編織無線之“網(wǎng)”

倪萍

目前，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為人類生活不可或缺的一部分，而它們背后的技術(shù)“靈魂”，就是無線通信網(wǎng)絡(luò)。無線通信網(wǎng)絡(luò)具有傳輸快、可移動(dòng)、使用方便、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。近年來，無線網(wǎng)技術(shù)的普及和發(fā)展，已經(jīng)使人類各方面的生活愈發(fā)便捷。

上海東川路800號(hào)，上海交通大學(xué)的所在地，在這里，有一位年輕的科學(xué)家正在從事于無線網(wǎng)絡(luò)的研究，他是陳智勇。

新思路新成果

讓我們回到2011年，這一年，陳智勇拿到了北京郵電大學(xué)信號(hào)與信息處理專業(yè)的博士學(xué)位?！白x博期間，我獲得國家留學(xué)基金委，國家建設(shè)高水平大學(xué)，留學(xué)基金，作為聯(lián)合培養(yǎng)博士生赴美國華盛頓大學(xué)，學(xué)習(xí)了近兩年?！边@段經(jīng)歷既拓展了陳智勇的視野，又進(jìn)一步夯實(shí)了他的科研基礎(chǔ)。

2012年，陳智勇進(jìn)入上海交通大學(xué)信息與通信工程博士后流動(dòng)站，出站后留校工作至今。“當(dāng)下時(shí)代，隨著移動(dòng)數(shù)據(jù)需求呈現(xiàn)爆炸式增長，許多問題也隨之而來，比如：如何在有限的通信資源上，解決無線海量信息的有效傳輸呢？”為了探尋答案，陳智勇從博士后期間起，就開始以“通信、計(jì)算、存儲(chǔ)”融合為研究思路，從事移動(dòng)3C網(wǎng)絡(luò)方面的研究，“我想嘗試通過挖掘無線通信網(wǎng)絡(luò)中豐富的計(jì)算和存儲(chǔ)資源，來換取通信能力的提升，釋放網(wǎng)絡(luò)通信能力的巨大潛能，保證移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)承載能力的可持續(xù)增長?！?/p>

順著這個(gè)思路，陳智勇開展了移動(dòng)3C網(wǎng)絡(luò)方面的研究。他發(fā)現(xiàn)，通過挖掘網(wǎng)絡(luò)及節(jié)點(diǎn)中豐富的計(jì)算和存儲(chǔ)資源，構(gòu)建計(jì)算存儲(chǔ)感知的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，可有效幫助解決無線海量信息傳輸瓶頸。于是，陳智勇緊抓源（內(nèi)容集聚）一網(wǎng)（異構(gòu)多集）一端（存儲(chǔ)）的演進(jìn)趨勢，將計(jì)算和存儲(chǔ)資源融入移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，在理論、機(jī)制、算法三個(gè)層面上，解決了諸多關(guān)鍵問題。

他與上海交通大學(xué)劉輝教授合作，闡述了移動(dòng)3C網(wǎng)絡(luò)的定義，論述了3C三個(gè)元素的內(nèi)涵；探索了運(yùn)用計(jì)算與存儲(chǔ)資源的無線融合網(wǎng)絡(luò)機(jī)制，推導(dǎo)了存儲(chǔ)約束下的網(wǎng)絡(luò)容量，揭示了通信與存儲(chǔ)的折中關(guān)系，優(yōu)化了設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)傳輸與終端存儲(chǔ)機(jī)制。同時(shí)，陳智勇還挖掘蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的通信一計(jì)算一存儲(chǔ)多維資源，推導(dǎo)計(jì)算約束下的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，分析計(jì)算與存儲(chǔ)對(duì)網(wǎng)絡(luò)吞吐量的制約關(guān)系，提出計(jì)算約束下析取通信增益的內(nèi)容存儲(chǔ)最優(yōu)策略。而面向視頻點(diǎn)播業(yè)務(wù)，他則開展了基于終端存儲(chǔ)下按需傳輸，和周期輪播傳輸?shù)膫鬏敊C(jī)制及存儲(chǔ)分配聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其能最大程度降低無線帶寬消耗。

網(wǎng)絡(luò)編碼改善者

無線環(huán)境中，大多數(shù)移動(dòng)通信系統(tǒng)的性能都受限于干擾，并且通常這種干擾是被當(dāng)作負(fù)面效應(yīng)進(jìn)行處理的。但是若能處理好這種干擾，甚至利用干擾進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，那么就有可能進(jìn)一步提高無線傳輸速率，提升頻譜利用率，以適應(yīng)未來無線海量信息傳輸?shù)囊?。“物理層網(wǎng)絡(luò)編碼正是在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生，它的出現(xiàn)使得打破干擾壁壘成了可能，并提供了一條有效提高時(shí)頻資源復(fù)用度和網(wǎng)絡(luò)容量的新途徑。”陳智勇說。

物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的基本研究單元是雙向中繼通信（two-way relay），但是目前，該領(lǐng)域仍然有很多實(shí)際問題亟需解決。“首先，兩源節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)的傳輸過于簡單化，忽視了傳輸?shù)姆菍?duì)稱性；其次，現(xiàn)有大多數(shù)研究僅僅考慮了低階調(diào)制下的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼。而為數(shù)不多的針對(duì)高階調(diào)制下的研究，也僅停留在比特交織編碼調(diào)制與物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的結(jié)合；最后，非理想接收下物理層網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)制的設(shè)計(jì)也是很不足的?！?/p>

