信道宽度（信道宽度单位）
在工信部正式发放5G商用牌照的那一天，标志着中国的通信行业迎来了全新的里程碑，我们正式迈入了5G时代的大门。从全球范围内的电视直播到各种科技巨头间的激烈竞争，5G无疑成为了当今最炙热的话题之一。对于大多数人来说，尽管关于5G的各种报道和新闻层出不穷，但5G究竟是何物仍然是一个令人困惑的问题。为了解答这个疑问，让我们一同深入了解5G背后的故事。
华南理工大学物理与光电学院的专家为我们了关于5G的一些关键概念。在信息爆炸的时代，想要了解一个新事物，首先需要了解其背后的基本理论和技术。于是，我们不得不提及一个关键人物克劳德香农。他提出的信息论为我们揭示了信号传输速率与通道宽度、噪声大小以及信号功率之间的深层关系。香农公式为我们打开了一扇的大门，让我们明白要想提高上网速度，就必须关注信号传输的通道质量。
那么，如何理解这个公式呢？我们可以将其比喻为一条道路：要想车辆跑得快，道路必须宽敞且平坦。同理，要想上网速度提升，信号的传输通道就要足够宽广，噪声干扰要最小化，信号功率则要强大。在这样的理论基础上，我们可以更好地理解5G的核心技术。随着无线通信技术的飞速发展，带宽和功率等资源变得越来越紧张，无线电干扰也愈发严重。那么如何在有限的资源下实现更高的传输速率呢？答案是多渠道传输。即使在不改变带宽、功率和噪声的条件下，只要能够区分各个输入源或输出源的信号，就可以提高整个系统的信道容量。
以单输入双输出信道为例，如果我们能够通过某种方式准确区分每个输入信号应该到达哪个输出端口，那么这个系统就可以被视为两个独立的信道。这样一来，在有限的资源下，我们实现了更高的传输速率。这种技术革新正是5G技术的核心所在。通过采用先进的信号处理技术，5G能够实现更高效的数据传输和更稳定的网络连接。随着物联网、云计算等技术的不断发展，5G将在智能家居、智能交通、工业自动化等领域发挥巨大的作用。
5G技术：多输入多输出与非正交复用的奇妙世界
5G，即第五代移动通信技术，其奥秘在于如何利用多输入与多输出技术（MIMO）提高信道容量。这一技术的启示在于，虽然牺牲单个信道的功率和容量，却能换来信道数量的增长。有时，通过牺牲一定的带宽、增加噪声或降低信号功率，只要能使输入和输出信号之间的区分度增加，就能提高信道总容量。这正是非正交复用技术（NOMA）的原理基础。
在了解MIMO和NOMA之前，我们需要对蜂窝移动通信的基本结构有一个初步的认识。手机信号的传递依赖于附近的基站，这些基站像天线一样，一般几公里内就会有一个（5G时代将降低到约300米一个基站）。这些基站通常位于一个六角形“蜂巢”的中央，以确保信号能够最佳地覆盖手机工作区域。手机使用的移动通信网络被称为“蜂窝移动网络”。
基站的信号通过光纤传输，进入一个由各种设备组成的系统网络，这个系统被称为“核心网”。核心网会对基站送来的信号进行分拣和检查，然后将电话、短信或微信等数字通信信号分门别类地送入相应的公用网络。除此之外，核心网还会记录手机用户在哪个基站附近通信以及使用了多少流量等信息，用于计费等工作。
接下来，我们来详细了解一下多输入与多输出技术（MIMO）。MIMO是指基站上使用更多数量的天线，从而在不需要增加频带和功率的情况下增加信道容量。波束赋形技术是MIMO中最为直观体现信道容量增加的一种方式。我们知道，无线电波是一种电磁波，和水波、声波一样具有相干现象。通过使用多个天线发射相同频率的电磁波，并控制好发射波的相位，可以让信号向一个或几个特定方向传播。这样的信号不仅能量集中，远距离传输时功率也不会急剧降低，还能区分不同的空间位置。利用这种区分度，就相当于建立了更多的信道。
