信息化觀察網(wǎng)

在3GPP（過去20多年推動全球電信行業(yè)技術(shù)演進(jìn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定組織）的官方文檔中，帶寬對應(yīng)的文字表述是「Data Rate」，也就是「信息傳輸速率」或者說「數(shù)據(jù)傳輸速率」。

那么，信息/數(shù)據(jù)的本質(zhì)是什么？在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，我們到底在傳輸什么？

信息是對現(xiàn)實（或虛構(gòu)現(xiàn)實）的復(fù)刻/記錄/抽象，用于對現(xiàn)實（或虛構(gòu)現(xiàn)實）的轉(zhuǎn)述/復(fù)現(xiàn)。

信息是對現(xiàn)實的抽象，是對現(xiàn)實進(jìn)行指代的一組符號。這種抽象式記錄的目的，是為了在另一個時間或地點復(fù)述/重現(xiàn)最初「被記錄的現(xiàn)實」。以視頻觀看來說，顯示屏只是根據(jù)收到的「符號和指示」將整個屏幕上的所有像素點投射出來；而投射出的結(jié)果，就是我們看到的各種圖像。對于語音通訊來說也是類似的道理，聽筒/喇叭根據(jù)收到的「符號和指示」在發(fā)聲器件上安排相應(yīng)的震動，這些震動通過聲波傳遞給鼓膜和耳蝸，最終形成了我們對聲音的感受。

信息是對現(xiàn)實的復(fù)刻/記錄/抽象，這個抽象/記錄的方式，就是一種「編碼方式」；接收之后將這些信息復(fù)現(xiàn)為現(xiàn)實的過程就被稱為「解碼」。

人類數(shù)千年前就開始了編碼活動。發(fā)明文字的目的，是為了記錄現(xiàn)實并用于轉(zhuǎn)述或者回憶/復(fù)現(xiàn)。這本身就是一種編碼-解碼過程。確切地說，對事物進(jìn)行命名或者指代的過程，就是一種「編碼」過程；而依據(jù)相關(guān)指代關(guān)系，從文字聯(lián)想到實物的過程，就是一種「解碼」過程。

舉例而言，可以對水果進(jìn)行「命名」或者「編碼」，比如把一種紅色的薔薇科水果命名/編碼為「蘋果」或者「Apple」。

編碼是一種從具體(實物)到抽象(文字/數(shù)字/代碼)建立一一對應(yīng)關(guān)系的過程：

在編碼的過程中，不僅可以使用漢字和字母，也可以用數(shù)字。比如我們可以把蘋果命名/編碼為101，香蕉編碼為102，橙子編碼為103，把「好吃」這個屬性命名/編碼為36690，那么「香蕉好吃」這個表述，就可以用「102 36690」替代，或者說編碼為「102 36690」（此處的數(shù)字是隨機(jī)選取的，并沒有特殊含義）。

解碼是一種從抽象(文字/數(shù)字/代碼) 中聯(lián)想/復(fù)現(xiàn)實物的過程：

解碼的過程與編碼相反，但遵循著相同的一一對應(yīng)關(guān)系，比如，從剛才提到的「102 36690」中得到「某種黃色芭蕉科植物味道不錯」這一表述的過程，就是一種解碼的過程。

實際上，用數(shù)字替代文字，正是在電報、通訊和IT技術(shù)中心廣泛使用的編碼方式。常用漢字大約不超過1萬，意味著用一個四位的數(shù)字可以對前述漢字一一進(jìn)行命名或者編碼，比如命名為0001,0002……9999。

一本《史記》約有52萬字的中文書，那么這樣一本書可以被52萬*4=208萬位數(shù)字替代，或者說，整本書可以被編碼為208萬個阿拉伯?dāng)?shù)字；如果采用2進(jìn)制算法，基本上可以換算為800萬比特，對應(yīng)為一個容量為1MB的電腦文檔（由于實際常用字只有2000-3000個，同時考慮到二進(jìn)制與十進(jìn)制的計數(shù)差異，以及可以通過上下文的相關(guān)性進(jìn)一步提高編碼效率，整個文檔的容量可以縮減到約為300KB大?。徊贿^這部分內(nèi)容超過了本文的范圍，暫不贅述）。