為了突破瓶頸，陳智勇開展了“非對(duì)稱物理層網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)制設(shè)計(jì)與理論分析”項(xiàng)目研究，他圍繞雙向中繼通信，從中繼節(jié)點(diǎn)部分譯碼、邊信息以及非理想接收三個(gè)切入點(diǎn)，重點(diǎn)研究和分析與之相對(duì)應(yīng)的基于分量碼協(xié)同、用戶比特協(xié)同、跨層協(xié)同的非對(duì)稱物理層網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)制。該項(xiàng)目將于2016年年底結(jié)題，但是目前，耕耘已經(jīng)有所收獲了。

在研究過程中，他率先運(yùn)用信息論分析基于網(wǎng)絡(luò)編碼的輸入信道信號(hào)的最優(yōu)分布，發(fā)現(xiàn)了最大化信道可達(dá)速率；設(shè)計(jì)了一種基于星座成型技術(shù)的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了在實(shí)際系統(tǒng)約束下逼近發(fā)送信號(hào)的最優(yōu)分布；提出了多級(jí)物理層網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)制，從多角度揭示了制約多級(jí)物理層網(wǎng)絡(luò)編碼性能的規(guī)律，并且闡明了最優(yōu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，分析了其與基于比特交織編碼調(diào)制的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的優(yōu)劣。而且，他還設(shè)計(jì)了改變收發(fā)機(jī)架構(gòu)的基于用戶比特協(xié)同的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)制，同時(shí)獲取了調(diào)制增益與編碼增益。

這些成果只是路途中的“風(fēng)景”，陳智勇最終的目標(biāo)是在充分結(jié)合雙向中繼通信特征的基礎(chǔ)上，探索非對(duì)稱傳輸下編碼調(diào)制、無速率碼與物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的有機(jī)融合，提高頻譜利用率和傳輸?shù)目煽啃?，?duì)此，他很有信心，“我相信，我們能得到理想的結(jié)果”，他說。

突破“連接導(dǎo)向”之鎖

目前，單純依靠基建投入的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容模式，已明顯無法支撐移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的長期可持續(xù)發(fā)展，現(xiàn)在亟需突破性的創(chuàng)新模式。“移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)仍然承襲著傳統(tǒng)，連接導(dǎo)向，的通信架構(gòu)，其中信息處理（計(jì)算）與比特傳輸（通信）的功能是相對(duì)隔離的，這就是一個(gè)突破口！”陳智勇說。

在有了新思路后，陳智勇便于2016年申請(qǐng)了“移動(dòng)3C網(wǎng)絡(luò)容量極限與緩存機(jī)制研究”項(xiàng)目，他秉承著網(wǎng)絡(luò)通信與計(jì)算的智能協(xié)同突破傳統(tǒng)“連接導(dǎo)向”的設(shè)計(jì)理念，綜合運(yùn)用信息中心網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)分集適配、廣播交互融合等各領(lǐng)域的前沿理論，試圖通過挖掘移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)及節(jié)點(diǎn)中豐富的通信、計(jì)算、存儲(chǔ)等綜合資源，揭示了移動(dòng)3C網(wǎng)絡(luò)從本質(zhì)上提升信息傳播效率的機(jī)理與規(guī)律，在這個(gè)研究項(xiàng)目中，陳智勇立下了兩大目標(biāo)。

“我將建立移動(dòng)3C網(wǎng)絡(luò)的抽象數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)與分析內(nèi)容傳播容量的理論極限及可達(dá)性，闡明移動(dòng)計(jì)算通信三個(gè)基本要素‘計(jì)算+存儲(chǔ)+通信之間的相互耦合、制約、和置換關(guān)系，揭示獲取網(wǎng)絡(luò)容量增益的途徑與方向。”另一方面，陳智勇還打算探索移動(dòng)3C網(wǎng)絡(luò)中的高效緩存分發(fā)機(jī)制，在移動(dòng)3C網(wǎng)絡(luò)容量分析的理論指導(dǎo)下，進(jìn)一步研究逼近容量極限的高效緩存分發(fā)機(jī)制，獲取內(nèi)容傳播容量極限的具體有效途徑。

產(chǎn)研結(jié)合才能滿足時(shí)代需要，這一直是陳智勇心底的“信條”，為了推動(dòng)科技成果的轉(zhuǎn)化，破解實(shí)際難題，他作為骨干力量積極參與了中國下一代數(shù)字廣播通信原型機(jī)的研發(fā)工作，最后獲得的核心技術(shù)被選入《GY/T268.1-2013調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播第1部分：數(shù)字廣播信道幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制》標(biāo)準(zhǔn)。他的貢獻(xiàn)不止如此，陳智勇還曾在移動(dòng)3C網(wǎng)絡(luò)方面與華為、三星和中國電信展開過深入的合作，聯(lián)合申請(qǐng)了多項(xiàng)發(fā)明專利。

而作為一名教師，在教學(xué)方面，陳智勇有自己的見解，他認(rèn)為培養(yǎng)好一名研究生，需要一個(gè)從全到專，再到精的過程?！霸谶@個(gè)過程中，我會(huì)根據(jù)學(xué)生的興趣愛好，結(jié)合課題的方向，給學(xué)生量身打造合適的研究方向，培養(yǎng)和鍛煉他們?nèi)矫娴哪芰??！蹦壳?，已?jīng)指導(dǎo)了學(xué)生18人次，均取得了較好的指導(dǎo)效果，其中，1名碩士畢業(yè)生獲得上海交通大學(xué)優(yōu)秀研究生畢業(yè)生稱號(hào)，3名博士研究生獲得國家獎(jiǎng)學(xué)金以及唐立新獎(jiǎng)學(xué)金。