未來已來 MIMO致遠

劉有婷

如果5G技術(shù)會說話，它會告訴你它的到來將開啟一個怎樣的萬物互聯(lián)的世界。

早上醒來，家庭機器人已經(jīng)為你準備好了所需的一切，預(yù)定的無人駕駛汽車也已準點到達樓下；

上班途中，你可以愜意地坐在車里，或享受早餐，或閉目養(yǎng)神，或通過車載系統(tǒng)觀看新聞；

下班后，你走進一家超市，選取好自己需要的食材走出超市時，超市已經(jīng)自動刷臉付錢；

一天晚上，你去看一場演唱會，在人群中哪怕手機只有一兩格信號，你也可以毫無顧忌地傳送視頻，現(xiàn)場直播；

…………

而開啟這個未來世界的“密鑰”之一就是大規(guī)模MIMO技術(shù)。但大規(guī)模MIMO到底是什么？為什么它對5G的運行如此重要？在未來的第六代移動通信技術(shù)中，它是否還會揮發(fā)更大的作用？

帶著這些疑問，記者采訪了東南大學移動通信國家重點實驗室副研究員尤力，從他的從業(yè)經(jīng)歷和研究工作中，也許可以找到這些問題的答案。

結(jié)緣MIMO，攻堅克難

MIMO的全稱是multiple-input multiple-output，指的是多輸入多輸出技術(shù)。簡單來說就是，利用多根收發(fā)天線實施無線通信的技術(shù)。20世紀90年代，貝爾實驗室的學者對MIMO無線通信技術(shù)的發(fā)展做出了巨大的貢獻。

與傳統(tǒng)單天線收發(fā)技術(shù)相比，MIMO技術(shù)對通信系統(tǒng)性能的改善體現(xiàn)在它可以提高無線通信的容量、有效對抗多徑衰落、降低干擾、提升無線傳輸?shù)目煽啃浴Ｍǔ＞邆鋽?shù)十甚至數(shù)百根天線的無線通信系統(tǒng)均可被稱為大規(guī)模MIMO系統(tǒng)。

尤力介紹說：“傳統(tǒng)的基站通常配置較小數(shù)量的天線，其無線通信性能難以滿足日益增長的業(yè)務(wù)需求。近年來，配備大規(guī)模天線陣列的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)得到了研究者們的廣泛關(guān)注。天線數(shù)量的增多在增強通信性能的同時，也會帶來系統(tǒng)實現(xiàn)復(fù)雜度提升等問題，這些問題有待深入系統(tǒng)地研究?！?/p>

2012年，尤力進入東南大學移動通信國家重點實驗室攻讀博士學位，開始涉足大規(guī)模MIMO技術(shù)的研究。他的博士生導(dǎo)師是高西奇教授，在導(dǎo)師的帶領(lǐng)下，尤力開展了基于導(dǎo)頻復(fù)用的大規(guī)模MIMO無線傳輸理論方法研究。

在該項研究中，尤力在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，針對平衰落信道，提出了基于角度域?qū)ьl復(fù)用的大規(guī)模MIMO無線傳輸理論方法。從實際物理信道模型出發(fā)，尤力首先研究了空間相關(guān)瑞利衰落大規(guī)模MIMO信道特性，證明了大規(guī)模MIMO信道空間相關(guān)陣與信道角度功率譜之間的漸近關(guān)系，提出了角度域?qū)ьl復(fù)用大規(guī)模MIMO信道狀態(tài)信息獲取理論方法及相適應(yīng)的多用戶魯棒傳輸理論方法，能夠大幅降低導(dǎo)頻開銷，顯著提升系統(tǒng)凈頻譜效率，揭示了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中用戶間導(dǎo)頻復(fù)用的可行性和有效性。

“志當存高遠”。2014年，為了進一步精進自己的科研能力，在國家留學基金委資助和導(dǎo)師的支持下，尤力赴美國加州大學歐文分校開展寬帶大規(guī)模MIMO導(dǎo)頻設(shè)計的研究。在雙方導(dǎo)師的聯(lián)合指導(dǎo)下，尤力提出了一種基于角度時延域?qū)ьl復(fù)用的大規(guī)模MIMO-OFDM信道狀態(tài)信息獲取理論方法。證明了寬帶大規(guī)模MIMO信道空間頻率聯(lián)合相關(guān)陣和信道角度時延聯(lián)合功率譜之間的漸近關(guān)系。在典型移動場景下，所提方法能夠顯著降低導(dǎo)頻開銷，進而顯著提升系統(tǒng)凈頻譜效率，解決了寬帶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)信道狀態(tài)信息獲取瓶頸問題。

