我们可以打破香农容量吗?

信息处理 调制 参考请求 信道编码
2022-01-13 01:52:57

我有一个朋友从事无线通信研究。他告诉我,我们可以使用一个频率在给定的时隙中传输多个符号(当然我们可以在接收器处解码它们)。

他所说的技术使用了一种新的调制方案。因此,如果一个发送节点通过无线信道向一个接收节点发送数据,并在每个节点使用一根天线,则该技术可以在一个频率上在一个时隙上发送两个符号。

  • 我不是在问这种技术,我不知道它是否正确,但我想知道是否可以做到这一点?这甚至可能吗?香农极限能被打破吗?我们能在数学上证明这种技术的不可能性吗?

  • 我想知道的其他事情,如果这种技术是正确的,会有什么后果?例如,这种技术对于著名的干扰信道开放问题意味着什么?

请问有什么建议吗?任何参考表示赞赏。

4个回答

绝对不是。虽然有人声称在这里和那里打破了香农,但通常结果证明香农定理只是以错误的方式应用。我还没有看到任何这样的说法实际上被证明是正确的。

有一些已知的方法允许在同一频率上同时传输多个数据流。MIMO 原理采用空间分集来实现这一点。将提供高分集的场景中的 MIMO 传输与其他类似场景中的 SISO 传输的香农限制进行比较实际上可能意味着 MIMO 传输破坏了香农。然而,当您正确记下 MIMO 传输的香农极限时,您会再次看到它仍然成立。

另一种在同一地区同时在同一频率上传输的技术是 CDMA(码分多址)。在这里,各个信号与一组正交码相乘,以便它们可以(在理想情况下完美地)在接收器处再次分离。但是将信号与正交码相乘也会扩展其带宽。最后,每个信号使用的带宽比它需要的多得多,而且我从未见过一个例子,其中速率总和高于整个带宽的香农。

虽然你永远无法确定打破香农实际上是不可能的,但它是一个非常基本的定律,经受了很长时间的考验。任何声称破坏香农的人很可能犯了一个错误。要接受这样的主张,需要有压倒性的证据。

另一方面,使用正确的方法很容易在同一区域内同时以相同频率传输两个信号。这绝不是暗示香农被打破了。

通道的容量应被视为类似于高速公路的限速。可以在高速公路上以高于公布限制的速度行驶,但这样做不可能获得良好的油耗。同样, 可能以高于通道容量的速率传输数据(事实上,与高速公路不同,没有警察会试图阻止你这样做),但它不会可以以非常小的错误概率以如此高的速率传输。如果我们不关心 BER,则可以通过信道以任意高的速率发送“数据”。当然,接收器得到的大部分都是垃圾,但我们已经同意 BER 并不重要。例如,在具有固定最大发射功率的脉冲幅度调制(PAM)系统中,我们可以使用二进制调制来发射(最大功率)幅度脉冲±一种 在每个持续时间的信令间隔中并实现数据速率-1bps,或者我们可以使用四进制调制并传输幅度脉冲±一种要么±一种/3获得数据速率2-1具有幅度脉冲的 bps 或八度调制±一种, ±57一种,±37一种,±17一种获得数据速率3-1bps 等。随着级别数量的增加,BER 会逐渐变差,并且它们之间的距离越来越近,但是,嘿,我们同意 BER 不是问题;数据速率是。

信息论告诉我们的是,如果我们将自己限制在数据速率小于信道容量的通信方案中,那么无论多么小,我们都可以实现任何给定的 BER。这些方案将非常复杂,实施起来非常昂贵,并且如果所需的 BER 非常小,则会有很长的延迟(延迟),但是它们存在并且可以找到(尽管搜索可能需要付出巨大的努力)。但是通道的容量不像物理学中的光速:一个不能超过的基本极限。可以以高于容量的速率进行传输,只是不可靠

我知道超过香农的 3 种方法——

1) MIMO 超过香农。从技术上讲,每个 MIMO 通道都受到香农的限制,但通道的总和超过了限制。实际限制是区分每个 MIMO 信道的能力。

2) Solyman Ashrafi 博士(MetroPCS 的首席技术官)拥有一项使用自然正交小波(或 Hermite 函数)的技术专利,并将其转让给他的公司 QuantumXtel。每个小波都由香农绑定,但您可以堆叠小波。有一些问题需要解决,但 UTD 几年前制作了一个原型。我不确定现在发生了什么。

3) Jerrold Prothero 博士拥有一项使用非周期符号的技术专利,并已开始在名为 Astrapi 的公司将其开发为实用的解决方案。他声称香农定律是不完整的,因为它只考虑了周期函数,并创建了一个新定理(在仅周期函数的情况下,它顺便归结为香农)。该论文可供同行评审。新功能基于压摆率和采样率,并且可能允许比当前更多的数据通过。

谁知道?也许其中之一实际上会起作用。至少这里没有一个怪人。

香农容量是通过应用众所周知的奈奎斯特信号导出的。在频率选择信道的情况下,众所周知,OFDM 是一种容量实现策略。OFDM 应用传统的奈奎斯特信令。

早在 1970 年代,比奈奎斯特 (FTN) 信号传输速度更快 (FTN) 信令是由 Mazo 推动的,以允许每个符号周期发送超过 1 个符号(即,隐含地获得高于香农限制的容量)。并且据说使用 FTN 可以实现大约 2 倍的容量。

最近提出了一项正交 FTN (OFTN) 工作,旨在获得比传统香农容量更高的容量。但是,这项工作对于以下情况仍然有效

  1. 具有 iid 多径抽头 (L) 和中到高 SNR 的频率选择信道。对于固定 SNR,OFDM 和 OFTN 之间的差距在 L 越高时越大。OFTN 和 OFDM 的复杂性在某种程度上是可比的。
  2. 接收机必须至少有 L 根天线。