孫舒 | 科研聚焦毫米波 潛心攻關(guān)謀創(chuàng)新

信息化是當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的大趨勢(shì)。隨著5G時(shí)代的來(lái)臨，現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為支撐經(jīng)濟(jì)繁榮和國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力的基礎(chǔ)。

近些年來(lái)，隨著視頻直播、虛擬現(xiàn)實(shí)游戲和全息圖像等高帶寬信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，同時(shí)一些特殊應(yīng)用場(chǎng)景，例如高鐵、國(guó)防在高速率傳輸方面的需求加大，為全球移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)?！皞鹘y(tǒng)的前四代無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信，甚至是在國(guó)內(nèi)的第五代，目前主要使用7GHz以下頻段，它們頻譜資源有限，因此傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率也較低。為了滿(mǎn)足無(wú)處不在的數(shù)據(jù)連接要求及各種無(wú)線(xiàn)通信應(yīng)用場(chǎng)景需求，我們需要更多的頻譜，于是就考慮到毫米波?！鄙虾＝煌ù髮W(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院電子工程系副教授孫舒說(shuō)。從國(guó)外求學(xué)探索到回國(guó)開(kāi)展科學(xué)研究，她所攻關(guān)的重點(diǎn)便是毫米波無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域。現(xiàn)如今，根據(jù)我國(guó)現(xiàn)狀，她還在針對(duì)信道建模、信道仿真和波束賦形三大核心問(wèn)題開(kāi)展系統(tǒng)研究，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)“科技強(qiáng)國(guó)”、提升“民生福祉”的偉大目標(biāo)，貢獻(xiàn)自己力所能及的科研力量。

▲孫舒（中）獲2017年馬可尼學(xué)會(huì)青年學(xué)者獎(jiǎng)

追夢(mèng)——始于興趣的科研旅程

在科研的道路上，孫舒前行的動(dòng)力源自對(duì)科學(xué)的熱愛(ài)和對(duì)未知的好奇。小時(shí)候仰望蒼穹，她會(huì)好奇星星和月亮發(fā)光的原因，對(duì)于物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、物質(zhì)的內(nèi)在原理也有著極大的探索欲望。在興趣的驅(qū)使下，從小孫舒就在物理學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出極高的天賦，并在高考時(shí)以?xún)?yōu)異的成績(jī)考入上海交通大學(xué)應(yīng)用物理專(zhuān)業(yè)。

本科階段，孫舒在物理學(xué)領(lǐng)域打下了堅(jiān)實(shí)的科研基礎(chǔ)，并決心今后在相關(guān)領(lǐng)域繼續(xù)深耕。大學(xué)畢業(yè)后，身邊的很多人都選擇了出國(guó)深造，而從中學(xué)開(kāi)始，孫舒就有一顆探索世界的心。“出國(guó)深造，一方面是滿(mǎn)足自己好奇心，另一方面也是想體驗(yàn)一下國(guó)外不同的教育體制及思維方式，對(duì)自己的學(xué)術(shù)研究很有幫助?！睂O舒說(shuō)。就這樣，她于2012年9月來(lái)到美國(guó)紐約大學(xué)，攻讀電子工程專(zhuān)業(yè)的博士學(xué)位。

孫舒的博士生導(dǎo)師美國(guó)工程院院士T.S.拉帕波特（Theodore S. Rappaport）教授，在無(wú)線(xiàn)電波傳播領(lǐng)域具有豐富的科研經(jīng)驗(yàn)。孫舒在美國(guó)攻讀博士時(shí)期，5G研究在世界上剛好興起。當(dāng)時(shí)，她的導(dǎo)師敏銳地洞察到：毫米波應(yīng)該是未來(lái)比較重要的頻段。在這一背景下，她在導(dǎo)師的引領(lǐng)下開(kāi)始了毫米波實(shí)驗(yàn)測(cè)量研究。

