• P02014030 陈子俊


    2、在面临香农公式被逼近极限,未来无线通信会朝着哪些方向发展?结合信息论谈一下自己的见解

          答:首先介绍一下香农极限。

    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,1948年以前,没有人能清楚地描述信号传输速率和通道宽度、噪声大小以及信号功率的关系。直到香农提出了信息论,给出了香农公式:

     

    C是单信道的信道容量,是指我们建立了一个单点输入、单点输出的通信通道(我们称为信道)后,这条通道每秒最多可以传送多少bit的信息量。B是信道的带宽,可以简单理解为分配给一个信道可用的频率范围的一半;S是传送信号的平均功率,而N则是噪声或者干扰信号的平均功率。

    从香农公式可知,对于单信道而言,要增加信道容量C,无非三种方式:或增加带宽B,或增加信号功率S,或减少噪声或干扰信号的功率N,但是我们也不能无限提高带宽,因为带宽越大,噪声就会越大,信噪比反而降低,而且信噪比也不能盲目提高,因为,信噪比实际上取决于基站的信号发射功率,在一定程度上,发射功率取决于每天要花费的电费。据估算,一个5G基站每年的电费大概是30万元,4G基站每年的电费是10万元。因此,要提高信噪比,需要加大发射功率,这意味着要消耗更多的电能,这是不实际的。

    3月1日,在2022世界移动大会(MWC)巴塞罗那期间,华为轮值董事长郭平在线发表了题为《向上,点亮未来》的主题演讲。郭平表示,当下影响ICT(信息与通信技术)行业发展的两大问题是数字化和碳中和。有预测称数字经济今年占GDP的比重将超过50%,随全球数字经济高速发展,数字化需求超出预期,而香农定理和冯诺依曼架构已遇到很大瓶颈。郭平表示,业界需要探索新理论和新架构,重构技术底座,才能支撑数字可持续发展。

    在理论领域,华为将尝试不断逼近甚至超越“香农极限”理论,在持续探索新一代MIMO和无线AI等理论与技术,进一步逼近香农极限的同时,研究语义通信等新理理论,为产业界提供新的基础理论指导;在架构领域,华为将开发新技术新架构,通过光电融合技术和对等计算架构等解决技术挑战或工艺瓶颈;在软件领域,华为正在构建以AI为中心的全栈软件和新生态,以应对AI爆发带来的算力需求剧增。

    因此,结合我所学习的信息论与编码知识,我认为,未来无线通信的发展会出现更高效的编码方法来弥补香农极限所带来的限制,而且还会出现更多高性能的通信芯片来提高通信的效率。

    3、在通信系统中,除了常见的高斯白噪声还有哪些噪声会对我们无线传输造成影响?

    (1)白噪声。​ 是随机起伏噪声的统称,功率谱类似于白色光谱,均匀分布于整个频率轴,故称为白噪声。白噪声主要包含三类:无源器件,如电阻、馈线等类导体中电子布朗运动引起的热噪声;有源器件,如真空电子管和半导体器件中由于电子发射的不均匀性引起的散粒噪声;以及宇宙天体辐射波对接收机形成的宇宙噪声。其中前两类是主要的。

    (2)高斯噪声。是指它的概率密度函数服从高斯分布的一类噪声。如果一个噪声,它的幅度分布服从高斯分布,而它的功率谱密度又是均匀分布的,则称它为高斯白噪声。高斯白噪声的二阶矩不相关,一阶矩为常数,是指先后信号在时间上的相关性。高斯白噪声包括热噪声和散粒噪声。在通信信道测试和建模中,高斯噪声被用作加性白噪声以产生加性白噪声。在电信和计算机网络中,通信信道可能受到来自许多自然源的宽带高斯噪声的影响,例如导体中的原子的热振动(称为热噪声或约翰逊 - 奈奎斯特噪声),散粒噪声,来自地球和其他温暖的物体,以及来自太阳等天体。

    (3)窄带高斯白噪声。概率密度函数满足正态分布统计特性、功率谱密度函数是常数且频带宽度远远小于其中心频率的一类噪声,称作窄带高斯白噪声。其功率谱密度实常数但功率谱密度并不存在于整个频域。

    (4)正弦信号加窄带高斯噪声。信道中加性噪声无时不在,信号经过信道传输总会受到它的影响。因此,接收端收到的信号实际上是信号与噪声的合成波。通信系统中,常常碰到的合成信号具有正弦信号加窄带高斯噪声的形式,如在分析2ASK、2FSK、2PSK等信号抗噪声性能时,其信号均为 正弦形式。

    (5)大气噪音主要由氧气与水蒸气所形成,是无线信号传输中影响较大的噪音之一。

    5、简述算术编码的原理,并举例说明(按照书中例5-9的条件,若输出序列为S=abdab,则对应的编码是什么?给出推导过程)

     

    6、简述LZ编码原理,并举例说明[按照书中例5-10的条件,若输入信源符号序列U=(abbabaabbababb)]则对应的输出编码是什么?

    LZ编码原理:设信源符号集A={a1,a2,…,aK}共K个符号,设输入信源符号序列为u=(u1,u2,…,uL)编码是将此序列分成不同的段。分段的规范为:尽可能取最少个相连的信源符号,并保证各段都不相同。

    开始时,先取一个符号作为第一段,然后继续分段。若出现与前面相同的符号时,就再取紧跟后面的一个符号一起组成一个段,使之与前面的段不同。这些分段构成字典。当字典达到一定大小后,再分段时就应查看有否与字典中的短语相同,若有重复就添加符号,以便与字典中短语不同,直至信源序列结束。

    编码的码字由段号加一个符号组成。设u构成的字典中的短语共有M(u)个。若编码为二元码,段号所需码长n=⌈log M(u)⌉(注:代表上取整符号),每个符号需要的码长为⌈log K⌉。单符号的码字段号为0,非单字符的码字段号为除最后一个符号外字典中相同短语的段号。

    LZ编码不同于霍夫曼编码,它是一种由变长到定长编码,是基于字典的通用编码方案,算法与信源统计特性无关。

    本题步骤如下:
     

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