈號中，解出2的旌旗燈號并扣除。最后才解出本身的旌旗燈號。

而對于手機2，因為其離基站有必然的距離，所以收到的1的旌旗燈號半斤八兩弱，只要將其當噪聲就可以了。剩下要做的，就是參照上面的方式，扣除手機3的旌旗燈號，解出本身的旌旗燈號。

手機3就更不必說了，它收到的手機1、2的旌旗燈號都半斤八兩弱，只需解出本身的旌旗燈號就可以了。

這種旌旗燈號處置的體例叫作“持續干擾消弭”（successive interference cancellation ，SIC），是指經由過程連續串旌旗燈號的扣除往來來往失落干擾。

恰是經由過程這樣的體例，我們再次提高了信道的容量。

圖4 操縱功率差別實現NOMA

八卦一下

搜狐張向陽曾經在視頻節目中提到，5G要求的速度大，利用的頻率也偏高，估量利用的功率也會偏大，會不會是以對人體造當作損害？

他的問題也是良多人擔憂的。

經由過程這兩節的申明，我們知道，5G本家兒如果經由過程增添信道，而非增添功率的體例，來提高速度的。

5G（第5代移動通信）利用的低幾次段，跟我們此刻用的4G（第4代移動通信）沒有素質差別，而高幾次段則是以前衛星用來跟地面進行通信的頻段。這些頻段，在必然功率規模內，對人體都沒有什么影響。[4, 5]

迫近噴鼻農極限

信道容量，是理論上的一個極限值，被稱為噴鼻農極限（Shannon limit）。

真實的通信過程，要接近極限并不輕易。為了匹敵信道中的干擾，我們必需對要傳遞的信息進行編碼。這樣一來，在大大都環境下，即使傳送的旌旗燈號因為受到干擾而在達到目標地時犯錯，我們也能按照犯錯環境把原始信息恢復出來。好比，在干擾不太嚴重時，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，這樣編碼的效率很是低，華侈了信道的容量。

而一個好的編碼，不單要能降服噪聲或者干擾，此中用來降服干擾的信息位數還要足夠少，這樣才有可能接近噴鼻農極限。

這樣的碼雖說欠好找，但真找起來也不是出格堅苦。

不外，人們很快就發現，良多碼的解碼過程其實太復雜，沒有法子設計出能頓時解碼的芯片。

1993年，法國的Berrou、Glavieux 和他們的緬甸籍博士生Thitimajshima[6]發布了Turbo碼，采用了大大都研究編碼的學者都沒有注重的一種體例[7]，即所謂“軟判決”的體例來譯碼。第一次，我們在適用意義上接近了噴鼻農極限。4G通信，采用的就是Turbo碼。可是，軟判決固然比力輕易實現，但其計較過程需要迭代，不克不及并行，所以提速是個問題。

而5G的速度要求要比4G快至少10倍以上。是以，我們需要的譯碼方案不僅要能輕易實現，最好還能并行計較以晉升速度。

第一個被存眷的碼是LDPC碼，其提出者是噴鼻農的學生Gallager。該編碼在上宿世紀60年月被初次提出時，因那時的硬件不克不及知足編碼的要求而被棄捐。直到Turbo碼被提出，大師才發現，LDPC碼有相似的譯碼機能，在長碼時更接近噴鼻農極限，且并行性也不錯。所以，在標的目的5G進步的過程中，大量學者都把注重力放在了LDPC碼上。[8]

2008年，Gallager的學生，土耳其畢爾肯大學的Erdal Arikan傳授提出了Polar碼[9]。因為大師的存眷點都在LDPC碼上，所以他的發此刻歐美廠商那邊受到了冷遇。[10]

Polar碼

講述Polar碼，需要很是專業和繁復的布景常識。可是，我們可以講點簡單的工具，來“淺嘗”一下Polar碼。

圖5 老王送信息圖

如圖5，隔鄰老王要給張三傳遞動靜，但又不想讓李四知道，怎么辦？他就想到用紙牌來送動靜，牌面朝上暗示明天有空，朝下暗示明天忙。可是，老王碰著了兩個麻煩。一個麻煩是，四周有個小孩總會在張三、李四不在時來翻牌，會有40%的可能把牌翻個面（如圖5，小孩把第一張牌翻了面）。別的有個麻煩是，李四多次不雅察，已經知道了紙牌正面和背面的寄義。于是，老王決議用兩張牌，第二張牌的寄義還跟本來一樣，正面暗示有空，背面暗示忙，但第一張牌則用來跟張三進行事前商定，商定兩張牌的牌面是不異仍是相反（圖5所示的就是相反）。經由過程這樣的方式，老王認為他既能更好地匹敵小孩的干擾，也能防止李四猜準成果。請問，老王的法子靠譜嗎？

