讓通信走向綠色未來
——記華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院教授唐杰

劉有婷

從電報(bào)到電話，從B P機(jī)到大哥大，從模擬機(jī)到智能機(jī)，從銅線到光纖，從1G到5G，從電腦上網(wǎng)到手機(jī)沖浪……通信技術(shù)的發(fā)展促使人們的生活發(fā)生了翻天覆地的變化。

隨著通信技術(shù)的新舊更替，通信行業(yè)的發(fā)展面臨著越來越多的難題。其中，提高整網(wǎng)運(yùn)行效率和能源利用效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，是5G通信時(shí)代最受關(guān)注的議題之一，同時(shí)也是華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院教授唐杰的主要研究方向?？缛胍苿?dòng)通信領(lǐng)域的這些年來，他在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、無線攜能通信、無人機(jī)通信等方面進(jìn)行了廣泛而深入的探索，在實(shí)現(xiàn)綠色通信的可持續(xù)發(fā)展道路上留下了自己的足跡。

尊師疾學(xué)，厚積薄發(fā)

進(jìn)入21世紀(jì)后，中國的通信行業(yè)開始步入飛速發(fā)展的時(shí)代。2004年，唐杰通過高考后進(jìn)入華南理工大學(xué)學(xué)習(xí)信息工程專業(yè)。他于大三下半學(xué)期就進(jìn)入了學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室開始從事指紋識(shí)別的相關(guān)研究，由此開啟了他的科研夢(mèng)。

剛開始，唐杰并不了解科研的真諦，也不知道自己在科研這條路上該怎樣走。于是，他找到負(fù)責(zé)指導(dǎo)他畢業(yè)設(shè)計(jì)的林土勝老師訴說了自己的迷茫。林土勝老師以講故事的方式，為他解說了讀書、考試、做題和做研究的區(qū)別，讓他對(duì)科學(xué)研究有了一個(gè)初步的了解。

他回憶說：“我的指導(dǎo)老師跟我說，做研究是探索一個(gè)可能沒有答案，或者說可能不止有一個(gè)答案的問題。這個(gè)答案，你要自己找，即便找到了也不能立馬知道它對(duì)不對(duì)，還要用一些方法、經(jīng)驗(yàn)和工具等來驗(yàn)證它是否行得通。這個(gè)摸索的過程需要恒心和耐心，還需要拋棄功利心?！边@些話在唐杰之后的科研生涯中一直指引并警醒著他。

2008年，唐杰放棄了保送研究生的機(jī)會(huì)，前往英國布里斯托大學(xué)學(xué)習(xí)無線通信及信號(hào)處理。英國布里斯托大學(xué)是一所英國老牌名校，在這里唐杰度過了充實(shí)的一年碩士時(shí)光，其間他研究了高能效的多天線通信系統(tǒng)，成功做出了一個(gè)較大的仿真平臺(tái)，且整體效果良好。碩士畢業(yè)時(shí)，他拿到了項(xiàng)目研究第一的優(yōu)異成績，并獲得了德州儀器最佳項(xiàng)目獎(jiǎng)。憑借這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)，唐杰又申請(qǐng)了英國拉夫堡大學(xué)的博士，師從信號(hào)處理領(lǐng)域的著名科學(xué)家、英國皇家工程院院士Jonathon Chambers教授。

“Jonathon Chambers教授在信號(hào)處理領(lǐng)域很厲害，我特別欣賞他”，這也是唐杰前往英國拉夫堡大學(xué)的主要原因。在博士3年的時(shí)間里，唐杰主要從事信號(hào)處理領(lǐng)域的相關(guān)工作，這對(duì)數(shù)學(xué)功底的要求很高，所以在攻讀博士的前半年中，唐杰一直在補(bǔ)習(xí)相關(guān)的數(shù)學(xué)知識(shí)，不斷夯實(shí)自己的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

唐杰于英國拉夫堡大學(xué)博士畢業(yè)

與此同時(shí)，在同團(tuán)隊(duì)中，一些不同研究方向的學(xué)生很快就發(fā)表了會(huì)議論文。雖然只是會(huì)議論文，但是對(duì)于剛剛起步的年輕科研者卻有著很大的鼓舞意義?？粗磉叺耐瑢W(xué)已經(jīng)有了成果，而自己還在“打地基”，焦慮很快漫上了唐杰的心頭。

