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本刊记者 倪 萍
目前,移动互联网已经成为人类生活不可或缺的一部分,而它们背后的技术“灵魂”,就是无线通信网络.无线通信网络具有传输快、可移动、使用方便、覆盖范围广等优点.近年来,无线网技术的普及和发展,已经使人类各方面的生活愈发便捷.
上海东川路800号,上海交通大学的所在地,在这里,有一位年轻的科学家正在从事于无线网络的研究,他是陈智勇.
新思路 新成果
让我们回到2011年,这一年,陈智勇拿到了北京邮电大学信号与信息处理专业的博士学位.“读博期间,我获得国家留学基金委‘国家建设高水平大学’留学基金,作为联合培养博士生赴美国华盛顿大学,学习了近两年.”这段经历既拓展了陈智勇的视野,又进一步夯实了他的科研基础.
2012年,陈智勇进入上海交通大学信息与通信工程博士后流动站,出站后留校工作至今.“当下时代,随着移动数据需求呈现爆炸式增长,许多问题也随之而来,比如：如何在有限的通信资源上,解决无线海量信息的有效传输呢？”为了探寻答案,陈智勇从博士后期间起,就开始以“通信、计算、存储”融合为研究思路,从事移动3C网络方面的研究,“我想尝试通过挖掘无线通信网络中丰富的计算和存储资源,来换取通信能力的提升,释放网络通信能力的巨大潜能,保证移动网络承载能力的可持续增长.”
顺着这个思路,陈智勇开展了移动3C网络方面的研究.他发现,通过挖掘网络及节点中丰富的计算和存储资源,构建计算存储感知的移动网络,可有效帮助解决无线海量信息传输瓶颈.于是,陈智勇紧抓源（内容集聚）—网（异构多集）—端（存储）的演进趋势,将计算和存储资源融入移动网络设计中,在理论、机制、算法三个层面上,解决了诸多关键问题.
他与上海交通大学刘辉教授合作,阐述了移动3C网络的定义,论述了3C三个元素的内涵；探索了运用计算与存储资源的无线融合网络机制,推导了存储约束下的网络容量,揭示了通信与存储的折中关系,优化了设计网络传输与终端存储机制.同时,陈智勇还挖掘蜂窝异构网络的通信—计算—存储多维资源,推导计算约束下的网络吞吐量,分析计算与存储对网络吞吐量的制约关系,提出计算约束下析取通信增益的内容存储最优策略.而面向视频点播业务,他则开展了基于终端存储下按需传输,和周期轮播传输的传输机制及存储分配联合优化设计,使其能最大程度降低无线带宽消耗.
网络编码改善者
无线环境中,大多数移动通信系统的性能都受限于干扰,并且通常这种干扰是被当作负面效应进行处理的.但是若能处理好这种干扰,甚至利用干扰进行数据传输,那么就有可能进一步提高无线传输速率,提升频谱利用率,以适应未来无线海量信息传输的要求.“物理层网络编码正是在这样的背景下应运而生,它的出现使得打破干扰壁垒成了可能,并提供了一条有效提高时频资源复用度和网络容量的新途径.”陈智勇说.
物理层网络编码的基本研究单元是双向中继通信（two-way relay）,但是目前,该领域仍然有很多实际问题亟需解决.“首先,两源节点与中继节点的传输过于简单化,忽视了传输的非对称性；其次,现有大多数研究仅仅考虑了低阶调制下的物理层网络编码.而为数不多的针对高阶调制下的研究,也仅停留在比特交织编码调制与物理层网络编码的结合；最后,非理想接收下物理层网络编码机制的设计也是很不足的.”
为了突破瓶颈,陈智勇开展了“非对称物理层网络编码机制设计与理论分析”项目研究,他围绕双向中继通信,从中继节点部分译码、边信息以及非理想接收三个切入点,重点研究和分析与之相对应的基于分量码协同、用户比特协同、跨层协同的非对称物理层网络编码机制.该项目将于2016年年底结题,但是目前,耕耘已经有所收获了.
在研究过程中,他率先运用信息论分析基于网络编码的输入信道信号的最优分布,发现了最大化信道可达速率；设计了一种基于星座成型技术的物理层网络编码机制,实现了在实际系统约束下逼近发送信号的最优分布；提出了多级物理层网络编码机制,从多角度揭示了制约多级物理层网络编码性能的规律,并且阐明了最优设计准则,分析了其与基于比特交织编码调制的物理层网络编码的优劣.而且,他还设计了改变收发机架构的基于用户比特协同的物理层网络编码机制,同时获取了调制增益与编码增益.
这些成果只是路途中的“风景”,陈智勇最终的目标是在充分结合双向中继通信特征的基础上,探索非对称传输下编码调制、无速率码与物理层网络编码的有机融合,提高频谱利用率和传输的可靠性,对此,他很有信心,“我相信,我们能得到理想的结果”,他说.
突破“连接导向”之锁
目前,单纯依靠基建投入的移动网络扩容模式,已明显无法支撑移动互联网的长期可持续发展,现在亟需突破性的创新模式.“移动通信网络仍然承袭着传统‘连接导向’的通信架构,其中信息处理（计算）与比特传输（通信）的功能是相对隔离的,这就是一个突破口！”陈智勇说.
在有了新思路后,陈智勇便于2016年申请了“移动3C网络容量极限与缓存机制研究”项目,他秉承着网络通信与计算的智能协同突破传统“连接导向”的设计理念,综合运用信息中心网络、网络分集适配、广播交互融合等各领域的前沿理论,试图通过挖掘移动网络及节点中丰富的通信、计算、存储等综合资源,揭示了移动3C网络从本质上提升信息传播效率的机理与规律,在这个研究项目中,陈智勇立下了两大目标.
“我将建立移动3C网络的抽象数学模型,推导与分析内容传播容量的理论极限及可达性,阐明移动计算通信三个基本要素‘计算+存储+通信’之间的相互耦合、制约、和置换关系,揭示获取网络容量增益的途径与方向.”另一方面,陈智勇还打算探索移动3C网络中的高效缓存分发机制,在移动3C网络容量分析的理论指导下,进一步研究逼近容量极限的高效缓存分发机制,获取内容传播容量极限的具体有效途径.
产研结合才能满足时代需要,这一直是陈智勇心底的“信条”,为了推动科技成果的转化,实际难题,他作为骨干力量积极参与了中国下一代数字广播通信原型机的研发工作,最后获得的核心技术被选入《GY/T 268.1-2013调频频段数字音频广播 第1部分：数字广播信道帧结构、信道编码和调制》标准.他的贡献不止如此,陈智勇还曾在移动3C网络方面与华为、三星和中国电信展开过深入的合作,联合申请了多项发明专利.
而作为一名教师,在教学方面,陈智勇有自己的见解,他认为培养好一名研究生,需要一个从全到专,再到精的过程.“在这个过程中,我会根据学生的兴趣爱好,结合课题的方向,给学生量身打造合适的研究方向,培养和锻炼他们全方面的能力.”目前,已经指导了学生18人次,均取得了较好的指导效果,其中,1名硕士毕业生获得上海交通大学优秀研究生毕业生称号,3名博士研究生获得国家奖学金以及唐立新奖学金.
编织论文参考资料：
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