彭木根：讓小基站吞下5G大容量

  彭木根頭戴實(shí)驗(yàn)設(shè)備 張星海攝

　　核心區(qū)域人口密集、基站資源有限，難以保證通信質(zhì)量。如何解決熱點(diǎn)區(qū)域的無線通信問題，讓城市核心商圈、體育場(chǎng)館等區(qū)域的無線高容量上網(wǎng)不再是奢望？

　　彭木根 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院執(zhí)行院長、教授

　　“外企待遇好，可如果計(jì)算機(jī)專業(yè)畢業(yè)生都去當(dāng)‘碼農(nóng)’，那我們國家通信領(lǐng)域的科技創(chuàng)新誰來做？”每當(dāng)被問及職業(yè)選擇，彭木根總是這樣回答。

　　博士畢業(yè)時(shí)，這位北京郵電大學(xué)（以下簡稱北郵）信息與通信工程學(xué)院執(zhí)行院長、教授彭木根的同學(xué)大都去了外企，但他一直留在學(xué)校從事教學(xué)和科研工作。

　　43歲的彭木根曾多次選擇少有人走的路，并另辟蹊徑取得了多項(xiàng)成果。

　　從2000年進(jìn)入移動(dòng)通信領(lǐng)域以來，他致力于人口密集區(qū)域的移動(dòng)通信系統(tǒng)精巧基站和智能無線組網(wǎng)研究，助推“3G突破、4G并跑、5G領(lǐng)跑”，為我國自主研發(fā)的密集無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成為國際主流、改變世界通信格局作出了貢獻(xiàn)。

　　日前，彭木根被授予2021年北京“最美科技工作者”榮譽(yù)稱號(hào)。

　　放棄求職，踏上通信科研之路

　　1996年，彭木根考入南京郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，作為較早接觸計(jì)算機(jī)的一批年輕學(xué)子，他先后學(xué)習(xí)過DOS操作系統(tǒng)、UNIX操作系統(tǒng)和Windows操作系統(tǒng)，見證了個(gè)人計(jì)算機(jī)和第一代互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

　　“碼農(nóng)”是那時(shí)多數(shù)計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的職業(yè)目標(biāo)，但彭木根的“野心”并不止于此。

　　“就算把編程語言掌握得再熟練，我也是被動(dòng)地應(yīng)用已有成果，無法進(jìn)行理論和技術(shù)創(chuàng)新。”他說。

　　此時(shí)，一篇新聞報(bào)道引起了彭木根的注意：我國提出了自己的3G標(biāo)準(zhǔn)（TD-SCDMA）。他非常興奮，意識(shí)到這或許是未來的發(fā)展方向。

　　TD-SCDMA（時(shí)分同步碼分多址）是以我國知識(shí)產(chǎn)權(quán)為主的、被國際上廣泛接受并認(rèn)可的移動(dòng)通信國際標(biāo)準(zhǔn)，也被國際電信聯(lián)盟ITU正式列為第3代移動(dòng)通信空口技術(shù)規(guī)范之一。

　　本科畢業(yè)后，彭木根決定跨專業(yè)考研，報(bào)考北郵移動(dòng)通信專業(yè)。

　　等考研結(jié)果期間，彭木根也曾嘗試找工作。“當(dāng)時(shí)，很多同學(xué)去了外企，我也收到過外企的offer，月薪多的能給到一萬多。這對(duì)于2000年畢業(yè)的本科生來說，是很有誘惑的?！彼貞浀?。

　　不過，在得知考上研究生后，彭木根果斷放棄到手的offer，踏上了他的通信科研之路。

　　涉入深水區(qū)，“產(chǎn)業(yè)寶典”一鳴驚人

　　2000年，彭木根入學(xué)北郵。此時(shí)，由于我國3G標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA的核心基礎(chǔ)理論尚未成熟，相關(guān)理論研究欠缺，嚴(yán)重制約產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。一些國外專家妄言，我國的3G只能應(yīng)用于小型局部組網(wǎng)，作為大規(guī)模無縫組網(wǎng)的補(bǔ)充。

