期刊-2015-06

敢立潮头唱大风

佚名

2015年06月28日

1897年,意大利人M.G. 马可尼在固定站与一艘拖船之间完成了史上首次无线通信试验,是为人类移动通信发展的起点。
1987年,我国引入TACS标准的第一代蜂窝移动通信技术,在广东建成并投入商用,拉开中国移动通信发展的序幕。
2000年,我国提交的第三代移动通信标准草案TD-SCDMA(时分同步码分多址)正式成为国际标准,实现我国移动通信标准零的突破,打破了欧美等国的技术垄断。
2012年,我国自主创新的TD-LTE-A标准被国际电信联盟(ITU)确定为第四代移动通信(4G)国际标准,成为两大4G国际标准之一,实现了我国移动通信发展从追赶到引领的跨越。
与一百多年的世界移动通信发展史相比,我国的移动通信仅有不到30年的演进历程。在如此短暂的时间内,我国实现了移动通信从无到有、从弱到强、从跟随到引领的飞跃,走出了一条引进、吸收、改造、创新的向上之路。在这个充满挑战的艰辛历程中,涌现出众多优秀的科技人员和团队,北京邮电大学张平教授所带领的研究团队,就是其中的杰出代表。
该团队自上世纪90年代起,一直活跃在移动通信领域前沿,长期致力于移动通信先进技术的研发和国际标准化进程。历经二十余载的科研探索,积淀了深厚的研发基础,为我国移动通信技术的自主创新和跨越式发展,特别是TDD技术的产业化和标准化做出了开创性的贡献。

占领高地,得标准者得天下

国际标准是移动通信技术竞争的“圣杯”。
移动通信对网络前后的一致性和设备间切换的便捷性要求极为苛刻,要求运营商、设备商、服务提供商共同遵守统一的约定—国际标准。可以说,谁占领了这一高地,谁就拥有了国际话语权,谁就有可能在未来的竞争中抢占技术制高点。所以,各国都致力于将自己拥有自主知识产权的核心专利纳入国际标准。
众多周知,我国在2000年才拥有了第一个移动通信领域的国际标准——3G TD-SCDMA。在这之前,由于标准旁落,中国企业没有任何主动权,无法获得核心技术转让,必须支付高额专利使用费。
长期受制于人的痛苦,促使我国科研人员无比渴望自主核心技术的突破。因此,在机会出现的时候,他们果断出击,迎难而上。
在3G向4G演进的过程中,张平带领团队率先在国内开展4G TDD系统架构设计和关键技术研究。在后向兼容TD-SCDMA系统基础上,提出了原创的TDD-OFDM-MIMO(时分双工—正交频分多址—多入多出)技术体制,发明了离散导频方法,设计出满足4G要求的TDD帧结构,解决了无线传输的基本格式问题。联合大唐等国内企业在激烈的技术角逐中击败了欧美等国提案,成果被采纳为4G国际标准,为我国基础技术创新登上国际舞台提供了范例。
团队进一步针对宽带无线通信移动化的难题,提出了群小区协作组网架构,发明了滑动切换方法,解决了传统小区架构频繁切换的问题。该成果作为4G组网的核心技术被纳入4G TD-LTE国际标准,已应用在中国移动的4G商用网络中,并进一步促进了TDD制式在国际范围内的商用。目前全球已有多个国家和地区采用了中国主导的4G TD-LTE国际标准。
在理论创新与关键技术突破的基础上,张平带领团队进一步研发试验验证平台。2006年在国内首次研制出无线传输速率达到122Mbps的4G TDD试验系统,并搭建了试验网,打通了我国第一个4G电话。试验系统与试验网的指标超过当时4G规定的100Mbps无线传输能力,有力地打破了西方国家对TDD不能独立组网的偏见。鉴定委员会认为,该系统“达到国际领先水平”,彰显了TDD技术的国际竞争力,也为TD-SCDMA从3G向4G的平滑演进奠定了基础。
2009年12月,张平教授团队再次实现突破。在122Mbps 4G试验系统基础上,解决了1Gbps无线通信系统设计、全链路关键技术、组网技术等诸多难题,完成了世界首个点对多点速率达1Gbps的TDD无线传输系统及试验网,达到ITU对4G系统的最高传输速率需求,标志着我国在此领域的技术研发实力位列世界前茅。
这些源头创新成果为解决我国移动通信系统发展的瓶颈性难题奠定了基础,引领了我国自主知识产权的TDD系列关键技术的研究、原型系统开发及标准制定工作。在取得国际竞争制高点、提升国际话语权的基础上,进一步夯实了我国在宽带信息领域的国际领先地位。
 