為什么需要將漢字編碼為數(shù)字，又為什么要采用二進(jìn)制（而不是十進(jìn)制或者十六進(jìn)制）來記錄呢？這很大程度上是因為：

「二分法」是最小的分類單位——任何一種需要用到分類或者計算的場景，都至少具備一個以上的可能性（如果只有一個可能性/只有一種備選狀態(tài)，則沒有分類或者計數(shù)的必要），且都可以用二分法或者二分法的變種來計數(shù)或者進(jìn)行分類；也就是說，二進(jìn)制具備可分類/可編碼的普適性——幾乎所有的信息都可以轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制編碼；

大量的自然現(xiàn)象以及思維方法，都可以借用「有或無」、「高或低」、「正或反」、「長或短」、「真或假」的觀念；因而二進(jìn)制在電路、傳感器等層面具備普遍的可運算性——基于二進(jìn)制的傳感、運算、存儲和通訊傳輸具備良好且廣泛的物理基礎(chǔ)。

讓我們對這部分內(nèi)容做一個歸納：

1. 所有的語言「包括數(shù)學(xué)」都是一種編解碼算法。通過語言把頭腦中的意向表達(dá)出來，實際上就是用語言將大腦中的信息進(jìn)行了一次編碼，形成了一串文字或者數(shù)字。懂得這種語言「或者說這種編碼方式」的接收方就能夠使用這種語言進(jìn)行解碼，然后獲取到里面的信息。

2. 基于二進(jìn)制的良好屬性，可以將幾乎所有的信息轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制進(jìn)行編碼、運算和傳輸。

3. 在數(shù)字通訊系統(tǒng)中傳輸?shù)膬?nèi)容，是以二進(jìn)制形式存在的、對可直接被人類感受到的信息形式（文字、語音、圖像、視頻、氣味、觸感等）進(jìn)行的抽象/編碼。比如，一個300KB或者1MB的文檔，里面可能包含著250萬或800萬位的二進(jìn)制字符，是對一本52萬漢字的《史記》進(jìn)行編碼的結(jié)果。

02 信息/數(shù)據(jù)的無線傳輸原理

正如聲音的傳輸需要介質(zhì)，信息的傳輸也需要載體。

聲音傳輸?shù)慕橘|(zhì)廣泛存在，幾乎除了真空環(huán)境之外，聲音都可以進(jìn)行傳播；通訊信號的傳播也可以通過多種載體進(jìn)行，比如常見的雙絞線（雙絞線有很多的子類別，普通的家用網(wǎng)線就是其中一種）、同軸電纜（家用有線電視線也是一種同軸電纜）、光纖和無線電波。

在蜂窩網(wǎng)絡(luò)通訊中，數(shù)據(jù)傳輸速率的瓶頸往往出現(xiàn)在無線側(cè)（即手機(jī)和基站之間進(jìn)行的通訊），此處我們也主要介紹無線通訊的部分。

無線通訊的載體是無線電波

無線電波是電磁波的子集，是頻率較低的電磁波。

電磁波是由同相振蕩且互相垂直的電場與磁場在空間中以波的形式移動的電磁場，具有波粒二象性。電磁波在真空中速率固定，速度為光速。

可見光、紅外線、紫外線等都是電磁波，根據(jù)頻率的差異，可以對電磁波進(jìn)行如下分類：

無處不在的電磁波

不同頻率的電磁波廣泛地存在于我們的生活中：

▲ 圖片來源：https://www.almaobservatory.org

收音機(jī)、手機(jī)、WIFI路由器、微波爐、太陽、人、動物甚至植物，都會發(fā)出電磁波…

頻率——即電磁波單位時間內(nèi)振動的次數(shù)，是決定電磁波性質(zhì)的重要指標(biāo)；頻率之間的差異巨大（1021倍的差距?。?，對應(yīng)的電磁波的屬性也差異巨大：多數(shù)情況下電磁波對人體無害，但具備放射性的高頻電磁波對人體非常危險；