　　為破解制約我國3G發(fā)展的理論瓶頸，彭木根在理論和技術(shù)“一窮二白”的情況下，在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，自2001年起涉入我國3G“深水區(qū)”，在國內(nèi)率先開展TD-SCDMA組網(wǎng)理論和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

　　一個(gè)應(yīng)用TD-SCDMA技術(shù)的小區(qū)能接入多少用戶？多個(gè)基站同時(shí)共存，多個(gè)小區(qū)之間的干擾有多大？能否實(shí)現(xiàn)大規(guī)模無縫組網(wǎng)？這都是彭木根要著手解決的問題。

　　彭木根通過引入多用戶檢測(cè)和波束賦形增益因子，構(gòu)建了單小區(qū)和多小區(qū)的容量分析模型，推導(dǎo)得出了有別于其他3G技術(shù)的單小區(qū)和多小區(qū)容量表達(dá)式，提出了TD-SCDMA特有的多載波組網(wǎng)理論和擾碼規(guī)劃方法，揭示了我國3G的容量成因關(guān)系。同時(shí)，他也證實(shí)了在相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)成熟并得到應(yīng)用后，我國3G的容量和覆蓋性能與其他3G系統(tǒng)相比，理論組網(wǎng)性能更優(yōu)，成功反擊了國外專家對(duì)我國3G只能局部組網(wǎng)的武斷結(jié)論。

　　這些研究成果讓彭木根一鳴驚人。2005年博士畢業(yè)后，考慮到國內(nèi)外都缺乏對(duì)TD-SCDMA闡述清晰且全面系統(tǒng)的專著，這嚴(yán)重制約了產(chǎn)業(yè)發(fā)展和人才培養(yǎng)，他將相關(guān)研究成果結(jié)合產(chǎn)業(yè)需求，撰寫并出版了著作《TD-SCDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)》，系統(tǒng)介紹了我國3G的原理、理論基礎(chǔ)、關(guān)鍵技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議、測(cè)試結(jié)果等內(nèi)容。此書一經(jīng)出版，就得到業(yè)內(nèi)人士的高度評(píng)價(jià)，現(xiàn)在它還被稱為“我國3G產(chǎn)業(yè)寶典”。

　　“移動(dòng)通信領(lǐng)域?qū)I(yè)書籍很難印到3000冊(cè)，但該書3年內(nèi)就印了10余次，目前出售了16000多冊(cè)?！迸砟靖f，很多移動(dòng)通信從業(yè)人員都是通過這本書了解到我國3G。

　　補(bǔ)齊短板，毛遂自薦出國深造

　　博士畢業(yè)后，彭木根留校，入職北郵電信工程學(xué)院。

　　32歲評(píng)上博導(dǎo)、34歲評(píng)上教授，由于在我國3G領(lǐng)域作出了突出貢獻(xiàn)，彭木根的“進(jìn)階”之路走得順風(fēng)順?biāo)?。然而，彭木根不滿足于此。

　　2012年，他主導(dǎo)的科研項(xiàng)目申請(qǐng)首屆國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金資助。

　　“當(dāng)時(shí)，參加答辯會(huì)的老師大都有海外留學(xué)經(jīng)歷，不少研究成果發(fā)表在國際一流期刊上，而這方面是我的短板?！迸砟靖f，雖然最后幸運(yùn)入選，但通過這次答辯，他深刻地意識(shí)到自己和其他入選者在這方面存在的差距。

　　2013年，為了使自己的研究和國際前沿接軌，彭木根決定暫別安穩(wěn)的國內(nèi)科研教學(xué)工作，出國訪問學(xué)習(xí)。與很多學(xué)者更愿選國外華人導(dǎo)師不同，他向無線通信領(lǐng)域國際最權(quán)威的學(xué)者之一，美國普利斯頓大學(xué)教授文森特·珀?duì)柊l(fā)去了一封自薦郵件。郵件言辭懇切、誠意滿滿，而后彭木根幸運(yùn)地成為了珀?duì)柦邮盏氖孜蝗淘谥袊囵B(yǎng)的教授。

　　“不過，后來我才發(fā)現(xiàn)，自己在郵件中使用的標(biāo)點(diǎn)符號(hào)都是錯(cuò)的，存在大量的語法問題，但郵件的內(nèi)容打動(dòng)了珀?duì)枴！迸砟靖貞浀馈?/p>

