尹海帆 攻克移動通信中“最難啃的硬骨頭”

余瑋

場景A：在行駛的地鐵上，或是在狹長的隧道里，當(dāng)急需使用手機卻一直處于“加載中”時，發(fā)不出去的消息、停止更新的導(dǎo)航，常常讓人“抓狂”。

場景B：華中科技大學(xué)5G實驗室一片忙碌，電子信息與通信學(xué)院的師生們正在進行通信實驗。在一塊長方形的實驗裝置前，一群人在忙著調(diào)試。這是一塊智能超表面，主要組成部分是人工電磁超材料……

這兩個場景，一個是5G的痛點與難點，另外一個是為攻克這“最難啃的硬骨頭”所作的努力。場景B中，通過智能超表面的反射，入射電磁信號可以實現(xiàn)定向反射傳輸，反射角度可由程序控制，能有效解決場景A中因障礙物阻擋或高速運行而導(dǎo)致的信號減弱問題。

這些學(xué)生的帶隊教師就是華中科技大學(xué)電子信息與通信學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師尹海帆。智能超表面被廣泛認(rèn)為是5G+/6G的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是國際競爭異常激烈的研究熱點。中國、美國、歐洲、日本、韓國、新加坡等國家和地區(qū)的科學(xué)家都在加速布局和探索該項新技術(shù)。尹海帆在5G移動性方面的研究瞄準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)痛點和難點，解決了5G中Massive MIMO的本質(zhì)性瓶頸問題——導(dǎo)頻污染，解決了5G在實地部署中遇到的關(guān)鍵挑戰(zhàn)——移動性詛咒，使無線通信系統(tǒng)在移動環(huán)境下的性能可逼近靜止環(huán)境。

打破5G的“移動性詛咒”

2019年5月，為追求自己的夢想，尹海帆放棄令人羨慕的年薪200萬元職位，重返母校華中科技大學(xué)，入職電子信息與通信學(xué)院。在他看來，只有在自己認(rèn)可的工作中，才能真正實現(xiàn)自我價值，才能夠有更好的職業(yè)發(fā)展。“我始終有一個夢想，那就是當(dāng)老師，培養(yǎng)更多優(yōu)秀的通信人才?！?p>

這一年，中國迎來了5G商用元年，即這一年中國的第五代移動通信技術(shù)正式用于商業(yè)用途，開啟了移動通信技術(shù)的新篇章。5G的高吞吐率、高可靠性、低延時、海量連接等特點，成為新一代信息技術(shù)的發(fā)展方向和數(shù)字經(jīng)濟的重要基礎(chǔ)。如愿走上教學(xué)崗位的尹海帆積極適應(yīng)著新的角色，以滿腔的熱情與新的期冀迎接新的挑戰(zhàn)。兼具科研人員和高校教師的“雙重身份”，他迫切地想要大干一場?！俺蔀槔蠋煹膲粝胍呀?jīng)實現(xiàn)，但是作為科研人員，以國家戰(zhàn)略需求為目標(biāo)，敢于向未知領(lǐng)域探索，以解決技術(shù)難題為使命，既是我們的擔(dān)當(dāng)也是夢想。我想帶著學(xué)生一起干！”

剛剛走上教學(xué)崗位的尹海帆，面臨著科研、教學(xué)等各方面的壓力，通宵達(dá)旦備課、廢寢忘食研究對他來說是家常便飯。作為新一代通信技術(shù)，5G已經(jīng)在全球范圍內(nèi)開始廣泛部署。身為專業(yè)人士，尹海帆清楚知道技術(shù)發(fā)展中存在不少“難啃的硬骨頭”。比如：5G通訊的時代，帶給消費者更高速的連接速度，很多關(guān)鍵應(yīng)用成為可能，電信商也樂得推新服務(wù)。但聯(lián)機更快意味著通過手機傳播惡意軟件變得更有效率，而且更為分散難以防備，不只消費者被攻擊，電信商也要面臨傳統(tǒng)實體網(wǎng)絡(luò)面臨的攻擊手法。由于5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要采用超高頻頻譜，這樣能提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，但這一頻段的電磁波傳輸距離很短，且容易被障礙物阻擋。要想讓5G網(wǎng)絡(luò)的信號覆蓋更好，運營商需要建設(shè)數(shù)百萬個小型基站，將其部署至每根電線桿、每棟大樓、每戶房屋甚至每個房間。在移動網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展的同時，其弊端也在不斷地顯現(xiàn)。

