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科研为国,从3G到6G的奔跑——北京邮电大学“空间信息与融合通信网络”研究团队

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 彭木根:

 北京邮电大学信息与通信工程学院院长,网络与交换技术国家重点实验室副主任


2023全球数字经济大会发布数据显示,截至今年5月底,95个国家(地区)的256家网络运营商提供商用5G服务,全球5G人口覆盖率约30.6%;全球5G用户达到11.5亿,中国占58%。我国已累计建成5G基站284.4万个,移动物联网终端用户超过20.5亿,在全球主要经济体中率先实现“物”连接数超过“人”连接数。

从因我国当时3G技术被鄙视而奋起直追,到研发5G技术和应用一骑绝尘,再到加快寻求6G技术突破,“攻关行业瓶颈,服务国家战略,做有情怀的通信人”,北京邮电大学“空间信息与融合通信网络”研究团队在信息与通信工程学院院长彭木根的带领下一直在向前奔跑。

攻关3G,他们成功反击了国外专家TD-SCDMA不能大规模组网的无稽之谈;

实战4G,  他们解决了基站由于密集导致的干扰和切换等难题,提出了网络自组织系统解决方案,提升了密集无线组网的智能化水平;

突破5G,他们把云计算和边缘计算的动态协同引入到无线网络中,提出了异构云化无线网络和雾无线网络,更好地支撑垂直行业应用;

探索6G,他们瞄准国家“网络强国”和“数字经济”的重大战略需求,围绕6G空间信息与融合通信网络开展有组织的科研,积极抢占未来技术制高点。


从3G到5G,以国家需求为攻关方向


北京邮电大学“空间信息与融合通信网络”研究团队(以下简称“团队”)以北邮信通院引进的国际青年人才为主,是一支平均年龄不超过35岁的年轻队伍,是网络与交换技术全国重点实验室的核心组成。

团队围绕“网络强国”和“数字经济”下信息网络宽带化、智能化、绿色化需求,致力面向空天地海和通感算导融合的空间信息通信网络的理论、技术与应用研究,打造国内外一流的科研、教学和人才培养平台。

“国家需要什么,我们就去做什么,要有组织的科研”,从解决制约我国3G标准——TD-SCDMA发展的瓶颈难题,到提出4G热点区域异构组网融合方法,再到开展5G赋能垂直行业的通算融合网络理论、技术与应用研究,最后到攻关6G空间信息与融合通信网络关键技术,彭木根身体力行,一以贯之。  

2001年初,彭木根到诺基亚中国研发中心实习,进行欧洲3G技术的标准研究。一次诺基亚全球技术高管来访,指出中国的3G TD-SCDMA只能局部辅助组网,语气中满是鄙夷和不屑,彭木根第一次感受到要为国科研。

即使我国当时在技术和理论上都一穷二白,在导师的指导下,彭木根作为一名博士研究生,在国内高校率先开展TD-SCDMA组网理论和关键技术攻关,发现了有别于欧美3G标准的TD-SCDMA网络容量瓶颈成因,提出了TD-SCDMA特有的多载波组网方案和扰码规划方法,为TD-SDMA大规模商用提供了理论和技术支撑。

这些研究成果成功反击了国外专家TD-SCDMA不能大规模组网的无稽之谈。随后,他把相关的成果总结出版成影响我国3G一代人的技术著作《TD-SCDMA移动通信系统》,这本开先河之作于3年内印刷11版,发行总计26000册,成为移动通信领域的畅销书,后来的大部分TD-SCDMA从业人员,都通过该书启蒙而快速进入移动通信产业,被大家尊称为我国3G技术宝典。

2008年8月8日,北京奥运会开幕前10分钟,鸟巢体育馆气氛达到高潮,但电话和短信都不太通畅。彭木根在现场感受到了观众兴奋之情,但一张张焦虑的面庞久久萦绕于脑海——热点区域高速无线通信难题破解迫在眉睫。

