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專網(wǎng)通信存在困擾業(yè)界的三大共性技術難題，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”，還將相關技術應用于其他垂直行業(yè)，實現(xiàn)特定領域?qū)＞W(wǎng)通信技術的跨越式發(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年度科學技術獎名單中，周婷團隊的研究成果成功入圍技術發(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)代通信技術層出不窮、迅速發(fā)展，廣泛應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)代通信技術的應用主要局限于陸地場景，在海洋上的應用和拓展不足，導致海洋通信的發(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)絡的需求遠不如陸地場景；二是在海洋上部署基礎通信設施時設備選址受限、氣象狀況多變、海水運動頻繁等復雜的環(huán)境因素給通信網(wǎng)絡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)絡需求增加。

周婷向《中國科學報》介紹，目前陸地蜂窩網(wǎng)通信技術的速率、時延等網(wǎng)絡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)境復雜，大氣波導突發(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)基礎設施資源有限，突發(fā)事件導致高可靠保障需求與布網(wǎng)基礎設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?，都需要理論與技術的突破創(chuàng)新。”周婷說。

“三對三”，成功翻越

應對由氣象、地形因素造成的大氣波導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，大氣波導對電磁波除了具有限獲效應外，還存在水氣等引起的吸收效應?！邦l段越高吸收效應越強，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?！拔覀兊乃悸肥翘岢鲭姶挪◤蛿?shù)折射率，更精準刻畫大氣折射與吸收效應，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。”周婷說。

這是周婷團隊第一個主要技術發(fā)明點，即建立了超遠距無線干擾建模技術。

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)生誤判將導致差錯傳播?！敝苕媒忉尩?。

周婷團隊不得不重新設計。他們反復試驗、對比，最終建立了高可靠時延保障中繼技術。而這也是周婷團隊第二個主要技術發(fā)明點。

第三個主要技術發(fā)明點是他們建立的異構網(wǎng)絡負載均衡能效優(yōu)化技術。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,而第三個主要技術發(fā)明點解決的是網(wǎng)絡全局性能怎么更優(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，第三主要技術發(fā)明點雖然不是廣域?qū)拵У谋匾夹g，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)。同時該技術發(fā)明點是通信網(wǎng)絡的共性技術，能夠適用不同特定場景的專網(wǎng)通信。

周婷坦言，這樣的技術突破并不是集中攻關四五年就能攻克的。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院青年創(chuàng)新促進會在關鍵時刻給予自己這名80后青年科學工作者的“第一桶金”，隨后她帶領的團隊陸續(xù)得到國家自然科學基金、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)略性先導專項等項目的支持。

應用范圍并不“專”

周婷團隊技術成果目前已在黃渤海等海域有所應用。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)建設導則》。上海東方明珠數(shù)字電視有限公司技術總監(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，制定了具體的技術指標。

“第三個主要技術發(fā)明點的頻譜共享技術實現(xiàn)了在原有廣電雙向網(wǎng)基礎上再部署新型城域物聯(lián)專網(wǎng)，使得異構網(wǎng)絡共享頻譜、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，正是該技術發(fā)明點的能效優(yōu)化技術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)建設中采用周婷團隊的技術，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。

“無線通信技術的飛速發(fā)展和無線網(wǎng)絡的不斷演進，決定了我們研發(fā)的專網(wǎng)無線通信關鍵技術也需要不斷演進增強。”周婷表示，隨著5G的全球部署以及6G在技術與用戶需求上的發(fā)展趨勢，他們在6G時代將面臨新的技術難點與挑戰(zhàn)，如新型網(wǎng)絡尋址生態(tài)的發(fā)展需求、空天地海一體化戰(zhàn)略下的復雜通信環(huán)境適應需求等。而這也是周婷團隊下一步要攻克的。