“我們的研發(fā)空間很大，機會也很多，比如解決世界性難題5G‘移動性詛咒（Curse of Mobility），以及5G信號覆蓋差、能耗高等等?！被啬感＠^續(xù)科研攻關(guān)，尹海帆信心滿滿。

5G中引入的大規(guī)模多入多出技術(shù)（M a s s i v e MIMO）是可以通過增加基站天線數(shù)量將移動通信系統(tǒng)性能（頻譜效率和能量效率）提升10倍以上的核心技術(shù)。然而，研究人員在5G實地測試與部署中發(fā)現(xiàn)了一個現(xiàn)實的挑戰(zhàn)，即“移動性詛咒”：在用戶低速移動或靜止環(huán)境中，Massive MIMO可以將系統(tǒng)性能提升一個數(shù)量級。但是在用戶的運動速度達(dá)到或超過30km/h的中高速移動環(huán)境下，發(fā)現(xiàn)5G系統(tǒng)的性能下降50%甚至80%。這個問題主要源于無線信道信息在移動環(huán)境中更難以獲取并且很快過時。移動性問題已經(jīng)成為當(dāng)前阻礙Massive MIMO高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲笸袋c。工業(yè)界曾投入了大量的科研力量，但始終無法有效解決。而尹海帆矢志解決相關(guān)技術(shù)問題，這種志在必得既來源于在企業(yè)積累的豐富工業(yè)實踐經(jīng)驗，也來源于校園里自由的學(xué)術(shù)氛圍和充滿干勁的學(xué)子。身為過來人，本碩均就讀于華科大的尹海帆深知這群年輕人身上蘊藏著巨大的科研潛力和創(chuàng)新能力。

作為導(dǎo)師，他為學(xué)生提供了優(yōu)質(zhì)、合理、切實可行的研究方向和技術(shù)指導(dǎo)，做學(xué)生科研道路上的引路人與指路燈，常與學(xué)生進行深入交流。他和學(xué)生成為研究合作者，努力把學(xué)生推向更廣闊的研究平臺。在尹海帆的努力下，一支跨學(xué)科專業(yè)的聯(lián)合團隊組建起來，他們的目標(biāo)就是解決5G發(fā)展亟須解決的基站建設(shè)成本高、信號穩(wěn)定性弱等問題。

5G無線信道信息在移動環(huán)境中不僅更難以獲取，還會很快過時。5G時代，如何滿足用戶對信號覆蓋面廣和傳輸速度快的“剛需”，是電信行業(yè)鉆研求解的重難點問題。尹海帆意識到，預(yù)防過時最好的方法，就是能夠準(zhǔn)確預(yù)測。于是，他帶領(lǐng)團隊“泡”在數(shù)據(jù)的海洋里。

越難啃的骨頭，越是要下硬功夫?！拔覀兪菬o線通信專業(yè)，主要做的是信號處理。怎么設(shè)計天線，我們完全就是外行。從零開始自己摸索，做了6000多次的仿真?！蓖ㄟ^不斷摸索，他們搭建起了全國首個基于全息波束賦形的5G信號智能增強系統(tǒng)，可有效增加5G信號覆蓋性能、降低能耗、抑制干擾，極大提升5G信號傳輸速率和可靠性。

