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让通信走向绿色未来

来源:  发布时间:2021-03-02

  
——记华南理工大学电子与信息学院教授唐杰
  
刘有婷

  
  
  从电报到电话,从BP机到大哥大,从模拟机到智能机,从铜线到光纤,从1G到5G,从电脑上网到手机冲浪……通信技术的发展促使人们的生活发生了翻天覆地的变化。
  随着通信技术的新旧更替,通信行业的发展面临着越来越多的难题。其中,提高整网运行效率和能源利用效率,实现节能减排,是5G通信时代最受关注的议题之一,同时也是华南理工大学电子与信息学院教授唐杰的主要研究方向。跨入移动通信领域的这些年来,他在异构网络、无线携能通信、无人机通信等方面进行了广泛而深入的探索,在实现绿色通信的可持续发展道路上留下了自己的足迹。
  
尊师疾学,厚积薄发
  进入21世纪后,中国的通信行业开始步入飞速发展的时代。2004年,唐杰通过高考后进入华南理工大学学习信息工程专业。他于大三下半学期就进入了学院的实验室开始从事指纹识别的相关研究,由此开启了他的科研梦。
  刚开始,唐杰并不了解科研的真谛,也不知道自己在科研这条路上该怎样走。于是,他找到负责指导他毕业设计的林土胜老师诉说了自己的迷茫。林土胜老师以讲故事的方式,为他解说了读书、考试、做题和做研究的区别,让他对科学研究有了一个初步的了解。
  他回忆说:“我的指导老师跟我说,做研究是探索一个可能没有答案,或者说可能不止有一个答案的问题。这个答案,你要自己找,即便找到了也不能立马知道它对不对,还要用一些方法、经验和工具等来验证它是否行得通。这个摸索的过程需要恒心和耐心,还需要抛弃功利心。”这些话在唐杰之后的科研生涯中一直指引并警醒着他。
  2008年,唐杰放弃了保送研究生的机会,前往英国布里斯托大学学习无线通信及信号处理。英国布里斯托大学是一所英国老牌名校,在这里唐杰度过了充实的一年硕士时光,其间他研究了高能效的多天线通信系统,成功做出了一个较大的仿真平台,且整体效果良好。硕士毕业时,他拿到了项目研究第一的优异成绩,并获得了德州仪器最佳项目奖。凭借这个奖项,唐杰又申请了英国拉夫堡大学的博士,师从信号处理领域的著名科学家、英国皇家工程院院士Jonathon Chambers教授。
  “Jonathon Chambers教授在信号处理领域很厉害,我特别欣赏他”,这也是唐杰前往英国拉夫堡大学的主要原因。在博士3年的时间里,唐杰主要从事信号处理领域的相关工作,这对数学功底的要求很高,所以在攻读博士的前半年中,唐杰一直在补习相关的数学知识,不断夯实自己的数学基础。
  与此同时,在同团队中,一些不同研究方向的学生很快就发表了会议论文。虽然只是会议论文,但是对于刚刚起步的年轻科研者却有着很大的鼓舞意义。看着身边的同学已经有了成果,而自己还在“打地基”,焦虑很快漫上了唐杰的心头。
  他问导师:“是不是我的能力太差了?别人已经在发表论文了,而我还在学习。”导师回复他:“研究工作不能只以发表论文作为评价标准,你就扎扎实实地按照自己的规划去推进,前期的准备工作越扎实、越具体,后期的研究工作才会越得心应手”。按照Jonathon Chambers教授的教导,唐杰继续一步一个脚印地去努力。果然,功夫不负有心人,当他学习到第7个月时,已经可以很顺利地参与到无线通信的研究工作当中;第10个月时,他完成了自己的第一篇SCI论文,他也因此成为该团队同年级博士生中第一个完成SCI论文的人。不久之后,他又在无线通信领域顶级期刊上发表了自己的第二篇论文。
  这些经历对唐杰的影响是巨大的,在他成长为博士生导师,并开始组建自己的团队时,他也要求自己团队中的学生先打好基础,再进行实践。他形象地比喻道:“就像华山论剑不是有气宗和剑宗吗?在我这里,肯定要先修炼好气宗,把‘武功心绝’学扎实,再练招式。”
  
