以下内容学习、摘录自《数学之美》
说起安德鲁.维特比( Andrew Viterbi),通信行业之外的人可能知道他的并不多,但可以毫不夸张地讲,维特比是对我们今天的生活影响力最大的科学家之一,因为基于CDMA的3G移动通信标准主要就是他和厄文.雅各布( Irwin Mark Jacobs)创办的高通公司( Qualcomm)制定的,并且高通公司在4G时代依然引领移动通信的发展。
科学家的维特比得以成名的算法——维特比算法( Viterbi Algorithm)是一个特殊但应用最广的动态规划算法。利用动态规划,可以解决任何一个图中的最短路径问题。而维特比算法是针对一个特殊的图—篱笆网络( Lattice)的有向图最短路径问题而提出的。它之所以重要,是因为凡是使用隐含马尔可夫模型描述的问题都可以用它来解码,包括今天的数字通信、语音识别、机器翻译、拼音转汉字、分词等。
维特比算法是现代数字通信中最常用的算法,同时也是很多自然语言处理采用的解码算法。凭借这个算法,维特比奠定了他在数字通信中不可替代的地位。但是,维特比并不满足于停留在算法本身,而是努力将它推广出去。为此,维特比做了两件事:首先,他放弃了这个算法的专利;第二,他和雅各布博士一起在1968年创办了Lin kabit公司,将这个算法做成芯片,卖给其他通信公司。
自从苹果推出 iphone,3G手机和移动互联网就成为科技界和工业界的热点话题。这里面最关键的通信技术就是码分多址(CDMA)技术。对CDMA技术的发明和普及贡献最大的有两个人——奥匈帝国出生、美籍犹太裔的海蒂.拉玛尔( Hedy Lamarr)和维特比。
海蒂.拉玛尔拉玛尔被誉为史上最美丽的科学家,其实她的主要职业是演员,通信调频技术的发明是她的副业。拉玛尔从小(10岁)学习舞蹈和钢琴,并因此进入了演艺界。拉玛尔在演奏钢琴时,想到用钢琴不同键所发出的不同频率来对信号进行加密,并和她的邻居、作曲家乔治.安泰尔( GeorgeAntheil)一道发明了一种称为“保密通信系统”的调频通信技术。在这种技术中,通信信号的载波频率是快速跳变的,只要发送方和接收方事先约定列(一般是一个伪随机数序列)即可。想截获信息的人因为不知道这个序列而无能为力。这种调频技术就是今天的码分多址(CDMA)的前身。
在CDMA以前,移动通信使用过两种技术:频分多址(FDMA)和时分多址(TDMA)。
频分多址(FDMA)顾名思义,是对频率进行切分,每一路通信使用一个不同的频率,对讲机采用的就是这个原理。由于相邻频率会互相干扰,因此每个信道要有足够的带宽。如果用户数量增加,总带宽就必须增加。我们知道空中的频带资源是有限的,因此要么必须限制通信人数,要么降低话音质量。
时分多址(TDMA)是将同一频带按时间分成很多份。每个人的(语音)通信数据在压缩后只占用这个频带传输的1/N时间,这样同一个频带可以被多个人同时使用。第二代移动通信的标准都是基于TDMA的。
扩频传输对频带的利用率比固定频率传输更高,因此,如果把很多细分的频带合在一起,很多路信息同时传输,那么应该可以提高带宽的利用率,这样就可以增加用户的数量,或者当用户数量不变时,提高每个用户的传输速度。当然,读者可能会有个问题:如果一个发送者占用了很多频带,那么有一多个发送者同时发射岂不打架了?没关系,每个发送者有不同的密码接收者在接到不同信号时,通过密码过滤掉自己无法解码的信号,留下和自己密码对应的信号即可,由于这种方法是根据不同的密码区分发送的,因此称为码分多址(CDMA)。
码分多址传输方式是在一个较宽的扩展频带上进行的,因此它称为扩频传输( Spread- Spectrum Transmission)。和固定频率的传输相比,它有三点明显的好处:1.它的抗干扰能力极强;2.扩频传输的信号很难被截获;3.扩频传输利用带宽更充分。
具体到CDMA本身,很大程度上归功于维特比的贡献。将CDMA技术用于移动通信的是高通公司。从1985年到1995年,高通公司制定和完善了CDMA的通信标准CDMA1,并于2000年发布了世界上第一个主导行业的3G通信标准CDMA2000,后来又和欧洲、日本的通信公司一同制定了世界上第二个3G标准 WCDMA。2007年,维特比作为数学家和计算机科学家,被授予美国科技界最高成就奖一国家科学奖。
或许是因为维特比极强的技术背景,高通公司完全是纯技术基因。虽然高通公司是今天世界上最大的3G手机处理器厂商同时也是市值最大的半导体公司,但是它并没有半导体的制造,只有研发和设计,而它的很大一部分利润来自于专利费。
世界上绝大多数科学家最大的满足就是自己的研究成果得到同行的认可,如果能有应用就更是喜出望外了。而能够亲自将这些成就应用到实际中的人少之又少,因为做到这一点对科学家来讲很不容易。这样的科学家包括RISC的发明人亨利西和DSL之父查菲等人。这些人已经非常了不起了,但也只是做了一个行业中他们擅长的部分,而不是从头到尾完成一次革命。而维特比所做的远远超出了这一点,他不仅提供了关键性的发明,而且为了保障其效益在全社会得到最大化,他解决了所有配套的技术。所有试图另辟蹊径的公司都发现,高通公司的标准怎么也绕不开,因为高通已经把能想到的事情都想到了。
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