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[摘 要]移动通信正在迈向第5代（5G）。以移动通信为代表的未来无线通信仍然面临日益匮乏的频谱资源与持续增长的容量需求等矛盾，其发展速度将逐步趋缓。如何实现新的飞跃，需要跳出传统的发展范式，回溯信息通信工程的理论技术源头重新思考，寻找新的发力点。文章中，我们力求从系统的角度探讨无线通信发展需要面对的若干基础问题，供本领域同行参考。
[关键词]无线通信；信息表征；网络容量
中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）18-0057-01
1 无线通信的现状与挑战
未来无线通信将显现出泛在应用的特征，用户可在任意时间、任意地点，使用任意终端设备实现任意网络接入，全球无线通信业务随之呈现出爆发式增长。Cisco公司于2016年初发布白皮书指出，2015年全球移动业务流量相比2014年增幅达到74%，相比2005年增长了近4000倍；同时预测，到2019年全球具有移动连接功能的终端设备数量将达到115亿。另一方面，未来无线通信仍然面临诸多难题。
（1）日益匮乏的频谱资源与持续增长的容量需求矛盾凸显，工程能力趋于理论极限，移动通信以及由其带动的移动互联网、智能终端等产业的进一步发展受到根本性制约，工程技术与理论研究的进步充满挑战。
（2）数字鸿沟依然存在。目前全球范围内80%以上的陆地、95%以上的海域缺乏有效的宽带信息覆盖，全球仍然有几十亿人口与互联网世界隔绝，特别是对于生活在世界上最贫困国家的千百万人来说，他们无法享受到当今信息技术所带来的益处，消除数字鸿沟面临的布站、选址困难，建设成本昂贵等问题。
（3）关键应用领域宽带通信手段依旧非常匮乏。中国近海日常航行船舶超过一万艘，2016年全国海洋经济生产总值逾六万亿元，占中国国内生产总值近10%。然而中国的长期演进（LTE）等移动通信系统主要面向内陆覆盖，难以提供近海几十乃至上百千米以上宽带移动通信服務，指挥调度、安全生产存在严重隐患。此外，在航空通信、森林消防，以及突发事件等很多应用领域，对宽带信息通信技术的迫切需求也日益显现。
针对这些难题，需要跳出传统的以规模建设实现持续扩容的发展范式，从信息与通信理论方法的源头寻找解决途径，探索新的技术理论突破。
2 关于信息与通信的思考
回溯信息与通信理论的源头，首要问题是要再认识信息的本质。从信息表征谈起。信息表征是通信传输处理的基本信息单元，是信息论及通信理论的研究基础。信息传输过程由于受到传播环境中噪声与干扰的影响，因信息的表征方法不同通常使得传输的内容产生不同程度的失真。
已知的信息表征，在模拟通信中是波形，其抗噪声的性能不佳，但失真通常是线性的，其控制方法相对简单；发展到数字通信，其信息表征为比特，是香农作为熵的度量提出的。根据香农的定义，信息的数据表征如图1所示，将信息编码为比特串表示的数据，编码效率则反映信息量和数据量之间的关系。其中，信息量度量了信息的不确定度，数据量反映了实际花费多少比特。基于比特的信息表征抗噪声性能显著提高了，但由于比特间可能存在的关联性（比如经压缩的多媒体数据），失真往往是非线性的，有时这种非线性失真不易控制，有可能导致通信质量的严重下降。
值得注意的是图1中的箭头方向，数据是由信息经编码后形成的。然而在现实应用中箭头常常被反过来了，即先有数据（在信息获取过程中产生），再根据不同的应用需求提取信息；在有些应用场景下甚至简单地将数据与信息等同看待，这或许使得我们今天不得不面对越来越庞杂的大数据的困扰。
所幸的是上述情况正在发生改变，寻求更为合理的信息表征成为人们努力的新方向。比如，视频、图像数据中蕴含的信息量远远小于现行编码方式产生的数据量。微软就做了一个概念性尝试，在视频电话的应用中，只传输用户的语音数据，再参考本地存储的图像、唇形等信息，综合出可有效满足用户体验的视频，这种方法以信息为核心汇集所需传输的数据，使得通信数据量压缩好几千倍，相应的信息表征方法研究或将颠覆传统的信息处理。有研究指出，人类或只需要约1000个像素就可实现感知，其原因在于人脑中大量的先验知识对信息进行分析可起关键性作用，由此亦可探寻一种信息表征方法，从而规避可能的大数据之扰。《Nature》在2015年5月特刊研讨深度学习，指出其能够发现大数据中的复杂结构和特征，这将为研究如何基于信息内容的特征表征信息，并谋求信息通信的创新突破探索新途径。