重抓基础,自有源头活水来

移动通信系统研发的基本挑战之一来自电波传播的复杂性和多样性,掌握这种传播特性,是开展新型移动通信技术研发和实验的前提。
如同建筑施工前的地质特点与结构探测,对电波信号的测量和传播建模,是移动通信系统研发的重要基础性科学问题。欧美日的通信企业正是凭借在此领域的深厚积累,奠定了在移动通信系统的标准化和研发上的领先地位。
张平针对此领域的研究始于本世纪初。自2004年起,ITU开始推进以MIMO技术为基础的4G系统研究和标准化。各标准化组织迫切需要一个适用于不同频段、带宽可变的MIMO信道模型,以刻画4G系统在空间、时间和频率域上的特性,以支撑新技术的研究、系统性能的评估以及产品的开发、测试与应用等。
瞄准该基础性问题,张平带领团队开展了宽带多天线系统的信道传播特性的测量和建模工作。结合实验验证系统,搭建了可靠的测量平台,可支持高采样率(200M样本/秒)、多天线间灵活切换、发送和接收机精确同步等先进功能。该平台的成功研制使我国成为世界上少数拥有此水平测量平台的国家之一。
团队还完成了针对典型部署(2GHz-6GHz)频段和高频段(6GHz-15GHz)的多种场景(包括室内/室外、局部热点、网络协同、中继通信、分布式天线通信等),以及上百条路线的电波传播特性的测量实验,形成了宝贵的海量实测数据库。这是世界上最权威、最丰富的测试数据库之一。在此基础上,发明了一种高精度的信道特征估计算法,发明了基于“多径包”的时延域参数估计方法,将多径的估计数目从传统算法的十余条提高到二十余条,并实现了7维信道特征(即延时、幅度、水平、俯仰到达、离开角及多普勒频偏)的精确估计,显著提高了信道建模的精度,增强了对无线传播环境认知的能力。据此完成的商业级信道测量分析软件被新西兰电信等国际同行采购使用。
团队进一步合理折衷复杂度和精确度,建立了五种典型应用场景的空—时—频多维信道模型。上述成果提交至标准化组织后,获得了国际同行的一致认可,实现了我国在此领域零的突破,扭转了我国基于外国信道模型研发新技术的被动局面。相应成果也已在业界广泛应用,成为4G技术研发的基础信道模型。
在信道测量与建模的基础上,张平教授团队进一步研制了认知无线网络试验系面,取得了一系列原创性成果。
异构网络融合、频谱资源短缺等是制约宽带移动通信发展的瓶颈问题。张平将认知科学与通信网理论融合,以建立具有“学习”能力的“智能化无线通信系统”为出发点,领导团队突破了原有无线网络设计思想,率先提出了“认知无线网络(CWN)”的概念。
团队逐渐突破了认知流传输理论及方法、认知流模型、新型认知无线网络体系架构等一系列关键技术,并于2011年成功研制了国际上首个基于TD-LTE的认知无线网络试验系统。该系统将认知功能无缝融入已经成为国际4G标准的TD-LTE系统中,使其具备了智能、自适应的特性。并且,该系统的频谱检测和频谱切换等技术达到国际先进水平,相比美国FCC的技术指标,试验验证频谱利用效率提升了30%以上。
目前,张平教授团队在认知无线网络领域已申请国家发明专利64项,国际PCT专利11项,获授权专利36项。在此基础上,被ITU、IEEE等国际标准化组织接纳提案36篇,形成ITU-R M. 2225、ITU-R M. 2242及IEEE DySPAN-SC P1900. 6a等3项国际标准,以及ITU RA-12第58号决议,WRC-12 第205号、第224号和第749号决议。这些工作“有力维护和扩大了我国在相关领域的权益”,“推动了中国无线网络的国际标准化工作,使中国在此领域的研究和标准化工作基本与国际同步,还有所超前”。