信息論回覆我們，靠譜！

先看李四碰著的環境。

若是李四直接經由過程第二張牌來判定老王是否有空，那么精確率只有60%。這個精確率還能不克不及再提高呢？好比，李四可不成以先猜猜老王事先跟張三的商定是什么？若是老王決議兩張牌同面和背面的概率各為50%，那么，經由過程概率論計較，李四揣度出商定內容的可能性最多為52%。若是他想在此根本上再揣度牌面的精確寄義，也就是想同時猜準商定的內容和老王是否有空，那么成果只會更糟，只有36%的可能猜對。總的看來，還不如直接用第二張牌的6當作把握算了。

再說張三。好比圖5中的環境，既然事先約好了牌面相反，張三一看牌面不異就知道被小孩動過四肢舉動，便會直接按照第二張牌揣度，精確性即6當作；可是，假設張三碰上的是牌面相反的環境，那么，經由過程概率論計較，他判定的精確率將一躍至69%，比60%高了不少。

總結起來，我們可以認為張三占了好信道，好的時辰精確率高達69%；而李四占了爛信道，他不像張三能提前知道老王的商定，他猜對商定內容的精確率只有52%。這個概率實在不高，因為我們都知道，李四就算亂猜其實也有50%的機率猜對。

信道分了好和爛，就是極化（Polarization），也就是南北極分化的意思。

（這個計較過程并不嚴酷，只是為了展示極化現象。真正要理解極化現象，仍是需要信息論的根本。具體的計較見附錄。）

所謂極化碼的編碼手藝，就是以一種比力復雜的嵌套體例，并利用足夠多的牌，經由過程老王的商定，最后發生很是嚴重的信道極化。可以從數學上證實，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商定內容，那么再嚴重的小孩干擾，都擋不住老王傳遞的每一個信息。當然，小孩干擾的環境越輕，需要的商定越少。

標 準

“一流廠商做尺度，二流廠商做方案，三流廠商做產物。”這是通信行業的共識。

為什么呢？因為通信行業是依靠信息的傳輸而存在的。而通信尺度就是信息傳布和電信運營商運營的根本。好比，你打德律風，必需劃定什么樣的聲音是忙音，什么樣的聲音是打通了的聲音。這就是尺度。

現實上，電信尺度的本家兒要擬定者——國際電聯（International Telecommunication Union）在1865年當作立時，就是為了同一尺度而結當作的聯盟。1865年5月17日，由奧地利和法國倡議，為了同一各個國度的電報格局、資費等問題，20多國介入結當作萬國電報公會（International Telegraph Union），即國際電聯的前身。而那時清當局歷經50年，才插手萬國電報公會，僅為中文碼字收費一項，就和萬國公會進行了好久的協商。

由此可見，尺度對通信業是何等主要。[11]

到了現代，通信尺度越來越復雜，與之配套的專利、芯片、設備和軟件也越來越復雜。所以只要擬定了尺度，也就意味著從手藝、硬件到軟件都占得先機。好比，在第三代移動通信有三大尺度，WCDMA、CDMA2000和TDS-CDMA。而實現CDMA（Code Division Multiple Access，碼分多址）的焦點手藝就在高通公司（Qualcomm）[12]手中。是以，那時的高通公司除了賣芯片，還標的目的宿世界各地的電信設備商和運營商收取相關手藝的專利費用，賺得盆滿缽滿，從1985年7小我創立的小公司一躍當作為宿世界上最主要的通信企業之一。高通的例子清晰地詮釋了什么是“一流企業做尺度”。

可是，尺度不是你想做就能做的，因為若是沒有手藝上可實現的有吸引力的方案，也就不會有浩繁的廠家撐持，你的方案是不會被國際電聯或其委托的相關機構選為尺度，此其一；別的，也不是有了尺度就必然會掙錢，因為若是缺乏響應比力經濟適用的實現手藝，尺度依然不會轉當作效益，此其二。

而Polar碼，比之LDPC碼，譯碼復雜度低。若研發其響應手藝，必然會吸引大量的廠家，并帶來經濟的實現方案。是以，其手藝若實現，響應方案是有可能進入新一代無線通信的尺度并帶來效益的。