2015年，尤力結(jié)束了美國的聯(lián)合培養(yǎng)回到國內(nèi)。一年的留學經(jīng)歷在增強他的科研水平的同時，也極大地開拓了他的視野，讓他對國際上的研究情況有了一個更加清晰、客觀的認識。當時，中國的移動通信發(fā)展水平相比歐美發(fā)達國家雖然還有些差距，但是中國也正在奮起直追，差距不斷在縮小。這個變化讓尤力對中國移動通信的未來充滿信心，并立志在該領(lǐng)域繼續(xù)深耕，做出更多創(chuàng)新成果，助力中國通信事業(yè)的發(fā)展。

再接再厲，勇攀高峰

近些年，移動業(yè)務(wù)的快速增長和智能手機的使用為無線服務(wù)提供商克服全球帶寬短缺帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。作為支持4G系統(tǒng)中高數(shù)據(jù)速率的關(guān)鍵技術(shù)，MIMO可實現(xiàn)多流傳輸、高頻譜效率，改善鏈路質(zhì)量。但是，5G時代下，移動寬帶通信容量需求急劇增長，這要求該領(lǐng)域的研究人員探索新的無線傳輸技術(shù)。

傳統(tǒng)無線通信大多使用低頻頻譜。然而，低頻頻段主要集中在3GHz以下，這使得頻譜資源十分擁擠，因此研究者們開始探索將毫米波及太赫茲等高頻段頻譜資源應(yīng)用于蜂窩移動通信。高頻段可用頻譜資源豐富，能夠有效緩解頻譜資源緊張的現(xiàn)狀，可以實現(xiàn)極高速短距離通信，支持容量和傳輸速率等方面的需求，受到了業(yè)界的高度關(guān)注。充裕的可用帶寬、小型化的天線和設(shè)備等是高頻段毫米波/太赫茲移動通信的主要優(yōu)點，但也存在傳輸距離短、穿透和繞射能力差、容易受氣候環(huán)境影響等缺點。

另外，在同樣的移動速度下，由于載頻的提升，毫米波/太赫茲無線信道的多普勒擴展遠大于傳統(tǒng)頻段上無線信道的多普勒擴展，因而其信道狀態(tài)信息獲取和無線傳輸設(shè)計將變得更為困難，有待全面系統(tǒng)地探討。對此，尤力針對毫米波/太赫茲大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，提出了基于逐波束時頻同步的波束分多址傳輸理論方法。

以大規(guī)模MIMO波束域物理信道模型為出發(fā)點，通過不斷深入的研究，尤力證明了大規(guī)模MIMO波束域信道元素的包絡(luò)趨向于不隨時間和頻率起伏，進而提出了一種逐波束時頻同步方法。他從理論上證明了與傳統(tǒng)的天線域同步相比，該逐波束同步方法能夠同時縮減寬帶大規(guī)模MIMO信道的等效時延擴展和多普勒頻率擴展，且縮減因子近似等于用戶端配備的天線數(shù)目。

進一步地，尤力將所提出的逐波束同步方法應(yīng)用于大規(guī)模MIMO波束分多址傳輸，研究了基站側(cè)與用戶端射頻鏈路數(shù)目受限情形下的波束調(diào)度問題，并提出了一種基于波束域信道統(tǒng)計特征的低復(fù)雜度波束調(diào)度算法。他所提出的逐波束同步方法能夠顯著降低波束域信道的多徑效應(yīng)和多普勒效應(yīng)，提升導(dǎo)頻復(fù)用信道估計性能和無線傳輸性能，解決了中高速移動場景毫米波/太赫茲無線通信問題。

至此，尤力在博士期間的研究工作告一段落。立足于博士階段的研究成果，他申請了“基于導(dǎo)頻復(fù)用的大規(guī)模MIMO無線通信方法”等一系列發(fā)明專利，并獲得了多項PCT專利和國內(nèi)專利的授權(quán)。在華為合作框架等的支持下，相關(guān)研究方案得到了原型驗證，其中，導(dǎo)頻復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用落地工作也已開展并正在穩(wěn)步推進當中。值得一提的是，由于博士期間的科研工作十分出色，尤力還獲得了2017年度中國通信學會優(yōu)秀博士學位論文的榮譽。

博士畢業(yè)后，尤力留校任教。東南大學信息科學與工程學院移動通信國家重點實驗室是國內(nèi)高校中唯一專門從事移動通信研究的國家重點實驗室，不管是在科學研究，還是在專門人才培養(yǎng)方面都成績斐然，目前已成為在國內(nèi)外影響力較大的移動通信科研機構(gòu)。立足于這樣一個走在前沿、實力雄厚的平臺，尤力希望自己能做出更多成果，實現(xiàn)更大的個人價值。

