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專網(wǎng)通信存在困擾業(yè)界的三大共性技術(shù)難題，也被稱為“三座大山”。周婷團(tuán)隊(duì)一直在想辦法攻克它們。圖片來源：視覺中國

■本報(bào)記者 秦志偉

海域通信被稱為空天地海一體化戰(zhàn)略的最后一塊“拼圖”，是垂直行業(yè)專網(wǎng)無線通信應(yīng)用場景之一。這些年來，越來越多的海上作業(yè)客戶找到中國科學(xué)院上海高等研究院（以下簡稱上海高等院）研究員周婷，希望她及其團(tuán)隊(duì)能夠幫忙打通海域?qū)＞W(wǎng)覆蓋廣度與通信帶寬難以兼得的技術(shù)瓶頸。

之所以有越來越多的人找到周婷，是因?yàn)樗蛨F(tuán)隊(duì)對專網(wǎng)通信領(lǐng)域所面臨的“三座大山”很熟悉，并且一直在想辦法攻克它們。

功夫不負(fù)有心人。周婷帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)最終成功翻越“三座大山”，不僅解決了海上作業(yè)客戶的“頭疼病”，還將相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于其他垂直行業(yè)，實(shí)現(xiàn)特定領(lǐng)域?qū)＞W(wǎng)通信技術(shù)的跨越式發(fā)展。但這一翻越并不容易——他們走了10余年的艱苦之路。

在上海市近日公布的2020年度科學(xué)技術(shù)獎名單中，周婷團(tuán)隊(duì)的研究成果成功入圍技術(shù)發(fā)明獎一等獎。

“三座大山”一直在

過去的半個多世紀(jì)，包括電纜和光纜等有線通信以及1G到6G的移動通信在內(nèi)的現(xiàn)代通信技術(shù)層出不窮、迅速發(fā)展，廣泛應(yīng)用在人類社會的各行各業(yè)，成為社會信息化變革的重要支撐。

然而，現(xiàn)代通信技術(shù)的應(yīng)用主要局限于陸地場景，在海洋上的應(yīng)用和拓展不足，導(dǎo)致海洋通信的發(fā)展與陸地通信相比明顯滯后。

中國工程院院士、中國電子科技集團(tuán)有限公司首席科學(xué)家陸軍等人將主要原因歸于兩點(diǎn)，一是21世紀(jì)前人類尚未開始對海洋的大規(guī)模開發(fā)利用，海洋上的人類活動有限，對通信網(wǎng)絡(luò)的需求遠(yuǎn)不如陸地場景；二是在海洋上部署基礎(chǔ)通信設(shè)施時設(shè)備選址受限、氣象狀況多變、海水運(yùn)動頻繁等復(fù)雜的環(huán)境因素給通信網(wǎng)絡(luò)的部署和維護(hù)帶來巨大挑戰(zhàn)。

近年來，我國海洋活動愈發(fā)頻繁，海洋業(yè)務(wù)種類愈發(fā)多樣，海上運(yùn)輸、海洋漁業(yè)、氣象監(jiān)測、油氣開采及海洋勘探等業(yè)務(wù)都在向更高效、更安全、更便捷的目標(biāo)發(fā)展，全覆蓋、高質(zhì)量的海洋通信網(wǎng)絡(luò)需求增加。

周婷向《中國科學(xué)報(bào)》介紹，目前陸地蜂窩網(wǎng)通信技術(shù)的速率、時延等網(wǎng)絡(luò)性能基本上可以滿足沿岸海事活動的需求，但單區(qū)覆蓋最多十幾公里；衛(wèi)星通信覆蓋廣，但帶寬有限且成本高。

于是，周婷團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)了廣域?qū)拵＞W(wǎng)通信，這是目前蜂窩網(wǎng)與衛(wèi)星通信所無法支持的范疇。

