專(zhuan) 網通信存在困擾業(ye) 界的三大共性技術難題，也被稱為(wei) “三座大山”。周婷團隊一直在想辦法攻克它們(men) 。圖片來源：視覺中國

■本報記者 秦誌偉(wei)

海域通信被稱為(wei) 空天地海一體(ti) 化戰略的最後一塊“拚圖”，是垂直行業(ye) 專(zhuan) 網無線通信應用場景之一。這些年來，越來越多的海上作業(ye) 客戶找到中國科學院上海高等研究院（以下簡稱上海高等院）研究員周婷，希望她及其團隊能夠幫忙打通海域專(zhuan) 網覆蓋廣度與(yu) 通信帶寬難以兼得的技術瓶頸。

之所以有越來越多的人找到周婷，是因為(wei) 她和團隊對專(zhuan) 網通信領域所麵臨(lin) 的“三座大山”很熟悉，並且一直在想辦法攻克它們(men) 。

功夫不負有心人。周婷帶領團隊最終成功翻越“三座大山”，不僅(jin) 解決(jue) 了海上作業(ye) 客戶的“頭疼病”，還將相關(guan) 技術應用於(yu) 其他垂直行業(ye) ，實現特定領域專(zhuan) 網通信技術的跨越式發展。但這一翻越並不容易——他們(men) 走了10餘(yu) 年的艱苦之路。

在上海市近日公布的2020年度科學技術獎名單中，周婷團隊的研究成果成功入圍技術發明獎一等獎。

“三座大山”一直在

過去的半個(ge) 多世紀，包括電纜和光纜等有線通信以及1G到6G的移動通信在內(nei) 的現代通信技術層出不窮、迅速發展，廣泛應用在人類社會(hui) 的各行各業(ye) ，成為(wei) 社會(hui) 信息化變革的重要支撐。

然而，現代通信技術的應用主要局限於(yu) 陸地場景，在海洋上的應用和拓展不足，導致海洋通信的發展與(yu) 陸地通信相比明顯滯後。

中國工程院院士、中國電子科技集團有限公司首席科學家陸軍(jun) 等人將主要原因歸於(yu) 兩(liang) 點，一是21世紀前人類尚未開始對海洋的大規模開發利用，海洋上的人類活動有限，對通信網絡的需求遠不如陸地場景；二是在海洋上部署基礎通信設施時設備選址受限、氣象狀況多變、海水運動頻繁等複雜的環境因素給通信網絡的部署和維護帶來巨大挑戰。

近年來，我國海洋活動愈發頻繁，海洋業(ye) 務種類愈發多樣，海上運輸、海洋漁業(ye) 、氣象監測、油氣開采及海洋勘探等業(ye) 務都在向更高效、更安全、更便捷的目標發展，全覆蓋、高質量的海洋通信網絡需求增加。

周婷向《中國科學報》介紹，目前陸地蜂窩網通信技術的速率、時延等網絡性能基本上可以滿足沿岸海事活動的需求，但單區覆蓋最多十幾公裏；衛星通信覆蓋廣，但帶寬有限且成本高。

於(yu) 是，周婷團隊瞄準了廣域寬帶專(zhuan) 網通信，這是目前蜂窩網與(yu) 衛星通信所無法支持的範疇。

然而，專(zhuan) 網通信存在困擾業(ye) 界的三大共性技術難題，也被稱為(wei) “三座大山”。周婷介紹，一是跨海域無線通信環境複雜，大氣波導突發性幹擾影響可靠性；二是專(zhuan) 網通信頻譜資源受限，難以同時滿足海量信息可靠傳(chuan) 輸與(yu) 時延保障需求；三是專(zhuan) 網基礎設施資源有限，突發事件導致高可靠保障需求與(yu) 布網基礎設施成本之間存在矛盾。這“三座大山”因為(wei) 海洋獨特的自然條件而一直存在。

“三座大山”擺在眼前，周婷團隊沒有退路，隻能逐一攻克。“每走一步，都需要理論與(yu) 技術的突破創新。”周婷說。

“三對三”，成功翻越

應對由氣象、地形因素造成的大氣波導超遠距無線信號幹擾，是周婷團隊必須要邁出的重要一步。

“過去的電磁波雙向拋物方程推導都是采用實數折射率，隻表征了大氣對電磁波的限獲，且與(yu) 實際存在一定誤差。”周婷介紹，實際上，大氣波導對電磁波除了具有限獲效應外，還存在水氣等引起的吸收效應。“頻段越高吸收效應越強，模型的誤差越大，所以原有模型隻能支持到20GHz。”

研究人員還發現，即使在低頻段，隨著拋物方程推演的距離逐漸增加，在誤差積累一定程度後也不再準確。

在國際上，公認的大氣中電波傳(chuan) 播拋物方程建模平台PETOOL支持800M至20G頻段，實測驗證距離160公裏。“我們(men) 的思路是提出電磁波複數折射率，更精準刻畫大氣折射與(yu) 吸收效應，將適用頻段拓展至100G，創建海陸多種地表形態模型，支持海陸多場景，最終使首次試驗驗證距離達到253公裏。”周婷說。

