編織無線之“網”

倪萍

目前，移動互聯網已經成為人類生活不可或缺的一部分，而它們背后的技術“靈魂”，就是無線通信網絡。無線通信網絡具有傳輸快、可移動、使用方便、覆蓋范圍廣等優點。近年來，無線網技術的普及和發展，已經使人類各方面的生活愈發便捷。

上海東川路800號，上海交通大學的所在地，在這里，有一位年輕的科學家正在從事于無線網絡的研究，他是陳智勇。

新思路新成果

讓我們回到2011年，這一年，陳智勇拿到了北京郵電大學信號與信息處理專業的博士學位。“讀博期間，我獲得國家留學基金委，國家建設高水平大學，留學基金，作為聯合培養博士生赴美國華盛頓大學，學習了近兩年。”這段經歷既拓展了陳智勇的視野，又進一步夯實了他的科研基礎。

2012年，陳智勇進入上海交通大學信息與通信工程博士后流動站，出站后留校工作至今。“當下時代，隨著移動數據需求呈現爆炸式增長，許多問題也隨之而來，比如：如何在有限的通信資源上，解決無線海量信息的有效傳輸呢？”為了探尋答案，陳智勇從博士后期間起，就開始以“通信、計算、存儲”融合為研究思路，從事移動3C網絡方面的研究，“我想嘗試通過挖掘無線通信網絡中豐富的計算和存儲資源，來換取通信能力的提升，釋放網絡通信能力的巨大潛能，保證移動網絡承載能力的可持續增長。”

順著這個思路，陳智勇開展了移動3C網絡方面的研究。他發現，通過挖掘網絡及節點中豐富的計算和存儲資源，構建計算存儲感知的移動網絡，可有效幫助解決無線海量信息傳輸瓶頸。于是，陳智勇緊抓源（內容集聚）一網（異構多集）一端（存儲）的演進趨勢，將計算和存儲資源融入移動網絡設計中，在理論、機制、算法三個層面上，解決了諸多關鍵問題。

他與上海交通大學劉輝教授合作，闡述了移動3C網絡的定義，論述了3C三個元素的內涵；探索了運用計算與存儲資源的無線融合網絡機制，推導了存儲約束下的網絡容量，揭示了通信與存儲的折中關系，優化了設計網絡傳輸與終端存儲機制。同時，陳智勇還挖掘蜂窩異構網絡的通信一計算一存儲多維資源，推導計算約束下的網絡吞吐量，分析計算與存儲對網絡吞吐量的制約關系，提出計算約束下析取通信增益的內容存儲最優策略。而面向視頻點播業務，他則開展了基于終端存儲下按需傳輸，和周期輪播傳輸的傳輸機制及存儲分配聯合優化設計，使其能最大程度降低無線帶寬消耗。

網絡編碼改善者

無線環境中，大多數移動通信系統的性能都受限于干擾，并且通常這種干擾是被當作負面效應進行處理的。但是若能處理好這種干擾，甚至利用干擾進行數據傳輸，那么就有可能進一步提高無線傳輸速率，提升頻譜利用率，以適應未來無線海量信息傳輸的要求。“物理層網絡編碼正是在這樣的背景下應運而生，它的出現使得打破干擾壁壘成了可能，并提供了一條有效提高時頻資源復用度和網絡容量的新途徑。”陳智勇說。

物理層網絡編碼的基本研究單元是雙向中繼通信（two-way relay），但是目前，該領域仍然有很多實際問題亟需解決。“首先，兩源節點與中繼節點的傳輸過于簡單化，忽視了傳輸的非對稱性；其次，現有大多數研究僅僅考慮了低階調制下的物理層網絡編碼。而為數不多的針對高階調制下的研究，也僅停留在比特交織編碼調制與物理層網絡編碼的結合；最后，非理想接收下物理層網絡編碼機制的設計也是很不足的。”

