劉有婷

如果5G技術(shù)會(huì)說話，它會(huì)告訴你它的到來將開啟一個(gè)怎樣的萬物互聯(lián)的世界。

早上醒來，家庭機(jī)器人已經(jīng)為你準(zhǔn)備好了所需的一切，預(yù)定的無人駕駛汽車也已準(zhǔn)點(diǎn)到達(dá)樓下；

上班途中，你可以愜意地坐在車?yán)铮蛳硎茉绮?，或閉目養(yǎng)神，或通過車載系統(tǒng)觀看新聞；

下班后，你走進(jìn)一家超市，選取好自己需要的食材走出超市時(shí)，超市已經(jīng)自動(dòng)刷臉付錢；

一天晚上，你去看一場(chǎng)演唱會(huì)，在人群中哪怕手機(jī)只有一兩格信號(hào)，你也可以毫無顧忌地傳送視頻，現(xiàn)場(chǎng)直播；

…………

而開啟這個(gè)未來世界的“密鑰”之一就是大規(guī)模MIMO技術(shù)。但大規(guī)模MIMO到底是什么？為什么它對(duì)5G的運(yùn)行如此重要？在未來的第六代移動(dòng)通信技術(shù)中，它是否還會(huì)揮發(fā)更大的作用？

帶著這些疑問，記者采訪了東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員尤力，從他的從業(yè)經(jīng)歷和研究工作中，也許可以找到這些問題的答案。

結(jié)緣MIMO，攻堅(jiān)克難

MIMO的全稱是multiple-input multiple-output，指的是多輸入多輸出技術(shù)。簡(jiǎn)單來說就是，利用多根收發(fā)天線實(shí)施無線通信的技術(shù)。20世紀(jì)90年代，貝爾實(shí)驗(yàn)室的學(xué)者對(duì)MIMO無線通信技術(shù)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。

與傳統(tǒng)單天線收發(fā)技術(shù)相比，MIMO技術(shù)對(duì)通信系統(tǒng)性能的改善體現(xiàn)在它可以提高無線通信的容量、有效對(duì)抗多徑衰落、降低干擾、提升無線傳輸?shù)目煽啃?。通常具備?shù)十甚至數(shù)百根天線的無線通信系統(tǒng)均可被稱為大規(guī)模MIMO系統(tǒng)。

尤力介紹說：“傳統(tǒng)的基站通常配置較小數(shù)量的天線，其無線通信性能難以滿足日益增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)需求。近年來，配備大規(guī)模天線陣列的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)得到了研究者們的廣泛關(guān)注。天線數(shù)量的增多在增強(qiáng)通信性能的同時(shí)，也會(huì)帶來系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度提升等問題，這些問題有待深入系統(tǒng)地研究?！?/p>

2012年，尤力進(jìn)入東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室攻讀博士學(xué)位，開始涉足大規(guī)模MIMO技術(shù)的研究。他的博士生導(dǎo)師是高西奇教授，在導(dǎo)師的帶領(lǐng)下，尤力開展了基于導(dǎo)頻復(fù)用的大規(guī)模MIMO無線傳輸理論方法研究。

在該項(xiàng)研究中，尤力在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，針對(duì)平衰落信道，提出了基于角度域?qū)ьl復(fù)用的大規(guī)模MIMO無線傳輸理論方法。從實(shí)際物理信道模型出發(fā)，尤力首先研究了空間相關(guān)瑞利衰落大規(guī)模MIMO信道特性，證明了大規(guī)模MIMO信道空間相關(guān)陣與信道角度功率譜之間的漸近關(guān)系，提出了角度域?qū)ьl復(fù)用大規(guī)模MIMO信道狀態(tài)信息獲取理論方法及相適應(yīng)的多用戶魯棒傳輸理論方法，能夠大幅降低導(dǎo)頻開銷，顯著提升系統(tǒng)凈頻譜效率，揭示了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中用戶間導(dǎo)頻復(fù)用的可行性和有效性。