通常把頻率介于3KHz和300GHz（每秒震動3000次到3000億次）之間的電磁波稱為無線電波；這部分無線電波已經(jīng)被廣泛用于廣播、移動通訊、氣象、衛(wèi)星通信、導(dǎo)航定位、海事通訊、空間和天文研究、軍事通訊等用途，相關(guān)頻譜資源也已經(jīng)被劃分/占用。下面兩張圖描繪了中美兩國的頻譜資源授權(quán)情況：

▲ 中國無線電頻率劃分圖

美國無線電頻率劃分圖

既然無線電波是無線通訊的載體，那么無線電波是如何傳輸信息的呢？

在電影中，主人公有時會有通過某種暗號，比如手電筒的明暗交替、墻上某個掛飾的有無來傳遞信息；在日常生活中，也有司機(jī)通過車燈的閃爍來發(fā)出信息（例如：閃一下大燈，提示前車前行；閃兩下大燈，是提醒對向行車切換近光燈）。

實際上，無線電波傳輸信息的方式與前面的例子本質(zhì)上是一致的；區(qū)別在于無線電波的頻率極高，在一秒鐘可以「閃爍」數(shù)十億次，因而可以在很短的時間內(nèi)傳遞大量的信息。

假如，我們定義汽車大燈閃爍1次代表漢字「一」、2次代表「二」、連續(xù)閃爍11次代表「人」、12次代表「田」……進(jìn)而把所有的漢字都對應(yīng)一個閃爍次數(shù)，那么我們也可以通過大燈的閃爍來傳遞一本《史記》；如果大燈一秒鐘可以閃爍30億次（對應(yīng)頻率3G，1G=1Trillion=10億），而傳遞一本《史記》需要閃爍的次數(shù)不超過30億次，對應(yīng)的傳輸時間就不超過1秒。

汽車大燈的例子是一個非常簡化的模型；但實際的信號傳輸過程并沒有這么簡單。仍然以《史記》為例：

首先可以把這本書里面的全部52萬字轉(zhuǎn)換成（二進(jìn)制下的）數(shù)字編碼

再將這些編碼序列負(fù)載到無線電波中（這個過程叫做調(diào)制），并發(fā)射出去

接收端的天線接收相關(guān)無線電波，并將無線電波中的信息還原為二進(jìn)制的數(shù)字編碼（這個過程叫做解調(diào)）

手機(jī)/電腦將解調(diào)之后的二進(jìn)制數(shù)字編碼轉(zhuǎn)換為漢字

調(diào)制：將二進(jìn)制數(shù)字編碼嵌入/加載到無線電波中

二進(jìn)制下的數(shù)字編碼只有0，1兩種狀態(tài)，而無線電波的形態(tài)是無數(shù)的峰谷起伏，因此很容易建立起峰、谷與0、1之間的「某種」對應(yīng)關(guān)系?；谶@種對應(yīng)關(guān)系，我們可以將「1001」轉(zhuǎn)換為無線電波的「峰谷谷峰」的狀態(tài)，同時也可根據(jù)這個「峰谷谷峰」的狀態(tài)，還原出「1001」的原始數(shù)值。這只是一個不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)暮喕蚣?，下面我們正式介紹兩種「調(diào)制」方法——AM和FM。沒錯，這里的AM和FM就是我們在收音機(jī)上看到的那兩個英文字母。大約100年前，這兩種調(diào)制方法就被用于廣播。

Amplitude Modulation（AM），振幅調(diào)制

AM這一調(diào)制方式于上世紀(jì)初出現(xiàn)，最初被用于語音傳輸。Amplitude意思是振幅，也就是說在這種模式下，可以通過調(diào)整載波（Carrier）的波幅（在圖形中，振幅體現(xiàn)為波形的高度，波幅越大=>高度越高）使其能夠體現(xiàn)原始信息的特征（將原始信息的圖形特征附加到載波中，以使調(diào)制后的圖形與原始信息呈現(xiàn)相似的圖形特征）；