由此可见，信息表征不仅影响通信的质量控制，而且对于信息处理也有着深刻的影响。有研究表明，信息表征从“比特→结构”的创新探索可有效克服传播环境中噪声与干扰的影响，提高无线通信的可靠性和效率。
然而，这还远不是问题的全部。进一步的一个问题是，信息表征如何影响通信的体系结构？不妨看看人类是如何通信的。人类的通信方式是大脑对信息进行感知和学习，存储先验知识，并在后期学习过程中不断对先验知识的特征进行提炼，从而逐渐增强乃至进化未来对新信息的辨识能力。大脑感知结构化的信息是一种长期进化形成的信息表征，贯穿于大脑感知、学习、存储、处理的全过程，它需要处理的信息是少量的。这样通信过程中的数据量越来越少但知识却越来越丰富。由此一个重要的启发是：信息表征抑或不再是孤立的、静态的度量，而是一个过程，是通信过程的一部分。过程的表征需要引入状态，状态的引入将对现有的移动互联网体系结构产生深刻的变革。
为此可借鉴人类通信变革现有的通信体系结构：将“终端-网络转发-终端”的传统通信转变为“终端-网络计算-终端”的协同通信与计算过程，由此产生移动互联网环境下的新型计算通信模型，如图2所示。图中信源X通过编码器，基于媒体库（或先验知识库，下同）S的已知信息编码输出码字；译码器利用接收到的码字和译码媒体库Y译码输出重构信息X’。这里的媒体库S、Y可利用互联网的先验知识，为网络引入了状态，编码过程就是对信息进行计算与表征。在传统的通信体系结构下，假设接收端得到的信息为Z，那么无线信道需要传输的信息量为X与Z之间的互信息I（X，Z）。基于图2的新结构，所需传输的信息量为条件互信息I（X，Z/Y）。通常远小于原始的互信息I（X，Z），由此可实现童新年传输数据的大幅压缩。毋庸置疑，对信息本质的再认识以及信息表征方法的再探索，对于未来无限通信的发展变革具有深远意义。
3 结束语
未来无线通信面临复杂干扰，资源受限，能耗约束，广域覆盖等多重挑战，无线通信理论与技术的发展征程需要探索新起点。应以体系化的思维谋求创新突破，在学科融合和交叉中寻觅解决之道，揭示其中的本质问题与规律，再度彰现方兴未艾、风光无限的无线通信领域。
参考文献
[1] 苏昕.MIMO无线通信系统中若干问题的研究[D].西安电子科技大学，2006.
[2] 汪安春.无线通信系统中动态资源管理若干问题的研究[D].清华大学，2005.
[关键词]无线通信；信息表征；网络容量
中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）18-0057-01
1 无线通信的现状与挑战
未来无线通信将显现出泛在应用的特征，用户可在任意时间、任意地点，使用任意终端设备实现任意网络接入，全球无线通信业务随之呈现出爆发式增长。Cisco公司于2016年初发布白皮书指出，2015年全球移动业务流量相比2014年增幅达到74%，相比2005年增长了近4000倍；同时预测，到2019年全球具有移动连接功能的终端设备数量将达到115亿。另一方面，未来无线通信仍然面临诸多难题。
（1）日益匮乏的频谱资源与持续增长的容量需求矛盾凸显，工程能力趋于理论极限，移动通信以及由其带动的移动互联网、智能终端等产业的进一步发展受到根本性制约，工程技术与理论研究的进步充满挑战。
（2）数字鸿沟依然存在。目前全球范围内80%以上的陆地、95%以上的海域缺乏有效的宽带信息覆盖，全球仍然有几十亿人口与互联网世界隔绝，特别是对于生活在世界上最贫困国家的千百万人来说，他们无法享受到当今信息技术所带来的益处，消除数字鸿沟面临的布站、选址困难，建设成本昂贵等问题。
（3）关键应用领域宽带通信手段依旧非常匮乏。中国近海日常航行船舶超过一万艘，2016年全国海洋经济生产总值逾六万亿元，占中国国内生产总值近10%。然而中国的长期演进（LTE）等移动通信系统主要面向内陆覆盖，难以提供近海几十乃至上百千米以上宽带移动通信服務，指挥调度、安全生产存在严重隐患。此外，在航空通信、森林消防，以及突发事件等很多应用领域，对宽带信息通信技术的迫切需求也日益显现。
针对这些难题，需要跳出传统的以规模建设实现持续扩容的发展范式，从信息与通信理论方法的源头寻找解决途径，探索新的技术理论突破。
2 关于信息与通信的思考
