未来已来 MIMO致远——记东南大学移动通信国家重点实验室副研究员尤力

刘有婷

尤力博士毕业留影

如果5G技术会说话，它会告诉你它的到来将开启一个怎样的万物互联的世界。

早上醒来，家庭机器人已经为你准备好了所需的一切，预定的无人驾驶汽车也已准点到达楼下；

上班途中，你可以惬意地坐在车里，或享受早餐，或闭目养神，或通过车载系统观看新闻；

下班后，你走进一家超市，选取好自己需要的食材走出超市时，超市已经自动刷脸付钱；

一天晚上，你去看一场演唱会，在人群中哪怕手机只有一两格信号，你也可以毫无顾忌地传送视频，现场直播；

…………

而开启这个未来世界的“密钥”之一就是大规模MIMO技术。但大规模MIMO到底是什么？为什么它对5G的运行如此重要？在未来的第六代移动通信技术中，它是否还会挥发更大的作用？

带着这些疑问，记者采访了东南大学移动通信国家重点实验室副研究员尤力，从他的从业经历和研究工作中，也许可以找到这些问题的答案。

结缘MIMO，攻坚克难

MIMO的全称是multiple-input multiple-output，指的是多输入多输出技术。简单来说就是，利用多根收发天线实施无线通信的技术。20世纪90年代，贝尔实验室的学者对MIMO无线通信技术的发展做出了巨大的贡献。

与传统单天线收发技术相比，MIMO技术对通信系统性能的改善体现在它可以提高无线通信的容量、有效对抗多径衰落、降低干扰、提升无线传输的可靠性。通常具备数十甚至数百根天线的无线通信系统均可被称为大规模MIMO系统。

尤力介绍说：“传统的基站通常配置较小数量的天线，其无线通信性能难以满足日益增长的业务需求。近年来，配备大规模天线阵列的大规模MIMO系统得到了研究者们的广泛关注。天线数量的增多在增强通信性能的同时，也会带来系统实现复杂度提升等问题，这些问题有待深入系统地研究。”

2012年，尤力进入东南大学移动通信国家重点实验室攻读博士学位，开始涉足大规模MIMO技术的研究。他的博士生导师是高西奇教授，在导师的带领下，尤力开展了基于导频复用的大规模MIMO无线传输理论方法研究。

在该项研究中，尤力在导师的指导下，针对平衰落信道，提出了基于角度域导频复用的大规模MIMO无线传输理论方法。从实际物理信道模型出发，尤力首先研究了空间相关瑞利衰落大规模MIMO信道特性，证明了大规模MIMO信道空间相关阵与信道角度功率谱之间的渐近关系，提出了角度域导频复用大规模MIMO信道状态信息获取理论方法及相适应的多用户鲁棒传输理论方法，能够大幅降低导频开销，显著提升系统净频谱效率，揭示了大规模MIMO系统中用户间导频复用的可行性和有效性。

“志当存高远”。2014年，为了进一步精进自己的科研能力，在国家留学基金委资助和导师的支持下，尤力赴美国加州大学欧文分校开展宽带大规模MIMO导频设计的研究。在双方导师的联合指导下，尤力提出了一种基于角度时延域导频复用的大规模MIMO-OFDM信道状态信息获取理论方法。证明了宽带大规模MIMO信道空间频率联合相关阵和信道角度时延联合功率谱之间的渐近关系。在典型移动场景下，所提方法能够显著降低导频开销，进而显著提升系统净频谱效率，解决了宽带大规模MIMO系统信道状态信息获取瓶颈问题。

2015年，尤力结束了美国的联合培养回到国内。一年的留学经历在增强他的科研水平的同时，也极大地开拓了他的视野，让他对国际上的研究情况有了一个更加清晰、客观的认识。当时，中国的移动通信发展水平相比欧美发达国家虽然还有些差距，但是中国也正在奋起直追，差距不断在缩小。这个变化让尤力对中国移动通信的未来充满信心，并立志在该领域继续深耕，做出更多创新成果，助力中国通信事业的发展。

再接再厉，勇攀高峰

近些年，移动业务的快速增长和智能手机的使用为无线服务提供商克服全球带宽短缺带来了前所未有的挑战。作为支持4G系统中高数据速率的关键技术，MIMO可实现多流传输、高频谱效率，改善链路质量。但是，5G时代下，移动宽带通信容量需求急剧增长，这要求该领域的研究人员探索新的无线传输技术。

传统无线通信大多使用低频频谱。然而，低频频段主要集中在3G H z以下，这使得频谱资源十分拥挤，因此研究者们开始探索将毫米波及太赫兹等高频段频谱资源应用于蜂窝移动通信。高频段可用频谱资源丰富，能够有效缓解频谱资源紧张的现状，可以实现极高速短距离通信，支持容量和传输速率等方面的需求，受到了业界的高度关注。充裕的可用带宽、小型化的天线和设备等是高频段毫米波/太赫兹移动通信的主要优点，但也存在传输距离短、穿透和绕射能力差、容易受气候环境影响等缺点。

另外，在同样的移动速度下，由于载频的提升，毫米波/太赫兹无线信道的多普勒扩展远大于传统频段上无线信道的多普勒扩展，因而其信道状态信息获取和无线传输设计将变得更为困难，有待全面系统地探讨。对此，尤力针对毫米波/太赫兹大规模MIMO系统，提出了基于逐波束时频同步的波束分多址传输理论方法。