科研攻坚,孜孜不倦
  2013年,唐杰结束了自己的学生生涯后,被英国曼彻斯特大学电气及电子工程学院聘为博士后副研究员。在这里,他负责了英国工程与自然科学研究理事会项目“Green Heterogeneous Networks”(绿色异构网络),并参与了国际“Green Touch”(绿色沟通)联盟研究项目。
  绿色沟通联盟研究项目是由来自全球18所顶级高校、8所顶级研究院以及16家国际跨国公司共同参与攻关的重大项目,其目标是提高通信网络效能的1000倍。其中,唐杰代表英国曼彻斯特大学和华为公司一起牵头主持了“绿色传输技术”课题。在该课题中,唐杰团队还联合墨尔本大学、中国移动、台湾中华电信、台湾“国立交通大学”等单位,从物理层及媒体访问控制层出发,针对不同的通信场景,展开了能量效率优化方面的研究工作。
  2014年年底,绿色沟通联盟研究项目的年度会议在墨尔本举行。从英国前往墨尔本,唐杰在广州转机时,专门前往华南理工大学作了一次讲演报告。在唐杰的事业生涯中,这是一个重要的转折点。因为在与华南理工大学电子与信息学院的一些学者、教授进行交流之后,他决定回到华南理工大学从事教研工作。2015年12月的最后一天,唐杰回到了国内,正式成为华南理工大学电子与信息学院的一员。
  回国后,唐杰立足于已做的研究工作,继续围绕绿色通信展开创新探索。他申请了国家自然科学基金青年科学基金项目“基于无线能量传输的异构网络能效优化研究”,以建设下一代绿色无线通信系统为背景,以异构网络为基础,研究了基于无线携能通信技术的下一代通信网络能效优化问题。
  在通信传播中,电磁场能量随着距离的增加而迅速衰减,无线携能通信技术(SWIPT)在带来便利的同时,其能效性能是困扰其发展的一大难题。对此,唐杰首先研究了无线能量传输技术在单小区通信系统中的实现,以时间切换、功率分配、天线切换与空间切换4种技术为基础,设计出一系列最优资源分配算法,实现了提升系统能效。以此为理论基础,他将研究拓展至基于无线携能通信技术的多小区系统,研究了协同多点传输与无线携能通信技术在异构网络中的应用,实现了在满足各用户最小能量采集与传输数据率的前提下最大化系统能效。
  非正交多址接入技术案(NOMA)通过频谱共享的方式可以有效地提高通信系统的频谱效率,而无线携能通信技术(SWIPT)能够有效地将射频信号中携带的能量转化为电能从而提高系统的能量利用效率。唐杰率领团队通过将SWIPT技术应用于NOMA系统,从绿色通信的角度出发,研究了系统的能效优化问题。团队提出了一种双层迭代的资源分配算法,将功率分配和时隙切换这两个变量分离并分别优化。其中,在双层迭代算法的内层,假设时隙切换因子为常数的情况下,解决功率分配的子问题;在外层,则是在固定功率分配的前提下,优化时隙切换。
  不过,现有的将SWIPT技术应用到NOMA系统中的研究大多数是针对单载波系统,而在携能多载波NOMA系统中的多种资源联合分配问题上,传统方法几乎都是基于循环迭代机制,需要消耗较长的时间才能收敛,有悖于通信系统中对于低时延的要求。对此,唐杰提出了一种基于深度学习的资源分配优化算法,实现最小化系统功耗的同时,更加符合低时延的要求。项目团队还进一步地研究了基于非正交多址接入技术的无线携能通信系统物理层安全问题,通过优化基站功率分配策略,实现了提升系统的安全性能。
  在项目攻关中,从理论成果到硬件系统,所有的工作都是由唐杰团队独立完成。“同舟共济扬帆起,乘风破浪万里航”,在团队成员的共同努力下,他们已在国内外高水平刊物上发表学术论文22篇,其中,所发表的15篇SCI论文都属于JCR一区论文。项目成果不但为无线携能通信技术在下一代绿色通信网络中的应用与开发奠定了技术基础,同时还对我国生态环境保护具有积极的意义。
  
顺势而为,乘风破浪
  2016年12月15日,国务院正式发布《“十三五”国家信息化规划》,明确指出在“十三五”期间,下一代无线通信(5G)技术研发和标准制定要取得突破性进展并启动商用。作为优先行动计划之一,加快推进下一代无线网络技术研究和产业化,提升下一代无线网络的组网能力、业务应用创新能力更是被突出为进一步发展信息产业的重点任务。
  与前几代无线通信系统不同的是,5G通信系统的主要任务是将人与人之间的通信连接拓展到人与物,甚至物与物之间的相互通信,面向的主要应用场景也逐渐从以吞吐量为导向的移动超宽带(MBB)、增强的移动超宽带(eMBB)场景扩展到面向机器间通信的高可靠、低时延通信(URLLC)和海量机器类通信(mMTC)场景,形成了5G无线通信系统最重要的三大评估场景,其评价系统优劣的性能指标也从原来的频谱效率等基础指标拓展至网络能效、传输时延、传输可靠性、连接密度等增强指标。
  特别值得注意的是,网络能效,作为5G通信系统新增的关键性能指标之一,已经成为国内外各家运营商选择网络设备的重要因素。“也就是说,网络能效的提升目前已经不再是完成环境保护指标的临时措施,而是运营商挖掘利润潜能、升级5G通信网络设施的必然选择。”唐杰说道。
  近些年来,国内外运营商在数据量每年翻番的情况下,几乎没有获得净利润的提升,由此可以看出:一方面,通过增加流量来提升利润的模式在未来5G时代已行不通;另一方面,从目前5G通信关键技术的发展情况来看,主要涉及在空间(超大规模天线阵列,Massive MIMO)、频率(毫米波,mmWave)领域进行大规模拓展,依靠提升设备复杂度来增加网络的吞吐能力,但是随之而来的结果必然是大额或超大额的技术成本和运营成本。
  “还有一点就是,从我国公布的5G通信系统频率使用规划来看,5G通信系统将采用比前几代通信系统更高的频率,目前主要集中在3.4.3.6GHz、4.8.5.0GHz,这样就需要更多的基站部署,这又会提高成本。”唐杰补充道。因此,如何减少网络部署和维护过程中产生的能量消耗,实现高能效的通信传输将是5G通信系统成功的必由之路。
  对此,唐杰率领团队通过对未来智能化应用的调研和分析,结合时延、可靠性、连接密度等新的网络性能评估指标,开展了面向5G海量机器类通信的高能效携能传输机制研究。他首先分析了未来智能化应用的发展对通信网络性能的要求,研究了相应的能效评估标准与基础理论;其次,通过与5G通信系统空中接口和网络架构新特性的结合,研究了高能效传输的解决方案并分析了影响能效的关键因素;最后,结合5G海量机器类通信场景的需求,从携能通信方面研究了与所承载应用相匹配的高能效传输整体解决方案。
  随着5G通信网络进入商业化阶段,为了获得更快和更可靠的数据传输,下一代(6G)通信技术也已经处于研究状态。其中,通过调整无线环境来提高频谱和能源利用率的智能反射面(IRSs)因其无源、低成本、部署灵活等优势,引起了学术界和工业界的兴趣,也被视为未来移动通信核心技术之一。在这项前沿科学研究上,唐杰团队看到了更广阔的应用前景,相应地,他们已经做出了部分规划和准备。他透露道,从相关系统的搭建到硬件平台和软件算法的开发,未来他们会集中很大一部分力量对此发起攻关。
  