然而，專網(wǎng)通信存在困擾業(yè)界的三大共性技術(shù)難題，也被稱為“三座大山”。周婷介紹，一是跨海域無線通信環(huán)境復(fù)雜，大氣波導(dǎo)突發(fā)性干擾影響可靠性；二是專網(wǎng)通信頻譜資源受限，難以同時滿足海量信息可靠傳輸與時延保障需求；三是專網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施資源有限，突發(fā)事件導(dǎo)致高可靠保障需求與布網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施成本之間存在矛盾。這“三座大山”因?yàn)楹Ｑ螵?dú)特的自然條件而一直存在。

“三座大山”擺在眼前，周婷團(tuán)隊(duì)沒有退路，只能逐一攻克。“每走一步，都需要理論與技術(shù)的突破創(chuàng)新?！敝苕谜f。

“三對三”，成功翻越

應(yīng)對由氣象、地形因素造成的大氣波導(dǎo)超遠(yuǎn)距無線信號干擾，是周婷團(tuán)隊(duì)必須要邁出的重要一步。

“過去的電磁波雙向拋物方程推導(dǎo)都是采用實(shí)數(shù)折射率，只表征了大氣對電磁波的限獲，且與實(shí)際存在一定誤差?！敝苕媒榻B，實(shí)際上，大氣波導(dǎo)對電磁波除了具有限獲效應(yīng)外，還存在水氣等引起的吸收效應(yīng)?！邦l段越高吸收效應(yīng)越強(qiáng)，模型的誤差越大，所以原有模型只能支持到20GHz。”

研究人員還發(fā)現(xiàn)，即使在低頻段，隨著拋物方程推演的距離逐漸增加，在誤差積累一定程度后也不再準(zhǔn)確。

在國際上，公認(rèn)的大氣中電波傳播拋物方程建模平臺PETOOL支持800M至20G頻段，實(shí)測驗(yàn)證距離160公里?！拔覀兊乃悸肥翘岢鲭姶挪◤?fù)數(shù)折射率，更精準(zhǔn)刻畫大氣折射與吸收效應(yīng)，將適用頻段拓展至100G，創(chuàng)建海陸多種地表形態(tài)模型，支持海陸多場景，最終使首次試驗(yàn)驗(yàn)證距離達(dá)到253公里。”周婷說。

這是周婷團(tuán)隊(duì)第一個主要技術(shù)發(fā)明點(diǎn)，即建立了超遠(yuǎn)距無線干擾建模技術(shù)。

接下來，他們要攻克專網(wǎng)現(xiàn)有通信范式難以同時滿足廣域和寬帶“雙高”需求的難題?！皞鹘y(tǒng)中繼要么放大轉(zhuǎn)發(fā)，但放大信號的同時也放大了噪聲和干擾；要么譯碼轉(zhuǎn)發(fā)，但萬一發(fā)生誤判將導(dǎo)致差錯傳播?！敝苕媒忉尩馈?/p>

周婷團(tuán)隊(duì)不得不重新設(shè)計(jì)。他們反復(fù)試驗(yàn)、對比，最終建立了高可靠時延保障中繼技術(shù)。而這也是周婷團(tuán)隊(duì)第二個主要技術(shù)發(fā)明點(diǎn)。

第三個主要技術(shù)發(fā)明點(diǎn)是他們建立的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡能效優(yōu)化技術(shù)。在這一過程中，研究人員在國際上首次提出基于空間投影約束的聯(lián)合用戶配對和功率分配方法。

“第一和第二個主要技術(shù)發(fā)明點(diǎn)是解決廣域?qū)拵＞W(wǎng)通信‘能不能’的問題,而第三個主要技術(shù)發(fā)明點(diǎn)解決的是網(wǎng)絡(luò)全局性能怎么更優(yōu)、效率怎么更高的問題?！鄙虾８叩仍貉芯繂T胡宏林介紹道。