开幕式后,彭木根带领团队马上进行热点区域无线网络理论和技术攻关,从理论上揭示了制约热点区域无定型无线网络容量的关键因素,提出协同自组织关键技术解决方案,构建了一体化网络体系结构,解决了基站由于密集导致的干扰和切换等难题,实现了高容量、低成本和即部署即用密集无线组网。

难题虽然破解了,但是很多成果取得后的用处仅是陈列于书架。为了尽快将成果落地,彭木根带领团队找到了注重于做基站天线的京信通信公司,进行了大规模专利转让和科技项目联合攻关,联合研发了密集无线网络灵巧小基站和无线自组网系列产品,并在巴西世界杯、索契冬奥会体育场馆等国内外实现大规模应用。这也使得彭木根教授牵头获得国家技术发明奖二等奖、求是杰出青年成果转化奖等。

2015年后,考虑到5G的一个重要用途是用于提升传统垂直行业的信息化和智能化水平,这和传统的为个人通信服务完全不同,面对人机物互联,需要打破传统只唯通信界限,需要崭新的通信感知计算融合新组网理论和技术。为此,彭木根带领团队从理论源头创新出发,把云计算和边缘计算引入到无线网络中,率先提出了云计算和边缘计协同的雾无线网络理论和关键技术解决方案,并通过专利转化,联合研发了通算融合的5G云小站和雾小站,应用于国际首个矿用5G专网、首批省级工业互联网示范应用、我国首套商用5G白盒站等。这一成果获北京市科学技术奖自然科学奖一等奖、高等学校科学研究优秀成果奖技术发明一等奖、中国专利银奖等。

从3G到5G的持续攻关,团队科研成果丰硕,曾获国家自然科学奖二等奖、高等学校科学研究优秀成果奖技术发明一等奖、北京市自然科学一等奖等众多科技奖励。团队负责人彭木根先后入选全国创新争先奖状、国家杰青、教育部长江学者特聘教授、万人计划科技创新领军人才等。


探索6G,为移动通信国际全面领跑提供理论和技术支撑


随着5G的大规模商用,全球各国已经开启对第六代移动通信系统(6G)的研究和探索,全球新一轮移动通信科技竞赛已拉开帷幕。我国也在“十四五”规划和远景目标纲要中指出,要前瞻布局6G网络技术储备。彭木根带领团队瞄准国家“网络强国”和“数字经济”的重大战略需求,围绕6G空间信息与融合通信网络开展有组织的科研,积极抢占未来6G技术制高点。

针对未来6G网络全覆盖、全频谱、全应用、全安全的四项需求,团队下设空间信息通信组、6G无线传输组、6G网络与算力组以及无线内生安全组等四个研究组。

空间信息通信组围绕6G全覆盖需求下空天地海一体化技术展开攻关。现有的5G主要还是服务于地面用户,而6G地面蜂窝网将与包括卫星、无人机、高空平台在内的空间网络相互融合,构建起空天地一体化三维立体网络,覆盖陆地边远地区、海洋、极地等传统无线网络难以覆盖的地区,实现全球广域覆盖;

6G无线传输组围绕6G全频谱下通感融合问题展开攻关。5G主要工作在sub-6G频段以及毫米波低频段,而6G将向毫米波高频段、太赫兹、可见光、紫外光频段扩展,这也和传统的雷达感知系统产生了越来越多的频谱重叠。突破6G通信和感知一体化技术,在相同频谱实现通信与感知,避免通感干扰,提升频谱利用率,是技术与产业发展的优选路径,也为车联网、工业互联网、元宇宙、数字孪生等通感典型应用提供重要支撑。

6G网络与算力组围绕6G全应用需求下通感算融合关键技术展开攻关。为了满足未来网络中元宇宙、数字孪生、智能制造、无人驾驶等新型应用及其计算轻量化、动态化、智能化的需求,算力越来越重要,而6G通感网络和计算的融合已经成为新的发展趋势。基于通感算融合,提升网络的智能性,减少功耗,实现网络化感知和编排重构,6G将实现从万物互连到万物智联的跨越,服务智慧化的生产和生活。

