给忙碌者的5G基础知识课（二）——香农的诅咒

对于通信行业从业者或者通信相关专业的学生来说，香农的名字可以说是如雷贯耳，在信息通信领域，香农的地位基本等同于牛顿、爱因斯坦在物理学领域的地位。

但是对于绝大多数人来说，香农的名字可能略有些陌生，“这哥们谁啊？”。简单来说，香农靠着他发现的三大定理，一举奠定了信息通信的基石，这三大定理详见上图黑板。

怎么样，看不懂吧？但是是不是一眼看上去就有一种很厉害的赶脚。

今天主要给大家讲讲，香农（1916年4月30日—2001年2月24日）如何影响了5G。

1、香农极限

我们都知道，每一代移动通信系统的升级，最主要的变化就是数据传输速率的提升。

但是你知道吗？其实移动通信的理论传输极限速率早就被香农老爷子他在1948年定死了。

1948年，在《通信的数学原理》一文中，香农博士提出了著名的香农定理：

其中B指频带宽度（就是我们上篇文章里讲的带宽），S指要传输信息的信号的功率（可以理解为你和别人讲话时，你讲话的声音大小），N指噪声功率（比如你和别人讲话时，旁边有很大的电视声，对你们两个来说就是噪声）。

简单来说，就是C（单位bit/s，和我们平常使用的下载速率单位一毛一样），也就是信息传输的理论极限速率，正比于传输的带宽，以及传输信号的功率/噪声功率（你讲话的声音音量/旁边电视声音的音量）。

再简单来说，就是要想提升传输速率，要么就增加带宽，要么就提升基站的发射功率，要么就减少噪声功率。

什么？还不懂？那我打个比方。

在移动通信中，我们会称空气中传输无线电波的频段为“信道”，之所以叫信道，是因为它是传输信息的道路。

假设我们要传输的数据就是货物，那么货车行驶的道路就可以类比成信道，如果行驶的道路越宽（信道带宽越大），我们就能使用更大型的卡车来送货，那么送完相同数量的货物时间就越短，也就是数据传输更快。（下图中右图由于道路更宽，能使用更大型的货车，运送货物速度更快）

那么噪声呢，噪声可以类比为道路上的石子，开车我们都知道，路况越好越平整，最好是新修的道路，开起来最快，而如果道路上到处都是石子，石子多，那么开起来就慢。对于通信来说，噪声越大，传输速度越慢。（下图中右图由于道路上到处是石子，在相同的道路宽度使用相同的货车条件下，运送货物速度更慢）

而信号传输的功率，可以理解为车行驶的速度，在路况、道路宽度相同驾驶相同的货车的情况下，车速越快（信号功率越大），运送货物越快（数据传输越快）。（下图中右图由于车速更快，在相同的道路宽度使用相同的货车且路况相同的条件下，运送货物速度更快）

所以，道路越宽（带宽越大）、噪声越小（路况越好）、车速越快（信号功率越大），则运送货物速度越快（传输数据速率越高）。如果再不懂，恕我无能为力--

而香农定理则说明了，在频带宽度固定、信号发射功率固定、信道噪声固定的情况下，传输数据速率的极限已经被定下来了，就是香农定理中的C。不管移动通信技术发展再牛X，多少诺贝尔奖级别的技术应用其中，理论上最高也就可以实现香农定理规定的传输速率，这就是香农的诅咒。

而目前移动通信中，提升信号发射功率基本已经不可能（耗电太大），空气中的噪声又没法降下去（毕竟空气中有无数的各类无线电波），因此，每一代的移动通信技术的升级，都是在提升带宽，以及在发射功率不变的情况下如何压缩数据（即本来货车送货量是有限的，想办法如何在里面装更多的货物），以及是不是能“作弊”再加几条公路同时用多辆货车运送货物（也就是MIMO技术，参见震惊！我的老人机竟然能接入5G基站？）上下功夫来接近香农极限

5G也是这样。

2、提升带宽

上篇文章中我们已经谈到，移动通信只有使用几百到2、3000MHz的低频频段，才能在运营商承受的范围内为用户提供服务，而这个频段范围内“寸土寸金”，那么怎么才能提升带宽呢？

答案就是，其实确实提升不了了。。地主家也没有余粮啊。。

以中国运营商为例，在4G时代，移动联通电信的室外频段各自大概有100MHz左右，而5G时代，移动联通电信在室外也只有100MHz左右的频段可以使用，相当于在带宽上并没有什么提升。

但是，敲黑板，4G时100MHz的带宽并不能同时给一个用户使用，而是被分割成一段段，能同时给你提供服务的频带资源最多只有20MHz（有种新技术叫载波聚合可以实现多个频段合并给一个用户使用，这里不提），但在5G网络中，能同时给你提供服务的频带资源却可以是100MHz，满上！

所以，单单从带宽上看，你在5G网络下能体验的极限下载速率，就已经是4G的5倍了！

另外，5G中有一种非常“大忽悠”的技术，叫“毫米波技术”。就算非通信行业的人士，可能也听说过这种技术，毕竟它基本被“炒作”成了5G的核心技术。

看看媒体的一本正经的胡说八道。

所谓毫米波，其实就是既然低频的黄金频段资源枯竭，那么为啥不去更高的频段找一大段没人用的频段来给5G使用呢？而毫米波其实就是在更高频段上传递的无线电波，高到多高呢？竟然要高于30GHz（也就是30000MHz）的频段！！（这里涉及无线电波波长和频率的换算公式，就不给大家计算了）

也就是说，毫米波就是使用比现在使用的移动通信频段高出10倍以上的频段去做数据传输，这个鬼频段，由于频段太高了，覆盖距离极短，穿透楼宇损耗极大，唯一的好处就是这个鬼频段没有人愿意用，空出了大把大把的空闲频段，想用几百MHz就可以用多少，按照3GPP的5G协议（详见是谁“发明”了5G？），在这个频段最多可以使用400MHz的连续频段给单用户使用。

然而，这并没有什么卵用。

因为，这个频段建基站，运营商必定内裤都赔掉了。因为每个基站也就覆盖几十米甚至是十几米。所以，目前毫米波还处于概念状态，上下游产业链极其滞后，业界对于毫米波的应用基本都聚焦于家庭基站，也就是，给你家建个基站，只覆盖你家，只给你用，其实就是当宽带用。

比如在欧美国家的农村，如果想给家家户户光纤到户很困难，毕竟资本主义国家没有“村村通”。于是乎，运营商想出来了个招，在村里建几个毫米波基站，家家户户安一个CPE（就是可以将移动信号转化成WIFI的设备），既能发挥毫米波大带宽的优势，又因为农村没有啥遮挡信号打出去能远些，解决了偏远地区家庭宽带的问题。

今天的内容就到这里了。下期继续讲讲5G如何向香农极限逼近，我会保持每周3-4篇（非节假日）的更新速度，且尽全力提供自己原创的高质量内容，如果喜欢，还请各位读者老爷们关注转发（卫星号：BOO聊通信）。