紐約作為國(guó)際大都市，高樓林立，人群、車(chē)輛都十分密集，十分不利于信號(hào)的傳播。而這種環(huán)境恰好為研究毫米波對(duì)于無(wú)線(xiàn)通信的可行性提供了天然的試驗(yàn)場(chǎng)。為了更好地深入這一領(lǐng)域開(kāi)展研究工作，孫舒在導(dǎo)師的引領(lǐng)下開(kāi)展了大量的實(shí)驗(yàn)工作，并基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立信道模型，進(jìn)而基于信道模型開(kāi)展進(jìn)一步分析，為波束的設(shè)計(jì)及基站的部署提供研究支撐。在導(dǎo)師的嚴(yán)格要求下，孫舒及其科研團(tuán)隊(duì)度過(guò)了一段難忘的科研攻關(guān)時(shí)光，雖然很苦，但她始終認(rèn)為這一切都是科學(xué)研究的必經(jīng)路徑。也正是通過(guò)這段工作經(jīng)歷，讓她在毫米波無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域研究中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

突破——面向5G和6G建立路損模型

在美國(guó)的學(xué)習(xí)研究經(jīng)歷，是孫舒人生中極為難忘的科研探索之旅。其間她參與了3項(xiàng)關(guān)于毫米波無(wú)線(xiàn)通信的美國(guó)科學(xué)基金項(xiàng)目子課題，并跟隨導(dǎo)師深入美國(guó)紐約不同區(qū)域及弗吉尼亞州的“大農(nóng)村”，開(kāi)展不同場(chǎng)景下毫米波的傳播性質(zhì)研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)收集的相關(guān)數(shù)據(jù)，他們對(duì)比了不同頻段、不同場(chǎng)景下的毫米波傳播特性，并建立了相關(guān)模型。在模型的基礎(chǔ)上研究了不同的波束賦形算法等，并將這些模型和算法貢獻(xiàn)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織提案中。特別是在面向5G和6G的路損模型建立中，取得了一系列創(chuàng)新性科研成果。

長(zhǎng)期以來(lái)，路損模型都是無(wú)線(xiàn)信道模型中最基本的一項(xiàng)內(nèi)容。在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）最初提出的面向0.5～100GHz的信道模型中，采用了三參數(shù)浮點(diǎn)攔截（ABG）路損模型，但其本質(zhì)只是數(shù)學(xué)上的曲線(xiàn)擬合而缺乏可靠的物理意義，參數(shù)多因而計(jì)算復(fù)雜度高，且模型應(yīng)用于參數(shù)擬合以外的頻段或場(chǎng)景時(shí)對(duì)路損的預(yù)測(cè)誤差大、參數(shù)穩(wěn)定性差。

為了攻克這一問(wèn)題，孫舒團(tuán)隊(duì)在解決多種不同傳播場(chǎng)景準(zhǔn)確描述和預(yù)測(cè)毫米波傳輸損耗這一根本問(wèn)題中，開(kāi)展了一系列創(chuàng)新性探索。作為項(xiàng)目的主要參與者之一，孫舒進(jìn)行了世界上首個(gè)大規(guī)模毫米波信道測(cè)量實(shí)驗(yàn)來(lái)收集包括路損在內(nèi)的數(shù)據(jù)，并作為唯一數(shù)據(jù)處理人整合和處理了來(lái)自多所大學(xué)和公司的30組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。在此之后，她利用機(jī)器學(xué)習(xí)的思想分別根據(jù)距離、頻率和傳播環(huán)境將數(shù)據(jù)劃分為訓(xùn)練數(shù)組和測(cè)試數(shù)組，在多場(chǎng)景中用3種路損模型進(jìn)行仿真。功夫不負(fù)有心人，最終，孫舒及其科研團(tuán)隊(duì)成功提出適用于毫米波的、基于近距離自由空間參考點(diǎn)（CI）路損模型和帶有頻率加權(quán)路損指數(shù)的CI模型（CIF）。值得一提的是，他們所提出的CI和CIF路損模型與3GPP原有路損模型相比，具有更高的參數(shù)穩(wěn)定性、預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，以及對(duì)不同距離、頻率和環(huán)境的普適性，且具有更少的參數(shù)，為進(jìn)行準(zhǔn)確而可靠的5G系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)依據(jù)。