发力测试,厚积薄发正可期

如今,3G、4G手机广泛普及,而在这些移动通信终端产品产业化、规模化的背后,存在着自主核心技术的激烈争夺,焦点之一即为无线终端测试仪器仪表设备。
测试设备是支撑芯片、终端研发、生产、认证测试的关键工具。我国在无线终端测试仪器仪表,尤其是高端、关键性产品的研发领域起步较晚,长期受到国外厂商的技术垄断。
随着移动通信系统的更新换代、大量无线新技术的应用,迫切需要研发新的终端测试方法和装置。这给我国科研人员和企业带来了机遇,但更多是挑战。
张平紧抓机遇,率领团队迎难而上,在此领域展开了关键技术研发、标准化、产业化的一系列工作。
团队提出了2G/3G/4G/WIFI多模动态网络模型,可实现对真实无线网络的模拟。进一步发明了用于工程实现的创新技术,实现了可重构的通信测试仪器平台,为多模终端的测试提供了基础。提出了高效、精确的测试方法,解决了大动态、高速信号测试与测量难题,可满足多模手机各种无线性能指标的测试需求。解决了多网络、高速移动环境下终端用户行为测试分析的难题,实现了异构网络环境下终端互联、互通、互操作的测试和量化分析。
基于上述平台和技术,张平教授团队获得了累累硕果—
2005年,推出世界首台TD-SCDMA制式的终端综合测试仪—SP6010,几乎所有的芯片、终端厂商都采用了该仪表。
2008年,推出业内首个TD-SCDMA终端无线资源管理(RRM)一致性测试系统—SP6200,与中国移动合作推出了TD-SCDMA联合检测测试系统—TS6100。这些系统填补了认证部门及运营商在TD-SCDMA入网、入库检测等方面的空白,有效保障了TD-SCDMA终端产品的质量及与网络的互联互通性。
2011年,推出支持LTE(TD/FDD)RRM一致性测试系统—SP8200。目前,该系统已被泰尔、无委、苏州质检、高通、三星、联芯、展讯、海思等多家LTE终端入网认证监测机构及芯片终端研发公司采用。
2012年,推出GSM/WCDMA/TDSCDMA/LTE多模协议分析仪—SP8300C,已应用于高通、三星等多家芯片及终端研发企业。
这些创新成果被专家鉴定为“我国在无线通信高端测试技术及仪器仪表领域的重大突破”、“填补了国家的空白”。据不完全统计,相关成果带来的直接经济效益已超过8亿元,推动终端产值超过千亿元,为我国在手机测试仪器及系统赶超世界领先水平作出了突出贡献。
如今,团队正开展基于“互联网+”的云测试平台研发。针对终端测试领域存在的测试成本高、测试效率低等问题,提出了基于“互联网+”的终端云测试平台解决方案。该平台的建立,将为芯片、终端的研发和测试提供紧密结合的交互平台,加速从设计到生产的全过程,有效提升整个产业水平。同时,也能建立终端测试的大数据库,为未来终端产业的发展积累数据依据,为深入分析、预测终端产业的发展奠定基础。

未雨绸缪,无限风光在险峰

4G商用之后,5G还会远吗?事实上,针对5G的前瞻性研究早已启动,在这场没有硝烟的战争中,占得先机意味着提前吹响胜利的号角。张平教授团队也早已行动起来。
早在2013年,他们就已凭借前瞻性的“信息密度非均匀下的异构无线组网新技术”研究,获得国家科技进步奖二等奖(该年度最高等级)。这是我国5G领域首个国家级奖项。
如今,他们没有丝毫懈怠。张平正带领团队,以二十余年的研究基础和技术积累为后盾,以网络交换与技术国家重点实验室等为依托,以多项国家级项目和课题为支撑,积极开展面向5G的移动通信技术研究,开发5G高性能试验验证系统,以期形成完整的5G技术体系构架,实现未来移动通信基础理论、关键技术和工程实践的重要突破,抢占5G国际标准化制高点,推动我国5G技术研究达到国际领先水平,促使我国成为5G国际技术研究和标准制定的主导力量之一。
众人皆知无限风光在险峰,张平教授却更懂得“欲览极目美景,必先登高自强”的道理。正如他所说,要有自己的绝活,要让绝活有用武之地。只要投入,收获是毋庸置疑的。