他問導(dǎo)師：“是不是我的能力太差了？別人已經(jīng)在發(fā)表論文了，而我還在學(xué)習(xí)?！睂?dǎo)師回復(fù)他：“研究工作不能只以發(fā)表論文作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，你就扎扎實(shí)實(shí)地按照自己的規(guī)劃去推進(jìn)，前期的準(zhǔn)備工作越扎實(shí)、越具體，后期的研究工作才會(huì)越得心應(yīng)手”。按照J(rèn)onathon Chambers教授的教導(dǎo)，唐杰繼續(xù)一步一個(gè)腳印地去努力。果然，功夫不負(fù)有心人，當(dāng)他學(xué)習(xí)到第7個(gè)月時(shí)，已經(jīng)可以很順利地參與到無線通信的研究工作當(dāng)中；第10個(gè)月時(shí)，他完成了自己的第一篇S C I論文，他也因此成為該團(tuán)隊(duì)同年級(jí)博士生中第一個(gè)完成SCI論文的人。不久之后，他又在無線通信領(lǐng)域頂級(jí)期刊上發(fā)表了自己的第二篇論文。

這些經(jīng)歷對(duì)唐杰的影響是巨大的，在他成長為博士生導(dǎo)師，并開始組建自己的團(tuán)隊(duì)時(shí)，他也要求自己團(tuán)隊(duì)中的學(xué)生先打好基礎(chǔ)，再進(jìn)行實(shí)踐。他形象地比喻道：“就像華山論劍不是有氣宗和劍宗嗎？在我這里，肯定要先修煉好氣宗，把‘武功心絕’學(xué)扎實(shí)，再練招式?！?/p>

獲得國家優(yōu)秀自費(fèi)留學(xué)生獎(jiǎng)學(xué)金

科研攻堅(jiān)，孜孜不倦

2013年，唐杰結(jié)束了自己的學(xué)生生涯后，被英國曼徹斯特大學(xué)電氣及電子工程學(xué)院聘為博士后副研究員。在這里，他負(fù)責(zé)了英國工程與自然科學(xué)研究理事會(huì)項(xiàng)目“Green Heterogeneous Networks”（綠色異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)），并參與了國際“G r e e n Touch”（綠色溝通）聯(lián)盟研究項(xiàng)目。

綠色溝通聯(lián)盟研究項(xiàng)目是由來自全球18所頂級(jí)高校、8所頂級(jí)研究院以及16家國際跨國公司共同參與攻關(guān)的重大項(xiàng)目，其目標(biāo)是提高通信網(wǎng)絡(luò)效能的1000倍。其中，唐杰代表英國曼徹斯特大學(xué)和華為公司一起牽頭主持了“綠色傳輸技術(shù)”課題。在該課題中，唐杰團(tuán)隊(duì)還聯(lián)合墨爾本大學(xué)、中國移動(dòng)、臺(tái)灣中華電信、臺(tái)灣“國立交通大學(xué)”等單位，從物理層及媒體訪問控制層出發(fā)，針對(duì)不同的通信場(chǎng)景，展開了能量效率優(yōu)化方面的研究工作。

2014年年底，綠色溝通聯(lián)盟研究項(xiàng)目的年度會(huì)議在墨爾本舉行。從英國前往墨爾本，唐杰在廣州轉(zhuǎn)機(jī)時(shí)，專門前往華南理工大學(xué)作了一次講演報(bào)告。在唐杰的事業(yè)生涯中，這是一個(gè)重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。因?yàn)樵谂c華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院的一些學(xué)者、教授進(jìn)行交流之后，他決定回到華南理工大學(xué)從事教研工作。2015年12月的最后一天，唐杰回到了國內(nèi)，正式成為華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院的一員。

回國后，唐杰立足于已做的研究工作，繼續(xù)圍繞綠色通信展開創(chuàng)新探索。他申請(qǐng)了國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目“基于無線能量傳輸?shù)漠悩?gòu)網(wǎng)絡(luò)能效優(yōu)化研究”，以建設(shè)下一代綠色無線通信系統(tǒng)為背景，以異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，研究了基于無線攜能通信技術(shù)的下一代通信網(wǎng)絡(luò)能效優(yōu)化問題。

在通信傳播中，電磁場(chǎng)能量隨著距離的增加而迅速衰減，無線攜能通信技術(shù)（S W I P T）在帶來便利的同時(shí)，其能效性能是困擾其發(fā)展的一大難題。對(duì)此，唐杰首先研究了無線能量傳輸技術(shù)在單小區(qū)通信系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)，以時(shí)間切換、功率分配、天線切換與空間切換4種技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出一系列最優(yōu)資源分配算法，實(shí)現(xiàn)了提升系統(tǒng)能效。以此為理論基礎(chǔ)，他將研究拓展至基于無線攜能通信技術(shù)的多小區(qū)系統(tǒng)，研究了協(xié)同多點(diǎn)傳輸與無線攜能通信技術(shù)在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了在滿足各用戶最小能量采集與傳輸數(shù)據(jù)率的前提下最大化系統(tǒng)能效。