“志當(dāng)存高遠(yuǎn)”。2014年，為了進(jìn)一步精進(jìn)自己的科研能力，在國(guó)家留學(xué)基金委資助和導(dǎo)師的支持下，尤力赴美國(guó)加州大學(xué)歐文分校開展寬帶大規(guī)模MIMO導(dǎo)頻設(shè)計(jì)的研究。在雙方導(dǎo)師的聯(lián)合指導(dǎo)下，尤力提出了一種基于角度時(shí)延域?qū)ьl復(fù)用的大規(guī)模MIMO-OFDM信道狀態(tài)信息獲取理論方法。證明了寬帶大規(guī)模MIMO信道空間頻率聯(lián)合相關(guān)陣和信道角度時(shí)延聯(lián)合功率譜之間的漸近關(guān)系。在典型移動(dòng)場(chǎng)景下，所提方法能夠顯著降低導(dǎo)頻開銷，進(jìn)而顯著提升系統(tǒng)凈頻譜效率，解決了寬帶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)信道狀態(tài)信息獲取瓶頸問題。

2015年，尤力結(jié)束了美國(guó)的聯(lián)合培養(yǎng)回到國(guó)內(nèi)。一年的留學(xué)經(jīng)歷在增強(qiáng)他的科研水平的同時(shí)，也極大地開拓了他的視野，讓他對(duì)國(guó)際上的研究情況有了一個(gè)更加清晰、客觀的認(rèn)識(shí)。當(dāng)時(shí)，中國(guó)的移動(dòng)通信發(fā)展水平相比歐美發(fā)達(dá)國(guó)家雖然還有些差距，但是中國(guó)也正在奮起直追，差距不斷在縮小。這個(gè)變化讓尤力對(duì)中國(guó)移動(dòng)通信的未來充滿信心，并立志在該領(lǐng)域繼續(xù)深耕，做出更多創(chuàng)新成果，助力中國(guó)通信事業(yè)的發(fā)展。

再接再厲，勇攀高峰

近些年，移動(dòng)業(yè)務(wù)的快速增長(zhǎng)和智能手機(jī)的使用為無線服務(wù)提供商克服全球帶寬短缺帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。作為支持4G系統(tǒng)中高數(shù)據(jù)速率的關(guān)鍵技術(shù)，MIMO可實(shí)現(xiàn)多流傳輸、高頻譜效率，改善鏈路質(zhì)量。但是，5G時(shí)代下，移動(dòng)寬帶通信容量需求急劇增長(zhǎng)，這要求該領(lǐng)域的研究人員探索新的無線傳輸技術(shù)。

傳統(tǒng)無線通信大多使用低頻頻譜。然而，低頻頻段主要集中在3GHz以下，這使得頻譜資源十分擁擠，因此研究者們開始探索將毫米波及太赫茲等高頻段頻譜資源應(yīng)用于蜂窩移動(dòng)通信。高頻段可用頻譜資源豐富，能夠有效緩解頻譜資源緊張的現(xiàn)狀，可以實(shí)現(xiàn)極高速短距離通信，支持容量和傳輸速率等方面的需求，受到了業(yè)界的高度關(guān)注。充裕的可用帶寬、小型化的天線和設(shè)備等是高頻段毫米波/太赫茲移動(dòng)通信的主要優(yōu)點(diǎn)，但也存在傳輸距離短、穿透和繞射能力差、容易受氣候環(huán)境影響等缺點(diǎn)。

另外，在同樣的移動(dòng)速度下，由于載頻的提升，毫米波/太赫茲無線信道的多普勒擴(kuò)展遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)頻段上無線信道的多普勒擴(kuò)展，因而其信道狀態(tài)信息獲取和無線傳輸設(shè)計(jì)將變得更為困難，有待全面系統(tǒng)地探討。對(duì)此，尤力針對(duì)毫米波/太赫茲大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，提出了基于逐波束時(shí)頻同步的波束分多址傳輸理論方法。

