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【人物】李赞教授:从事可靠通信研究的年轻女学者

时间:2016-01-12 15:49来源:通信工程学院作者:zjb 点击:

刚刚获得第十二届“中国青年女科学家奖”的西安电子科技大学通信工程学院李赞教授,其颁奖词是研制出了我国独立自主的新一代流星余迹通信系统。实际上,流星余迹通信只是高安全、高可靠通信方式之一。说得更确切一些,它就是利用流星划过天际时产生的柱状电离气体,作为通信信道进行信息传输。流星这种信道的建立,是一种自然现象,在这个方向上更为广阔的研究领域,就是不靠天而是靠人,在复杂恶劣的通信信道下实现高性能的信息传输,即高安全、高可靠通信。

多年来,让李赞教授真正为之醉心和痴迷的,一直是高安全、高可靠通信基础理论、关键技术研究和系统研制。2001年,硕士毕业的李赞留校任教,作为一名青年教师,刚刚毕业的她面临团队力量、经费支持均不足的艰苦困境,在学校、ISN国家重点实验室及通信工程学院的大力支持下,她一切从零开始。

如今,李赞带领着自己一手组建的研究团队,一步一个脚印,从一点一滴做起,攻坚克难、干事创业,针对国家实际应用需求,解决了高安全、高可靠通信中的一个又一个难题。除了流星余迹通信之外,跳频通信也是一种非常重要的可靠通信手段,李赞带领其团队在该领域实现了从理论创新、技术开发、芯片设计、系统研制一直到实际应用的完整转化。

致力跳频通信深入研究

打开百度百科,键入“通信”,这个词的浏览次数是29.9万次;而键入“跳频通信”,这个词的浏览次数却只有2.3万次。“跳频通信”是通信中一个很特殊、但却非常重要的研究方向和领域,它是一种最常用的扩展频谱无线通信方式。

在实际的高动态、复杂信道环境下,不但要求合理充分地利用频谱资源,更要求通信保障系统的高安全高可靠性。李赞解释说,在20世纪40年代,通过跳频技术能够实现抗干扰的可靠传输,也就是跳频通信被正式提出。

目前,跳频通信已广泛应用于卫星通信、蓝牙设备以及短波、超短波通信等多种领域和场合。李赞说,跳频通信通过频率跳变,带来了很多良好的性能。“它的抗干扰、抗衰落能力强,可实现高安全、高可靠传输,多用户时还易于多址组网。”

跳频通信,就是指收发双方传输信号的频率,按照预定规律在一定的频段范围内进行随机变化。也就是说,跳频通信所使用的频率,会在看似随机变化的一组序列的控制下而随机跳变,以实现重要信息的高安全、高可靠传输。

如果用更专业的术语来解释,可以这样来描述:

在发信机中,使用一定频率的载波对输入的信码进行调制,得到带宽一定的调制信号;独立产生的跳频序列控制频率合成器,在不同的时隙内输出频率跳变的本振信号;再用本振信号对调制信号进行变频,使变频后的射频信号频率在跳频序列的控制下伪随机地跳变,以达到抗干扰的目的。

类似地,在收信机中,跳频序列控制频率合成器,使输出的本振信号频率随发方频率相应的跳变;跳变的本振信号,对接收到的跳频信号进行变频,将频率搬回到原有频率实现解跳;解跳后的调制信号在本地载波作用下,经解调后恢复出信码,从而实现信息的可靠传输。

在实际复杂信道环境下,跳频通信如何有效抗干扰?李赞举例说,因为信号传输频率是跳变的,固定式频率干扰自然起不了作用;即便对方干扰了一个或几个频段,只要跳变的频隙数目足够多、跳变范围足够宽、跳变速率足够高,也能够有效的抵御干扰。与此同时,跳频通信信号载波频率在跳频序列控制下随机跳变,难以截获、预测和干扰传输信息,因而还具有好的安全性。由此也可以看出,作为跳频通信的三大关键技术之一,跳频序列是决定跳频通信系统安全可靠的关键。