2010年，因為加拿大敗電倒閉[13]而在2009年插手華為的童文，靈敏地察覺到了Polar碼的龐大潛力。固然，Polar碼譯碼有必然的串行性，可是解碼自己復雜度很低。所以，他決議冒一次險，豪賭一把，在工程上實現Polar碼的應用。[14]

實踐證實，童文賭對了。眾所周知，在5G尺度的擬定中，Polar碼以在測試中更優異的機能勝過了Turbo/LDPC碼，并最終當作為了eMBB場景的短碼節制信道編碼方案。[15]

而跟著尺度的擬定，華為有更多的專利進入了“尺度需要專利”（表1）。

什么是“尺度需要專利”？就是你一旦要采用這個通信尺度來出產設備或進交運營，就必然會用到這些專利，并標的目的專利持有的廠商繳納專利費用。

這不單使華為從芯片到硬件都占盡先機，僅是響應的專利費也極為可不雅。

表1 5G尺度需要專利統計[16]

八卦一下

有良多伴侶說，中國沒有焦點手藝，不如高通等等。這個問題，我小我感覺，都沒有“尺度需要專利統計”來得精確。

別的需要彌補的細節是：童文獲得了2018年IEEE精采行業魁首獎[17]；Erdal Arikan傳授獲得了2019年噴鼻農獎[18]。

結 語

行將竣事。

那些最最熱點的話題，好比中美商業戰的諸多細節、芯片問題、頻段問題、5G有什么用等等我都沒有講。

因為氣候太熱，我其實寫不下去了。

廣州這段時候不是大雨，就是高熱。據說，這都是厄爾尼諾惹的禍。

為什么厄爾尼諾這么厲害？據說是全球升溫造當作的。

比擬天氣的上升，有關5G的諸多爭論不外是小打小鬧而已。

在這人類欲望不受節制的宿世界里，長程來看，一切都變得不確定。

是以，我更紀念1948年的噴鼻農（Claude Elwood Shannon）：

它叫噴鼻農熵。

熵，即不確定。

附錄：極化信道的申明

正文中極化碼的例子，現實是對如圖6的信道圖的比方。

圖6 信道極化的示意圖

詮釋圖6相關計較如下：

平均每個W信道傳送信息量約為0.0290bit/sign。

此即信道極化。

注釋

1. 黃火友，移動基站天線即波束賦形天線研究[D]西安電子科技大學博士論文 2009

2. A van Zelst , R van Nee , et al .Space Division Multiplexing (SDM)for OFDM Systems [D]. Proc of IEEE Veh.Technol . Conf. [ C] .Tokyo:VETECS, 2000 : 1070 -1074 .

3. G.B. Satrya, S.Y. Shin，Enhancing security of SIC algorithm on non-orthogonal multiple access (NOMA) based systems [J]. Physical Communication 2019,33: 16–25

4. 郭維圖 微波手藝的平安性與推廣應用切磋 [J] 機電信息. 2017, 503(5):1-6+33

5. 黃旭珊, 溫忠 移動通信基站電磁輻射情況影響研究 [J]. 電信快報2018, 2:16-18+31

6. Berrou, C. , Glavieux, A. , Thitimajshima, P.，Near Shannon limit error-correcting coding and decoding: Turbo-codes [C] Communications, ICC 93. Geneva: Technical Program, Conference Record, IEEE International Conference ,1993:1064-1070

7. 王新梅，馬建峰，馬嘯，軟判決譯碼研究進展 [J]電子學報 1998，26（7）：19-25

8. 馮軍 LDPC編碼手藝研究 [D] 中國科技大學 碩士學位論文 2008

9. 陳凱 極化編碼理論與適用方案研究[D]海說神聊京郵電大學 博士學位論文 2014

10. http://www.360kuai.com/pc/9c01e068e666761e8?cota=4&kuai_so=1&tj_url=so_rec&sign=360_e39369d1

11. https://wenku.baidu.com/view/2d2ced340a1c59eef8c75fbfc77da26925c59609.html?from=search

12. https://baike.so.com/doc/5393587-5630575.html

13. http://news.sohu.com/20090120/n261844291.shtml

14. http://www.fjii.com/yw/2018/1213/197888.shtml

15. 陳旻等，淺析極化碼的道理及應用 [J] 數字通信宿世界 2017 （12）：7-8

16. 朱國勝等，5G需要專利研究 [J] 科技與立異 2019，4：102-103+105

17. http://www.ccsa.org.cn/article_new/show_article.php?article_id=cyzx_701daa42-b98f-d9a1-7d08-5c19f4ebb703

18. https://baike.baidu.com/item/Erdal%20Arikan/22769192?fr=aladdin

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