黄崇文:提出智能赋能6G无线通信技术,打破现有无线通信技术限制
2022 年 1 月 22 日，由 DeepTech 携手络绎科学举办的“MEET35：创新者说”论坛暨“35 岁以下科技创新 35 人”2021 年中国线上发布仪式成功举 行。来自科学界和产业界的人士在云端共同见证了新一届中国青年科技领军人物登场。
DeepTech 同“创新 35 人”2021 中国入选者浙江大学百人计划研究员黄崇文，在新一代 6G 无线通信关键技术、6G 无线 AI、智能超大规模 MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技术等方面进行了深入交流。
作为“远见者”入选的黄崇文，针对传统大规模 MIMO 技术面临着高昂的部署成本、巨大的功耗、严重的网络干扰以及内在的传输链路不可控等问题，将智能超表面的概念引入无线通信领域，建立了其信道和功率等模型，并提出了多项创新性的成果，包括系统能效分析、信道估计和波束赋形等方法，成功入选“创新 35 人”。
获奖时年龄：35 岁
获奖时职位：浙江大学百人计划研究员
获奖理由：他从电磁波在空间传输的机理出发，融合人工电磁超材料、人工智能和现代先进通信技术，提出智能超表面赋能 6G 无线通信技术，不仅实现了从传统的“适应信道”到“改变利用信道”的新无线通信范式的转变，而且打破了现有无线通信技术的能效的基本限制。
该项技术一经提出，便引起国际工业界和学术界的关注，引发了数十个国际通信旗舰会议以及专题研讨会的举办。目前，已被包括中国在内的多个国家或者国际组织纳入 6G 发展的关键技术之一。
引入新型天线技术，有望解决现有无线通信技术痛点
当前，移动通信的无线环境往往是不可控的，信号衰减会限制无线信号的传播，多径传播将导致衰落现象，大型物体的反射和折射更是成为无法控制的干扰源，这些都对通信效率和服务质量带来了负面影响。为提升低频通信频谱效率及总吞吐量而采用的大带宽大规模 MIMO，又将带来巨大的能量消耗及成本增加。
而且，引入 5G 核心技术大规模 MIMO 后，移动网络和无线信道的空间维度会不断扩展，而无线频谱资源和电路硬件资源将受到严格的物理限制，特别是在高频段工作区间，功放和数模/模数量化器等射频器件的电路功耗、成本和制造难度随带宽和频率呈指数增加，这导致系统实现大容量、低成本、低延时、高可靠以及无处不在的绿色智能无线通信要面临前所未有的挑战。
针对上述挑战，黄崇文以人为控制和改变电磁波传播方向为出发点，结合人工电磁超材料、人工智能和现代先进通信技术，将一种名为“智能超表面”（Reconfigurable Intelligent Surface，简称 RIS）的新型天线技术引入到无线通信领域，有望解决现有无线通信技术的几个痛点问题，例如通信功耗巨大、无线通信覆盖范围低和无线通信环境不智能等。
具体而言，智能超表面技术是一种具有可编程电磁特性的人工电磁表面结构。通过对其人工电磁元件的属性结构的实时调控，能够实现对空间电磁波的幅度、相位、极化和频率的智能化操纵，并有望突破大规模 MIMO（multiple input multiple output，多进多出）等现有技术的软硬件限制以及无线通信信道不可控的固有特性。
据悉，将智能超表面用于无线资源、环境、干扰、用户及业务等多维资源的智能挖掘和利用，可显著提升信号质量、传输性能和通信可靠性，弥补网络覆盖盲区，降低通信网络能耗，解决网络同频干扰。此外，由于智能超表面具有可编程、低成本、低功耗和易于部署等实现特性，其在 5.5G 和 6G 网络中都具备巨大的应用潜力。
