张平：无线通信的重大创新必须从基础理论上突破

无线技术依靠自身的快速演进、升级，在社会生活中发挥着愈发重要的作用。但是，就在我们畅想4G美好时代的同时，也隐约产生些许疑虑—在重大技术演进似已走到极致的当下，无线通信创新的下一个路径在哪里？

在过去的几十年里，移动通信获得了空前的高速发展，但随着3G大规模建设告一段落，运营商转入“精细运营”，移动通信无论从基础创新还是产业布局方面开始明显放缓，整个移动产业急需注入革命性、突破式的创新血液。

北京邮电大学张平教授一直积极致力于移动通信基础理论研究与创新。1998年，北邮无线新技术研究所成立，随着研究工作的深入以及产业发展，张平与团队中的精英骨干组建了北京星河亮点公司，专注于TD-SCDMA综测仪器开发，并已经商用。近日，张平接受了本刊记者独家专访。

传统通信理论的问题

在张平看来，移动通信传输技术的的基本问题是如何平衡频谱效率和功率效率这一对矛盾，香农信息论为平衡这两个因素给出了著名的香农限。解决这个矛盾的过程也就为通信信道容量的发展提供了研究方向。

“很长时间里，业界对传输技术的创新是以单用户、点到点‘香农限’为前提的，香农公式给出了决定信道容量C的三个信号物理参量：频率、时间及功率之间的辩证关系，并给出了信道的极限传输能力，即传输的有效性问题。也就是传输带宽和信噪比之间可以实现互换。尽管香农公式给出了这一互换关系的极限形式，但并未解决具体实现方法。

所以提高通信系统容量面临的挑战受限于两个因素，一是由于可用的频谱资源日渐稀缺以及宽频带实现AD采样复杂度极高，导致带宽无法无限度扩展；二是功放效率提高困难，成本及干扰等的限制导致功率无法无限度提高。

同时，模拟到数字信号转换时必须遵循的采样定理，传输过程中无符号干扰必须遵循的奈奎斯特定理等限制因素，似乎都在告诉人们通信信道容量已到极限，通信的基础理论大厦已经牢不可破。

张平告诉记者，一直以来，研究人员通过改进通信调制方式来提高频谱效率，从QPSK到64QAM，移动通信的频谱效率提升了3倍，但是传输功率随之提高了近10倍。频谱效率的调高付出这样大的代价显然与当前“绿色通信”的概念是冲突的。

基础前沿新突破

张平指出，移动通信发展到现在，也促使基础理论在进一步发展。比如信息论已从点对点演进到多点对多点的信道，即所谓的MIMO系统，它可以在不增加带宽和天线发送功率的条件下成倍提高信道容量，也可利用多天线来抑制信道衰落。同时，由于FFT可以方便地实现，使频谱效率提高近一倍的正交频分复用（OFDM）也在复杂的移动通信传播环境中找到了用武之地。这样OFDM—MIMO就成了3G演进技术和4G的空口惟一基本技术。

另外，多用户信号在传输时对正交性的严格要求也受到了质疑。这种质疑张平形象地描述为：“信道容量就像一个箱子，FDMA把3个挡板平行等间隔地放入，3个人可以平躺在上面，因为有很大的空间躺着很舒服；TDMA为了把装入的人增加，把每一层都均分成3块，这样就可以装入9个人了。CDMA把挡板都撤掉，但是对每个用户的表征扩频码仍然有很高的要求。如果不考虑这些规则，就像杂技演员一样，依照专业的规则，屁股顶着脑袋，这个箱子装入的人会更多。这个规则就是编码，尽管不正交，但容量肯定会有提高。现在也有人在研究这种多用户信号的编码和其完备性规则。”

同时，对通信单节点不同的网络信息论及网络编码也是未来宽带无线通信网重要的发展方向及关键技术之一，它打破了用户间的信息独立，在网络节点执行编码—转发，达到理论最大信息流。在无线通信有限频谱资源和用户无限的速率需求的矛盾下，利用无线电磁波自然叠加特性和网络编码，产生了物理层网络编码。“这是一个很有前景的研究方向”，张平告诉记者。

张平还介绍了被评为2007年美国科技十大进展的压缩感知理论，它的出现突破了Nyquist采样定理的限制，能够对稀疏信号进行低于Nyquist速率的采样。压缩感知是利用宽带信号在频域中呈现的稀疏特性，解决宽带频谱感知中极高采样速率的挑战。

张平若有所思地告诉记者，在看似完备的通信基础理论的朗朗晴日下，似乎也出现了几朵“乌云”。张平认为，在科技领域，随着人类认知自然世界的深入，权威者的一些约定和规则并不是不可打破的。

认知无线网络研究与国际同步

目前，张平正投入到认知无线网络这一前沿领域的研究中，并任国家基础研究重大计划973项目“认知无线网络基础理论与关键技术研究”的首席科学家。将人类的认知概念引入到无线通信技术上产生于上世纪的九十年代初期，最初认知无线电技术的定义是对频谱资源从时间、空间和频率等多维度的重复利用和共享。在长期对无线通信网络的研究中，张平认为泛在化的无线网络不仅仅面临频谱资源高效利用，同时还面临异构无缝融合的挑战，其本质体现为贯穿于无线传输、网络互联、业务提供对动态复杂环境的智能适应性问题。为此他归纳总结出认知无线网络必须解决的重大科学问题为体系结构的适变性、多域环境的认知性以及控制与决策的自主性。

围绕这些科学问题的深入研究，2008年他率领全国多所优势研究团队开始研究新的理论和关键技术。他提出了认知无线网络的智能适应性应推广至多域动态复杂环境中这一新理论，其中多域认知框架、认知流等得到国际学术界认可，已有16篇提案被国际标准化组织采纳，使我国在认知无线网络的研究和标准化方面与国际同步，有些还有所超前。他因此获得了2010年国家工信部颁发的ITU提案突出贡献奖。

“将通信网络的目标推广至端到端效能的提高，并找到行之有效的评估方法，这是一个崭新并且很有前景的研究思路”。