　　在此期間，彭木根以每2個(gè)月提交一篇高水準(zhǔn)的期刊論文的速度進(jìn)行科研攻關(guān)。由于對(duì)產(chǎn)業(yè)十分熟悉，他在這時(shí)發(fā)表的論文恰好符合5G和后5G產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，一經(jīng)發(fā)表就成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注焦點(diǎn)，大都成為ESI高被引論文。這段時(shí)間的科研成果，也奠定了他在國際學(xué)術(shù)界的地位。

　　發(fā)現(xiàn)痛點(diǎn)，轉(zhuǎn)化成果走出國門

　　“5、4、3、2、1……”2008年8月8日，伴隨著全場(chǎng)觀眾的倒計(jì)時(shí)，北京奧運(yùn)會(huì)開幕式在國家體育場(chǎng)隆重舉行。彭木根幸運(yùn)地?fù)尩搅碎T票，在現(xiàn)場(chǎng)觀看開幕式。

　　不過，當(dāng)彭木根想聯(lián)系場(chǎng)外親人分享這份喜悅時(shí)，他卻發(fā)現(xiàn)電話怎么都打不出去，連短信也發(fā)不出去。

　　開幕式結(jié)束后，彭木根陷入了思考。“開幕式現(xiàn)場(chǎng)的情況恰好是我們常會(huì)面臨的情況，核心區(qū)域人口密集、基站資源有限，難以保證通信質(zhì)量。如何解決熱點(diǎn)區(qū)域的無線通信問題，讓城市核心商圈、體育場(chǎng)館等區(qū)域的無線高容量上網(wǎng)不再是奢望？”彭木根說。

　　而后，彭木根馬上投入到熱點(diǎn)區(qū)域無線組網(wǎng)研究中。針對(duì)熱點(diǎn)區(qū)域無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無定型不規(guī)則特征，他從源頭創(chuàng)新出發(fā)，構(gòu)建了基于點(diǎn)泊松的協(xié)同組網(wǎng)性能分析模型，從理論上揭示出了熱點(diǎn)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)容量與節(jié)點(diǎn)密度及分布、信道模型、功率配置等的內(nèi)在尺度規(guī)律，揭示了異構(gòu)協(xié)同無線組網(wǎng)容量增益成因關(guān)系。

　　針對(duì)熱點(diǎn)區(qū)域無線網(wǎng)絡(luò)容量低、空時(shí)動(dòng)態(tài)適配性差等挑戰(zhàn)，彭木根提出了一整套分層異構(gòu)協(xié)同和網(wǎng)絡(luò)自組織關(guān)鍵技術(shù)解決方案，構(gòu)建了功能自適應(yīng)分解的一體化協(xié)同自組織體系結(jié)構(gòu)，解決了4G/5G靈巧小基站的干擾控制和移動(dòng)性管理等技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的自配置、自優(yōu)化、自治愈，相關(guān)成果榮獲中國通信學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)等榮譽(yù)。

　　同時(shí)，彭木根還積極進(jìn)行科研成果轉(zhuǎn)化落地，將核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)進(jìn)行轉(zhuǎn)讓，基于專利轉(zhuǎn)讓和科研項(xiàng)目合作攻關(guān)，聯(lián)合京信通信公司等企業(yè)研發(fā)了靈巧小基站和無線網(wǎng)絡(luò)自組織系列產(chǎn)品。靈巧小基站能被安裝在體育場(chǎng)館等熱點(diǎn)區(qū)域，可以節(jié)省安裝空間，且能夠?qū)崿F(xiàn)綠色部署和即裝即用。靈巧小基站與無線網(wǎng)絡(luò)自組織系列產(chǎn)品在國內(nèi)外得到了大規(guī)模應(yīng)用，巴西世界杯、索契冬奧會(huì)等體育場(chǎng)館也用上了該產(chǎn)品。

　　“不是我改變了行業(yè)，而是我有幸趕上了行業(yè)變革?！睂?duì)自己所從事的工作，彭木根總是心懷熱愛，一直感激長久以來的各種幸運(yùn)。