未来移动通信，也许没有基站也可以 － 西安交大殷勤业教授团队首创“空谱”理论并解决多项应用难题

2015年10月16日《陕西日报》第14版

      本报记者 张梅 通讯员 郝亚楠
      十年前，你也许无法想象，手机会成为家门的钥匙、电器的开关、车上的娱乐系统，甚至完全代替电脑……
      今天，当这一切都成为可能或已实现，你还能否想象，也许若干年后有人买手机不是为了它无所不能的功能，而是为了“帮助”你我通话，通过“传递信号”来获取一定报酬。这不是天方夜谭，是科学家们设想的可能到来的“扁平化通信”中的典型场景。
      当然，实现这一切的基础是无线通信技术的不断进步。30多年来，西安交通大学电子与信息工程学院殷勤业教授团队，就干的这个“基础”的事儿。团队的科研工作者们专注于无线通信应用基础研究领域，突破传统研究，开创性地提出无线通信“空谱”的概念，并解决了多项相关技术难题。
      另辟蹊径，发现“可再生”通信资源
      手机对我们来说，早已不仅仅是打电话、发短信了。上网、打游戏、看视频……手机功能的不断延伸，伴随着对信息传输的速度、容量以及安全性能提升的巨大需求。然而，频谱资源的有限和匮乏，成为无线需求的最大桎梏。
      无线频谱资源和煤炭、石油一样并非用之不竭，而是有限非再生的。在一定的时间、区域和频域内，某一特定频段的频率资源一旦被使用，其他设备便不能再用。任何无线电业务的开展，都需要无线电管理机构为其分配频谱资源。面对无线通信飞速发展的挑战，如何更加高效利用有限的频谱资源和开发新的通信资源，一直是无线通信领域研究的热点。
      在这个过程中，殷勤业教授团队另辟蹊径，大胆提出了“空谱”的概念：信号在空间传播，传播过程中要占据一定空间。空间的区别，为频谱的反复使用创造了条件。信号的维度，也就从时间和频率两维拓展到时间、频率、空间三维。空间仅仅被证实的就包括上下左右前后多个维度。每多一个维度，信息通道成几何倍数增加。随着使用场合的不同和人们对空间认识的不断深入，维度还有多个可能性。这仅仅是理论吗？在多天线收发数字无线通信中，研究人员发现各处的信号空谱是不同的，这也证实了无线通信不仅有频谱资源还有更为丰富的空谱资源。因此，运用技术手段利用好空间谱，频谱资源的匮乏就不是问题。
      由于电磁波在开放的时空中自由传播，无线电业务频率之间容易出现干扰，这也是无线频谱资源要划分使用的原因。利用空间谱，要解决的核心问题，就是信号的相互干扰。团队通过技术手段，改变信号广播式的传播特性，把电磁信号约束在尽量小的空间内，避免了相互干扰，使得同一频谱资源，被不同空间的用户反复使用成为可能。从这个角度讲，“空谱”也意味着无线通讯领域的“可再生能源”。
      由“空”到实，抢占前沿研发先机
      如果说“空谱”是无线通信领域的“可再生能源”，如何利用好还有很多难题需要解决。利用多天线技术开发使用空间谱，是殷勤业教授团队研究的着力点。团队主要成员王慧明教授介绍，利用多天线技术开发使用空间谱，主要通过集中式和分布式两种途径来实现。
      集中式通过多个天线排列成天线阵，每增加一根天线，就意味着多一个信息通路，也就是在同时频的条件下，增加一个空域通路，实现效率翻番。同样，多一根天线，面临的问题和困难更多，对信号传输和处理技术要求也更高。从1994年开始，殷勤业教授在国内率先开展这一研究，承担了该领域我国最早的863项目，建成了国内首套通过集中式多天线方式实现空谱利用的智能天线验证系统平台，证明通过空域利用，频谱使用可以实现翻番的效果。在此基础上，他们和国内某知名通信企业合作，共同研发了基于智能天线的小灵通基站，不仅一举打破了国外公司的垄断，大大降低了基站成本，而且在性能上也优于了同类产品，在市场上得到广泛应用。王慧明教授介绍，实际上我们目前的通信基站，无论是小灵通基站还是3G、4G基站，都是通过多天线排列成天线阵对空谱资源的利用。当然，天线数越多，空谱资源的利用率也就越高，系统就越复杂。现在使用4G标准的基站大概采用4到8根天线。目前，团队和相关单位合作，已经建成一套具有32根天线的军用抗干扰智能天线高速通信系统。在智能天线技术的研究和产品化方面，该团队一直走在了业界的前列。5G移动通信系统中，进一步提高频谱效率的方法就是使用成百根天线，无疑在5G智能天线技术的研发上，该团队已经占有了先机。
      随着云计算、物联网、未来蜂窝移动通信系统、无线传感器网络等应用的飞速发展，协作无线通信成为通信领域的关键技术。协作无线通信通俗地讲，就是在某种特定环境、特殊需求下，普通的传输手段无法满足，需要通过分布在不同地方的无线节点协同工作，实现可靠通信。随着协作无线通讯研究和技术的进步，前边提到的“扁平化通讯”时代也许将随之到来。当然，协作通信的本质实际上是一种分布式利用空谱资源的方式。
      然而，分布式空谱利用面临更多复杂问题。例如，处于不同空间位置上的多个协作发射机发射信号到达接收机的时间和载波频率都是不同步的，这将破坏协作信号的良好性质，恶化系统性能。因此，时间、频率的异步问题成为协作无线通信面临的最大问题。在解决这一问题的过程中，殷勤业教授团队提出了两大思路：一个是通过一些保障同步的协商机制，让它们同步起来；另一种是在允许有一定同步误差存在的情况下，通过鲁棒的信号设计，保障可靠接收。该项目从2005年开始，历时9年，从时频异步的产生机制入手，构建了时频异步的数学模型，系统地建立了时频异步下协作信号发射理论和方法。由于贡献突出，“时频异步协作无线通信系统信号设计和检测理论与方法”荣获2014年陕西科学技术奖一等奖。团队王慧明教授也因这方面的贡献，博士论文获得2012年全国优秀博士学位论文奖，入选2013年教育部“新世纪优秀人才支持计划”。
      弥补“短板”，从源头解决信息安全问题
      窃听、骚扰、欺诈……无线通信就像一把双刃剑，我们享受到它的丰富、便捷的同时，也受到信息安全的威胁。
      信息安全具有典型的“水桶效应”。无线通信的媒介是开放的，信号以基站为中转在空中传播，从理论上讲只要有类似基站的设备，就可以接收信号。传统的方式是通过高层加密认证机制，保证通信安全。然而，这些技术都无法针对性地解决无线信号在空中的泄漏问题。正是由于开放的特质，无线通信成为信息安全的最“短板”。
      因此，从无线信号传播本身的特点入手，才是解决无线通信安全问题的根本出路。“空谱”为从源头上解决安全问题提供了可能性。王慧明教授解释，“空谱”差异决定了不同用户的信道容量具有差异，可以牺牲部分容量保证私密信息安全传输。由“空谱”刻画出的无线信道具有多样性、唯一性、时变性、互易性等特征。一方面提升了信息容量，另一方面决定了无线信道具有天然的安全“指纹”和“管道化”传输的特点，使得收发双方“指纹匹配”，在传输的物理层面保障了信息的安全。也就是，每个人每次信息的传输与接收，都有特有的指纹，指纹匹配不上，任何人都无法获取信息。
      补上了“短板”，也许不再受信息安全威胁并不是梦。