基于洛倫茲變換的通信多維信息耗散工具變量研究

摘? 要：數(shù)字化徹底解決各種不方便，然而沒有擺脫采樣損傷導(dǎo)致冗余爆炸式膨脹。由于理解模式不一樣，計算機跟生命體憑借算法進(jìn)行對接存在難以克服的局限性。從自然智能到人工智能的缺失環(huán)節(jié)，適合選擇物理學(xué)層面和生物學(xué)層面搜索答案。圍繞天地人一體化實現(xiàn)途徑，提出一種通信多維信息耗散工具變量。嘗試通過描述空間與時間的轉(zhuǎn)化，進(jìn)一步填充電子技術(shù)和光學(xué)技術(shù)的鴻溝。

關(guān)鍵詞：工具變量;太赫茲鴻溝;非平衡復(fù)雜性;微弱信號;洛倫茲變換

中圖分類號：TN01? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2021）18-0068-03

Abstract： Digitization completely solves various inconveniences， but it does not get rid of sampling damage， resulting in redundant explosive expansion. Because the understand pattern is different， there are insurmountable limitations in the docking of computers with organisms rely on algorithms. The missing link from natural intelligence to artificial intelligence is suitable for searching answers at the level of physics and biology. Focusing on the realization of the integration of satellite-terrestrial and human， a communication multidimensional information dissipation instrumental variable is proposed. This paper attempts to further fill the gap between electronic technology and optical technology by describing the transformation of space and time.

Keywords： instrumental variable; Terahertz gap; non-equilibrium complexity; weak signal; Lorentz transformation

0? 引? 言

隨著5G進(jìn)一步發(fā)展[1]，信息與通信正在迎來新的機遇和新的挑戰(zhàn)。作為通信主體，信息的定義始終沒完成標(biāo)準(zhǔn)化，至少存在三種不同描述。自然信息，物理學(xué)和生物學(xué)的科學(xué)定義。數(shù)字信息，概率論與數(shù)理統(tǒng)計的數(shù)學(xué)定義。社會信息，既不是物質(zhì)又不是能量的哲學(xué)定義。信息跟物質(zhì)的關(guān)系，通信跟能量的關(guān)系，沒有物理量直接描述。信息論從熱力學(xué)借來熵函數(shù)表達(dá)式，二進(jìn)制數(shù)字構(gòu)筑通信系統(tǒng)模型，強化表象，弱化本質(zhì)，致使從計算機引進(jìn)的比特（BIT）沒資格列入國際單位制（SI）。缺失物理量這個關(guān)鍵環(huán)節(jié)是表象，之所以東拼西湊，本質(zhì)是沒建立完整而充分的科學(xué)理論，做不到覆蓋信息全部屬性。關(guān)于信息論的質(zhì)疑及爭議一直延續(xù)著，跟香農(nóng)一起創(chuàng)立信息論的韋弗認(rèn)為，信息論是眾多通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的其中一個。按照猜想與反駁的方法論，難以證實無法證偽，信息論甚至不屬于科學(xué)范疇。控制論堪稱多學(xué)科范例，揭開表象針對本質(zhì)，束縛于統(tǒng)計學(xué)思維，沒能夠體現(xiàn)關(guān)鍵性特征。復(fù)雜性科學(xué)進(jìn)一步豐富系統(tǒng)論，耗散結(jié)構(gòu)理論以發(fā)展的方式致敬經(jīng)典，加入時間影響因素，從封閉狀態(tài)到開放過程，沒有針對性詮釋信息與通信的一般性定義。歸根結(jié)底，數(shù)學(xué)是科學(xué)的主要工具，不是超自然的圣經(jīng)，學(xué)術(shù)概念不會以數(shù)學(xué)為核心。難題拆分若干部分逐一解決，學(xué)科方向細(xì)分固化，割斷技術(shù)之間相互關(guān)聯(lián)。現(xiàn)實世界是一個整體不至于完全隔離，可以考慮把相關(guān)的物質(zhì)和能量集合在一起。相信存在尚未被發(fā)現(xiàn)的普遍性規(guī)律，如同相對論描述物理學(xué)或進(jìn)化論描述生物學(xué)一樣。

