劉有婷
尤力博士畢業(yè)留影
如果5G技術(shù)會(huì)說(shuō)話,它會(huì)告訴你它的到來(lái)將開(kāi)啟一個(gè)怎樣的萬(wàn)物互聯(lián)的世界。
早上醒來(lái),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(wú)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(guò)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(wú)顧忌地傳送視頻,現(xiàn)場(chǎng)直播;
…………
而開(kāi)啟這個(gè)未來(lái)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(lái)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(wèn),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(wèn)題的答案。
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(lái)說(shuō)就是,利用多根收發(fā)天線實(shí)施無(wú)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(wú)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(wú)線通信的容量、有效對(duì)抗多徑衰落、降低干擾、提升無(wú)線傳輸?shù)目煽啃?。通常具備?shù)十甚至數(shù)百根天線的無(wú)線通信系統(tǒng)均可被稱為大規(guī)模MIMO系統(tǒng)。
尤力介紹說(shuō):“傳統(tǒng)的基站通常配置較小數(shù)量的天線,其無(wú)線通信性能難以滿足日益增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)需求。近年來(lái),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(lái)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度提升等問(wèn)題,這些問(wèn)題有待深入系統(tǒng)地研究。”
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(kāi)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(kāi)展了基于導(dǎo)頻復(fù)用的大規(guī)模MIMO無(wú)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(wú)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(wèn)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(kāi)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(lái)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。
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(wú)線服務(wù)提供商克服全球帶寬短缺帶來(lái)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(wú)線傳輸技術(shù)。
傳統(tǒng)無(wú)線通信大多使用低頻頻譜。然而,低頻頻段主要集中在3G H z以下,這使得頻譜資源十分擁擠,因此研究者們開(kāi)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(wú)線信道的多普勒擴(kuò)展遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)頻段上無(wú)線信道的多普勒擴(kuò)展,因而其信道狀態(tài)信息獲取和無(wú)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(guò)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(wèn)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(wú)線傳輸性能,解決了中高速移動(dòng)場(chǎng)景毫米波/太赫茲無(wú)線通信問(wèn)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(wú)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(kāi)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。
在法國(guó)巴黎參加2017年度國(guó)際通信會(huì)議
他說(shuō):“現(xiàn)代人已經(jīng)離不開(kāi)手機(jī)和網(wǎng)絡(luò)了??梢哉f(shuō),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(lái)第六代移動(dòng)通信研究的展開(kāi),一定會(huì)不斷出現(xiàn)新技術(shù)、新問(wèn)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(wèn)題。”
隨著5G時(shí)代的到來(lái)及第六代移動(dòng)通信技術(shù)研究工作的展開(kāi),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(wú)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。”
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(kāi)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(wú)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(wú)線通信成為大規(guī)模無(wú)線通信的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問(wèn)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(wú)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)模空時(shí)無(wú)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(wú)線通信技術(shù),以期形成具有標(biāo)志性的源頭創(chuàng)新成果。
與擔(dān)任班主任的班級(jí)同學(xué)畢業(yè)合影
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(wú)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(lái)到該系任教,開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)無(wú)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(guò)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^(guò),在尤力看來(lái),他與學(xué)生的關(guān)系是互相幫助、共同成長(zhǎng)的?!抖Y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(wú)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(shuō):“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。”
“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(lái),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(wàn)里浪”。擁抱變革,推動(dòng)發(fā)展,迎接未來(lái),是尤力正在做的事,也是他將要做的事。此時(shí),他正青春。