从1998年跟随导师金力军教授攻读硕士开始,李赞就在导师的点拨引领和悉心指导下,迈入了跳频通信的研究领域。她以研究跳频序列为起点,逐步开展了对于该领域的深入研究。

实现跳频抗干扰新突破

在掌握跳频通信基础理论和工作原理的基础上,李赞发现国内外系统所普遍采用的跳频序列设计大都基于有限域理论。针对日益复杂的无线电磁环境导致跳频通信性能逐步下降的现状,是否存在更优秀的跳频序列使得系统传输性能有效提升呢?

带着对这个问题的深入思考,李赞带领团队开展了一系列创新性研究,在跳频通信领域成果初现,相关技术和成果走在了同行前列,实现了三个方面的理论和技术突破。

李赞及其团队的第一个重要突破,就是首次将密码学的加密机制,引入到了跳频序列族的设计之中,提出了密码学加密和跳频序列设计的等价性原理,创建了基于加密思想的智能跳频序列族。“我们提出的基于加密原理的序列族产生方法,生成的序列具有优异的综合性能指标。”

李赞介绍说,目前国内外所能查阅到的跳频序列一般最多可以满足均匀性、随机性、周期性、线性复杂性等少数几项性能,而且还经常“顾此失彼”,即一旦某一项性能指标受到破坏,其他的几项性能也会被影响。同时,按照已有理论生成的跳频序列部分性能存在一定局限,比如周期性,也就是说在高速跳频通信时其周期性规律难以抵御跟踪式干扰;或者在多用户接入和组网时,由于序列碰撞会影响网络传输能力等。

李赞团队提出的算法,成功地将序列性能指标拓展到13项,包括多址接入特性、游程特性、敏感性、相关性、组网特性等新性能。“最为重要的是,还顺利破解了各指标之间无法兼顾的难题,实现了13项性能指标全部同时优异。”李赞特别强调,“我们所提出的序列完全没有周期,且对于该体制的破解,理论上只能采用穷尽攻击法。”

基于高性能序列族理论的提出,针对新一代可靠通信系统需要适应无线信道高动态变化的迫切需求,李赞及其团队在跳频通信技术上的第二个重要突破,就是设计出系统参数随信道特性实时变化的跳频体制。

在研究中他们进一步发现,跳频通信系统除了需要保证抗干扰性、抗截获等综合性能指标达到最优之外,同时还要求系统参数,比如跳频频隙数、跳频间隔、跳频用户数、跳频频率集等,能够随着实际环境中的干扰、用户等动态变化,实现高的通信可靠性和频谱利用率。而现有的序列难以按照实际需求动态变化,因此系统参数的不可变也是亟需解决的重要问题。

针对这一问题,李赞团队进一步提出了系统参数实时可变的自适应跳频序列。也就是说,在下一次频跳之前,系统可以依据探明的“干净”频谱区域,或者无线电磁环境中干扰带宽变化态势等实际信道特性,通过实时指令输入直接改变跳频间隔等相应系统参数,瞬时再生成一个新的序列。这一过程无需中断任何通信进程或重新初始化任意硬件参数,且确保跳频系统原有的13项性能指标优异性不受影响。这一研究成果,为进一步实现一体化智能通信系统提供了可能。

基于上述两个理论突破,李赞团队又在此基础上首次构建了基于序列的跳频同步组网和异步组网模型,并得出了跳频组网性能的结论定理和理论极限,为实际的跳频组网系统设计提供了理论支撑。2015年9月,在欧洲智能信息安全会议(IEEE EISIC 2015)上,基于该成果李赞教授应邀做了大会报告,相关论文也在国际会议上获得了BEST Paper Runner Up Award等奖项。

如果说前两个突破只停留在理论上,获得的成绩顶多就是发表了一篇篇高水平的论文,但李赞及其团队的第三个重要突破,就是把这些理论运用到了工程实践中,设计开发出了看得见、摸得着、用得上的基于FPGA的跳频芯片。