不過他也指出，第三主要技術(shù)發(fā)明點(diǎn)雖然不是廣域?qū)拵У谋匾夹g(shù)，但考慮到資源總是稀缺的，因此廣域?qū)拵Р粌H要能用，還要用得更高效、全局更優(yōu)。同時該技術(shù)發(fā)明點(diǎn)是通信網(wǎng)絡(luò)的共性技術(shù)，能夠適用不同特定場景的專網(wǎng)通信。

周婷坦言，這樣的技術(shù)突破并不是集中攻關(guān)四五年就能攻克的。他們每走一步，都會遇到遍地荊棘。

幸運(yùn)的是，周婷和團(tuán)隊(duì)成員并沒有被困難嚇倒。她特別感謝中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會在關(guān)鍵時刻給予自己這名80后青年科學(xué)工作者的“第一桶金”，隨后她帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)陸續(xù)得到國家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、上海市科技創(chuàng)新行動計(jì)劃、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)等項(xiàng)目的支持。

應(yīng)用范圍并不“?！?/strong>

周婷團(tuán)隊(duì)技術(shù)成果目前已在黃渤海等海域有所應(yīng)用。例如，在大連和煙臺分別部署超遠(yuǎn)距基站，再加上船只上的中繼系統(tǒng)，最終形成局部海域的專用無線通信系統(tǒng)，滿足相關(guān)部門對海域船只的實(shí)時視頻監(jiān)控需求。

但周婷團(tuán)隊(duì)并不只專注于海域通信，還牽頭制定上海市經(jīng)濟(jì)和信息化委員會發(fā)布的《新型城域物聯(lián)專網(wǎng)建設(shè)導(dǎo)則》。上海東方明珠數(shù)字電視有限公司技術(shù)總監(jiān)王斌介紹，周婷團(tuán)隊(duì)針對不同場景，就頻譜資源、傳輸速率和功耗要求，參考現(xiàn)有先進(jìn)技術(shù)，制定了具體的技術(shù)指標(biāo)。

“第三個主要技術(shù)發(fā)明點(diǎn)的頻譜共享技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在原有廣電雙向網(wǎng)基礎(chǔ)上再部署新型城域物聯(lián)專網(wǎng)，使得異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)共享頻譜、負(fù)載均衡、互不干擾，物聯(lián)終端的能耗90%以上用于傳輸?！敝苕谜f。

此外，正是該技術(shù)發(fā)明點(diǎn)的能效優(yōu)化技術(shù)在不改變終端硬件的情況下，降低傳輸所需功耗，延長終端使用壽命，得到了上海普陀、楊浦、虹口等管理部門的肯定。

以普陀區(qū)為例，該區(qū)在城域物聯(lián)專網(wǎng)建設(shè)中采用周婷團(tuán)隊(duì)的技術(shù)，用于支持小區(qū)非機(jī)動車車庫的電弧傳感器、非機(jī)動車充電樁、人臉門禁、微信開門、煙感、攝像頭等感知設(shè)備有效接入中樞管理平臺。據(jù)悉，目前終端總接入量超過60%，平均能耗比原有設(shè)備節(jié)約15%左右，既實(shí)現(xiàn)了車庫的無人值守和精準(zhǔn)管理，也有效解決了電瓶車樓道充電的頑疾。

“無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展和無線網(wǎng)絡(luò)的不斷演進(jìn)，決定了我們研發(fā)的專網(wǎng)無線通信關(guān)鍵技術(shù)也需要不斷演進(jìn)增強(qiáng)?！敝苕帽硎荆S著5G的全球部署以及6G在技術(shù)與用戶需求上的發(fā)展趨勢，他們在6G時代將面臨新的技術(shù)難點(diǎn)與挑戰(zhàn)，如新型網(wǎng)絡(luò)尋址生態(tài)的發(fā)展需求、空天地海一體化戰(zhàn)略下的復(fù)雜通信環(huán)境適應(yīng)需求等。而這也是周婷團(tuán)隊(duì)下一步要攻克的。

《中國科學(xué)報(bào)》 (2021-06-10 第3版 信息技術(shù))


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