這是周婷團隊第一個(ge) 主要技術發明點，即建立了超遠距無線幹擾建模技術。

接下來，他們(men) 要攻克專(zhuan) 網現有通信範式難以同時滿足廣域和寬帶“雙高”需求的難題。“傳(chuan) 統中繼要麽(me) 放大轉發，但放大信號的同時也放大了噪聲和幹擾；要麽(me) 譯碼轉發，但萬(wan) 一發生誤判將導致差錯傳(chuan) 播。”周婷解釋道。

周婷團隊不得不重新設計。他們(men) 反複試驗、對比，最終建立了高可靠時延保障中繼技術。而這也是周婷團隊第二個(ge) 主要技術發明點。

第三個(ge) 主要技術發明點是他們(men) 建立的異構網絡負載均衡能效優(you) 化技術。在這一過程中，研究人員在國際上首次提出基於(yu) 空間投影約束的聯合用戶配對和功率分配方法。

“第一和第二個(ge) 主要技術發明點是解決(jue) 廣域寬帶專(zhuan) 網通信‘能不能’的問題,而第三個(ge) 主要技術發明點解決(jue) 的是網絡全局性能怎麽(me) 更優(you) 、效率怎麽(me) 更高的問題。”上海高等院研究員胡宏林介紹道。

不過他也指出，第三主要技術發明點雖然不是廣域寬帶的必要技術，但考慮到資源總是稀缺的，因此廣域寬帶不僅(jin) 要能用，還要用得更高效、全局更優(you) 。同時該技術發明點是通信網絡的共性技術，能夠適用不同特定場景的專(zhuan) 網通信。

周婷坦言，這樣的技術突破並不是集中攻關(guan) 四五年就能攻克的。他們(men) 每走一步，都會(hui) 遇到遍地荊棘。

幸運的是，周婷和團隊成員並沒有被困難嚇倒。她特別感謝中國科學院青年創新促進會(hui) 在關(guan) 鍵時刻給予自己這名80後青年科學工作者的“第一桶金”，隨後她帶領的團隊陸續得到國家自然科學基金、科技部重點研發計劃、上海市科技創新行動計劃、中科院戰略性先導專(zhuan) 項等項目的支持。

應用範圍並不“專(zhuan) ”

周婷團隊技術成果目前已在黃渤海等海域有所應用。例如，在大連和煙台分別部署超遠距基站，再加上船隻上的中繼係統，最終形成局部海域的專(zhuan) 用無線通信係統，滿足相關(guan) 部門對海域船隻的實時視頻監控需求。

但周婷團隊並不隻專(zhuan) 注於(yu) 海域通信，還牽頭製定上海市經濟和信息化委員會(hui) 發布的《新型城域物聯專(zhuan) 網建設導則》。上海東(dong) 方明珠數字電視有限公司技術總監王斌介紹，周婷團隊針對不同場景，就頻譜資源、傳(chuan) 輸速率和功耗要求，參考現有先進技術，製定了具體(ti) 的技術指標。

“第三個(ge) 主要技術發明點的頻譜共享技術實現了在原有廣電雙向網基礎上再部署新型城域物聯專(zhuan) 網，使得異構網絡共享頻譜、負載均衡、互不幹擾，物聯終端的能耗90%以上用於(yu) 傳(chuan) 輸。”周婷說。

此外，正是該技術發明點的能效優(you) 化技術在不改變終端硬件的情況下，降低傳(chuan) 輸所需功耗，延長終端使用壽命，得到了上海普陀、楊浦、虹口等管理部門的肯定。

以普陀區為(wei) 例，該區在城域物聯專(zhuan) 網建設中采用周婷團隊的技術，用於(yu) 支持小區非機動車車庫的電弧傳(chuan) 感器、非機動車充電樁、人臉門禁、微信開門、煙感、攝像頭等感知設備有效接入中樞管理平台。據悉，目前終端總接入量超過60%，平均能耗比原有設備節約15%左右，既實現了車庫的無人值守和精準管理，也有效解決(jue) 了電瓶車樓道充電的頑疾。

“無線通信技術的飛速發展和無線網絡的不斷演進，決(jue) 定了我們(men) 研發的專(zhuan) 網無線通信關(guan) 鍵技術也需要不斷演進增強。”周婷表示，隨著5G的全球部署以及6G在技術與(yu) 用戶需求上的發展趨勢，他們(men) 在6G時代將麵臨(lin) 新的技術難點與(yu) 挑戰，如新型網絡尋址生態的發展需求、空天地海一體(ti) 化戰略下的複雜通信環境適應需求等。而這也是周婷團隊下一步要攻克的。