1? 場景說明

5G正式名稱IMT-2020，也就是第五代移動通信。按照國際電信聯(lián)盟無線電通信局（ITU-R）慣例，每隔十年更新一代通信技術(shù)，奇數(shù)趨于升級，偶數(shù)趨于變化。未來十年，難免超越升級模式發(fā)生顛覆性變化。5G關(guān)鍵技術(shù)是稀疏碼多址，通過數(shù)據(jù)分層處理獲得速度。新型靈活同頻同時全雙工，緩沖鏈路消耗。規(guī)模多進(jìn)多出系統(tǒng)（MIMO）直接增加基站天線配備，相同資源提供更多服務(wù)。緊湊型天線密度間隔距離不足，信道相關(guān)性容易制造導(dǎo)頻污染。5G使用毫米波提升帶寬，存在穿透能力弱的短板，鋼筋結(jié)構(gòu)建筑會對信號產(chǎn)生屏蔽作用。建設(shè)路燈式微型基站覆蓋城市每個角落是無奈之舉，借助運營手段彌補技術(shù)缺陷畢竟有悖于設(shè)計初衷。激光器和光學(xué)纖維的出現(xiàn)，幫助光通信進(jìn)入光速發(fā)展階段。光是獨特的電磁波，高頻，寬帶，抗干擾，具備規(guī)模容量。無線光通信被稱為自由空間光通信（FSO），使用紅外線、可見光、紫外線等光載波，通過非控制介質(zhì)進(jìn)行通信。FSO系統(tǒng)包括光發(fā)射機、空氣信道、光接收機，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡天線完成采集、傳遞、接收，全雙工轉(zhuǎn)換光信號和電信號。FSO混合射頻技術(shù)能夠一定程度穿透云霧，適用于固定點之間數(shù)公里高速率。達(dá)不到深度空間環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，鏈路的穩(wěn)定性或準(zhǔn)確性走不出風(fēng)沙氣象影響的瓶頸。對于信息與通信，宏觀的電子和微觀的光學(xué)之間存在一個技術(shù)空隙，所謂太赫茲鴻溝（THzGap），如圖1所示。太赫茲頻段容易被水分吸收包括空氣中的水分，不符合自由空間遠(yuǎn)程距離通信基本條件。適合等離子體遙感探測，穿透沙塵惡劣天氣的能力強。相當(dāng)數(shù)量材料對于太赫茲呈現(xiàn)獨特吸收光譜，能夠識別隱藏物體。蛋白質(zhì)、核酸、多糖等體細(xì)胞的振幅和頻率處于這一區(qū)間，能量及溫度比較低，不會傷害生物組織。太赫茲技術(shù)跟其他頻段的電信號或光信號更多有效連接，將會構(gòu)筑起來宏觀與微觀的橋梁[2]。gzslib202204051113

2? 天地人一體化

無線電波、微波、毫米波、太赫茲、可見光等任意一個電磁波頻段，試圖排除其他載體獨立應(yīng)用全部通信場景，違背自然選擇結(jié)果。萬物互聯(lián)（IoE）推進(jìn)5G與衛(wèi)星通信一體化，針對這一深度融合設(shè)計一系列具體方案[3]。單純是天和地的互聯(lián)，技術(shù)框架實質(zhì)屏蔽萬物之靈的人，難以逾越電子技術(shù)和光學(xué)技術(shù)的斷裂。概率論與數(shù)理統(tǒng)計的通信模型，無法徹底解決多普勒頻移等干擾。朝著人工制造自然信息的方向，采集、傳遞、接收省去編碼和譯碼直接連通信源、信道、信宿，介質(zhì)和鏈路類似量子遠(yuǎn)程傳態(tài)，仿佛字母“W”精簡成為字母“V”。無線通信覆蓋常規(guī)應(yīng)用服務(wù)，有線通信保障特殊安全需求，天空、地面、人機多維一體化。天空架構(gòu)，主要指高軌衛(wèi)星或低軌衛(wèi)星及臨空設(shè)備等。地面架構(gòu)，主要指宏蜂窩、微蜂窩、皮蜂窩等。人機架構(gòu)，主要指能夠閱讀人體生物信號并且向機器傳遞指令的發(fā)送端和接收端等。衛(wèi)星與衛(wèi)星之間，選擇光波和X射線。地面與衛(wèi)星之間，開闊區(qū)域的地面基站之間，選擇微波。地面遠(yuǎn)程，廣播或?qū)Ш剑滋爝x擇短波，夜間選擇中波。海上或地下，選擇長波。城市建筑密集區(qū)域的地面基站之間，基站與發(fā)送端和接收端之間，晴朗天氣選擇微波和光波，揚沙天氣選擇太赫茲，雨霧天氣選擇長波、中波、短波等無線電波。漫游距離的發(fā)送端和接收端之間，需要衛(wèi)星或基站的介入，室外環(huán)境選擇各種頻段無線電波，室內(nèi)環(huán)境包括交通工具選擇毫米波和可見光。私密距離的發(fā)送端和接收端之間，不需要衛(wèi)星或基站的介入，社交或支付，選擇聲波。人體與機器之間，智能感知納米集成移動裝置，選擇太赫茲。通信過程無障礙變換，開啟或關(guān)閉信息共享模式，依托天地人一體化完成B5G或6G愿景。