而非正交复用技术（NOMA）则是一种利用资源差异（如接收功率差异、空间位置差异等）来区分不同接收手机的收发信号的技术。由于这些手机和基站使用的是同一个频道，仅通过资源差异进行区分，因此在通信技术上被称为非正交。最成熟的NOMA方式是利用功率差异。在基站发送信号时，可以根据手机与基站的相对距离调整信号的功率。这样，不同距离的手机可以接收到不同强度的信号，从而实现对同一频段的多个手机的信号区分。
手机通信的奥秘：逼近香农极限的征途
在移动通信的世界里，手机3以其卓越的信号处理能力独树一帜。面对手机1和2的微弱信号，它仅需专注于自身信号，这一过程被称为“连续干扰消除”。
想象一下信号的交响乐团，每个乐器都有其独特的音调，而手机3的任务就是在这片繁杂的音乐中准确地识别并提取出属于自己的旋律。这种信号处理的方式就像是乐团的指挥，巧妙地剔除杂音，留下纯净的旋律。
正是通过这一方式，我们的通信信道容量得以提升。而这一切的背后，蕴含着对香农极限的追求。香农极限，是通信领域理论上的巅峰，是所有通信工程师梦寐以求的终极目标。
搜狐张朝阳曾对5G的功率问题提出疑虑，担心其对人体造成影响。但经过研究，我们发现5G并非通过增加功率，而是通过增加信道来提高速率。其使用的频段，无论是低频还是高频，都在一定功率范围内，对人体安全无害。
在逼近香农极限的征途中，编码技术扮演着至关重要的角色。好的编码不仅能克服噪声和干扰，还能以较少的额外信息位达到这一目的。寻找这样的编码并非易事。历史上，Turbo码、LDPC码和Polar码等编码方案相继被提出，它们在克服干扰、提高信道容量方面展现出巨大潜力。
想象一个通信的舞者，在喧嚣的舞台上与噪声抗争，编码技术就是她的舞鞋，帮助她在舞台上翩翩起舞。从Turbo码的“软判决”到LDPC码的并行计算，再到Polar码的独特构造，每一步都充满了挑战和创新。
而5G的到来，为我们提供了更广阔的舞台。LDPC码和Polar码等先进编码技术的应用，让我们看到了逼近香农极限的希望。它们不仅易于实现，而且具备出色的并行计算能力，为5G的高速传输提供了可能。
隔壁老王给张三传递信息的例子，就像是我们通信世界中的一个小小缩影。纸牌作为信息的载体，巧妙地传递着信息，尽管面临小孩翻牌和李四的观察两大挑战。而我们的通信工程师们，就是在这样的挑战中不断创新，寻找更好的编码方案，让信息在喧嚣的舞台上准确传递。
逼近香农极限的征途充满了挑战和创新。从手机3的连续干扰消除到5G的先进编码技术，我们看到了通信工程的魅力与前景。在这个信息爆炸的时代，我们期待着更多的突破和创新，让信息的传递更加准确、快速、安全。在数字化信息时代，信息的传递与沟通显得尤为重要。老王为了解决小孩干扰的问题，设计了一种新的沟通方式。他运用两张牌，其中一张牌与张三进行事前约定，通过约定的内容确定两张牌的牌面是相同还是相反。这种新的方式在应对小孩的干扰上表现得十分出色，并且能够有效地防止他人准确猜测结果。从信息论的角度来看，这种方法的可靠性得到了保障。
对于李四来说，他只能通过观察老王手中的第二张牌来判断老王是否有空。由于未事先得知老王与张三之间的约定，他的猜测准确率并不高。即使他尝试猜测约定的内容，其成功率也仅为52%，远低于直接观察第二张牌的60%准确率。这是因为信息在传递过程中存在信道的好坏之分，也就是所谓的极化现象。在这个案例中，李四所面对的信道相对较差，因此难以获取准确的信息。
而张三的情况则截然不同。由于他事先知晓了老王与自己的约定，他在判断牌面时能够结合约定的内容进行分析。这使得他的判断准确率远高于李四。当牌面与约定相符时，他的准确率高达69%，显示出良好的信道质量。
