十年前，你也許無法想像，手機會成為家門的鑰匙、電器的開關、車上的娛樂系統，甚至完全代替電腦……
今天，當這一切都成為可能或已實現，你還能否想像，也許若干年後有人買手機不是為了它無所不能的功能，而是為了「幫助」你我通話，通過「傳遞信號」來獲取一定報酬。這不是天方夜譚，是科學家們設想的可能到來的「扁平化通信」中的典型場景。
當然，實現這一切的基礎是無線通信技術的不斷進步。30多年來，西安交通大學電子與信息工程學院殷勤業教授團隊，就幹的這個「基礎」的事兒。團隊的科研工作者們專注於無線通信應用基礎研究領域，突破傳統研究，開創性地提出無線通信「空譜」的概念，並解決了多項相關技術難題。
手機對我們來說，早已不僅僅是打電話、發簡訊了。上網、打遊戲、看視頻……手機功能的不斷延伸，伴隨著對信息傳輸的速度、容量以及安全性能提升的巨大需求。然而，頻譜資源的有限和匱乏，成為無線需求的最大桎梏。
無線頻譜資源和煤炭、石油一樣並非用之不竭，而是有限非再生的。在一定的時間、區域和頻域內，某一特定頻段的頻率資源一旦被使用，其他設備便不能再用。任何無線電業務的開展，都需要無線電管理機構為其分配頻譜資源。面對無線通信飛速發展的挑戰，如何更加高效利用有限的頻譜資源和開發新的通信資源，一直是無線通信領域研究的熱點。
在這個過程中，殷勤業教授團隊另闢蹊徑，大膽提出了「空譜」的概念：
信號在空間傳播，傳播過程中要佔據一定空間。空間的區別，為頻譜的反覆使用創造了條件。信號的維度，也就從時間和頻率兩維拓展到時間、頻率、空間三維。空間僅僅被證實的就包括上下左右前後多個維度。每多一個維度，信息通道成幾何倍數增加。隨著使用場合的不同和人們對空間認識的不斷深入，維度還有多個可能性。
這僅僅是理論嗎？在多天線收發數字無線通信中，研究人員發現各處的信號空譜是不同的，這也證實了無線通信不僅有頻譜資源還有更為豐富的空譜資源。因此，運用技術手段利用好空間譜，頻譜資源的匱乏就不是問題。
由於電磁波在開放的時空中自由傳播，無線電業務頻率之間容易出現幹擾，這也是無線頻譜資源要劃分使用的原因。利用空間譜，要解決的核心問題，就是信號的相互幹擾。團隊通過技術手段，改變信號廣播式的傳播特性，把電磁信號約束在儘量小的空間內，避免了相互幹擾，使得同一頻譜資源，被不同空間的用戶反覆使用成為可能。從這個角度講，「空譜」也意味著無線通訊領域的「可再生能源」。
如果說「空譜」是無線通信領域的「可再生能源」，如何利用好還有很多難題需要解決。利用多天線技術開發使用空間譜，是殷勤業教授團隊研究的著力點。團隊主要成員王慧明教授介紹，
利用多天線技術開發使用空間譜，主要通過集中式和分布式兩種途徑來實現。
集中式通過多個天線排列成天線陣，每增加一根天線，就意味著多一個信息通路，也就是在同時頻的條件下，增加一個空域通路，實現效率翻番。同樣，多一根天線，面臨的問題和困難更多，對信號傳輸和處理技術要求也更高。
