填补最后一块“拼图”实现特定领域专网通信技术的跨越式发展

2021-07-27 11:33:29

海域通信被称为空天地海一体化战略的最后一块“拼图”,是垂直行业专网无线通信应用场景之一。这些年来,越来越多的海上作业客户找到中国科学院上海高等研究院(以下简称上海高等院)研究员周婷,希望她及其团队能够帮忙打通海域专网覆盖广度与通信带宽难以兼得的技术瓶颈。

之所以有越来越多的人找到周婷,是因为她和团队对专网通信领域所面临的“三座大山”很熟悉,并且一直在想办法攻克它们。

功夫不负有心人。周婷带领团队最终成功翻越“三座大山”,不仅解决了海上作业客户的“头疼病”,还将相关技术应用于其他垂直行业,实现特定领域专网通信技术的跨越式发展。但这一翻越并不容易——他们走了10余年的艰苦之路。

在上海市近日公布的2020年度科学技术奖名单中,周婷团队的研究成果成功入围技术发明奖一等奖。

“三座大山”一直在

过去的半个多世纪,包括电缆和光缆等有线通信以及1G到6G的移动通信在内的现代通信技术层出不穷、迅速发展,广泛应用在人类社会的各行各业,成为社会信息化变革的重要支撑。

然而,现代通信技术的应用主要局限于陆地场景,在海洋上的应用和拓展不足,导致海洋通信的发展与陆地通信相比明显滞后。

中国工程院院士、中国电子科技集团有限公司首席科学家陆军等人将主要原因归于两点,一是21世纪前人类尚未开始对海洋的大规模开发利用,海洋上的人类活动有限,对通信网络的需求远不如陆地场景;二是在海洋上部署基础通信设施时设备选址受限、气象状况多变、海水运动频繁等复杂的环境因素给通信网络的部署和维护带来巨大挑战。

近年来,我国海洋活动愈发频繁,海洋业务种类愈发多样,海上运输、海洋渔业、气象监测、油气开采及海洋勘探等业务都在向更高效、更安全、更便捷的目标发展,全覆盖、高质量的海洋通信网络需求增加。

周婷向《中国科学报》介绍,目前陆地蜂窝网通信技术的速率、时延等网络性能基本上可以满足沿岸海事活动的需求,但单区覆盖最多十几公里;卫星通信覆盖广,但带宽有限且成本高。

于是,周婷团队瞄准了广域宽带专网通信,这是目前蜂窝网与卫星通信所无法支持的范畴。

然而,专网通信存在困扰业界的三大共性技术难题,也被称为“三座大山”。周婷介绍,一是跨海域无线通信环境复杂,大气波导突发性干扰影响可靠性;二是专网通信频谱资源受限,难以同时满足海量信息可靠传输与时延保障需求;三是专网基础设施资源有限,突发事件导致高可靠保障需求与布网基础设施成本之间存在矛盾。这“三座大山”因为海洋独特的自然条件而一直存在。

“三座大山”摆在眼前,周婷团队没有退路,只能逐一攻克。“每走一步,都需要理论与技术的突破创新。”周婷说。

“三对三”,成功翻越

应对由气象、地形因素造成的大气波导超远距无线信号干扰,是周婷团队必须要迈出的重要一步。

“过去的电磁波双向抛物方程推导都是采用实数折射率,只表征了大气对电磁波的限获,且与实际存在一定误差。”周婷介绍,实际上,大气波导对电磁波除了具有限获效应外,还存在水气等引起的吸收效应。“频段越高吸收效应越强,模型的误差越大,所以原有模型只能支持到20GHz。”

研究人员还发现,即使在低频段,随着抛物方程推演的距离逐渐增加,在误差积累一定程度后也不再准确。

在国际上,公认的大气中电波传播抛物方程建模平台PETOOL支持800M至20G频段,实测验证距离160公里。“我们的思路是提出电磁波复数折射率,更精准刻画大气折射与吸收效应,将适用频段拓展至100G,创建海陆多种地表形态模型,支持海陆多场景,最终使首次试验验证距离达到253公里。”周婷说。

这是周婷团队第一个主要技术发明点,即建立了超远距无线干扰建模技术。

接下来,他们要攻克专网现有通信范式难以同时满足广域和宽带“双高”需求的难题。“传统中继要么放大转发,但放大信号的同时也放大了噪声和干扰;要么译码转发,但万一发生误判将导致差错传播。”周婷解释道。

周婷团队不得不重新设计。他们反复试验、对比,最终建立了高可靠时延保障中继技术。而这也是周婷团队第二个主要技术发明点。

第三个主要技术发明点是他们建立的异构网络负载均衡能效优化技术。在这一过程中,研究人员在国际上首次提出基于空间投影约束的联合用户配对和功率分配方法。

“第一和第二个主要技术发明点是解决广域宽带专网通信‘能不能’的问题,而第三个主要技术发明点解决的是网络全局性能怎么更优、效率怎么更高的问题。”上海高等院研究员胡宏林介绍道。

不过他也指出,第三主要技术发明点虽然不是广域宽带的必要技术,但考虑到资源总是稀缺的,因此广域宽带不仅要能用,还要用得更高效、全局更优。同时该技术发明点是通信网络的共性技术,能够适用不同特定场景的专网通信。

周婷坦言,这样的技术突破并不是集中攻关四五年就能攻克的。他们每走一步,都会遇到遍地荆棘。

幸运的是,周婷和团队成员并没有被困难吓倒。她特别感谢中国科学院青年创新促进会在关键时刻给予自己这名80后青年科学工作者的“第一桶金”,随后她带领的团队陆续得到国家自然科学基金、科技部重点研发计划、上海市科技创新行动计划、中科院战略性先导专项等项目的支持。

应用范围并不“专”

周婷团队技术成果目前已在黄渤海等海域有所应用。例如,在大连和烟台分别部署超远距基站,再加上船只上的中继系统,最终形成局部海域的专用无线通信系统,满足相关部门对海域船只的实时视频监控需求。

但周婷团队并不只专注于海域通信,还牵头制定上海市经济和信息化委员会发布的《新型城域物联专网建设导则》。上海东方明珠数字电视有限公司技术总监王斌介绍,周婷团队针对不同场景,就频谱资源、传输速率和功耗要求,参考现有先进技术,制定了具体的技术指标。

“第三个主要技术发明点的频谱共享技术实现了在原有广电双向网基础上再部署新型城域物联专网,使得异构网络共享频谱、负载均衡、互不干扰,物联终端的能耗90%以上用于传输。”周婷说。

此外,正是该技术发明点的能效优化技术在不改变终端硬件的情况下,降低传输所需功耗,延长终端使用寿命,得到了上海普陀、杨浦、虹口等管理部门的肯定。

以普陀区为例,该区在城域物联专网建设中采用周婷团队的技术,用于支持小区非机动车车库的电弧传感器、非机动车充电桩、人脸门禁、微信开门、烟感、摄像头等感知设备有效接入中枢管理平台。据悉,目前终端总接入量超过60%,平均能耗比原有设备节约15%左右,既实现了车库的无人值守和精准管理,也有效解决了电瓶车楼道充电的顽疾。

“无线通信技术的飞速发展和无线网络的不断演进,决定了我们研发的专网无线通信关键技术也需要不断演进增强。”周婷表示,随着5G的全球部署以及6G在技术与用户需求上的发展趋势,他们在6G时代将面临新的技术难点与挑战,如新型网络寻址生态的发展需求、空天地海一体化战略下的复杂通信环境适应需求等。而这也是周婷团队下一步要攻克的。

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