以大規(guī)模MIMO波束域物理信道模型為出發(fā)點(diǎn)，通過不斷深入的研究，尤力證明了大規(guī)模MIMO波束域信道元素的包絡(luò)趨向于不隨時(shí)間和頻率起伏，進(jìn)而提出了一種逐波束時(shí)頻同步方法。他從理論上證明了與傳統(tǒng)的天線域同步相比，該逐波束同步方法能夠同時(shí)縮減寬帶大規(guī)模MIMO信道的等效時(shí)延擴(kuò)展和多普勒頻率擴(kuò)展，且縮減因子近似等于用戶端配備的天線數(shù)目。

進(jìn)一步地，尤力將所提出的逐波束同步方法應(yīng)用于大規(guī)模MIMO波束分多址傳輸，研究了基站側(cè)與用戶端射頻鏈路數(shù)目受限情形下的波束調(diào)度問題，并提出了一種基于波束域信道統(tǒng)計(jì)特征的低復(fù)雜度波束調(diào)度算法。他所提出的逐波束同步方法能夠顯著降低波束域信道的多徑效應(yīng)和多普勒效應(yīng)，提升導(dǎo)頻復(fù)用信道估計(jì)性能和無線傳輸性能，解決了中高速移動(dòng)場(chǎng)景毫米波/太赫茲無線通信問題。

至此，尤力在博士期間的研究工作告一段落。立足于博士階段的研究成果，他申請(qǐng)了“基于導(dǎo)頻復(fù)用的大規(guī)模MIMO無線通信方法”等一系列發(fā)明專利，并獲得了多項(xiàng)PCT專利和國(guó)內(nèi)專利的授權(quán)。在華為合作框架等的支持下，相關(guān)研究方案得到了原型驗(yàn)證，其中，導(dǎo)頻復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用落地工作也已開展并正在穩(wěn)步推進(jìn)當(dāng)中。值得一提的是，由于博士期間的科研工作十分出色，尤力還獲得了2017年度中國(guó)通信學(xué)會(huì)優(yōu)秀博士學(xué)位論文的榮譽(yù)。

博士畢業(yè)后，尤力留校任教。東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是國(guó)內(nèi)高校中唯一專門從事移動(dòng)通信研究的國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，不管是在科學(xué)研究，還是在專門人才培養(yǎng)方面都成績(jī)斐然，目前已成為在國(guó)內(nèi)外影響力較大的移動(dòng)通信科研機(jī)構(gòu)。立足于這樣一個(gè)走在前沿、實(shí)力雄厚的平臺(tái)，尤力希望自己能做出更多成果，實(shí)現(xiàn)更大的個(gè)人價(jià)值。

他說：“現(xiàn)代人已經(jīng)離不開手機(jī)和網(wǎng)絡(luò)了?？梢哉f，移動(dòng)通信技術(shù)是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的支柱之一，對(duì)國(guó)計(jì)民生至關(guān)重要。伴隨著5G的大規(guī)模商用，以及未來第六代移動(dòng)通信研究的展開，一定會(huì)不斷出現(xiàn)新技術(shù)、新問題、新挑戰(zhàn)。對(duì)此，我們將不斷深入研究，接受新挑戰(zhàn)，解決新問題?！?/p>

頂天立地，劍指國(guó)需

隨著5G時(shí)代的到來及第六代移動(dòng)通信技術(shù)研究工作的展開，中國(guó)在全球移動(dòng)通信舞臺(tái)上已進(jìn)入領(lǐng)先者行列。中國(guó)移動(dòng)通信行業(yè)從無到有，從弱到強(qiáng)，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)，不斷推動(dòng)著國(guó)人視野、發(fā)展觀念、產(chǎn)業(yè)實(shí)力、大眾生活乃至整個(gè)社會(huì)運(yùn)行方式的改變。尤力表示：“從事移動(dòng)通信領(lǐng)域的工作，個(gè)人追求肯定要融入國(guó)家追求當(dāng)中，始終要與國(guó)家的需求同行，所以我們一定要做出真正能夠應(yīng)用的東西才行?！?/p>