非正交多址接入技術(shù)案（N O M A）通過頻譜共享的方式可以有效地提高通信系統(tǒng)的頻譜效率，而無線攜能通信技術(shù)（SWIPT）能夠有效地將射頻信號(hào)中攜帶的能量轉(zhuǎn)化為電能從而提高系統(tǒng)的能量利用效率。唐杰率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)通過將SWIPT技術(shù)應(yīng)用于NOMA系統(tǒng)，從綠色通信的角度出發(fā)，研究了系統(tǒng)的能效優(yōu)化問題。團(tuán)隊(duì)提出了一種雙層迭代的資源分配算法，將功率分配和時(shí)隙切換這兩個(gè)變量分離并分別優(yōu)化。其中，在雙層迭代算法的內(nèi)層，假設(shè)時(shí)隙切換因子為常數(shù)的情況下，解決功率分配的子問題；在外層，則是在固定功率分配的前提下，優(yōu)化時(shí)隙切換。

不過，現(xiàn)有的將S W I P T技術(shù)應(yīng)用到N O M A系統(tǒng)中的研究大多數(shù)是針對(duì)單載波系統(tǒng)，而在攜能多載波N O M A系統(tǒng)中的多種資源聯(lián)合分配問題上，傳統(tǒng)方法幾乎都是基于循環(huán)迭代機(jī)制，需要消耗較長的時(shí)間才能收斂，有悖于通信系統(tǒng)中對(duì)于低時(shí)延的要求。對(duì)此，唐杰提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的資源分配優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)最小化系統(tǒng)功耗的同時(shí)，更加符合低時(shí)延的要求。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步地研究了基于非正交多址接入技術(shù)的無線攜能通信系統(tǒng)物理層安全問題，通過優(yōu)化基站功率分配策略，實(shí)現(xiàn)了提升系統(tǒng)的安全性能。

在項(xiàng)目攻關(guān)中，從理論成果到硬件系統(tǒng)，所有的工作都是由唐杰團(tuán)隊(duì)獨(dú)立完成?！巴酃矟?jì)揚(yáng)帆起，乘風(fēng)破浪萬里航”，在團(tuán)隊(duì)成員的共同努力下，他們已在國內(nèi)外高水平刊物上發(fā)表學(xué)術(shù)論文22篇，其中，所發(fā)表的15篇SCI論文都屬于JCR一區(qū)論文。項(xiàng)目成果不但為無線攜能通信技術(shù)在下一代綠色通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用與開發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，同時(shí)還對(duì)我國生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有積極的意義。

在2016 ICIOT-5GMT大會(huì)上作邀請(qǐng)報(bào)告

順勢(shì)而為，乘風(fēng)破浪

2016年12月15日，國務(wù)院正式發(fā)布《“十三五”國家信息化規(guī)劃》，明確指出在“十三五”期間，下一代無線通信（5G）技術(shù)研發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)制定要取得突破性進(jìn)展并啟動(dòng)商用。作為優(yōu)先行動(dòng)計(jì)劃之一，加快推進(jìn)下一代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化，提升下一代無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)能力、業(yè)務(wù)應(yīng)用創(chuàng)新能力更是被突出為進(jìn)一步發(fā)展信息產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)任務(wù)。

與前幾代無線通信系統(tǒng)不同的是，5G通信系統(tǒng)的主要任務(wù)是將人與人之間的通信連接拓展到人與物，甚至物與物之間的相互通信，面向的主要應(yīng)用場(chǎng)景也逐漸從以吞吐量為導(dǎo)向的移動(dòng)超寬帶（MBB）、增強(qiáng)的移動(dòng)超寬帶（e M B B）場(chǎng)景擴(kuò)展到面向機(jī)器間通信的高可靠、低時(shí)延通信（URLLC)和海量機(jī)器類通信（m M T C）場(chǎng)景，形成了5G無線通信系統(tǒng)最重要的三大評(píng)估場(chǎng)景，其評(píng)價(jià)系統(tǒng)優(yōu)劣的性能指標(biāo)也從原來的頻譜效率等基礎(chǔ)指標(biāo)拓展至網(wǎng)絡(luò)能效、傳輸時(shí)延、傳輸可靠性、連接密度等增強(qiáng)指標(biāo)。

