讓通信走向綠色未來
——記華南理工大學電子與信息學院教授唐杰

劉有婷

從電報到電話，從B P機到大哥大，從模擬機到智能機，從銅線到光纖，從1G到5G，從電腦上網到手機沖浪……通信技術的發展促使人們的生活發生了翻天覆地的變化。

隨著通信技術的新舊更替，通信行業的發展面臨著越來越多的難題。其中，提高整網運行效率和能源利用效率，實現節能減排，是5G通信時代最受關注的議題之一，同時也是華南理工大學電子與信息學院教授唐杰的主要研究方向。跨入移動通信領域的這些年來，他在異構網絡、無線攜能通信、無人機通信等方面進行了廣泛而深入的探索，在實現綠色通信的可持續發展道路上留下了自己的足跡。

尊師疾學，厚積薄發

進入21世紀后，中國的通信行業開始步入飛速發展的時代。2004年，唐杰通過高考后進入華南理工大學學習信息工程專業。他于大三下半學期就進入了學院的實驗室開始從事指紋識別的相關研究，由此開啟了他的科研夢。

剛開始，唐杰并不了解科研的真諦，也不知道自己在科研這條路上該怎樣走。于是，他找到負責指導他畢業設計的林土勝老師訴說了自己的迷茫。林土勝老師以講故事的方式，為他解說了讀書、考試、做題和做研究的區別，讓他對科學研究有了一個初步的了解。

他回憶說：“我的指導老師跟我說，做研究是探索一個可能沒有答案，或者說可能不止有一個答案的問題。這個答案，你要自己找，即便找到了也不能立馬知道它對不對，還要用一些方法、經驗和工具等來驗證它是否行得通。這個摸索的過程需要恒心和耐心，還需要拋棄功利心。”這些話在唐杰之后的科研生涯中一直指引并警醒著他。

2008年，唐杰放棄了保送研究生的機會，前往英國布里斯托大學學習無線通信及信號處理。英國布里斯托大學是一所英國老牌名校，在這里唐杰度過了充實的一年碩士時光，其間他研究了高能效的多天線通信系統，成功做出了一個較大的仿真平臺，且整體效果良好。碩士畢業時，他拿到了項目研究第一的優異成績，并獲得了德州儀器最佳項目獎。憑借這個獎項，唐杰又申請了英國拉夫堡大學的博士，師從信號處理領域的著名科學家、英國皇家工程院院士Jonathon Chambers教授。

“Jonathon Chambers教授在信號處理領域很厲害，我特別欣賞他”，這也是唐杰前往英國拉夫堡大學的主要原因。在博士3年的時間里，唐杰主要從事信號處理領域的相關工作，這對數學功底的要求很高，所以在攻讀博士的前半年中，唐杰一直在補習相關的數學知識，不斷夯實自己的數學基礎。

唐杰于英國拉夫堡大學博士畢業

與此同時，在同團隊中，一些不同研究方向的學生很快就發表了會議論文。雖然只是會議論文，但是對于剛剛起步的年輕科研者卻有著很大的鼓舞意義。看著身邊的同學已經有了成果，而自己還在“打地基”，焦慮很快漫上了唐杰的心頭。

他問導師：“是不是我的能力太差了？別人已經在發表論文了，而我還在學習。”導師回復他：“研究工作不能只以發表論文作為評價標準，你就扎扎實實地按照自己的規劃去推進，前期的準備工作越扎實、越具體，后期的研究工作才會越得心應手”。按照Jonathon Chambers教授的教導，唐杰繼續一步一個腳印地去努力。果然，功夫不負有心人，當他學習到第7個月時，已經可以很順利地參與到無線通信的研究工作當中；第10個月時，他完成了自己的第一篇S C I論文，他也因此成為該團隊同年級博士生中第一個完成SCI論文的人。不久之后，他又在無線通信領域頂級期刊上發表了自己的第二篇論文。