在中國(guó)通信學(xué)會(huì)青年人才托舉計(jì)劃的支持下，結(jié)合國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，尤力依托課題組所承擔(dān)的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目，開展了5G之后移動(dòng)通信物理層基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)的研究。

為滿足巨流量的技術(shù)需求，利用大規(guī)模及超大規(guī)模的天線配置，基站可以同大量用戶在同一時(shí)頻資源上利用空間維度資源同時(shí)進(jìn)行通信。傳統(tǒng)的多用戶空時(shí)無線通信理論與技術(shù)依賴于收發(fā)端精確的信道信息假設(shè)，而隨著天線單元數(shù)的大幅增加，在各種典型頻段和移動(dòng)場(chǎng)景下，這一條件將難以滿足，且系統(tǒng)復(fù)雜性呈多次冪增加，進(jìn)而在信息理論、傳輸理論與技術(shù)、計(jì)算理論與技術(shù)等方面提出新的挑戰(zhàn)，大維空時(shí)無線通信成為大規(guī)模無線通信的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題之一。

在單位平臺(tái)和前期研究工作的基礎(chǔ)上，面向全頻段全場(chǎng)景大規(guī)模無線移動(dòng)通信系統(tǒng)構(gòu)建，尤力將系統(tǒng)深入地拓展大規(guī)?？諘r(shí)無線通信研究，探索完善典型場(chǎng)景、典型頻段下具有普適性的大規(guī)?？諘r(shí)無線通信技術(shù)，以期形成具有標(biāo)志性的源頭創(chuàng)新成果。

東南大學(xué)信息科學(xué)工程學(xué)院前身為南京工學(xué)院無線電工程系，其悠久厚重的歷史可追溯至1923年的國(guó)立東南大學(xué)電機(jī)工程系。1932年，陳章先生來到該系任教，開創(chuàng)了我國(guó)無線電教育之先河。之后，一代代科學(xué)家為我國(guó)移動(dòng)通信技術(shù)的歷次升級(jí)換代均做出了突出貢獻(xiàn)。這些前輩的事跡深深感染和激勵(lì)著尤力，讓他在通信科研路上越走越堅(jiān)定。

為傳承和發(fā)揚(yáng)先輩們的精神，尤力更是投身科研團(tuán)隊(duì)建設(shè)和研究生培養(yǎng)。對(duì)于學(xué)生的培養(yǎng)，尤力強(qiáng)調(diào)要因材施教?！艾F(xiàn)在的學(xué)生很聰穎，想法也很多。每個(gè)人身上都有不同的特質(zhì)，每個(gè)人也有不同的目標(biāo)，所以在幫助他們的過程中要靈活一些，根據(jù)他們的情況適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行引導(dǎo)?！辈贿^，在尤力看來，他與學(xué)生的關(guān)系是互相幫助、共同成長(zhǎng)的。《禮記》云：“學(xué)然后知不足，教然后知困。知不足，然后能自反也；知困，然后能自強(qiáng)也。故曰教學(xué)相長(zhǎng)也。”他在幫助學(xué)生的同時(shí)，學(xué)生們也在助力他的成長(zhǎng)。無論是在研究工作中，還是在生活中，尤力都十分關(guān)心學(xué)生。他說：“雖然他們都是成年人了，但是畢竟還是學(xué)生，所以各方面都需要照顧一點(diǎn)。培養(yǎng)出積極向上、有能力、有擔(dān)當(dāng)?shù)膶W(xué)生也是為國(guó)家做貢獻(xiàn)。作為老師，我肯定希望他們做頂天立地的人，頂天立地的事?！?/p>

“頂天”是指瞄準(zhǔn)前沿，“立地”是指服務(wù)國(guó)需。移動(dòng)通信技術(shù)連接著現(xiàn)在與未來，深深影響著國(guó)家發(fā)展和人民生活。站在信息時(shí)代的潮頭，以尤力為代表的青年科研工作者們正“乘長(zhǎng)風(fēng)破萬里浪”。擁抱變革，推動(dòng)發(fā)展，迎接未來，是尤力正在做的事，也是他將要做的事。此時(shí)，他正青春。