為了突破瓶頸，陳智勇開展了“非對稱物理層網絡編碼機制設計與理論分析”項目研究，他圍繞雙向中繼通信，從中繼節點部分譯碼、邊信息以及非理想接收三個切入點，重點研究和分析與之相對應的基于分量碼協同、用戶比特協同、跨層協同的非對稱物理層網絡編碼機制。該項目將于2016年年底結題，但是目前，耕耘已經有所收獲了。

在研究過程中，他率先運用信息論分析基于網絡編碼的輸入信道信號的最優分布，發現了最大化信道可達速率；設計了一種基于星座成型技術的物理層網絡編碼機制，實現了在實際系統約束下逼近發送信號的最優分布；提出了多級物理層網絡編碼機制，從多角度揭示了制約多級物理層網絡編碼性能的規律，并且闡明了最優設計準則，分析了其與基于比特交織編碼調制的物理層網絡編碼的優劣。而且，他還設計了改變收發機架構的基于用戶比特協同的物理層網絡編碼機制，同時獲取了調制增益與編碼增益。

這些成果只是路途中的“風景”，陳智勇最終的目標是在充分結合雙向中繼通信特征的基礎上，探索非對稱傳輸下編碼調制、無速率碼與物理層網絡編碼的有機融合，提高頻譜利用率和傳輸的可靠性，對此，他很有信心，“我相信，我們能得到理想的結果”，他說。

突破“連接導向”之鎖

目前，單純依靠基建投入的移動網絡擴容模式，已明顯無法支撐移動互聯網的長期可持續發展，現在亟需突破性的創新模式。“移動通信網絡仍然承襲著傳統，連接導向，的通信架構，其中信息處理（計算）與比特傳輸（通信）的功能是相對隔離的，這就是一個突破口！”陳智勇說。

在有了新思路后，陳智勇便于2016年申請了“移動3C網絡容量極限與緩存機制研究”項目，他秉承著網絡通信與計算的智能協同突破傳統“連接導向”的設計理念，綜合運用信息中心網絡、網絡分集適配、廣播交互融合等各領域的前沿理論，試圖通過挖掘移動網絡及節點中豐富的通信、計算、存儲等綜合資源，揭示了移動3C網絡從本質上提升信息傳播效率的機理與規律，在這個研究項目中，陳智勇立下了兩大目標。

“我將建立移動3C網絡的抽象數學模型，推導與分析內容傳播容量的理論極限及可達性，闡明移動計算通信三個基本要素‘計算+存儲+通信之間的相互耦合、制約、和置換關系，揭示獲取網絡容量增益的途徑與方向。”另一方面，陳智勇還打算探索移動3C網絡中的高效緩存分發機制，在移動3C網絡容量分析的理論指導下，進一步研究逼近容量極限的高效緩存分發機制，獲取內容傳播容量極限的具體有效途徑。

產研結合才能滿足時代需要，這一直是陳智勇心底的“信條”，為了推動科技成果的轉化，破解實際難題，他作為骨干力量積極參與了中國下一代數字廣播通信原型機的研發工作，最后獲得的核心技術被選入《GY/T268.1-2013調頻頻段數字音頻廣播第1部分：數字廣播信道幀結構、信道編碼和調制》標準。他的貢獻不止如此，陳智勇還曾在移動3C網絡方面與華為、三星和中國電信展開過深入的合作，聯合申請了多項發明專利。

而作為一名教師，在教學方面，陳智勇有自己的見解，他認為培養好一名研究生，需要一個從全到專，再到精的過程。“在這個過程中，我會根據學生的興趣愛好，結合課題的方向，給學生量身打造合適的研究方向，培養和鍛煉他們全方面的能力。”目前，已經指導了學生18人次，均取得了較好的指導效果，其中，1名碩士畢業生獲得上海交通大學優秀研究生畢業生稱號，3名博士研究生獲得國家獎學金以及唐立新獎學金。