兩年內(nèi)，經(jīng)歷了幾千次的電磁仿真，幾十次的迭代和優(yōu)化，年輕的團隊斗志昂揚，在雜亂無章的無線信道中找到了規(guī)律性的變化，利用無線信道的時延、角度、多普勒結(jié)構(gòu)特征，提出了一項高精度且低復(fù)雜度的信道預(yù)測技術(shù)，即通過非常少量的歷史信道采樣來推測未來信道的變化，從而避免信道信息隨用戶移動而快速過時的問題，破解了無線信道高維結(jié)構(gòu)的密碼，研發(fā)出了全新的5G信號智能增強系統(tǒng)，讓5G手機在移動環(huán)境下不掉速，可以有效增強5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量，降低成本和功耗。隨著5G通信核心技術(shù)“移動性詛咒”這一世界級難題被尹海帆團隊攻克，現(xiàn)如今我們乘坐高鐵時，再也不用擔(dān)心5G網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)“龜速”傳輸，也不用擔(dān)心手機信號失靈的問題了。

聚焦并深耕信息化賦能

2005年，尹海帆考入華中科技大學(xué)，就讀電氣工程專業(yè)。4年后，他順利成為通信與信息系統(tǒng)專業(yè)的工學(xué)碩士研究生。

“小時候，我的夢想是成為一名科學(xué)家?！?0多年前，尹海帆在華中科技大學(xué)讀本科之時就曾參加過學(xué)校電工電子創(chuàng)新中心的一個導(dǎo)盲機器人項目。他利用圖像處理、語音識別、人工智能等技術(shù)，設(shè)計幫助視障人士出行的智能設(shè)備。憑借該項目，尹海帆斬獲英特爾杯大學(xué)生電子設(shè)計競賽嵌入式系統(tǒng)專題邀請賽全國一等獎。他坦言，“那是我第一次站上國家級領(lǐng)獎臺。我深刻意識到技術(shù)可以服務(wù)社會，那次競賽也成了我科研之路的起源”。這次獲獎，更讓他真切體會到通過技術(shù)創(chuàng)新解決實際問題的成就感，對未來投身無線通信領(lǐng)域有了更明確的思考。有了求學(xué)期間積累起來的興趣、信心以及動手能力，尹海帆得以從容地面對科研中遇到的困難，不斷挑戰(zhàn)自我，在無線通信領(lǐng)域積極探索。

2008年，3G網(wǎng)絡(luò)剛開始全面商用，尹海帆就聽說電信學(xué)院有團隊在研究4G。他對這一超前的研究領(lǐng)域非常感興趣，也想?yún)⑴c其中。就這樣，尹海帆拜入導(dǎo)師劉應(yīng)狀門下?！安徽撌菍蒲械臒崆椋瑢?chuàng)新的追求，還是科技報國的情懷，劉老師都對我的影響很深?！?/p>

碩士即將畢業(yè)時，尹海帆計劃出國讀博，劉應(yīng)狀特意邀請一位法國教授到學(xué)校來講座。在老師的介紹下，尹海帆與這位法國教授有了交集，雙方的研究領(lǐng)域也頗為契合，2012年9月，尹海帆到巴黎高科電信學(xué)院攻讀博士學(xué)位，“感受到中西文化的差異，順利完成學(xué)業(yè)”。

2016年，尹海帆入職Sequans Communications，成為DSP工程師，從事IoT芯片算法研發(fā)。2017年底，進入上海華為技術(shù)有限公司，擔(dān)任高級預(yù)研工程師，負(fù)責(zé)5G核心技術(shù)研發(fā)和5G標(biāo)準(zhǔn)化工作。

尹海帆在通信企業(yè)工作了3年，對華為以及移動通信產(chǎn)業(yè)作出了自己的貢獻(xiàn)。但他心中還是時?；貞浧鹦@，念著自己想做一名教師的夢想。

“幾番猶豫，又是劉老師給了我信心?！币７f，得知自己對自由多樣的學(xué)術(shù)氛圍更為向往，劉應(yīng)狀鼓勵他隨心而行，并悉心指導(dǎo)他準(zhǔn)備申請材料，成功獲批國家級人才項目。

