破解“移动性诅咒”，让5G信号更快更强
文/图 湖北日报全媒记者 曾雅青
你是否曾因手机没信号而着急过？
在行驶的地铁上，或是在狭长的隧道里，当急需使用手机却一直处于“加载中”时，发不出去的消息、停止更新的导航，常常让人“抓狂”。
5G时代，如何满足用户对信号覆盖面广和传输速度快的“刚需”，是电信行业钻研求解的重难点问题。
华中科技大学电子信息与通信学院教授尹海帆多年攻关，带领研究团队成功攻克5G性能在中高速移动环境下大幅下降等世界性难题，让用户的5G信号变得更快、更强。
“以国家战略需求为目标，我将坚持向未知领域探索，以解决技术难题为使命，以通信技术赋能国家发展。”4月29日，刚荣获中国青年五四奖章的尹海帆对湖北日报全媒记者说。
放弃企业高薪回校任教
回顾自己的科研路，尹海帆认为，一切始于兴趣。
读本科时，他在一次比赛中参加了一个“导盲机器人”项目，设计出帮助视障人士出行的智能设备。
这个项目不仅让他第一次站上了国家级领奖台，更让他真切体会到通过技术创新解决实际问题的成就感，对未来投身无线通信领域有了更明确的思考。
2008年，3G网络刚开始全面商用，尹海帆就听说电信学院有团队在研究4G。他对这一超前的研究领域非常感兴趣，也想参与其中。
就这样，尹海帆拜入导师刘应状门下。
“不论是对科研的热情，对创新的追求，还是科技报国的情怀，刘老师都对我的影响很深。”他说。
硕士即将毕业时，尹海帆计划出国读博，刘应状便特意邀请一位法国教授到学校来讲座。
在老师的介绍下，尹海帆与这位法国教授有了交集，双方的研究领域也颇为契合，后来就申请攻读他的博士，顺利完成学业。
获得博士学位后，尹海帆先在通信企业工作了3年，主要从事5G核心技术研发等工作。但他心中还是时常回忆起校园，念着自己想做一名教师的梦想。
“几番犹豫，又是刘老师给了我信心。”尹海帆说，得知自己对自由多样的学术氛围更为向往，刘应状鼓励他随心而行，并悉心指导他准备申请材料，成功获批国家级人才项目。
2019年，尹海帆辞去高薪工作，回到母校任教。
走在熟悉的校园里，看着身边一张张青春的脸庞，尹海帆对自己说，要像老师一样，立德树人、潜心科研。
破解5G“移动性诅咒”
数据显示，截至今年2月底，我国共发展移动电话用户17.46亿户，其中5G用户达8.51亿户，占比近一半，超过4G用户数近1亿。
显而易见的是，5G正成为越来越多用户的选择，5G在各行各业中的应用也不断增多。然而，在研究者眼中，5G技术仍存在缺陷。
尹海帆介绍，当用户低速移动或处于静止环境中时，5G性能可以相对于4G提升一个数量级。但当用户处于中高速移动环境下，5G网络的性能就会下降50%甚至80%，给用户带来不便。
“这个问题被称为‘移动性诅咒’，是阻碍5G高速数据传输的巨大痛点。”尹海帆说，在企业工作时就曾接触过这一课题，但当时没能攻克。回校后，他决心再次对这个世界性难题发起挑战。
他发现，这个问题主要源于无线信道信息在移动环境中不仅更难以获取，还会很快“过时”。
为此，团队利用无线信道的角度、时延、多普勒结构特征，提出一项高精度且低复杂度的信道预测技术，可以通过非常少量的历史信道采样来推测未来信道的变化，从而避免信道信息随用户移动而快速过时的问题。
论证表明，这项技术可以使手机在60千米每小时的中高速移动环境下，传输速率也能近似完全静止的状态。
这项研究成果一经发表，立刻引起工业界广泛关注，入选“2020年度华中科技大学重大学术进展”，代表了华中科技大学相关领域研究的最高水平。
与学生共成长
多年科研攻关，尹海帆始终记得第一次比赛时感受到的初心——用技术解决社会问题。
在一次与电信运营商的交流中，对方提出，5G信号覆盖面越来越广，但地下停车场、隧道等地方仍存在大量信号盲区。
“5G所采用的电磁波频率很高，因此信号穿透损耗比4G严重得多。”尹海帆介绍，如果要实现更多场所信号覆盖，传统办法就是多建基站，但这样导致通信网络成本和能耗的剧增。此外，密集部署的基站之间还会相互干扰，大大限制通信速率。
运营商的苦恼让他对新的研究有了思路。
尹海帆把学生召集到一起，鼓励他们就这一问题展开研究，以赛促学，激发创新活力。
在尹海帆的带领下，同学们积极投入“全息智联——基于全息波束赋形的5G信号智能增强系统”项目研究中，研发出国内首个全息波束赋形阵列实物。
以此为基础，大家搭建了基于全息波束赋形的5G信号智能增强系统，可有效增加5G信号覆盖性能、降低能耗、抑制干扰，极大提升5G信号传输速率和可靠性。与国外竞品相比，信号增益性能提升20倍，功耗降低80%。经过了两年的努力，原型系统研发成功后，恰逢第十八届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛即将开赛。尹海帆指导的学生团队积极报名参赛，项目获得“挑战杯”竞赛主体赛全国特等奖，该系统也在全国5个省份开展试点应用，在停车场、隧道、工厂、居民楼等封闭场所均效果良好。
大四学生张宇豪是团队成员之一。“几百个日夜，我们和老师一起调研、讨论、试错，仿真实验就做了6000多次。”张宇豪说，宝贵的科研经历，让他在理论和实践领域都获益匪浅，目前已获得本校直博资格。
看着得意门生，尹海帆眼中含笑。他相信，从老师、到自己、再到学生，一代代传承下去的，不仅是学术，更是科研精神。