据介绍,他们所开发的芯片具有资源占用少、运算速度快、接口灵活等显著特点。在典型的96兆赫兹时钟下,芯片可支持每秒超过1400000跳的超高速跳频通信。如今,这一芯片已用在了我国具体卫星、远洋舰船等多种产品和设备中,有效提高了通信系统的传输性能,取得了显著的社会效益。

推动探测、感知和通信相结合

现代通信技术的发展,是道高一尺魔高一丈的螺旋上升进程,随着无线互联网、下一代移动通信等无线通信方式和设备的迅速增加,无线通信环境的日益错综复杂,高安全、高可靠通信面临着更加严峻的挑战。

在上述跳频通信研究基础上,李赞针对目前无线通信信道更加复杂、现有通信系统对无线环境态势感知能力急待加强的现状,又将研究方向扩展到了智能化宽带电磁频谱监测领域,旨在将探测、感知和通信相结合,为实现一体化智能通信打下基础。

“我们的工作是从对于认知无线电技术的思考开始的。”李赞说,认知无线电的概念1999年被提出,这一技术是依据无线环境的感知信息,通过认知引擎进行系统决策,实时改变传输功率、载波频率、调制技术等系统参数以适应信道特性,从而最大限度地充分利用无线环境和信道资源以实现高性能通信。

李赞介绍说,这一技术可以这样形象化理解,传统的无线通信其实是“瞎子”通信,收、发双方并不知道实际信道质量如何、是否适合信息传输。因此,掌握和监测实际信道特性对于可靠通信至关重要。

据了解,在频谱监测领域,李赞团队利用认知的思想,已经研制出网络化宽带电磁频谱监测设备,并在陕西省长安区、江西鄱阳湖、重庆北碚区等构建了3个典型地域的示范验证网。经国家无线电监测中心测试,相关技术指标处于国内领先水平。

“我们当前和下一步的工作,就是希望把基于智能化宽带的电磁频谱监测,与我们的跳频通信等技术优势相结合,不断提升通信传输的可靠性。打个比方,如果说频谱监测是‘眼睛’,我们就是要让可靠通信系统用上这个‘眼睛’,让它‘看得见’‘分辨得出’能用的信道在哪儿。”

从踏着前辈老师金力军、刘增基、李建东等教授的足迹致力于流星余迹通信研究,研制出我国新一代流星余迹应急通信系统,到下决心去啃“跳频通信”这块硬骨头,再到将研究方向扩展到智能化宽带电磁频谱监测领域……李赞,这个研究高安全、高可靠通信的年轻女学者,正带领她的团队向更高、更远的目标迈进。正如她本人在颁奖会上的寄语:一分耕耘,一分收获。执着前行,做更好的自己。

人物简介:

李赞,女,1975年生于陕西西安,西安电子科技大学教授、博士生导师、教育部长江学者特聘教授、综合业务网理论与关键技术(ISN)国家重点实验室“通信信号处理”研究中心主任。第十二届中国青年女科学家奖、第十三届中国青年科技奖获得者,被授予全国“五一巾帼标兵”等称号、入选教育部新世纪优秀人才计划,获霍英东教育基金会青年教师基金资助。IEEE Senior Member、第十二届中华青年联合会委员、中国电子学会高级会员、陕西省电子学会理事。担任国际期刊副主编、编委等,并在多个国际会议上担任重要职务。以第一完成人主持国家科技重大专项、国家863计划、国家自然科学基金等课题,创新性成果以第一完成人获教育部科学技术进步二等奖、陕西省科学技术二等奖等。以第一作者出版专业学术著作3部,申请国家/国防专利47项、获得专利授权34项,在IEEE Trans. on Communications等国外期刊及会议上发表SCI、EI检索论文100余篇,其中第一作者和通信作者论文50余篇。



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