金针度人,甘为火种
  近些年,移动通信一直是全球科技创新竞争的制高点。在该领域,唐杰从未停下探索的脚步。据了解,超过70%的移动业务发生在室内场景,长期以来,室内移动通信高容量持续增加和低成本建网运维这对矛盾一直是制约信息产业发展的国际性难题。为满足提速降费和宽带中国等国家战略需求,亟待破解室内分布系统高性价比、多网融合和高扩展性组网理论和方法。
  为解决这些难题,唐杰率领团队与京信通信系统有限公司展开合作,在室内分布系统的系统架构、信号传输介质与理论上进行攻关与创新突破,在业内首创了扩展型微小区基站,实现了一种射频信号IT化传输、即插即用、开放融合、多模接入的高性价比新型室内分布系统解决方案。经鉴定:项目技术和产品总体上达到国际先进水平,其中“微小区基站与分布式部件时频同步共小区技术”和“基于IP帧重构的多通信制式IT化前传技术”达到国际领先水平。2019年6月,相关技术成果应用于上海世界移动通信大会上发布的“业内首款5G云小站”产品中,为5G赋能各行各业提供了技术支撑。同时,该项目还获得了2019年广东省科技进步奖二等奖。
  如今,唐杰的科研团队已经发展到了20多人。作为团队的领头人,在团队管理上,他有着明确的分工。无论是在无线通信的硬件搭建、软件算法方面,还是他近期开始从事的5G应用方面都有所部署,确保了每个方向都有硕士生、博士生或博士后参与。他说:“每个同学来到我这里都是一样的,都要从基础的知识搭建开始做起,只有基础打牢固了,后面的研究才能更顺畅。”
  唐杰坦言,无论是在团队管理上,还是在学生培养上,他都承袭了他的博士生导师。在时间上,他从不对学生做出硬性要求,因为在他看来,学习和研究都应该是一件自发自觉的事情,只有学会学习,才能真正学会知识。此外,每一个学生到来之前,他都会提前将一些道理摆出来,比如,他会告诉学生,光凭文凭是不够的,更重要的是在研究过程中积累的经验,获得的成果,以及培养出来的解决问题的能力,这些才是他们立足社会的资本。“这些道理在前期就要说给他们,他们听进去了,就不需要我再约束,他们会自己把事情做好。”“我的学生都很上进。”说出这句话时,唐杰脸上写满了骄傲。很多个晚上,他从实验室经过时,看到大部分学生还在里面努力工作,这是他最欣慰的时刻。
  在指导学生时,唐杰也遵循循序渐进的原则。比如,在对博士生的培养上,他在第一年会倾尽所能去教学生,告诉他们该做什么,该怎样做;但在第二年就只告诉学生一个范围,让学生自己去挖掘;到第三年,他会鼓励学生放开手脚,大胆地去质疑,去探索,去求证,独立承担课题,完成任务。唐杰强调说,博士生独立科研的能力非常关键,这关乎到他们以后的事业,所以他非常注重培养学生独立做科研、独立解决问题的能力。
  研究工作之外,唐杰常常组织体育活动来调节团队成员的状态,打羽毛球、打篮球……几乎每一次,他都参与其中。在唐杰看来,科研是一项不断攀登高峰的事业,在攀登的过程中,他希望他和他的团队能时刻保持积极良好的心态,勇于面对不断涌现的挑战,笃定前行。
  

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2022年4月

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