為了將相關(guān)系統(tǒng)推向應(yīng)用，孫舒在2015—2016年多次參加國(guó)際5G信道模型預(yù)標(biāo)準(zhǔn)會(huì)議，其中兩次作為紐約大學(xué)唯一代表與會(huì)。在會(huì)議中，她與領(lǐng)域成員針對(duì)相關(guān)問(wèn)題展開(kāi)了激烈探討，最終CI模型的創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)得到了相關(guān)領(lǐng)域科研人員的廣泛認(rèn)可，并使其成功列入3GPP標(biāo)準(zhǔn)中，為國(guó)際學(xué)術(shù)界、工業(yè)界研究和利用毫米波路損提供了準(zhǔn)確、公認(rèn)的理論依據(jù)。

在相關(guān)科研成果的基礎(chǔ)上，孫舒在國(guó)際知名會(huì)議和期刊發(fā)表多篇CI模型相關(guān)高水平論文并被引用2000余次，其中一篇期刊論文還獲得了2017年尼爾謝菲爾德最佳傳播論文獎(jiǎng)。

回國(guó)——扎根本土的科研開(kāi)拓

游子思?xì)w，科研報(bào)國(guó)。“當(dāng)時(shí)出國(guó)深造時(shí)，我就已堅(jiān)定信心，在學(xué)有所成之后為祖國(guó)的科研事業(yè)貢獻(xiàn)力量。”孫舒說(shuō)。在家國(guó)情懷的感召下，2021年11月，孫舒回到了自己的母校上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院電子工程系，自此開(kāi)始了全新的科研創(chuàng)新旅程。

回國(guó)后，結(jié)合自己之前的科研基礎(chǔ)，孫舒開(kāi)始立足我國(guó)在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀及其未來(lái)與相關(guān)技術(shù)結(jié)合的發(fā)展前景，開(kāi)拓新的科研方向。孫舒介紹，智能超表面是未來(lái)6G無(wú)線(xiàn)通信具有競(jìng)爭(zhēng)力的備選技術(shù)之一，它可以通過(guò)靈巧地改變電磁波的空間傳播環(huán)境，大幅提升無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率并提高頻譜利用率，從而展現(xiàn)出革新無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的潛力?！皞鹘y(tǒng)我們?cè)谘芯繜o(wú)線(xiàn)通信時(shí)都是研究怎樣提高接收端、發(fā)送端的效率，但是對(duì)環(huán)境是不能控制的。如果加入了智能超表面，我們就可以使用智能超表面的異常反射/折射特性，將信號(hào)智能地反射/折射到需要的地方?！睂O舒說(shuō)。這項(xiàng)技術(shù)相當(dāng)于空間域的拓展，而將其與毫米波頻譜域的相關(guān)技術(shù)相結(jié)合，是否會(huì)使其信道傳播性質(zhì)變得不同呢？針對(duì)這一問(wèn)題，孫舒結(jié)合自己本科及博士期間的研究基礎(chǔ)，正在和研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展一系列科研探索。

對(duì)于科研的熱愛(ài)是科學(xué)家面對(duì)任何難題都永不言棄的動(dòng)力，也是科學(xué)家不斷攀登科學(xué)高峰的底氣?；貒?guó)一年多來(lái)，孫舒的一切工作都在有條不紊地進(jìn)行中。對(duì)于未來(lái)的研究目標(biāo)，她的內(nèi)心始終篤定?！拔磥?lái)我的研究目標(biāo)依舊在毫米波無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域，包括其在亞太赫茲甚至更高頻段的太赫茲方面的頻譜延伸；在應(yīng)用場(chǎng)景方面，我們也會(huì)結(jié)合通信感知一體化、空天地海一體化等大背景下相關(guān)場(chǎng)景，開(kāi)展更多深入探索?！睂O舒說(shuō)。在目標(biāo)的驅(qū)使下，她希望能將個(gè)人理想和國(guó)家需要結(jié)合在一起，腳踏實(shí)地進(jìn)行研究開(kāi)拓，為業(yè)界、為國(guó)家做出更多有價(jià)值的科研成果，為無(wú)線(xiàn)通信事業(yè)奉獻(xiàn)自己的青春與智慧。