2019年春夏之交，尹海帆辭去高薪工作，回到母校華科任教。走在熟悉的校園，看著身邊一張張青春的臉龐，尹海帆對自己說，要像老師一樣，立德樹人、潛心科研。

尹海帆帶領(lǐng)科研團隊先后攻克了人工電磁超材料的設(shè)計與制造、高頻電子線路設(shè)計、通信系統(tǒng)開發(fā)等難題，并提出一種智能波束成形算法，可精準(zhǔn)地將反射波束指向接收天線，從而提升接收信號質(zhì)量。團隊在業(yè)界率先完成了智能超表面技術(shù)的室外遠(yuǎn)距離測試，實現(xiàn)500倍信號強度增益。他介紹，智能超表面與傳統(tǒng)的材料不同，該材料可以實現(xiàn)對入射電磁信號的智能化定向反射，反射角度可由軟件實時調(diào)控。該技術(shù)可彌補網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)，減少需要建設(shè)的通信基站數(shù)量，是一種經(jīng)濟、綠色、節(jié)能的移動通信新思路?！拔覀兊耐ㄓ嵓夹g(shù)從3G跟跑、4G并跑、到5G領(lǐng)跑，這是一代代人努力奮斗的結(jié)果。所以我們能做的就是把最新的技術(shù)教給我們的學(xué)生，讓他們在新技術(shù)的基礎(chǔ)上繼續(xù)往前推進，往前探索。”

接受采訪時，說到參加工作這么多年來，是否在不同崗位有著不同的體驗或感受，尹海帆說：“在法國工作期間，工作氛圍比較輕松、安逸，很少加班。在華為期間同事們工作都精神飽滿，富有熱情，充滿干勁。在華中科技大學(xué)工作期間，工作更加自由，學(xué)術(shù)氛圍更濃?！?h3>矢志攻關(guān)“卡脖子”核心技術(shù)

“明德厚學(xué)，求是創(chuàng)新。”這是華中科技大學(xué)的校訓(xùn)。“明德”意為彰明倫理，完善品德?！昂駥W(xué)”意為崇尚知識，學(xué)問淵博?！扒笫恰币鉃樽非笳胬恚l(fā)現(xiàn)規(guī)律?！皠?chuàng)新”意為與時俱進，追求新高。尹海帆以實際行動踐行“學(xué)在華科”的口號，詮釋著華科校訓(xùn)。

作為一名教師，尹海帆希望成為拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的耕耘者，把華科的科研精神傳承下去。為了組建團隊，他經(jīng)常宣講，面對面跟學(xué)生溝通，告訴他們自己打算做什么、技術(shù)挑戰(zhàn)是什么、可以解決通信系統(tǒng)什么樣的難題……尹海帆說，5G的一些核心技術(shù)最早在2010年提出來，當(dāng)時已經(jīng)不再是學(xué)術(shù)前沿。雖然也可以選擇新的科研熱點，但既然做，就要解決真的問題，做能夠落地的技術(shù)，做真正造福社會的研究。

幾年來，尹海帆傾心講授“無線通信基礎(chǔ)”等核心專業(yè)課程，直接指導(dǎo)50余名本科生參與科研實踐。他始終堅持與學(xué)生在一起，聚焦業(yè)界的痛點、難點，發(fā)現(xiàn)真問題、解決難問題：搭建原型樣機測試信號處理算法，打磨PPT、一起路演、模擬問辯，一起參加培訓(xùn)300多場……“不管多么辛苦，有一件事我一直在堅持，那就是指導(dǎo)學(xué)生參加雙創(chuàng)實踐。指導(dǎo)他們備賽、陪伴他們奪冠?！?/p>

