西工大团队是5G信号的“跑道”设计师

?团队在西工大长安校区进行实验测量。

你也许不知道，即将改变我们生活的5G技术中，西北工业大学科研团队做了一项重要的基础性工作。

西工大电子信息学院张若南教授团队，经过7年研究，自主研制了一套高分辨率多维域信道测量系统，研究、设计、验证了一系列“空-时域信道模型”，其中部分成果列入了两项移动通信网络国际标准。

“通俗地说，我们为5G信号的传输，设计了一整套‘跑道’，让信号得以在复杂的传输环境中，迅速、无障碍地快速奔跑。”6月4日，张若南教授接受记者采访时说。

自主研发制造测量设备

张若南教授给记者介绍，5G信号“跑”得非常快，信息传输速率是4G信号的10至20倍。一部1GB的高清电影，仅需几秒就可下载完成。同时，5G还能将跑道分区，就好比公路上的快车道和慢车道、客车道和货车道等，以此达到多种设备连接而不影响网络质量。不仅如此，连接5G网络的设备可以和云端实时交互信息，让自动驾驶完成从实验室到真实生活场景的转变。

5G信号信道模型的精度和复杂度比4G要求更高，信号空间传播的分辨率要求是4G的10倍以上，但信号功率的衰减程度是4G的100倍以上。因此5G信号相比4G信号更弱，捕捉和处理也更加困难。

2012年，张若南教授团队就开始与国际知名通信设备制造商合作，接受了为5G信号设计跑道，也就是设计5G“信道模型”的任务。张若南说：“当时4G网络才刚刚开始推广，大家对于5G也仅是有一个基本的概念，它究竟是什么样，应该怎么设计、建设等这些全世界都不知道。所以那时确实是从最基础的研究工作开始。”

他们接到的任务是：研究5G信号的传播规律，并研制出一套信道测量算法与系统、建立一套信道传播模型，以便在此基础上，开展5G基站架设、设备研制、手机设计等后续工作。

“想要研究5G信号的传输规律，前提就是要能了解它在实际环境中的传播规律和特点。而电磁波在空气中传播看不见、摸不着，这就需要一套专门的设备来测量5G信号的传播。”张教授说，为了得到电磁波传输的相关数据，必须要进行大量测试工作，但国内没有相关设备，当时从欧洲进口一套设备需要1000万元左右。为了节约成本，团队自力更生，自主研发制造了一套高分辨率多维域信道测量系统，在大大缩减成本的同时，设备性能指标还优于国外同类进口设备。

研究成果列入国际标准

设备研制好了，如何全面地掌握信号传播规律？是他们遇到的又一个难题。

5G使用的是4G系统频率范围内（600MHz到6GHz）的空闲频谱和新的毫米波段（24-86GHz）。无线信号在空间的传播非常复杂，楼房、树木、车辆等物体以及地形会造成电磁波的反射、散射和衍射。特别是毫米波传播衰减更加严重，信号的功率、传播方向等非常容易受到周围环境的影响。

在平时的生活环境，如城市街道、商场、办公室、家庭中，5G信号电磁波是如何在基站和手机之间传播？其反射、散射和衍射的方向、时延和功率是什么？有什么规律可寻？如何用数学模型去表示电磁波传播的方式和规律？

为了更加全面地了解5G信号的传播规律，张若南团队带着自主研发的设备，模拟5G信号的发送、传播和接收过程，从城市宏小区到室内微微小区，从高空飞艇到低空无人机对地组网，开展了一系列实验测量工作。

白天，在西北工业大学长安校区的楼顶和广场上，在西安市中心商务区的街道里，在联通公司的大楼前，在某大型飞机制造车间，在地铁火车隧道里，都可以看到他们搭建仪器、推动测量车、旋转天线阵列进行测量的身影。到了晚上，他们在工作站的屏幕前仔细分析数据、研讨信道参数。有时为了避免白天的高温和行人车辆的干扰，他们从晚上8点开始测量，一直到凌晨6点。

采集了大量原始数据的基础上，团队进行了大量的数据分析，并在此基础上提出并验证一套“空-时域信道”参数估计方法，为5G信号传输信道模型的建立奠定了良好的理论基础。

团队重点克服了5G信道测量与建模的3大关键技术难点——信道中各种反射、衍射、散射产生的大量传播路径的信号叠加在一起，如何进行分离，并估计每一条传播路径的功率、时延、方向等参数？怎样消除信道和测量系统中的各种噪声？如何对海量的信道测量数据进行分析和建模？

张若南介绍，无线信道作为无线通信系统设计和性能评估的依据，对通信系统的标准制定、通信算法的设计和天线设备及网络布局的选择，都具有重要的基础性意义。

这套“空-时域信道模型”，不仅完全依靠自主研发设备，并且其水平已经达到了国内领先、国际先进的水平，部分成果列入了两项移动通信网络国际标准。也就是说，全世界的5G通信设备制造商在该领域，都要参考西工大团队建立的这套信道模型。

团队已开始6G研究

近年来，张若南教授团队成功研制了“三维空-时无线信道测量”系统、无人机数据链与组网系统、微纳卫星测控与组网系统。发表学术论文100余篇，包括IEEEJSAC、TWC、JST-SP、ComMag、TMTT等通信领域顶级期刊论文，在美国Springer出版英文学术专著一部，获得授权国家发明专利12项。

作为第一完成人的“5G新频谱无线信道多维域高精度测量、建模与国际标准推进”获得了陕西高等学校科学技术一等奖，所提出的多个信道模型被列入世界电信标准制定组织3GPP的4G/5G国际标准；参与研制的“太阳能WiFi空中基站无人机”获“中国科协科技工作者创新创业大赛”全国金奖、瑞士日内瓦国际发明展金奖。

团队有9位研究生获得国家奖学金，5人获得西工大研究生优秀毕业生，并获得了研究生电子设计竞赛全国一等奖、研究生数学建模竞赛全国二等奖、全国大学生物联网设计竞赛西北赛区二等奖，还与航空学院团队合作获得了“互联网+”大学生创新创业大赛全国金奖。

谈到未来，张若南说：“在5G推广的这段时间，我们还要根据用户的反馈，不断完善信道模型。此外，对6G的研究，我们也已经开始了。”

未来的6G网络会是什么样子？张若南回答：“现在全世界还没有清晰的构想，这就要靠我们这些通信科研工作者来设计。”

文/本报记者 周励 图片提供/张若南教授团队

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