▲ Amplitude Modulation 示意圖

（其中，第一行是原始信息，第二行是載波，第三行是調(diào)制之后的AM信號；調(diào)制后，AM信號的外廓與原始信號呈現(xiàn)相似的形態(tài)）

Frequency Modulation（FM），頻率調(diào)制

FM出現(xiàn)的時間比AM略晚，由一位無線電廣播愛好者發(fā)明。所謂Frequency Modulation是指可以通過調(diào)整載波（Carrier）的頻率（在圖形中，頻率體現(xiàn)為波峰波谷的密度，密度越高=>頻率越高）使其能夠體現(xiàn)原始信息的特征（將原始信息的圖形特征附加到載波中，以使調(diào)制后的圖形與原始信息呈現(xiàn)相似的圖形特征）。

與AM不同的是，在振幅調(diào)制模式下，調(diào)制后的波形與原始信息在呈現(xiàn)相似的「形狀」（如下圖中的黑色原始信息與AM轉(zhuǎn)換之后的紅色波形圖），但是在頻率調(diào)制中，調(diào)制后的圖形振幅保持不變，但在原始信息波峰的位置表現(xiàn)出更高的頻率/密度，在原始信息波谷的的位置表現(xiàn)為更低的頻率/更稀疏——這里用波形的密集和稀疏來對應(yīng)原始信息的波峰和波谷（如下圖中的黑色原始信息與FM轉(zhuǎn)換之后的藍(lán)色波形圖）。

▲ Frenquency Modulation 示意圖

AM和FM是離我們生活最接近，原理也較簡單的調(diào)制方式。在AM和FM之后，還有非常多的調(diào)制方法被發(fā)明，但核心思想是類似的。

03 從3G到4G和5G，信息速率的提升靠什么？

我們已經(jīng)知道，無線電波是無線通訊的載體，那么無線通訊的速率——也就是所謂「帶寬」，究竟是由什么因素決定的呢？

之前我們提到，中國和美國的無線電頻率，都已經(jīng)被劃分給特定的用途和用戶使用。之所以需要進(jìn)行這樣的劃分，是因為頻譜資源的使用是排他的，在特定的時空中，一個頻率如果被A用途使用，就不能同時被B用途使用，否則就會發(fā)生干擾。這種性質(zhì)，類似于高速公路上的車道，也類似于信箋紙上面的一行一行空間，在一個給定時間段/對應(yīng)一個給定位置，一條車道只能分派給一輛汽車使用，否則容易發(fā)生交通事故；一行信箋紙，在給定的位置只能寫一個字，否則兩三個字疊在一起就容易模糊看不清楚，這就是「干擾」。

因此，要完成一個通訊過程，首先我們需要對應(yīng)的頻率資源，也就是「頻段」，或者說是一條車道；而帶寬，就可以被理解為在單位時間內(nèi)傳輸?shù)男畔?通過的車輛的多少。這樣一來，帶寬的問題就轉(zhuǎn)化為：1. 提高通行效率（提升單個汽車的載荷）；在通訊中，這被稱為頻譜效率（Spectral Efficiency，以bps/Hz來衡量）。2. 拓寬車道寬度。

更高效的調(diào)制方法可以提升頻譜效率

上面我們提到，在AM和FM之外，工程師們發(fā)明了非常多的方法，來提升無線電波中的每個「振動」傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量/單個汽車的載重量（bps/Hz）。其中，Quadrature Amplitude Modulation（QAM正交振幅調(diào)制）技術(shù)是自3.5G以來頻譜效率提升的重要途徑，并在5G時代發(fā)揮了重要的作用。

之前我們提到調(diào)制的目標(biāo)是將原始信息（二進(jìn)制編碼）負(fù)載到無線電波，比如用無線電波的「峰谷谷峰」的狀態(tài)來代表「1001」；此處，為了提高傳輸?shù)男剩こ處焸冇酶呒壍恼{(diào)制算法，使得一個「峰谷谷峰」的振動周期，能夠代表更多的原始信息（意即代表更多位數(shù)的二進(jìn)制編碼，比如用一個周期來代表「0110010111010001」）