做科研時，尹海帆主動面向國家重大戰(zhàn)略需求，做高水平科技自立自強的踐行者。他坦言，學(xué)術(shù)研究的艱辛曲折，是每名科研工作者必須面對的過程。而精準(zhǔn)對接國家重大戰(zhàn)略需求，則應(yīng)是青年科研工作者的立身之本、畢生之追求。

播撒的種子終將生根發(fā)芽。如今，尹海帆所率的團隊多項科研成果與企業(yè)合作落地，有關(guān)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)5G基站，持續(xù)推動科技創(chuàng)新賦能社會發(fā)展，多項成果被應(yīng)用于5G國際通信標(biāo)準(zhǔn)中。曾有人估算過，所攻克5G通信高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹笆澜缂夒y題”，受益人群超過6億。“在珠海市橫琴東環(huán)隧道，我們這一套系統(tǒng)開啟之后，可以實現(xiàn)整個400米隧道的全部信號覆蓋。未來我們這個技術(shù)就可以去助力自動駕駛的網(wǎng)絡(luò)布設(shè)，可以實現(xiàn)比傳統(tǒng)方法更低成本的網(wǎng)絡(luò)覆蓋?！?p>

尹海帆將自己的科研能力轉(zhuǎn)化為育人優(yōu)勢。2021年，他帶領(lǐng)團隊贏得中國工程院創(chuàng)新潛力獎全國冠軍。作為第一指導(dǎo)老師，他帶領(lǐng)學(xué)生團隊贏得“挑戰(zhàn)杯”競賽主體賽全國特等獎及全國一等獎各一項、中國國際大學(xué)生創(chuàng)新大賽主賽道全國金獎、中國國際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽主賽道全國金獎、全國大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)年會改革成果類項目最高獎等獎項。由于在大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃中取得的成就，尹海帆獲評“國創(chuàng)計劃”十五周年榮譽獎項“最佳導(dǎo)師獎”。

前不久，尹海帆入選全國青馬工程首期科技班?！皩W(xué)習(xí)與實踐期間，我更加深刻感受到作為一名科研工作者、一位人民教師、一個新時代青年在科技主戰(zhàn)場的責(zé)任與擔(dān)當(dāng)，聚焦國之所需，要讓科研成果運用在祖國大地上；助力學(xué)生成長，要讓科創(chuàng)報國的種子在學(xué)生心里生根發(fā)芽”。

科研之路并非總是一帆風(fēng)順，難免遭遇失敗，甚至還會聽到一些負(fù)面的評價?！斑@個時候心態(tài)尤其重要，面對壓力，要學(xué)會及時調(diào)整心態(tài)和釋放心情、保持自信，無論之前進行得有多不順利，再次進實驗室之前都要給自己打氣，相信這次一定能夠獲得滿意的數(shù)據(jù)?！笨蒲幸残枰己玫纳眢w素質(zhì)作為基礎(chǔ)，于尹海帆而言，積極鍛煉能夠幫助自己釋放壓力。談起業(yè)余生活，他說：“踢足球。經(jīng)常組織學(xué)生一起踢球?！?/p>

2024年4月29日，尹海帆獲得第28屆中國青年五四獎?wù)?。這是中國青年的最高榮譽?！斑@不僅是一份榮譽，更是一種責(zé)任。習(xí)近平總書記在華工激光考察時深刻指出，科技自立自強是國家強盛之基、安全之要。我立志在自己的研究領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自立自強。作為一名高?？萍脊ぷ髡?，在今后的工作中，會始終以解決國家戰(zhàn)略需求為目標(biāo)，攻克技術(shù)難題為使命，不畏艱險、直面挑戰(zhàn)，為我國科技自立自強貢獻(xiàn)自己的力量?！彼硎?，將繼續(xù)致力于攻關(guān)信息通信領(lǐng)域“卡脖子”技術(shù)，開拓創(chuàng)新、砥礪奮進，助力數(shù)字化中國建設(shè)，以信息化賦能推進新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展。

責(zé)任編輯 陳晰