被写入多家企业的 6G 白皮书，将全面覆盖无线通信领域
目前，这项智能超表面技术已经被包括三星、华为、日本 NTT DOCOMO 以及中国移动等数十家企业写入 6G 的白皮书，已经成为未来无线通信的关键使能技术之一，有望在未来几年快速部署在 5.5G 和 6G 网络中。
黄崇文称，他们将该技术引入到无线通信领域，将对未来的无线通信产生巨大影响。关于应用前景，智能超表面基本可以覆盖到无线通信领域的方方面面。具体而言，该项技术可在以下几个方面实现重要的应用：
第一，6G 无线通信信号的覆盖和补盲。传统的蜂窝部署可能存在覆盖空洞区域，例如建筑物的遮挡等，有效的通信链路被阻挡，用户不能获得较好的服务。RIS 可部署在基站和覆盖盲区之间，通过有效的反射使传输信号到达覆盖空洞中的用户，保证空洞或者信号盲区域的用户的覆盖。此外，在边缘小区，复杂室内通信等场景，RIS 技术都能提升无线信号的覆盖范围。
第二，室内高精度定位。传统的室内无线定位功能比较有限，且定位精度不高，使用 RIS 可以实现室内的高精度的定位，且有潜力实现 6G 的感知和通信一体化的目标。
第三，6G 无线安全通信。通信的安全问题是一个非常重要的课题，随着物联网的出现以及大量的终端接入网络，通信安全问题越来越棘手，通过 RIS 技术，智能控制电磁波信号的传播方向，用于抵消来自窃听用户处所接收到的基站与窃听者之间的直达链路信号，从而有效地减少信息泄漏。
第四，无线传能和充电。因为 RIS 天然具有电磁波控制能力，该项技术可以被用来收集无线电磁波信号的能量，提供无线传能功能以及给手机等设备无线隔空充电。
黄崇文表示，基于其目前所做的工作，他们还研究 AI 赋能的智能无线通信技术、RIS 赋能太赫兹/毫米波无线通信以及全息无线通信。下一步，他将持续推进智能超表面赋能无线通信、全息无线通信平台搭建以及相关技术的产业化，并努力成为新一代无线通信标准技术的提出者，将智能、低碳的绿色无线通信成为现实。
图 | 黄崇文（来源：黄崇文）
认真科研的过程中，不乏浪漫情怀
据了解，黄崇文此前是在新加坡设计科技大学读博。博士二年级时，他申请到了法国居里-新加坡鱼尾狮奖学金，随后去往法国中央理工大学做博士交换，当时他的导师是华为法国数学与算法研究所（以下简称“法研所”）的主管，所以其大部分的博士交换时光是在华为法研所度过的，这项智能超表面技术也是他在此期间完成的。
他回忆道，站在华为法研所的高楼里，喝着免费的咖啡，在傍晚的落日余晖下眺望塞纳河畔以及远处的微软、谷歌等办公大楼，是一件极其浪漫的事情。
此外，黄崇文谈到，在到法国的第一周，他就和导师讨论了未来的研究方向，希望能够提出一种新的具有 AI 的天线技术，来取代现有的大规模 MIMO 技术。当时，5G 的研究已经进入了收尾阶段，而 AI 在无线通信的领域影响渐渐火起来。经过为期一个月的调研，他们发现，可以基于信息超材料技术来实现其研究想法。
确立研究方向后，他查阅了很多材料领域的文章，弄清楚了智能超表面技术的实现原理、功能、特性以及制造成本等。接下来，他融合超材料的特点，推导并确定了现有的 RIS 无线通信的信道模型和功率模型等，最终其建立起来的智能超表面信道模型也一直沿用至今。
对于此次入围“创新 35 人”，其表示，“能够入围“创新 35 人”是我的荣幸，当然这也代表一种责任，更是我前进的动力，希望未来我能够做出更大贡献，提出更有创新性的技术，变革未来的无线通信领域，也希望 TR35 越办越好，能够挖掘更多有潜力的年轻人，帮助他们实现梦想。”