從1994年開始，殷勤業教授在國內率先開展這一研究，承擔了該領域我國最早的863項目，建成了國內首套通過集中式多天線方式實現空譜利用的智能天線驗證系統平臺，證明通過空域利用，頻譜使用可以實現翻番的效果。在此基礎上，他們和國內某知名通信企業合作，共同研發了基於智能天線的小靈通基站，不僅一舉打破了國外公司的壟斷，大大降低了基站成本，而且在性能上也優於了同類產品，在市場上得到廣泛應用。王慧明教授介紹，實際上我們目前的通信基站，無論是小靈通基站還是3G、4G基站，都是通過多天線排列成天線陣對空譜資源的利用。當然，天線數越多，空譜資源的利用率也就越高，系統就越複雜。現在使用4G標準的基站大概採用4到8根天線。目前，團隊和相關單位合作，已經建成一套具有32根天線的軍用抗幹擾智能天線高速通信系統。在智能天線技術的研究和產品化方面，該團隊一直走在了業界的前列。5G移動通信系統中，進一步提高頻譜效率的方法就是使用成百根天線，無疑在5G智能天線技術的研發上，該團隊已經佔有了先機。
隨著雲計算、物聯網、未來蜂窩移動通信系統、無線傳感器網絡等應用的飛速發展，協作無線通信成為通信領域的關鍵技術。協作無線通信通俗地講，就是在某種特定環境、特殊需求下，普通的傳輸手段無法滿足，需要通過分布在不同地方的無線節點協同工作，實現可靠通信。隨著協作無線通訊研究和技術的進步，前邊提到的「扁平化通訊」時代也許將隨之到來。當然，協作通信的本質實際上是一種分布式利用空譜資源的方式。
然而，分布式空譜利用面臨更多複雜問題。例如，處於不同空間位置上的多個協作發射機發射信號到達接收機的時間和載波頻率都是不同步的，這將破壞協作信號的良好性質，惡化系統性能。因此，時間、頻率的異步問題成為協作無線通信面臨的最大問題。在解決這一問題的過程中，殷勤業教授團隊提出了兩大思路：
一個是通過一些保障同步的協商機制，讓它們同步起來；另一種是在允許有一定同步誤差存在的情況下，通過魯棒的信號設計，保障可靠接收。
該項目從2005年開始，歷時9年，從時頻異步的產生機制入手，構建了時頻異步的數學模型，系統地建立了時頻異步下協作信號發射理論和方法。由於貢獻突出，「時頻異步協作無線通信系統信號設計和檢測理論與方法」榮獲2014年陝西科學技術獎一等獎。團隊王慧明教授也因這方面的貢獻，博士論文獲得2012年全國優秀博士學位論文獎，入選2013年教育部「新世紀優秀人才支持計劃」。
如果說「空譜」是無線通信領域的「可再生能源」，如何利用好還有很多難題需
竊聽、騷擾、欺詐……無線通信就像一把雙刃劍，我們享受到它的豐富、便捷的同時，也受到信息安全的威脅。
信息安全具有典型的「水桶效應」。無線通信的媒介是開放的，信號以基站為中轉在空中傳播，從理論上講只要有類似基站的設備，就可以接收信號。傳統的方式是通過高層加密認證機制，保證通信安全。然而，這些技術都無法針對性地解決無線信號在空中的洩漏問題。正是由於開放的特質，無線通信成為信息安全的最「短板」。
因此，從無線信號傳播本身的特點入手，才是解決無線通信安全問題的根本出路。「空譜」為從源頭上解決安全問題提供了可能性。王慧明教授解釋，「
空譜」差異決定了不同用戶的信道容量具有差異，可以犧牲部分容量保證私密信息安全傳輸。由「空譜」刻畫出的無線信道具有多樣性、唯一性、時變性、互易性等特徵。一方面提升了信息容量，另一方面決定了無線信道具有天然的安全「指紋」和「管道化」傳輸的特點，使得收發雙方「指紋匹配」，在傳輸的物理層面保障了信息的安全。也就是，每個人每次信息的傳輸與接收，都有特有的指紋，指紋匹配不上，任何人都無法獲取信息。
補上了「短板」，也許不再受信息安全威脅並不是夢。
來源：陝西日報10月16日14版
作者：記者 張梅 通訊員 郝亞楠
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