彭木根：讓小基站吞下5G大容量

  彭木根頭戴實驗設備 張星海攝

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

　　彭木根 北京郵電大學信息與通信工程學院執(zhí)行院長、教授

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

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

　　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成果。

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

　　日前，彭木根被授予2021年北京“最美科技工作者”榮譽稱號。

　　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計算機科學與技術系，作為較早接觸計算機的一批年輕學子，他先后學習過DOS操作系統(tǒng)、UNIX操作系統(tǒng)和Windows操作系統(tǒng)，見證了個人計算機和第一代互聯(lián)網的發(fā)展。

　　“碼農”是那時多數計算機專業(yè)學生的職業(yè)目標，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，我也是被動地應用已有成果，無法進行理論和技術創(chuàng)新。”他說。

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

　　TD-SCDMA（時分同步碼分多址）是以我國知識產權為主的、被國際上廣泛接受并認可的移動通信國際標準，也被國際電信聯(lián)盟ITU正式列為第3代移動通信空口技術規(guī)范之一。

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

　　等考研結果期間，彭木根也曾嘗試找工作?！爱敃r，很多同學去了外企，我也收到過外企的offer，月薪多的能給到一萬多。這對于2000年畢業(yè)的本科生來說，是很有誘惑的。”他回憶道。

　　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)，“產業(yè)寶典”一鳴驚人

　　2000年，彭木根入學北郵。此時，由于我國3G標準TD-SCDMA的核心基礎理論尚未成熟，相關理論研究欠缺，嚴重制約產業(yè)應用。一些國外專家妄言，我國的3G只能應用于小型局部組網，作為大規(guī)模無縫組網的補充。

　　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“一窮二白”的情況下，在導師的指導下，自2001年起涉入我國3G“深水區(qū)”，在國內率先開展TD-SCDMA組網理論和關鍵技術攻關。

　　一個應用TD-SCDMA技術的小區(qū)能接入多少用戶？多個基站同時共存，多個小區(qū)之間的干擾有多大？能否實現(xiàn)大規(guī)模無縫組網？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和波束賦形增益因子，構建了單小區(qū)和多小區(qū)的容量分析模型，推導得出了有別于其他3G技術的單小區(qū)和多小區(qū)容量表達式，提出了TD-SCDMA特有的多載波組網理論和擾碼規(guī)劃方法，揭示了我國3G的容量成因關系。同時，他也證實了在相關關鍵技術成熟并得到應用后，我國3G的容量和覆蓋性能與其他3G系統(tǒng)相比，理論組網性能更優(yōu)，成功反擊了國外專家對我國3G只能局部組網的武斷結論。

　　這些研究成果讓彭木根一鳴驚人。2005年博士畢業(yè)后，考慮到國內外都缺乏對TD-SCDMA闡述清晰且全面系統(tǒng)的專著，這嚴重制約了產業(yè)發(fā)展和人才培養(yǎng)，他將相關研究成果結合產業(yè)需求，撰寫并出版了著作《TD-SCDMA移動通信系統(tǒng)》，系統(tǒng)介紹了我國3G的原理、理論基礎、關鍵技術、標準和協(xié)議、測試結果等內容。此書一經出版，就得到業(yè)內人士的高度評價，現(xiàn)在它還被稱為“我國3G產業(yè)寶典”。

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

　　補齊短板，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院。

　　32歲評上博導、34歲評上教授，由于在我國3G領域作出了突出貢獻，彭木根的“進階”之路走得順風順水。然而，彭木根不滿足于此。

　　2012年，他主導的科研項目申請首屆國家自然科學基金優(yōu)秀青年基金資助。

　　“當時，參加答辯會的老師大都有海外留學經歷，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，雖然最后幸運入選，但通過這次答辯，他深刻地意識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)的國內科研教學工作，出國訪問學習。與很多學者更愿選國外華人導師不同，他向無線通信領域國際最權威的學者之一，美國普利斯頓大學教授文森特·珀爾發(fā)去了一封自薦郵件。郵件言辭懇切、誠意滿滿，而后彭木根幸運地成為了珀爾接收的首位全程在中國培養(yǎng)的教授。

　　“不過，后來我才發(fā)現(xiàn)，自己在郵件中使用的標點符號都是錯的，存在大量的語法問題，但郵件的內容打動了珀爾。”彭木根回憶道。

　　在此期間，彭木根以每2個月提交一篇高水準的期刊論文的速度進行科研攻關。由于對產業(yè)十分熟悉，他在這時發(fā)表的論文恰好符合5G和后5G產業(yè)發(fā)展趨勢，一經發(fā)表就成為學術界和產業(yè)界關注焦點，大都成為ESI高被引論文。這段時間的科研成果，也奠定了他在國際學術界的地位。

　　發(fā)現(xiàn)痛點，轉化成果走出國門

　　“5、4、3、2、1……”2008年8月8日，伴隨著全場觀眾的倒計時，北京奧運會開幕式在國家體育場隆重舉行。彭木根幸運地搶到了門票，在現(xiàn)場觀看開幕式。

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

　　開幕式結束后，彭木根陷入了思考?！伴_幕式現(xiàn)場的情況恰好是我們常會面臨的情況，核心區(qū)域人口密集、基站資源有限，難以保證通信質量。如何解決熱點區(qū)域的無線通信問題，讓城市核心商圈、體育場館等區(qū)域的無線高容量上網不再是奢望？”彭木根說。

　　而后，彭木根馬上投入到熱點區(qū)域無線組網研究中。針對熱點區(qū)域無線網絡拓撲結構無定型不規(guī)則特征，他從源頭創(chuàng)新出發(fā)，構建了基于點泊松的協(xié)同組網性能分析模型，從理論上揭示出了熱點區(qū)域網絡容量與節(jié)點密度及分布、信道模型、功率配置等的內在尺度規(guī)律，揭示了異構協(xié)同無線組網容量增益成因關系。

　　針對熱點區(qū)域無線網絡容量低、空時動態(tài)適配性差等挑戰(zhàn)，彭木根提出了一整套分層異構協(xié)同和網絡自組織關鍵技術解決方案，構建了功能自適應分解的一體化協(xié)同自組織體系結構，解決了4G/5G靈巧小基站的干擾控制和移動性管理等技術難題，實現(xiàn)了異構無線網絡的自配置、自優(yōu)化、自治愈，相關成果榮獲中國通信學會科學技術獎一等獎等榮譽。

　　同時，彭木根還積極進行科研成果轉化落地，將核心知識產權進行轉讓，基于專利轉讓和科研項目合作攻關，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絡自組織系列產品。靈巧小基站能被安裝在體育場館等熱點區(qū)域，可以節(jié)省安裝空間，且能夠實現(xiàn)綠色部署和即裝即用。靈巧小基站與無線網絡自組織系列產品在國內外得到了大規(guī)模應用，巴西世界杯、索契冬奧會等體育場館也用上了該產品。

　　“不是我改變了行業(yè)，而是我有幸趕上了行業(yè)變革?！睂ψ约核鶑氖碌墓ぷ?，彭木根總是心懷熱愛，一直感激長久以來的各種幸運。