基于洛倫茲變換的通信多維信息耗散工具變量研究

摘? 要：數字化徹底解決各種不方便，然而沒有擺脫采樣損傷導致冗余爆炸式膨脹。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節，適合選擇物理學層面和生物學層面搜索答案。圍繞天地人一體化實現途徑，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化，進一步填充電子技術和光學技術的鴻溝。

關鍵詞：工具變量;太赫茲鴻溝;非平衡復雜性;微弱信號;洛倫茲變換

中圖分類號：TN01? ? ? 文獻標識碼：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進一步發展[1]，信息與通信正在迎來新的機遇和新的挑戰。作為通信主體，信息的定義始終沒完成標準化，至少存在三種不同描述。自然信息，物理學和生物學的科學定義。數字信息，概率論與數理統計的數學定義。社會信息，既不是物質又不是能量的哲學定義。信息跟物質的關系，通信跟能量的關系，沒有物理量直接描述。信息論從熱力學借來熵函數表達式，二進制數字構筑通信系統模型，強化表象，弱化本質，致使從計算機引進的比特（BIT）沒資格列入國際單位制（SI）。缺失物理量這個關鍵環節是表象，之所以東拼西湊，本質是沒建立完整而充分的科學理論，做不到覆蓋信息全部屬性。關于信息論的質疑及爭議一直延續著，跟香農一起創立信息論的韋弗認為，信息論是眾多通信技術標準的其中一個。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范疇。控制論堪稱多學科范例，揭開表象針對本質，束縛于統計學思維，沒能夠體現關鍵性特征。復雜性科學進一步豐富系統論，耗散結構理論以發展的方式致敬經典，加入時間影響因素，從封閉狀態到開放過程，沒有針對性詮釋信息與通信的一般性定義。歸根結底，數學是科學的主要工具，不是超自然的圣經，學術概念不會以數學為核心。難題拆分若干部分逐一解決，學科方向細分固化，割斷技術之間相互關聯。現實世界是一個整體不至于完全隔離，可以考慮把相關的物質和能量集合在一起。相信存在尚未被發現的普遍性規律，如同相對論描述物理學或進化論描述生物學一樣。

1? 場景說明

5G正式名稱IMT-2020，也就是第五代移動通信。按照國際電信聯盟無線電通信局（ITU-R）慣例，每隔十年更新一代通信技術，奇數趨于升級，偶數趨于變化。未來十年，難免超越升級模式發生顛覆性變化。5G關鍵技術是稀疏碼多址，通過數據分層處理獲得速度。新型靈活同頻同時全雙工，緩沖鏈路消耗。規模多進多出系統（MIMO）直接增加基站天線配備，相同資源提供更多服務。緊湊型天線密度間隔距離不足，信道相關性容易制造導頻污染。5G使用毫米波提升帶寬，存在穿透能力弱的短板，鋼筋結構建筑會對信號產生屏蔽作用。建設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缺陷畢竟有悖于設計初衷。激光器和光學纖維的出現，幫助光通信進入光速發展階段。光是獨特的電磁波，高頻，寬帶，抗干擾，具備規模容量。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，通過非控制介質進行通信。FSO系統包括光發射機、空氣信道、光接收機，光學望遠鏡天線完成采集、傳遞、接收，全雙工轉換光信號和電信號。FSO混合射頻技術能夠一定程度穿透云霧，適用于固定點之間數公里高速率。達不到深度空間環境標準，鏈路的穩定性或準確性走不出風沙氣象影響的瓶頸。對于信息與通信，宏觀的電子和微觀的光學之間存在一個技術空隙，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。相當數量材料對于太赫茲呈現獨特吸收光譜，能夠識別隱藏物體。蛋白質、核酸、多糖等體細胞的振幅和頻率處于這一區間，能量及溫度比較低，不會傷害生物組織。太赫茲技術跟其他頻段的電信號或光信號更多有效連接，將會構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用全部通信場景，違背自然選擇結果。萬物互聯（IoE）推進5G與衛星通信一體化，針對這一深度融合設計一系列具體方案[3]。單純是天和地的互聯，技術框架實質屏蔽萬物之靈的人，難以逾越電子技術和光學技術的斷裂。概率論與數理統計的通信模型，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，介質和鏈路類似量子遠程傳態，仿佛字母“W”精簡成為字母“V”。無線通信覆蓋常規應用服務，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，主要指高軌衛星或低軌衛星及臨空設備等。地面架構，主要指宏蜂窩、微蜂窩、皮蜂窩等。人機架構，主要指能夠閱讀人體生物信號并且向機器傳遞指令的發送端和接收端等。衛星與衛星之間，選擇光波和X射線。地面與衛星之間，開闊區域的地面基站之間，選擇微波。地面遠程，廣播或導航，白天選擇短波，夜間選擇中波。海上或地下，選擇長波。城市建筑密集區域的地面基站之間，基站與發送端和接收端之間，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。漫游距離的發送端和接收端之間，需要衛星或基站的介入，室外環境選擇各種頻段無線電波，室內環境包括交通工具選擇毫米波和可見光。私密距離的發送端和接收端之間，不需要衛星或基站的介入，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? 實現途徑