特別值得注意的是，網(wǎng)絡(luò)能效，作為5G通信系統(tǒng)新增的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一，已經(jīng)成為國內(nèi)外各家運(yùn)營商選擇網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的重要因素?！耙簿褪钦f，網(wǎng)絡(luò)能效的提升目前已經(jīng)不再是完成環(huán)境保護(hù)指標(biāo)的臨時(shí)措施，而是運(yùn)營商挖掘利潤潛能、升級(jí)5G通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的必然選擇。”唐杰說道。

近些年來，國內(nèi)外運(yùn)營商在數(shù)據(jù)量每年翻番的情況下，幾乎沒有獲得凈利潤的提升，由此可以看出：一方面，通過增加流量來提升利潤的模式在未來5G時(shí)代已行不通；另一方面，從目前5G通信關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展情況來看，主要涉及在空間（超大規(guī)模天線陣列，Massive MIMO）、頻率（毫米波，mmWave）領(lǐng)域進(jìn)行大規(guī)模拓展，依靠提升設(shè)備復(fù)雜度來增加網(wǎng)絡(luò)的吞吐能力，但是隨之而來的結(jié)果必然是大額或超大額的技術(shù)成本和運(yùn)營成本。

“還有一點(diǎn)就是，從我國公布的5G通信系統(tǒng)頻率使用規(guī)劃來看，5G通信系統(tǒng)將采用比前幾代通信系統(tǒng)更高的頻率，目前主要集中在3.4～3.6G H z、4.8～5.0G H z，這樣就需要更多的基站部署，這又會(huì)提高成本?！碧平苎a(bǔ)充道。因此，如何減少網(wǎng)絡(luò)部署和維護(hù)過程中產(chǎn)生的能量消耗，實(shí)現(xiàn)高能效的通信傳輸將是5G通信系統(tǒng)成功的必由之路。

對(duì)此，唐杰率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)通過對(duì)未來智能化應(yīng)用的調(diào)研和分析，結(jié)合時(shí)延、可靠性、連接密度等新的網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)估指標(biāo)，開展了面向5G海量機(jī)器類通信的高能效攜能傳輸機(jī)制研究。他首先分析了未來智能化應(yīng)用的發(fā)展對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)性能的要求，研究了相應(yīng)的能效評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)與基礎(chǔ)理論；其次，通過與5G通信系統(tǒng)空中接口和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)新特性的結(jié)合，研究了高能效傳輸?shù)慕鉀Q方案并分析了影響能效的關(guān)鍵因素；最后，結(jié)合5G海量機(jī)器類通信場(chǎng)景的需求，從攜能通信方面研究了與所承載應(yīng)用相匹配的高能效傳輸整體解決方案。

隨著5G通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入商業(yè)化階段，為了獲得更快和更可靠的數(shù)據(jù)傳輸，下一代（6G）通信技術(shù)也已經(jīng)處于研究狀態(tài)。其中，通過調(diào)整無線環(huán)境來提高頻譜和能源利用率的智能反射面（I R S s）因其無源、低成本、部署靈活等優(yōu)勢(shì)，引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的興趣，也被視為未來移動(dòng)通信核心技術(shù)之一。在這項(xiàng)前沿科學(xué)研究上，唐杰團(tuán)隊(duì)看到了更廣闊的應(yīng)用前景，相應(yīng)地，他們已經(jīng)做出了部分規(guī)劃和準(zhǔn)備。他透露道，從相關(guān)系統(tǒng)的搭建到硬件平臺(tái)和軟件算法的開發(fā)，未來他們會(huì)集中很大一部分力量對(duì)此發(fā)起攻關(guān)。

團(tuán)隊(duì)合影

金針度人，甘為火種

近些年，移動(dòng)通信一直是全球科技創(chuàng)新競爭的制高點(diǎn)。在該領(lǐng)域，唐杰從未停下探索的腳步。據(jù)了解，超過70%的移動(dòng)業(yè)務(wù)發(fā)生在室內(nèi)場(chǎng)景，長期以來，室內(nèi)移動(dòng)通信高容量持續(xù)增加和低成本建網(wǎng)運(yùn)維這對(duì)矛盾一直是制約信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的國際性難題。為滿足提速降費(fèi)和寬帶中國等國家戰(zhàn)略需求，亟待破解室內(nèi)分布系統(tǒng)高性價(jià)比、多網(wǎng)融合和高擴(kuò)展性組網(wǎng)理論和方法。