在信息通信领域，制定标准至关重要。一流企业往往致力于标准的制定，因为它们深知标准是技术、硬件和软件发展的基础。以高通的CDMA技术为例，其核心技术的掌握使得高通在全球范围内收取专利费用，实现了巨大的经济效益。标准背后需要有技术上可行且经济的方案支持，才能被国际电联等相关机构认可并推广。
Polar码作为一种有潜力的通信技术，其译码复杂度较低，具有巨大的经济价值。童文在加拿大北电倒闭后，敏锐地认识到了Polar码的前景，这展现了他的远见卓识。如果相关技术能够得到研发并实现，那么它将有可能成为新一代无线通信的标准，并带来显著的经济效益。
童文决定进行一次大胆的尝试，他将豪赌一把在工程上实现Polar码的应用。这场豪赌并非盲目冒险，而是基于对技术深入理解和精准判断的决策。[14]事实证明，他的赌局赢得了胜利。在5G标准的激烈竞争中，Polar码以其出色的性能击败了Turbo/LDPC码，最终被选为eMBB场景的短码控制信道编码方案。[15]
随着5G标准的制定，华为的技术专利也大量成为了“标准必要专利”。这意味着任何采用这一通信标准的设备或运营都将不可避免地需要使用到这些专利，并需要向专利持有者支付专利费用。这不仅使华为在芯片到硬件的各个环节都占据了先机，而且所带来的专利费用也十分可观。[16]
值得一提的是，童文因此获得了2018年的IEEE杰出行业领袖奖，[17]而Erdal Arikan教授则荣获了2019年的香农奖。[18]
在结束这篇文章的时候，我想谈谈一些个人的看法。有些朋友认为中国没有核心技术，不如高通等公司。我认为，“标准必要专利统计”数据是最有力的反驳。气候的变迁、厄尔尼诺现象、全球升温等话题虽然引人关注，但关于5G技术的争论和进步，才是我们真正关心的焦点。在这个快速发展的时代，一切都充满了不确定性和变化，就像香农熵所表达的一样。[19]
现在，让我们回到极化信道的话题。文中提到的极化码例子，实际上是对图6信道图的形象描述。信道极化是一种独特的现象，平均每个W信道传送的信息量约为0.0290bit/sign。这种极化现象是通信技术中的一项重要突破。[20]
5G技术的发展和极化信道的研究都是充满挑战和机遇的领域。童文的成功只是冰山一角，背后代表着无数科技工作者的辛勤努力和智慧。随着技术的不断进步，我们期待更多像童文这样的科技领袖的出现，为我们带来更多的惊喜和突破。『返朴』：科普的殿堂，学者的港湾
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黄火友的博士论文《移动基站天线即波束赋形天线研究》，为我们揭示了移动基站天线的奥秘。而A van Zelst等人的研究论文《Space Division Multiplexing (SDM) for OFDM Systems》则展示了空间分割复用技术在正交频分复用系统中的应用前景。这些研究不仅为我们提供了宝贵的学术参考，也为未来的科技发展奠定了基础。
除此之外，我们还能从微波技术的安全性中了解到其在现代通讯领域的重要性。移动通信基站的电磁辐射环境影响研究也为我们揭示了这一领域的挑战与机遇。与此极化编码理论、LDPC编码技术等研究为我们展示了编码技术的不断进步和创新。
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想要了解更多关于5G必要专利的研究，可以深入阅读朱国胜等人的论文，他们详细了5G技术的专利布局和未来发展前景。对于极化码的原理及应用，陈等人的研究也为我们提供了宝贵的参考。
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