——记 上海交大电子信息与电气工程学院副教授孙舒
文/胡月
“传统的前四代无线移动通信,甚至是第五代通信,目前主要使用7GHz以下频段,它们频谱资源有限,因此传输的数据速率也较低。为了满足无处不在的数据连接要求及各种无线通信应用场景需求,我们需要更多的频谱,于是就考虑到毫米波。”上海交通大学电子信息与电气工程学院电子工程系副教授孙舒说。
2024年南京“6G无线信道测量与建模国际研讨会”
近些年来,随着视频直播、虚拟现实游戏和全息图像等高带宽信息产业的快速发展,一些特殊应用场景,例如高铁、国防在高速率传输方面的需求加大,为全球移动数据传输带来了新的挑战。
从国外求学到回国开展科学研究,孙舒攻关的重点便是毫米波无线通信领域。她和团队在智能超表面辅助的毫米波系统、通信感知一体化波束设计、智能波束管理等方向开展了一系列研究,并取得了丰硕成果。
科研动力源自童年
“小时候我仰望苍穹,会好奇星星和月亮发光的原因,对于物体的运动规律、物质的内在原理也有着极大的探索欲望。”孙舒说她自幼对物质外在的现象和内在的奥秘很好奇,很想探究其中的成因规律。她在物理学领域展现出极高的天赋,高考时以优异的成绩考入上海交通大学应用物理专业。
2012年9月,孙舒来到美国纽约大学,攻读电子工程专业的博士学位。这一时期,5G研究在世界上刚好兴起。当时,她的导师敏锐地洞察到:毫米波应该是未来比较重要的频段。于是,孙舒在导师的引领下开始了毫米波实验测量研究。
纽约作为国际大都市,高楼林立,人群、车辆都十分密集,十分不利于无线信号的传播。而这种环境恰好为研究毫米波对于无线通信的可行性提供了天然的试验场。
为了更好地深入这一领域开展研究工作,孙舒基于实验结果建立信道模型,进而基于信道模型开展进一步分析,为波束的设计及基站的部署提供研究支撑。
“也正是通过这段工作经历,让我在毫米波无线通信领域研究中积累了丰富的经验。”读博期间孙舒参与了几项关于毫米波无线通信的美国科学基金项目,并跟随导师深入到美国纽约城市及弗吉尼亚州的大农村,开展不同场景下毫米波的传播性质研究。
攻克难题成果累累
长期以来,路损模型都是无线信道模型中最基本的一项内容。在无线通信领域第三代合作伙伴计划(3GPP)最初提出的面向0.5～100GHz的信道模型中,采用了三参数浮点拦截(ABG)路损模型,但其本质只是数学上的曲线拟合而缺乏可靠的物理意义,参数多因而计算复杂度高,且模型应用于参数拟合以外的频段或场景时对路损的预测误差大、参数稳定性差。
为此,孙舒团队针对多种不同传播场景下准确描述和预测毫米波传输损耗这一根本问题,开展了一系列创新性探索。作为项目的主要参与者之一,孙舒进行了世界上首个大规模毫米波信道测量实验来收集包括路损在内的数据,并作为唯一数据处理人整合和处理了来自多所大学和公司的30组实测数据。
他们对比了不同频段、不同场景下的毫米波传播特性,并建立了相关模型。在信道模型的基础上研究了不同的波束赋形算法等,并将这些模型和算法贡献到通信标准组织提案中。
特别是在面向5G和6G的路损模型建立中,取得了一系列创新性科研成果。所提出的路损模型与国际通信标准3GPP原有路损模型相比,具有更高的参数稳定性、预测准确性,以及对不同距离、频率和环境的普适性,且具有更少的参数,为进行准确而可靠的5G乃至6G系统设计提供了坚实依据。
此外,还基于所提信道模型创建了信道仿真软件NYUSIM,可极大地帮助科学研究者和工程师设计、对比和部署候选无线技术,对无线通信很多方面的决策都具有深远影响,因此具有极高的科学价值和社会经济意义。
自2016年7月问世以来, NYUSIM已被华为、英特尔、高通等全球诸多知名公司,以及中科院、清华大学、美国哈佛大学等学术机构和个人下载使用,累计下载量超十万次。
为了将相关系统推向应用,孙舒在2015—2016年多次参加国际5G信道模型预标准会议,其中两次作为纽约大学唯一代表与会。在会议中,她与领域成员针对相关问题展开了激烈探讨,最终CI模型的创新优势得到了相关领域科研人员的广泛认可,并使其成功列入3GPP标准中,为国际学术界、工业界研究和利用毫米波路损提供了准确、公认的理论依据。在相关科研成果的基础上,孙舒在国际知名会议和期刊发表多篇CI模型相关高水平论文并被引用2000余次,其中一篇期刊论文还获得了2017年尼尔谢菲尔德最佳传播论文奖。
2017年获马可尼学会青年学者奖
丹心报国再启征程
2021年11月,孙舒回到了自己的母校上海交通大学电子信息与电气工程学院电子工程系,担任长聘教轨副教授、博士生导师,开展面向后5G和6G时代的无线通信研究。从此她开始了全新的科研创新旅程。
孙舒介绍说,通信感知一体化是未来6G无线通信具有竞争力的技术之一。它可以通过设备、频谱等资源共享,大幅提升无线网络的资源利用率,同时实现通信和感知双功能,从而展现出革新无线网络的潜力。
这项技术相当于功能域的拓展,而将其与毫米波频谱域的相关技术相结合,是否会使其信道模型变得不同呢?针对这一问题,孙舒结合自己本科及博士期间的研究基础,正在和研究团队开展一系列科研探索。
对于未来几年的科研规划,孙舒胸中已规划好了一幅“蓝图”,即多场景下(地面室内、室外、空天、海洋等)的毫米波及太赫兹无线信道的测量与建模;基于毫米波及太赫兹的通信感知一体化的研究;基于智能超表面的毫米波及太赫兹的研究等。
“未来研究目标依旧在毫米波无线通信领域,包括其在亚太赫兹甚至更高频段的太赫兹方面的频谱延伸;在应用场景方面,我们也会结合通信感知一体化、空天地海一体化等大背景下相关场景,开展更多深入探索。”孙舒说。在目标的驱使下,她将脚踏实地进行研究开拓,为国家做出更多科研成果。