无线内生安全组针对6G全安全需求下的新型安全信任模型展开攻关。6G网络架构将更趋于分布式,支持以用户为中心的多种新型通感应用,传统中心式安全架构难以满足6G安全需求,亟需探索新的安全信任模型,实现应用和隐私可保护,网络和通信可信,信息保密数据防篡改。

数字转型、万物互联是大势所趋,6G作为网络通信的下一代技术标准,必将赋能更多行业。我国5G网络技术普及率占世界首位,在6G方面的技术储备也走在最前沿,据统计,截止2023年7月底,我国6G相关的专利占比35%,位居世界第一。

“服务国家战略,解决卡脖子问题”的科研信念已经渗透到团队每个成员的血脉之中。抢占未来通信技术制高点,中国科研人当仁不让。


人才为核,培养“有情怀的”科研人


育才造士,为国之本。实现中华民族伟大复兴,教育的地位和作用不可忽视。团队始终秉承“教学为基”的理念,致力于打造高新标杆课程,服务立德树人,开设了诸如《网络空间安全与区块链技术》《星基航空信息网》《空间通信感知理论与信息处理》《无线光通信技术》等高新课程,不断科研成果和研究体会融进课堂教学中,实现学研互动。同时,为了让学生在课堂上收获最纯正的知识“干货”,还邀请无线通信领域一线科研工作者,讲授最新学术研究进展、行业发展情况、产业发展趋势等,极大拓展了学生视野和知识结构。

此外,团队还以润物无声的方式将正确的价值追求、理想信念和家国情怀有效地传递给学生。彭木根组织团队成员编写了包括《通信网理论基础》《物联网理论与基础》《6G移动通信系统》等在内的十余本通信领域教材和专著,其中《宽带移动通信系统的网络自组织(SON)技术》获中华优秀出版物奖图书奖。彭木根希望借助一本本专著,春风化雨般传承通信领域的红色基因,服务立德树人,为行业培养更多“有情怀的”高精尖人才。“创新之道,唯在得人。得人之要,必广其途以储之”。除积极培养、精心育人外,团队还积极引进各研究领域优秀的国际青年人才,致力于打造学科交叉融合创新团队。

引进的人才中,有的在空间信息通信领域具有丰富的研究经验,有的深耕于6G无线传输的通感融合链路技术,有的致力于6G网络与算力中的通感融合系统级技术研究;也有的在无线内生安全领域取得了突出的研究成果……引进的人才如一汪活水,丰富的研究背景为实现通信感知计算导航融合和一体化,空间信息感知、处理、传输组网,空间信息感知、处理、传输组网,6G空间融合信息理论与技术等多维度融合提供了良好的基础。

为了让引进人才入职后快速克服水土不服,补齐短板,团队采用“科研导师+教学导师”联合传帮带模式,努力为青年教师的成长“摆凳子”、“搭台子”,帮助青年教师在教学科研上稳扎稳打地成长发展起来。彭木根教授作为科研导师,甘为人梯,坚持学术传承大于个人得失,积极为青年教师提供包括科研方向把关、职业发展规划、合作交流平台等多方位的帮助。同时,团队通过教学导师随堂助课、国家级教学名师讲座、课堂试讲等多种形式,提升青年教师的教学能力。

目前从团队毕业的硕士生、博士生已经有近200人,为国家输出了一大批学术和产业界的领军学生。毕业生中有的任职于华为、中兴、移动等通信运营商和设备厂商;有的任职于军科院、中国航天、国家互联网信息办公室、国家电网、中电科等政府机关和单位;有的任职于腾讯、字节跳动、阿里巴巴、百度等互联网企业;有的任职于中国工商银行、中国银行、北京证券交易所等金融机构;也有的学生在上海交大、电子科大等国内外知名高校任教。

桃李满天下,团队始终坚持为通信行业培养“有情怀的”高精尖人才,传承通信人的坚守与热爱。“为党育人,为国育才,做有情怀的通信人”的理念已经深深植入团队每位成员的内心。他们心中有热爱,眼中有目标,正在向着6G和更远的前方出发……


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                                         团队部分成员