回溯信息与通信理论的源头，首要问题是要再认识信息的本质。从信息表征谈起。信息表征是通信传输处理的基本信息单元，是信息论及通信理论的研究基础。信息传输过程由于受到传播环境中噪声与干扰的影响，因信息的表征方法不同通常使得传输的内容产生不同程度的失真。
已知的信息表征，在模拟通信中是波形，其抗噪声的性能不佳，但失真通常是线性的，其控制方法相对简单；发展到数字通信，其信息表征为比特，是香农作为熵的度量提出的。根据香农的定义，信息的数据表征如图1所示，将信息编码为比特串表示的数据，编码效率则反映信息量和数据量之间的关系。其中，信息量度量了信息的不确定度，数据量反映了实际花费多少比特。基于比特的信息表征抗噪声性能显著提高了，但由于比特间可能存在的关联性（比如经压缩的多媒体数据），失真往往是非线性的，有时这种非线性失真不易控制，有可能导致通信质量的严重下降。
值得注意的是图1中的箭头方向，数据是由信息经编码后形成的。然而在现实应用中箭头常常被反过来了，即先有数据（在信息获取过程中产生），再根据不同的应用需求提取信息；在有些应用场景下甚至简单地将数据与信息等同看待，这或许使得我们今天不得不面对越来越庞杂的大数据的困扰。
所幸的是上述情况正在发生改变，寻求更为合理的信息表征成为人们努力的新方向。比如，视频、图像数据中蕴含的信息量远远小于现行编码方式产生的数据量。微软就做了一个概念性尝试，在视频电话的应用中，只传输用户的语音数据，再参考本地存储的图像、唇形等信息，综合出可有效满足用户体验的视频，这种方法以信息为核心汇集所需传输的数据，使得通信数据量压缩好几千倍，相应的信息表征方法研究或将颠覆传统的信息处理。有研究指出，人类或只需要约1000个像素就可实现感知，其原因在于人脑中大量的先验知识对信息进行分析可起关键性作用，由此亦可探寻一种信息表征方法，从而规避可能的大数据之扰。《Nature》在2015年5月特刊研讨深度学习，指出其能够发现大数据中的复杂结构和特征，这将为研究如何基于信息内容的特征表征信息，并谋求信息通信的创新突破探索新途径。
由此可见，信息表征不仅影响通信的质量控制，而且对于信息处理也有着深刻的影响。有研究表明，信息表征从“比特→结构”的创新探索可有效克服传播环境中噪声与干扰的影响，提高无线通信的可靠性和效率。
然而，这还远不是问题的全部。进一步的一个问题是，信息表征如何影响通信的体系结构？不妨看看人类是如何通信的。人类的通信方式是大脑对信息进行感知和学习，存储先验知识，并在后期学习过程中不断对先验知识的特征进行提炼，从而逐渐增强乃至进化未来对新信息的辨识能力。大脑感知结构化的信息是一种长期进化形成的信息表征，贯穿于大脑感知、学习、存储、处理的全过程，它需要处理的信息是少量的。这样通信过程中的数据量越来越少但知识却越来越丰富。由此一个重要的启发是：信息表征抑或不再是孤立的、静态的度量，而是一个过程，是通信过程的一部分。过程的表征需要引入状态，状态的引入将对现有的移动互联网体系结构产生深刻的变革。
为此可借鉴人类通信变革现有的通信体系结构：将“终端-网络转发-终端”的传统通信转变为“终端-网络计算-终端”的协同通信与计算过程，由此产生移动互联网环境下的新型计算通信模型，如图2所示。图中信源X通过编码器，基于媒体库（或先验知识库，下同）S的已知信息编码输出码字；译码器利用接收到的码字和译码媒体库Y译码输出重构信息X’。这里的媒体库S、Y可利用互联网的先验知识，为网络引入了状态，编码过程就是对信息进行计算与表征。在传统的通信体系结构下，假设接收端得到的信息为Z，那么无线信道需要传输的信息量为X与Z之间的互信息I（X，Z）。基于图2的新结构，所需传输的信息量为条件互信息I（X，Z/Y）。通常远小于原始的互信息I（X，Z），由此可实现童新年传输数据的大幅压缩。毋庸置疑，对信息本质的再认识以及信息表征方法的再探索，对于未来无限通信的发展变革具有深远意义。
3 结束语
未来无线通信面临复杂干扰，资源受限，能耗约束，广域覆盖等多重挑战，无线通信理论与技术的发展征程需要探索新起点。应以体系化的思维谋求创新突破，在学科融合和交叉中寻觅解决之道，揭示其中的本质问题与规律，再度彰现方兴未艾、风光无限的无线通信领域。
参考文献
[1] 苏昕.MIMO无线通信系统中若干问题的研究[D].西安电子科技大学，2006.
[2] 汪安春.无线通信系统中动态资源管理若干问题的研究[D].清华大学，2005.