為解決這些難題，唐杰率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)與京信通信系統(tǒng)有限公司展開合作，在室內(nèi)分布系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、信號(hào)傳輸介質(zhì)與理論上進(jìn)行攻關(guān)與創(chuàng)新突破，在業(yè)內(nèi)首創(chuàng)了擴(kuò)展型微小區(qū)基站，實(shí)現(xiàn)了一種射頻信號(hào)IT化傳輸、即插即用、開放融合、多模接入的高性價(jià)比新型室內(nèi)分布系統(tǒng)解決方案。經(jīng)鑒定：項(xiàng)目技術(shù)和產(chǎn)品總體上達(dá)到國際先進(jìn)水平，其中“微小區(qū)基站與分布式部件時(shí)頻同步共小區(qū)技術(shù)”和“基于IP幀重構(gòu)的多通信制式IT化前傳技術(shù)”達(dá)到國際領(lǐng)先水平。2019年6月，相關(guān)技術(shù)成果應(yīng)用于上海世界移動(dòng)通信大會(huì)上發(fā)布的“業(yè)內(nèi)首款5G云小站”產(chǎn)品中，為5G賦能各行各業(yè)提供了技術(shù)支撐。同時(shí)，該項(xiàng)目還獲得了2019年廣東省科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

如今，唐杰的科研團(tuán)隊(duì)已經(jīng)發(fā)展到了20多人。作為團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)頭人，在團(tuán)隊(duì)管理上，他有著明確的分工。無論是在無線通信的硬件搭建、軟件算法方面，還是他近期開始從事的5G應(yīng)用方面都有所部署，確保了每個(gè)方向都有碩士生、博士生或博士后參與。他說：“每個(gè)同學(xué)來到我這里都是一樣的，都要從基礎(chǔ)的知識(shí)搭建開始做起，只有基礎(chǔ)打牢固了，后面的研究才能更順暢?！?/p>

唐杰坦言，無論是在團(tuán)隊(duì)管理上，還是在學(xué)生培養(yǎng)上，他都承襲了他的博士生導(dǎo)師。在時(shí)間上，他從不對(duì)學(xué)生做出硬性要求，因?yàn)樵谒磥恚瑢W(xué)習(xí)和研究都應(yīng)該是一件自發(fā)自覺的事情，只有學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)，才能真正學(xué)會(huì)知識(shí)。此外，每一個(gè)學(xué)生到來之前，他都會(huì)提前將一些道理擺出來，比如，他會(huì)告訴學(xué)生，光憑文憑是不夠的，更重要的是在研究過程中積累的經(jīng)驗(yàn)，獲得的成果，以及培養(yǎng)出來的解決問題的能力，這些才是他們立足社會(huì)的資本?！斑@些道理在前期就要說給他們，他們聽進(jìn)去了，就不需要我再約束，他們會(huì)自己把事情做好?！薄拔业膶W(xué)生都很上進(jìn)?！闭f出這句話時(shí)，唐杰臉上寫滿了驕傲。很多個(gè)晚上，他從實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過時(shí)，看到大部分學(xué)生還在里面努力工作，這是他最欣慰的時(shí)刻。

在指導(dǎo)學(xué)生時(shí)，唐杰也遵循循序漸進(jìn)的原則。比如，在對(duì)博士生的培養(yǎng)上，他在第一年會(huì)傾盡所能去教學(xué)生，告訴他們?cè)撟鍪裁?，該怎樣做；但在第二年就只告訴學(xué)生一個(gè)范圍，讓學(xué)生自己去挖掘；到第三年，他會(huì)鼓勵(lì)學(xué)生放開手腳，大膽地去質(zhì)疑，去探索，去求證，獨(dú)立承擔(dān)課題，完成任務(wù)。唐杰強(qiáng)調(diào)說，博士生獨(dú)立科研的能力非常關(guān)鍵，這關(guān)乎到他們以后的事業(yè)，所以他非常注重培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立做科研、獨(dú)立解決問題的能力。

研究工作之外，唐杰常常組織體育活動(dòng)來調(diào)節(jié)團(tuán)隊(duì)成員的狀態(tài)，打羽毛球、打籃球……幾乎每一次，他都參與其中。在唐杰看來，科研是一項(xiàng)不斷攀登高峰的事業(yè)，在攀登的過程中，他希望他和他的團(tuán)隊(duì)能時(shí)刻保持積極良好的心態(tài)，勇于面對(duì)不斷涌現(xiàn)的挑戰(zhàn)，篤定前行。