這些經歷對唐杰的影響是巨大的，在他成長為博士生導師，并開始組建自己的團隊時，他也要求自己團隊中的學生先打好基礎，再進行實踐。他形象地比喻道：“就像華山論劍不是有氣宗和劍宗嗎？在我這里，肯定要先修煉好氣宗，把‘武功心絕’學扎實，再練招式。”

獲得國家優秀自費留學生獎學金

科研攻堅，孜孜不倦

2013年，唐杰結束了自己的學生生涯后，被英國曼徹斯特大學電氣及電子工程學院聘為博士后副研究員。在這里，他負責了英國工程與自然科學研究理事會項目“Green Heterogeneous Networks”（綠色異構網絡），并參與了國際“G r e e n Touch”（綠色溝通）聯盟研究項目。

綠色溝通聯盟研究項目是由來自全球18所頂級高校、8所頂級研究院以及16家國際跨國公司共同參與攻關的重大項目，其目標是提高通信網絡效能的1000倍。其中，唐杰代表英國曼徹斯特大學和華為公司一起牽頭主持了“綠色傳輸技術”課題。在該課題中，唐杰團隊還聯合墨爾本大學、中國移動、臺灣中華電信、臺灣“國立交通大學”等單位，從物理層及媒體訪問控制層出發，針對不同的通信場景，展開了能量效率優化方面的研究工作。

2014年年底，綠色溝通聯盟研究項目的年度會議在墨爾本舉行。從英國前往墨爾本，唐杰在廣州轉機時，專門前往華南理工大學作了一次講演報告。在唐杰的事業生涯中，這是一個重要的轉折點。因為在與華南理工大學電子與信息學院的一些學者、教授進行交流之后，他決定回到華南理工大學從事教研工作。2015年12月的最后一天，唐杰回到了國內，正式成為華南理工大學電子與信息學院的一員。

回國后，唐杰立足于已做的研究工作，繼續圍繞綠色通信展開創新探索。他申請了國家自然科學基金青年科學基金項目“基于無線能量傳輸的異構網絡能效優化研究”，以建設下一代綠色無線通信系統為背景，以異構網絡為基礎，研究了基于無線攜能通信技術的下一代通信網絡能效優化問題。

在通信傳播中，電磁場能量隨著距離的增加而迅速衰減，無線攜能通信技術（S W I P T）在帶來便利的同時，其能效性能是困擾其發展的一大難題。對此，唐杰首先研究了無線能量傳輸技術在單小區通信系統中的實現，以時間切換、功率分配、天線切換與空間切換4種技術為基礎，設計出一系列最優資源分配算法，實現了提升系統能效。以此為理論基礎，他將研究拓展至基于無線攜能通信技術的多小區系統，研究了協同多點傳輸與無線攜能通信技術在異構網絡中的應用，實現了在滿足各用戶最小能量采集與傳輸數據率的前提下最大化系統能效。

非正交多址接入技術案（N O M A）通過頻譜共享的方式可以有效地提高通信系統的頻譜效率，而無線攜能通信技術（SWIPT）能夠有效地將射頻信號中攜帶的能量轉化為電能從而提高系統的能量利用效率。唐杰率領團隊通過將SWIPT技術應用于NOMA系統，從綠色通信的角度出發，研究了系統的能效優化問題。團隊提出了一種雙層迭代的資源分配算法，將功率分配和時隙切換這兩個變量分離并分別優化。其中，在雙層迭代算法的內層，假設時隙切換因子為常數的情況下，解決功率分配的子問題；在外層，則是在固定功率分配的前提下，優化時隙切換。

不過，現有的將S W I P T技術應用到N O M A系統中的研究大多數是針對單載波系統，而在攜能多載波N O M A系統中的多種資源聯合分配問題上，傳統方法幾乎都是基于循環迭代機制，需要消耗較長的時間才能收斂，有悖于通信系統中對于低時延的要求。對此，唐杰提出了一種基于深度學習的資源分配優化算法，實現最小化系統功耗的同時，更加符合低時延的要求。項目團隊還進一步地研究了基于非正交多址接入技術的無線攜能通信系統物理層安全問題，通過優化基站功率分配策略，實現了提升系統的安全性能。