以大规模MIMO波束域物理信道模型为出发点，通过不断深入的研究，尤力证明了大规模MIMO波束域信道元素的包络趋向于不随时间和频率起伏，进而提出了一种逐波束时频同步方法。他从理论上证明了与传统的天线域同步相比,该逐波束同步方法能够同时缩减宽带大规模MIMO信道的等效时延扩展和多普勒频率扩展,且缩减因子近似等于用户端配备的天线数目。

进一步地，尤力将所提出的逐波束同步方法应用于大规模MIMO波束分多址传输,研究了基站侧与用户端射频链路数目受限情形下的波束调度问题,并提出了一种基于波束域信道统计特征的低复杂度波束调度算法。他所提出的逐波束同步方法能够显著降低波束域信道的多径效应和多普勒效应，提升导频复用信道估计性能和无线传输性能，解决了中高速移动场景毫米波/太赫兹无线通信问题。

至此，尤力在博士期间的研究工作告一段落。立足于博士阶段的研究成果，他申请了“基于导频复用的大规模MIMO无线通信方法”等一系列发明专利，并获得了多项PCT专利和国内专利的授权。在华为合作框架等的支持下，相关研究方案得到了原型验证，其中，导频复用技术的应用落地工作也已开展并正在稳步推进当中。值得一提的是，由于博士期间的科研工作十分出色，尤力还获得了2017年度中国通信学会优秀博士学位论文的荣誉。

博士毕业后，尤力留校任教。东南大学信息科学与工程学院移动通信国家重点实验室是国内高校中唯一专门从事移动通信研究的国家重点实验室，不管是在科学研究，还是在专门人才培养方面都成绩斐然，目前已成为在国内外影响力较大的移动通信科研机构。立足于这样一个走在前沿、实力雄厚的平台，尤力希望自己能做出更多成果，实现更大的个人价值。

在法国巴黎参加2017年度国际通信会议

他说：“现代人已经离不开手机和网络了。可以说，移动通信技术是现代社会发展的支柱之一，对国计民生至关重要。伴随着5G的大规模商用，以及未来第六代移动通信研究的展开，一定会不断出现新技术、新问题、新挑战。对此，我们将不断深入研究，接受新挑战，解决新问题。”

顶天立地，剑指国需

随着5G时代的到来及第六代移动通信技术研究工作的展开，中国在全球移动通信舞台上已进入领先者行列。中国移动通信行业从无到有，从弱到强，为经济社会发展做出了重大贡献，不断推动着国人视野、发展观念、产业实力、大众生活乃至整个社会运行方式的改变。尤力表示：“从事移动通信领域的工作，个人追求肯定要融入国家追求当中，始终要与国家的需求同行，所以我们一定要做出真正能够应用的东西才行。”

在中国通信学会青年人才托举计划的支持下，结合国家重大战略需求，尤力依托课题组所承担的国家重点研发计划等项目，开展了5G之后移动通信物理层基础理论与关键技术的研究。

为满足巨流量的技术需求，利用大规模及超大规模的天线配置，基站可以同大量用户在同一时频资源上利用空间维度资源同时进行通信。传统的多用户空时无线通信理论与技术依赖于收发端精确的信道信息假设，而随着天线单元数的大幅增加，在各种典型频段和移动场景下，这一条件将难以满足，且系统复杂性呈多次幂增加，进而在信息理论、传输理论与技术、计算理论与技术等方面提出新的挑战，大维空时无线通信成为大规模无线通信的关键科学技术问题之一。

在单位平台和前期研究工作的基础上，面向全频段全场景大规模无线移动通信系统构建，尤力将系统深入地拓展大规模空时无线通信研究，探索完善典型场景、典型频段下具有普适性的大规模空时无线通信技术，以期形成具有标志性的源头创新成果。

与担任班主任的班级同学毕业合影

东南大学信息科学工程学院前身为南京工学院无线电工程系，其悠久厚重的历史可追溯至1923年的国立东南大学电机工程系。1932年，陈章先生来到该系任教，开创了我国无线电教育之先河。之后，一代代科学家为我国移动通信技术的历次升级换代均做出了突出贡献。这些前辈的事迹深深感染和激励着尤力，让他在通信科研路上越走越坚定。

为传承和发扬先辈们的精神，尤力更是投身科研团队建设和研究生培养。对于学生的培养，尤力强调要因材施教。“现在的学生很聪颖，想法也很多。每个人身上都有不同的特质，每个人也有不同的目标，所以在帮助他们的过程中要灵活一些，根据他们的情况适当地进行引导。”不过，在尤力看来，他与学生的关系是互相帮助、共同成长的。《礼记》云：“学然后知不足，教然后知困。知不足，然后能自反也；知困，然后能自强也。故曰教学相长也。”他在帮助学生的同时，学生们也在助力他的成长。无论是在研究工作中，还是在生活中，尤力都十分关心学生。他说：“虽然他们都是成年人了，但是毕竟还是学生，所以各方面都需要照顾一点。培养出积极向上、有能力、有担当的学生也是为国家做贡献。作为老师，我肯定希望他们做顶天立地的人，顶天立地的事。”

“顶天”是指瞄准前沿，“立地”是指服务国需。移动通信技术连接着现在与未来，深深影响着国家发展和人民生活。站在信息时代的潮头，以尤力为代表的青年科研工作者们正“乘长风破万里浪”。拥抱变革，推动发展，迎接未来，是尤力正在做的事，也是他将要做的事。此时，他正青春。