3? 實現(xiàn)途徑

采取納米技術(shù)太赫茲頻段無線鏈路的人體傳感網(wǎng)絡(luò)（BSN），低功耗、高性能、微型化，跨越傳統(tǒng)禁忌把人類的身體納入技術(shù)框架有一定方向性參考作用[4]。處于頂端的通信事件是人腦與電腦的信息傳遞，現(xiàn)階段人工智能不具備真正智慧功能，唯一能夠進(jìn)行復(fù)雜性計算的系統(tǒng)是生物神經(jīng)[5]。盡管特定計算集成光量子硬件加速器每秒數(shù)萬億次乘法累加，用計算速度來衡量智慧程度，就像彭羅斯描述的皇帝新腦。數(shù)量碾壓不等于質(zhì)量優(yōu)化，機器偶爾擊敗人類在于迅速積累經(jīng)驗，不用考慮生命成本。依靠數(shù)據(jù)規(guī)模支撐準(zhǔn)確率，跳不出統(tǒng)計學(xué)的局限，相關(guān)基準(zhǔn)與現(xiàn)實世界存在系統(tǒng)性不一致[6]。若干算法遵循一種初始設(shè)定，訓(xùn)練和測試的數(shù)據(jù)歸屬同一特征空間及概率分布，這樣的設(shè)定對于不少場景其實不成立。為了糾正數(shù)據(jù)中一些錯誤，挖掘更多包含其他錯誤的數(shù)據(jù)，陷入無限循環(huán)計算坑洞。自然界找不到這樣不顧及成本的鏈條，技術(shù)應(yīng)用被迫進(jìn)行差異選擇來緩解數(shù)據(jù)規(guī)模的壓力。影響及負(fù)擔(dān)伴隨著社會多元需求滲透到每個角落，數(shù)據(jù)規(guī)模持續(xù)指數(shù)增加，迅速沖擊基礎(chǔ)器件，固態(tài)、磁性、光學(xué)等常規(guī)材料難以提供介質(zhì)支持。使用DNA合成進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，把文字、圖片、軟件等成功植入DNA，生物相容性材料取代半導(dǎo)體趨勢明顯。至關(guān)重要的難點不是介質(zhì)，生命體的信息具備物質(zhì)和能量的自然屬性，完全不同于計算機數(shù)據(jù)。由于感覺、認(rèn)知、情感等理解模式不一樣，輸入和輸出的機械連線無法避免環(huán)境隨機變化導(dǎo)致災(zāi)難性遺忘。DNA贏得進(jìn)化過程自然選擇，關(guān)鍵是穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。人類使用一組DNA指令[7]，不同細(xì)胞通過不同編碼DNA執(zhí)行不同功能，DNA作為開關(guān)調(diào)節(jié)基因活性水平。金屬有機框架（MOF）加入DNA堿基之一腺嘌呤（A），通過氫鍵作用捕獲DNA堿基之一胸腺嘧啶（T），MOF空腔A-T堿基對模擬DNA生物功能化[8]。遵循自然選擇這一準(zhǔn)則，參照生命方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，模仿神經(jīng)元突觸互相對接，各種類型的信息主體及通信載體有機會進(jìn)入同一信道。