采取納米技術太赫茲頻段無線鏈路的人體傳感網絡（BSN），低功耗、高性能、微型化，跨越傳統禁忌把人類的身體納入技術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，現階段人工智能不具備真正智慧功能，唯一能夠進行復雜性計算的系統是生物神經[5]。盡管特定計算集成光量子硬件加速器每秒數萬億次乘法累加，用計算速度來衡量智慧程度，就像彭羅斯描述的皇帝新腦。數量碾壓不等于質量優化，機器偶爾擊敗人類在于迅速積累經驗，不用考慮生命成本。依靠數據規模支撐準確率，跳不出統計學的局限，相關基準與現實世界存在系統性不一致[6]。若干算法遵循一種初始設定，訓練和測試的數據歸屬同一特征空間及概率分布，這樣的設定對于不少場景其實不成立。為了糾正數據中一些錯誤，挖掘更多包含其他錯誤的數據，陷入無限循環計算坑洞。自然界找不到這樣不顧及成本的鏈條，技術應用被迫進行差異選擇來緩解數據規模的壓力。影響及負擔伴隨著社會多元需求滲透到每個角落，數據規模持續指數增加，迅速沖擊基礎器件，固態、磁性、光學等常規材料難以提供介質支持。使用DNA合成進行數據存儲，把文字、圖片、軟件等成功植入DNA，生物相容性材料取代半導體趨勢明顯。至關重要的難點不是介質，生命體的信息具備物質和能量的自然屬性，完全不同于計算機數據。由于感覺、認知、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境隨機變化導致災難性遺忘。DNA贏得進化過程自然選擇，關鍵是穩定性和準確性。人類使用一組DNA指令[7]，不同細胞通過不同編碼DNA執行不同功能，DNA作為開關調節基因活性水平。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則，參照生命方式進行優化設計，模仿神經元突觸互相對接，各種類型的信息主體及通信載體有機會進入同一信道。

4? 多維坐標體系

從混沌到秩序觸碰一個認知痛點，生命活動能量消耗違背熱力學第二定律，突破熵增加原理的基本邏輯。宏觀與微觀的非平衡復雜性耗散結構，外部刺激與內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一的領域[9]。建立自然與人工的多維坐標體系，估算事件之間因果關系，需要一組進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。量子實驗結果顯示，退相位和擦除信道串聯，相干信息零容量閾值，多次復用信道與單次復用信道進行比較，表現一種超可加性特征[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，不具備電子的穩定性，也不具備分子的準確性。一個電子對應一個量子，代表電子承載容量的非線性數量極限，不代表量子無法分割或屬性完備。光適合真空環境不需要介質，實質是刻意設定的歸納偏置。橫波振動方向不同，離不開切變彈性，要求介質密度更緊湊，僅限于固態，比縱波減少液態和氣態。光是橫波，被固態巖石遮擋，在液態水里受限制，反而適應稀疏松散的氣態環境。重點在于這些不是光的支持介質，實際起到阻礙作用。這不說明光沒有介質，只說明無法觀測，需要進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現暗物質和暗能量，約等于宣告絕對真空不存在。宇宙起源的理論及觀測，揭示現實世界三種元素，質量、空間、時間。以光信號為例，洛倫茲變換的補充釋義及推導演化，如圖2所示，物質和能量關聯著空間與時間的轉化。其中，h表示普朗克常數，c表示光速真空參數，m表示質量損失，ν表示輻射電磁波頻率，Δx、Δy、Δz、Δt表示發送端和接收端的結構狀態及運動過程。信息發生質量損失，反映存在靜止質量和運動質量的基本屬性。對于同一通信場景，忽略介質和鏈路調整，頻率ν和信道空間三維Δx、Δy、Δz穩定不變，信息質量損失m主要影響因素“時間立方”（Δt）3，適合作為一種工具變量。這個結果碰巧解釋一些現象，局域性或階段性的信息質量損失制造特殊微弱信號，跟信道容量沒有直接聯系。相關其他學術成果零散分布，無法進行完整而充分的對比分析，有一些疑點需要進一步針對性實驗的證實和證偽。gzslib202204051113

5? 結? 論

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

參考文獻：

[1] DAHLMAN E，PARKVALL S，SK?LD J. 5G NR：The Next Generation Wireless Access Technology [M].Pittsburgh：Academic，2018.

[2] OHARA J F，EKIN S，CHOI W，et al. APerspectiveonTerahertz Next-GenerationWirelessCommunications[J].Technologies，2019，7（2）：43.

[3] LIOLIS K，GEURTZ A，SPERBER R，et al. Use Cases and Scenarios of 5G Integrated Satellite-Terrestrial Networks for Enhanced Mobile Broadband：The SaT5G Approach [J].International Journal of Satellite Communications and Networking，2019，37（2）：91-112.

[4] AFSANA F，ASIF-UR-RAHMAN M，AHMED M R，et al. An Energy Conserving Routing Scheme for Wireless Body Sensor Nanonetwork Communication [J].IEEE Access，2018，6：9186-9200.

[5] ULLMAN S. Using Neuroscience to Develop Artificial Intelligence [J].Science，2019，363（6428）：692-693.

[6] TSIPRAS D，SANTURKAR S，ENGSTROM L，et al. From ImageNet to Image Classification：Contextualizing Progress on Benchmarks [C]//International Conference on Machine Learning.Vienna，2020：9625-9635.

[7] SNYDER M P，GINGERAS T R，MOORE J E，et al. Perspectives on ENCODE [J].Nature，2020，583（7818）：693-698.

[8] ANDERSON S L，BOYD P G，GLADYSIAK A，et al. Nucleobase Pairing and Photodimerization in a Biologically Derived Metal-Organic Framework Nanoreactor [J].Nature Communications，2019，10（1）：1612.

[9] BALL P. Schr?dinger's Cat Among Biology's Pigeons：75 Years of What Is Life？ [J].Nature，2018，560（7720）：548-550.

[10] LEDITZKY F，LEUNG D，SMITH G. Dephrasure Channel and Superadditivity of Coherent Information [J/OL].Physical Review Letters，2018，121（16）：160501.[2021-06-08].https：//link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.121.160501.