在項目攻關中，從理論成果到硬件系統，所有的工作都是由唐杰團隊獨立完成。“同舟共濟揚帆起，乘風破浪萬里航”，在團隊成員的共同努力下，他們已在國內外高水平刊物上發表學術論文22篇，其中，所發表的15篇SCI論文都屬于JCR一區論文。項目成果不但為無線攜能通信技術在下一代綠色通信網絡中的應用與開發奠定了技術基礎，同時還對我國生態環境保護具有積極的意義。

在2016 ICIOT-5GMT大會上作邀請報告

順勢而為，乘風破浪

2016年12月15日，國務院正式發布《“十三五”國家信息化規劃》，明確指出在“十三五”期間，下一代無線通信（5G）技術研發和標準制定要取得突破性進展并啟動商用。作為優先行動計劃之一，加快推進下一代無線網絡技術研究和產業化，提升下一代無線網絡的組網能力、業務應用創新能力更是被突出為進一步發展信息產業的重點任務。

與前幾代無線通信系統不同的是，5G通信系統的主要任務是將人與人之間的通信連接拓展到人與物，甚至物與物之間的相互通信，面向的主要應用場景也逐漸從以吞吐量為導向的移動超寬帶（MBB）、增強的移動超寬帶（e M B B）場景擴展到面向機器間通信的高可靠、低時延通信（URLLC)和海量機器類通信（m M T C）場景，形成了5G無線通信系統最重要的三大評估場景，其評價系統優劣的性能指標也從原來的頻譜效率等基礎指標拓展至網絡能效、傳輸時延、傳輸可靠性、連接密度等增強指標。

特別值得注意的是，網絡能效，作為5G通信系統新增的關鍵性能指標之一，已經成為國內外各家運營商選擇網絡設備的重要因素。“也就是說，網絡能效的提升目前已經不再是完成環境保護指標的臨時措施，而是運營商挖掘利潤潛能、升級5G通信網絡設施的必然選擇。”唐杰說道。

近些年來，國內外運營商在數據量每年翻番的情況下，幾乎沒有獲得凈利潤的提升，由此可以看出：一方面，通過增加流量來提升利潤的模式在未來5G時代已行不通；另一方面，從目前5G通信關鍵技術的發展情況來看，主要涉及在空間（超大規模天線陣列，Massive MIMO）、頻率（毫米波，mmWave）領域進行大規模拓展，依靠提升設備復雜度來增加網絡的吞吐能力，但是隨之而來的結果必然是大額或超大額的技術成本和運營成本。

“還有一點就是，從我國公布的5G通信系統頻率使用規劃來看，5G通信系統將采用比前幾代通信系統更高的頻率，目前主要集中在3.4～3.6G H z、4.8～5.0G H z，這樣就需要更多的基站部署，這又會提高成本。”唐杰補充道。因此，如何減少網絡部署和維護過程中產生的能量消耗，實現高能效的通信傳輸將是5G通信系統成功的必由之路。

對此，唐杰率領團隊通過對未來智能化應用的調研和分析，結合時延、可靠性、連接密度等新的網絡性能評估指標，開展了面向5G海量機器類通信的高能效攜能傳輸機制研究。他首先分析了未來智能化應用的發展對通信網絡性能的要求，研究了相應的能效評估標準與基礎理論；其次，通過與5G通信系統空中接口和網絡架構新特性的結合，研究了高能效傳輸的解決方案并分析了影響能效的關鍵因素；最后，結合5G海量機器類通信場景的需求，從攜能通信方面研究了與所承載應用相匹配的高能效傳輸整體解決方案。

