原標題：未來移動通信，也許沒有基站也可以西安交大殷勤業(yè)教授團隊首創(chuàng)“空譜”理論并解決多項應(yīng)用難題
十年前，你也許無法想象，手機會成為家門的鑰匙、電器的開關(guān)、車上的娛樂系統(tǒng)，甚至完全代替電腦……
今天，當(dāng)這一切都成為可能或已實現(xiàn)，你還能否想象，也許若干年后有人買手機不是為了它無所不能的功能，而是為了“幫助”你我通話，通過“傳遞信號”來獲取一定報酬。這不是天方夜譚，是科學(xué)家們設(shè)想的可能到來的“扁平化通信”中的典型場景。
當(dāng)然，實現(xiàn)這一切的基礎(chǔ)是無線通信技術(shù)的不斷進步。30多年來，西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院殷勤業(yè)教授團隊，就干的這個“基礎(chǔ)”的事兒。團隊的科研工作者們專注于無線通信應(yīng)用基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，突破傳統(tǒng)研究，開創(chuàng)性地提出無線通信“空譜”的概念，并解決了多項相關(guān)技術(shù)難題。
另辟蹊徑，發(fā)現(xiàn)“可再生”通信資源
手機對我們來說，早已不僅僅是打電話、發(fā)短信了。上網(wǎng)、打游戲、看視頻……手機功能的不斷延伸，伴隨著對信息傳輸?shù)乃俣?、容量以及安全性能提升的巨大需求。然而，頻譜資源的有限和匱乏，成為無線需求的最大桎梏。
無線頻譜資源和煤炭、石油一樣并非用之不竭，而是有限非再生的。在一定的時間、區(qū)域和頻域內(nèi)，某一特定頻段的頻率資源一旦被使用，其他設(shè)備便不能再用。任何無線電業(yè)務(wù)的開展，都需要無線電管理機構(gòu)為其分配頻譜資源。面對無線通信飛速發(fā)展的挑戰(zhàn)，如何更加高效利用有限的頻譜資源和開發(fā)新的通信資源，一直是無線通信領(lǐng)域研究的熱點。
在這個過程中，殷勤業(yè)教授團隊另辟蹊徑，大膽提出了“空譜”的概念：信號在空間傳播，傳播過程中要占據(jù)一定空間?？臻g的區(qū)別，為頻譜的反復(fù)使用創(chuàng)造了條件。信號的維度，也就從時間和頻率兩維拓展到時間、頻率、空間三維?？臻g僅僅被證實的就包括上下左右前后多個維度。每多一個維度，信息通道成幾何倍數(shù)增加。隨著使用場合的不同和人們對空間認識的不斷深入，維度還有多個可能性。這僅僅是理論嗎？在多天線收發(fā)數(shù)字無線通信中，研究人員發(fā)現(xiàn)各處的信號空譜是不同的，這也證實了無線通信不僅有頻譜資源還有更為豐富的空譜資源。因此，運用技術(shù)手段利用好空間譜，頻譜資源的匱乏就不是問題。
由于電磁波在開放的時空中自由傳播，無線電業(yè)務(wù)頻率之間容易出現(xiàn)干擾，這也是無線頻譜資源要劃分使用的原因。利用空間譜，要解決的核心問題，就是信號的相互干擾。團隊通過技術(shù)手段，改變信號廣播式的傳播特性，把電磁信號約束在盡量小的空間內(nèi)，避免了相互干擾，使得同一頻譜資源，被不同空間的用戶反復(fù)使用成為可能。從這個角度講，“空譜”也意味著無線通訊領(lǐng)域的“可再生能源”。
由“空”到實，搶占前沿研發(fā)先機
如果說“空譜”是無線通信領(lǐng)域的“可再生能源”，如何利用好還有很多難題需要解決。利用多天線技術(shù)開發(fā)使用空間譜，是殷勤業(yè)教授團隊研究的著力點。團隊主要成員王慧明教授介紹，利用多天線技術(shù)開發(fā)使用空間譜，主要通過集中式和分布式兩種途徑來實現(xiàn)。
集中式通過多個天線排列成天線陣，每增加一根天線，就意味著多一個信息通路，也就是在同時頻的條件下，增加一個空域通路，實現(xiàn)效率翻番。同樣，多一根天線，面臨的問題和困難更多，對信號傳輸和處理技術(shù)要求也更高。從1994年開始，殷勤業(yè)教授在國內(nèi)率先開展這一研究，承擔(dān)了該領(lǐng)域我國最早的863項目，建成了國內(nèi)首套通過集中式多天線方式實現(xiàn)空譜利用的智能天線驗證系統(tǒng)平臺，證明通過空域利用，頻譜使用可以實現(xiàn)翻番的效果。