調(diào)制方式的進(jìn)步 圖片來源：www.skyworksinc.com, 5G in Perspective: A Pragmatic Guide to What is Next

讓我們回到漢字的例子：假設(shè)最常用的漢字是1024個，那么每次傳輸過程中只要把每個漢字對應(yīng)的編碼（從1到1024）用類似汽車大燈閃爍的方式表示出來即可；當(dāng)每個信號包含16個狀態(tài)點（16QAM）時，最大需要64個信號才能完成一個漢字的傳輸(64*16=1024，對應(yīng)最多需要閃爍1024下)，但當(dāng)每個信號包含1024個狀態(tài)點（1024QAM）時，每一個信號就能代表一個漢字，因而大大提高了傳輸效率。

新技術(shù)的應(yīng)用解鎖更多頻譜資源

通過拓寬車道寬度來提升帶寬是更容易想到的辦法，但實現(xiàn)起來也是很有難度的。如頻譜劃分圖所示，現(xiàn)有的可用頻譜資源已經(jīng)被分配殆盡；未被占用的頻率，往往位于高頻區(qū)域，這部分頻譜資源類似于農(nóng)業(yè)中的鹽堿地，是利用難度更大的頻段。直觀一點來說，當(dāng)汽車時速越高，高速公路調(diào)度管理的難度就越大，稍有不慎就有可能造成車道偏離/出軌或者釀成交通事故。類似的，高頻頻段的使用也殊非易事。通過Beamforming（波束賦形）和Massive MIMO（Multiple Input Multiple Output，多入多出）等技術(shù)，之前無法使用的高頻波段現(xiàn)在也可用于蜂窩無線通信，新的頻譜資源隨之解鎖。在高頻的毫米波波段，單個子載波(Component Carrier)的頻寬可以達(dá)到400MHz甚至1GHz，比上一代技術(shù)有數(shù)十倍的提升。

通過同時建立多個連接提升數(shù)據(jù)傳輸速率

在拓寬車道寬度和提升車輛載荷之外，工程師們發(fā)現(xiàn)，還可以通過提高車輛層高來進(jìn)一步提升通行效率，這是MIMO的另一重性能優(yōu)勢。MIMO通過使用多個發(fā)射和接收天線在同時發(fā)送和接收多個數(shù)據(jù)流，相當(dāng)于為同一個終端設(shè)備（比如說手機(jī)），建立了多個通信鏈接，這自然能夠成倍地提升手機(jī)的通訊速率。2X2 MIMO意味著在基站有兩個發(fā)射天線，在手機(jī)上有兩個接收天線，理論速率翻倍；而4X4 MIMO則意味著4X理論速率。

不同蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)的帶寬比較

藍(lán)色代表理論值、綠色代表典型用戶體驗值

數(shù)據(jù)來源：LTE to 5G, Rysavy Research/5G Americas, August 2018，經(jīng)整理

讓我們最后再來劃一次重點：

1. 信息的本質(zhì)，是對現(xiàn)實世界的抽象；這個抽象的結(jié)果，就體現(xiàn)為一套符號系統(tǒng)（比如語言文字，比如數(shù)字）

2. 所有的符號系統(tǒng)，都可以轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字

3. 二進(jìn)制編碼和無線電波的頻率特征結(jié)合起來，可以在短時間內(nèi)傳輸大量的信息

4. 頻譜資源和頻譜效率，是決定無線傳輸速率（帶寬）的主要因素

5. 在3G、4G和5G的發(fā)展過程中，技術(shù)的突破解鎖了更多的頻譜資源，調(diào)解方式的進(jìn)步大大提高了頻譜效率，MIMO技術(shù)為終端用戶建立了多個通道，從而使用戶側(cè)的帶寬得到了數(shù)萬倍的提升