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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”。周婷團隊一直在想辦法攻克它們。圖片來源:視覺中國
■本報記者 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,希望她及其團隊能夠幫忙打通海域?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,是因為她和團隊對專網(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。
功夫不負有心人。周婷帶領(lǐng)團隊最終成功翻越“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,周婷團隊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,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、中國電子科技集團有限公司首席科學(xué)家陸軍等人將主要原因歸于兩點,一是21世紀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》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,周婷團隊瞄準了廣域?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”因為海洋獨特的自然條件而一直存在。
“三座大山”擺在眼前,周婷團隊沒有退路,只能逐一攻克?!懊孔咭徊?,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)超遠距無線信號干擾,是周婷團隊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)都是采用實數(shù)折射率,只表征了大氣對電磁波的限獲,且與實際存在一定誤差?!敝苕媒榻B,實際上,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,模型的誤差越大,所以原有模型只能支持到20GHz?!?/p>
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確。
在國際上,公認的大氣中電波傳播拋物方程建模平臺PETOOL支持800M至20G頻段,實測驗證距離160公里。“我們的思路是提出電磁波復(fù)數(shù)折射率,更精準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,最終使首次試驗驗證距離達到253公里?!敝苕谜f。
這是周婷團隊第一個主要技術(shù)發(fā)明點,即建立了超遠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。“傳統(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>
周婷團隊不得不重新設(shè)計。他們反復(fù)試驗、對比,最終建立了高可靠時延保障中繼技術(shù)。而這也是周婷團隊第二個主要技術(shù)發(fā)明點。
第三個主要技術(shù)發(fā)明點是他們建立的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)負載均衡能效優(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。”上海高等院研究員胡宏林介紹道。
不過他也指出,第三主要技術(shù)發(fā)明點雖然不是廣域?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。
幸運的是,周婷和團隊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)的團隊陸續(xù)得到國家自然科學(xué)基金、科技部重點研發(fā)計劃、上海市科技創(chuàng)新行動計劃、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項等項目的支持。
應(yīng)用范圍并不“?!?/strong>
周婷團隊技術(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時視頻監(jiān)控需求。
但周婷團隊并不只專注于海域通信,還牽頭制定上海市經(jīng)濟和信息化委員會發(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,周婷團隊針對不同場景,就頻譜資源、傳輸速率和功耗要求,參考現(xiàn)有先進技術(shù),制定了具體的技術(shù)指標。
“第三個主要技術(shù)發(fā)明點的頻譜共享技術(shù)實現(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)中采用周婷團隊的技術(shù),用于支持小區(qū)非機動車車庫的電弧傳感器、非機動車充電樁、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,既實現(xiàn)了車庫的無人值守和精準管理,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,決定了我們研發(fā)的專網(wǎng)無線通信關(guān)鍵技術(shù)也需要不斷演進增強?!敝苕帽硎?,隨著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。而這也是周婷團隊下一步要攻克的。
《中國科學(xué)報》 (2021-06-10 第3版 信息技術(shù))