在此基礎(chǔ)上，他們和國內(nèi)某知名通信企業(yè)合作，共同研發(fā)了基于智能天線的小靈通基站，不僅一舉打破了國外公司的壟斷，大大降低了基站成本，而且在性能上也優(yōu)于了同類產(chǎn)品，在市場上得到廣泛應(yīng)用。王慧明教授介紹，實際上我們目前的通信基站，無論是小靈通基站還是3G、4G基站，都是通過多天線排列成天線陣對空譜資源的利用。當(dāng)然，天線數(shù)越多，空譜資源的利用率也就越高，系統(tǒng)就越復(fù)雜?，F(xiàn)在使用4G標準的基站大概采用4到8根天線。目前，團隊和相關(guān)單位合作，已經(jīng)建成一套具有32根天線的軍用抗干擾智能天線高速通信系統(tǒng)。在智能天線技術(shù)的研究和產(chǎn)品化方面，該團隊一直走在了業(yè)界的前列。5G移動通信系統(tǒng)中，進一步提高頻譜效率的方法就是使用成百根天線，無疑在5G智能天線技術(shù)的研發(fā)上，該團隊已經(jīng)占有了先機。
隨著云計算、物聯(lián)網(wǎng)、未來蜂窩移動通信系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用的飛速發(fā)展，協(xié)作無線通信成為通信領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。協(xié)作無線通信通俗地講，就是在某種特定環(huán)境、特殊需求下，普通的傳輸手段無法滿足，需要通過分布在不同地方的無線節(jié)點協(xié)同工作，實現(xiàn)可靠通信。隨著協(xié)作無線通訊研究和技術(shù)的進步，前邊提到的“扁平化通訊”時代也許將隨之到來。當(dāng)然，協(xié)作通信的本質(zhì)實際上是一種分布式利用空譜資源的方式。
然而，分布式空譜利用面臨更多復(fù)雜問題。例如，處于不同空間位置上的多個協(xié)作發(fā)射機發(fā)射信號到達接收機的時間和載波頻率都是不同步的，這將破壞協(xié)作信號的良好性質(zhì)，惡化系統(tǒng)性能。因此，時間、頻率的異步問題成為協(xié)作無線通信面臨的最大問題。在解決這一問題的過程中，殷勤業(yè)教授團隊提出了兩大思路：一個是通過一些保障同步的協(xié)商機制，讓它們同步起來；另一種是在允許有一定同步誤差存在的情況下，通過魯棒的信號設(shè)計，保障可靠接收。該項目從2005年開始，歷時9年，從時頻異步的產(chǎn)生機制入手，構(gòu)建了時頻異步的數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)地建立了時頻異步下協(xié)作信號發(fā)射理論和方法。由于貢獻突出，“時頻異步協(xié)作無線通信系統(tǒng)信號設(shè)計和檢測理論與方法”榮獲2014年陜西科學(xué)技術(shù)獎一等獎。團隊王慧明教授也因這方面的貢獻，博士論文獲得2012年全國優(yōu)秀博士學(xué)位論文獎，入選2013年教育部“新世紀優(yōu)秀人才支持計劃”。
彌補“短板”，從源頭解決信息安全問題
竊聽、騷擾、欺詐……無線通信就像一把雙刃劍，我們享受到它的豐富、便捷的同時，也受到信息安全的威脅。
信息安全具有典型的“水桶效應(yīng)”。無線通信的媒介是開放的，信號以基站為中轉(zhuǎn)在空中傳播，從理論上講只要有類似基站的設(shè)備，就可以接收信號。傳統(tǒng)的方式是通過高層加密認證機制，保證通信安全。然而，這些技術(shù)都無法針對性地解決無線信號在空中的泄漏問題。正是由于開放的特質(zhì)，無線通信成為信息安全的最“短板”。
因此，從無線信號傳播本身的特點入手，才是解決無線通信安全問題的根本出路?！翱兆V”為從源頭上解決安全問題提供了可能性。王慧明教授解釋，“空譜”差異決定了不同用戶的信道容量具有差異，可以犧牲部分容量保證私密信息安全傳輸。由“空譜”刻畫出的無線信道具有多樣性、唯一性、時變性、互易性等特征。一方面提升了信息容量，另一方面決定了無線信道具有天然的安全“指紋”和“管道化”傳輸?shù)奶攸c，使得收發(fā)雙方“指紋匹配”，在傳輸?shù)奈锢韺用姹Ｕ狭诵畔⒌陌踩Ｒ簿褪?，每個人每次信息的傳輸與接收，都有特有的指紋，指紋匹配不上，任何人都無法獲取信息。
補上了“短板”，也許不再受信息安全威脅并不是夢。（記者 張梅 通訊員 郝亞楠）
（編輯 張玲玲）
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