4? 多維坐標(biāo)體系

從混沌到秩序觸碰一個認(rèn)知痛點，生命活動能量消耗違背熱力學(xué)第二定律，突破熵增加原理的基本邏輯。宏觀與微觀的非平衡復(fù)雜性耗散結(jié)構(gòu)，外部刺激與內(nèi)部器官的微弱信號傳感模型，這些奇妙融合通常不會來自統(tǒng)一的領(lǐng)域[9]。建立自然與人工的多維坐標(biāo)體系，估算事件之間因果關(guān)系，需要一組進(jìn)行量化判斷的工具變量。輻射電磁波無處不在，穿越若干光年宏觀尺度，微觀角落同樣散布著難以觀測的微弱信號。量子實驗結(jié)果顯示，退相位和擦除信道串聯(lián)，相干信息零容量閾值，多次復(fù)用信道與單次復(fù)用信道進(jìn)行比較，表現(xiàn)一種超可加性特征[10]。從信道容量角度證明，由于難以描述的隱變量，量子信道存在超出觀測條件的微弱信號。這一量子信息傳遞過程，多次與單次的差別是通信時間的疊加或不疊加，沒有其他不確定性因素。量子不是單一粒子，不具備電子的穩(wěn)定性，也不具備分子的準(zhǔn)確性。一個電子對應(yīng)一個量子，代表電子承載容量的非線性數(shù)量極限，不代表量子無法分割或?qū)傩酝陚?。光適合真空環(huán)境不需要介質(zhì)，實質(zhì)是刻意設(shè)定的歸納偏置。橫波振動方向不同，離不開切變彈性，要求介質(zhì)密度更緊湊，僅限于固態(tài)，比縱波減少液態(tài)和氣態(tài)。光是橫波，被固態(tài)巖石遮擋，在液態(tài)水里受限制，反而適應(yīng)稀疏松散的氣態(tài)環(huán)境。重點在于這些不是光的支持介質(zhì)，實際起到阻礙作用。這不說明光沒有介質(zhì)，只說明無法觀測，需要進(jìn)一步搜索光信號的真空載體及隱形鏈路。微波背景輻射幫助發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)和暗能量，約等于宣告絕對真空不存在。宇宙起源的理論及觀測，揭示現(xiàn)實世界三種元素，質(zhì)量、空間、時間。以光信號為例，洛倫茲變換的補充釋義及推導(dǎo)演化，如圖2所示，物質(zhì)和能量關(guān)聯(lián)著空間與時間的轉(zhuǎn)化。其中，h表示普朗克常數(shù)，c表示光速真空參數(shù)，m表示質(zhì)量損失，ν表示輻射電磁波頻率，Δx、Δy、Δz、Δt表示發(fā)送端和接收端的結(jié)構(gòu)狀態(tài)及運動過程。信息發(fā)生質(zhì)量損失，反映存在靜止質(zhì)量和運動質(zhì)量的基本屬性。對于同一通信場景，忽略介質(zhì)和鏈路調(diào)整，頻率ν和信道空間三維Δx、Δy、Δz穩(wěn)定不變，信息質(zhì)量損失m主要影響因素“時間立方”（Δt）3，適合作為一種工具變量。這個結(jié)果碰巧解釋一些現(xiàn)象，局域性或階段性的信息質(zhì)量損失制造特殊微弱信號，跟信道容量沒有直接聯(lián)系。相關(guān)其他學(xué)術(shù)成果零散分布，無法進(jìn)行完整而充分的對比分析，有一些疑點需要進(jìn)一步針對性實驗的證實和證偽。gzslib202204051113

5? 結(jié)? 論

迷信或排斥不是科學(xué)的方法，正如“愛因斯坦-波多爾斯基-羅森”（E-P-R）觀點，學(xué)術(shù)概念必須對應(yīng)客觀現(xiàn)實。以麥克斯韋預(yù)言電磁場波狀微擾為標(biāo)志性節(jié)點，超過絕對零度的事物逐一顯現(xiàn)輻射電磁波的屬性。在物質(zhì)和能量的海洋里，怎樣凌波微步從物理學(xué)層面或生物學(xué)層面定義信息與通信，沒有明確指引。根據(jù)自然選擇結(jié)果，基于洛倫茲變換的通信多維信息耗散工具變量，嘗試為未來技術(shù)框架提供一個支撐點。

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