他說：“現(xiàn)代人已經(jīng)離不開手機和網(wǎng)絡(luò)了。可以說，移動通信技術(shù)是現(xiàn)代社會發(fā)展的支柱之一，對國計民生至關(guān)重要。伴隨著5G的大規(guī)模商用，以及未來第六代移動通信研究的展開，一定會不斷出現(xiàn)新技術(shù)、新問題、新挑戰(zhàn)。對此，我們將不斷深入研究，接受新挑戰(zhàn)，解決新問題?！?/p>

頂天立地，劍指國需

隨著5G時代的到來及第六代移動通信技術(shù)研究工作的展開，中國在全球移動通信舞臺上已進入領(lǐng)先者行列。中國移動通信行業(yè)從無到有，從弱到強，為經(jīng)濟社會發(fā)展做出了重大貢獻，不斷推動著國人視野、發(fā)展觀念、產(chǎn)業(yè)實力、大眾生活乃至整個社會運行方式的改變。尤力表示：“從事移動通信領(lǐng)域的工作，個人追求肯定要融入國家追求當中，始終要與國家的需求同行，所以我們一定要做出真正能夠應(yīng)用的東西才行。”

在中國通信學會青年人才托舉計劃的支持下，結(jié)合國家重大戰(zhàn)略需求，尤力依托課題組所承擔的國家重點研發(fā)計劃等項目，開展了5G之后移動通信物理層基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)的研究。

為滿足巨流量的技術(shù)需求，利用大規(guī)模及超大規(guī)模的天線配置，基站可以同大量用戶在同一時頻資源上利用空間維度資源同時進行通信。傳統(tǒng)的多用戶空時無線通信理論與技術(shù)依賴于收發(fā)端精確的信道信息假設(shè)，而隨著天線單元數(shù)的大幅增加，在各種典型頻段和移動場景下，這一條件將難以滿足，且系統(tǒng)復(fù)雜性呈多次冪增加，進而在信息理論、傳輸理論與技術(shù)、計算理論與技術(shù)等方面提出新的挑戰(zhàn)，大維空時無線通信成為大規(guī)模無線通信的關(guān)鍵科學技術(shù)問題之一。

在單位平臺和前期研究工作的基礎(chǔ)上，面向全頻段全場景大規(guī)模無線移動通信系統(tǒng)構(gòu)建，尤力將系統(tǒng)深入地拓展大規(guī)模空時無線通信研究，探索完善典型場景、典型頻段下具有普適性的大規(guī)?？諘r無線通信技術(shù)，以期形成具有標志性的源頭創(chuàng)新成果。

東南大學信息科學工程學院前身為南京工學院無線電工程系，其悠久厚重的歷史可追溯至1923年的國立東南大學電機工程系。1932年，陳章先生來到該系任教，開創(chuàng)了我國無線電教育之先河。之后，一代代科學家為我國移動通信技術(shù)的歷次升級換代均做出了突出貢獻。這些前輩的事跡深深感染和激勵著尤力，讓他在通信科研路上越走越堅定。

為傳承和發(fā)揚先輩們的精神，尤力更是投身科研團隊建設(shè)和研究生培養(yǎng)。對于學生的培養(yǎng)，尤力強調(diào)要因材施教?！艾F(xiàn)在的學生很聰穎，想法也很多。每個人身上都有不同的特質(zhì)，每個人也有不同的目標，所以在幫助他們的過程中要靈活一些，根據(jù)他們的情況適當?shù)剡M行引導(dǎo)?！辈贿^，在尤力看來，他與學生的關(guān)系是互相幫助、共同成長的?！抖Y記》云：“學然后知不足，教然后知困。知不足，然后能自反也；知困，然后能自強也。故曰教學相長也?！彼趲椭鷮W生的同時，學生們也在助力他的成長。無論是在研究工作中，還是在生活中，尤力都十分關(guān)心學生。他說：“雖然他們都是成年人了，但是畢竟還是學生，所以各方面都需要照顧一點。培養(yǎng)出積極向上、有能力、有擔當?shù)膶W生也是為國家做貢獻。作為老師，我肯定希望他們做頂天立地的人，頂天立地的事?！?/p>

“頂天”是指瞄準前沿，“立地”是指服務(wù)國需。移動通信技術(shù)連接著現(xiàn)在與未來，深深影響著國家發(fā)展和人民生活。站在信息時代的潮頭，以尤力為代表的青年科研工作者們正“乘長風破萬里浪”。擁抱變革，推動發(fā)展，迎接未來，是尤力正在做的事，也是他將要做的事。此時，他正青春。