隨著5G通信網絡進入商業化階段，為了獲得更快和更可靠的數據傳輸，下一代（6G）通信技術也已經處于研究狀態。其中，通過調整無線環境來提高頻譜和能源利用率的智能反射面（I R S s）因其無源、低成本、部署靈活等優勢，引起了學術界和工業界的興趣，也被視為未來移動通信核心技術之一。在這項前沿科學研究上，唐杰團隊看到了更廣闊的應用前景，相應地，他們已經做出了部分規劃和準備。他透露道，從相關系統的搭建到硬件平臺和軟件算法的開發，未來他們會集中很大一部分力量對此發起攻關。

團隊合影

金針度人，甘為火種

近些年，移動通信一直是全球科技創新競爭的制高點。在該領域，唐杰從未停下探索的腳步。據了解，超過70%的移動業務發生在室內場景，長期以來，室內移動通信高容量持續增加和低成本建網運維這對矛盾一直是制約信息產業發展的國際性難題。為滿足提速降費和寬帶中國等國家戰略需求，亟待破解室內分布系統高性價比、多網融合和高擴展性組網理論和方法。

為解決這些難題，唐杰率領團隊與京信通信系統有限公司展開合作，在室內分布系統的系統架構、信號傳輸介質與理論上進行攻關與創新突破，在業內首創了擴展型微小區基站，實現了一種射頻信號IT化傳輸、即插即用、開放融合、多模接入的高性價比新型室內分布系統解決方案。經鑒定：項目技術和產品總體上達到國際先進水平，其中“微小區基站與分布式部件時頻同步共小區技術”和“基于IP幀重構的多通信制式IT化前傳技術”達到國際領先水平。2019年6月，相關技術成果應用于上海世界移動通信大會上發布的“業內首款5G云小站”產品中，為5G賦能各行各業提供了技術支撐。同時，該項目還獲得了2019年廣東省科技進步獎二等獎。

如今，唐杰的科研團隊已經發展到了20多人。作為團隊的領頭人，在團隊管理上，他有著明確的分工。無論是在無線通信的硬件搭建、軟件算法方面，還是他近期開始從事的5G應用方面都有所部署，確保了每個方向都有碩士生、博士生或博士后參與。他說：“每個同學來到我這里都是一樣的，都要從基礎的知識搭建開始做起，只有基礎打牢固了，后面的研究才能更順暢。”

唐杰坦言，無論是在團隊管理上，還是在學生培養上，他都承襲了他的博士生導師。在時間上，他從不對學生做出硬性要求，因為在他看來，學習和研究都應該是一件自發自覺的事情，只有學會學習，才能真正學會知識。此外，每一個學生到來之前，他都會提前將一些道理擺出來，比如，他會告訴學生，光憑文憑是不夠的，更重要的是在研究過程中積累的經驗，獲得的成果，以及培養出來的解決問題的能力，這些才是他們立足社會的資本。“這些道理在前期就要說給他們，他們聽進去了，就不需要我再約束，他們會自己把事情做好。”“我的學生都很上進。”說出這句話時，唐杰臉上寫滿了驕傲。很多個晚上，他從實驗室經過時，看到大部分學生還在里面努力工作，這是他最欣慰的時刻。

在指導學生時，唐杰也遵循循序漸進的原則。比如，在對博士生的培養上，他在第一年會傾盡所能去教學生，告訴他們該做什么，該怎樣做；但在第二年就只告訴學生一個范圍，讓學生自己去挖掘；到第三年，他會鼓勵學生放開手腳，大膽地去質疑，去探索，去求證，獨立承擔課題，完成任務。唐杰強調說，博士生獨立科研的能力非常關鍵，這關乎到他們以后的事業，所以他非常注重培養學生獨立做科研、獨立解決問題的能力。

研究工作之外，唐杰常常組織體育活動來調節團隊成員的狀態，打羽毛球、打籃球……幾乎每一次，他都參與其中。在唐杰看來，科研是一項不斷攀登高峰的事業，在攀登的過程中，他希望他和他的團隊能時刻保持積極良好的心態，勇于面對不斷涌現的挑戰，篤定前行。