章嘉懿 | “云中常有锦书来”

当前，新一代信息技术正在迅速蝶变，产业数字化、智能化、绿色化转型不断加速。在包罗万象的信息海洋中，每一条数据似乎都在找寻着自己的“归宿”。然而，在满布电磁波的宇宙里，信号的传播过程往往充满了挑战与不确定性，无线信号就如同孤独的旅者，极易受到衰落和噪声的影响，导致信息的损失或延迟。由此，多天线技术应运而生，并已经走向台前。

▲章嘉懿

多天线技术的诞生，源自对无线通信领域中一道古老难题的求解过程——如何在复杂多变的环境中，让信号既能抵御干扰，又能实现高效传输？想象一下，当多天线系统完整地部署于基站与终端设备时，便如同在空中织就了一张无形的信息网。这张网不仅能够捕捉信号的蛛丝马迹，还能通过智能算法等先进技术的加持，有效避免障碍物的阻挡，减少信号的衰减。而更进一步，多天线技术还可顺势开启空间复用的大门，允许多个独立的数据流在相同的频谱资源上同时传输。“打个比方来说，这就好像在繁忙的高速公路上开辟多条并行车道，从而容纳更为庞大的信息洪流，以满足人们对高速、高容量通信的迫切需求。”北京交通大学（简称“北交大”）电子信息工程学院教授章嘉懿一针见血，生动而形象地将自己十数年如一日的研究目标解析得入木三分。

接连获得国家级青年人才计划入选者、德国洪堡学者、电气与电子工程师协会（IEEE）通信学会亚太地区杰出青年学者、爱思唯尔“中国高被引学者”及全球前2%顶尖科学家荣誉称号，主持国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金面上项目等十余项，以第一/通讯作者发表IEEE期刊论文100余篇，其中包括高被引论文7篇，并被先后授权美国发明专利1项、中国发明专利10项，研究成果更相继获得国家自然科学奖二等奖、中国电子学会自然科学奖一等奖、高等教育科学研究优秀成果奖自然科学奖二等奖、IEEE国际通信会议（ICC）2023年国际会议最佳论文奖……诸如此类的学术光环不胜枚举，但章嘉懿却始终头脑清醒：“如果科研是一场马拉松，那么奖项、荣誉就是其中的‘加油站’——它们激励着每一个心中有梦的人不断向前，但其本身属于过去，是对过往工作的褒奖。”因此他始终忙碌、始终停不下脚步，在6G时代下，手握多天线传输理论的“天梭”，穿梭于星罗棋布的天线阵列之间，尝试编织一张覆盖全球的通信之网，“无论是繁华都市还是偏远乡村，甚至是飞翔于蓝天的无人机、潜行于深海的探测器或是风驰电掣的高速列车，我希望它们都能被成功纳入信号稳定传输之列，让人们无论何时何地都能感受到‘云中常有锦书来’般的自然流畅”。

将“冷板凳”坐热

若追溯起多天线技术的发端，或许可以聚焦于19世纪末德国卡尔斯鲁厄工学院的赫兹教授首次证实电磁波存在的时刻。在他建立第一个天线系统之时应该不会想到，此学科在往后几十年中可以衍生出如此多的分支，且发展得如此之快。从单一的天线到各种类型的小型、高性能天线相继出现，信号能够传播的距离越来越远，但即便如此，也追不上人类社会的需求递增。伴随着这样的发展大势，章嘉懿从求学之初便对此类知识抱有着极大的探索热情，直到走入北交大开启系统学习，他才觉得自己叩开了通信领域的大门，不过彼时的他还完全没预料到自己最后会选择科研道路。

“其实我更像是被命运所驱走上这条路的。”这并不是针对优秀成绩的自夸，虽然本硕博均在北交大完成，并先后前往清华大学和德国埃尔朗根纽伦堡大学开展博士后研究的经历足以让章嘉懿有底气这么说，但他最初并没有深造的规划。“我刚开始是真的没想做科研”，青春意气曾让他无比渴望尽早走出“象牙塔”，以所学为社会力所能及地做些什么，但恩师谈振辉教授的出现完全颠覆了这一想法。“一生忠一事”“精益求精”“做事严谨”等匠人精神是谈教授身上一贯的优点，这位与章嘉懿相见之时便已近古稀的矍铄老者至今仍保持着“手动推导公式”的习惯，“而且无论什么时候聆听谈老师的教诲，都不会觉得那是老派守旧的，他永远以一颗与时俱进的恒心紧随时代发展，这是终身学习的良好习惯造就的，也是我想要在谈老师身边持续学习的根本原因。他身体力行地告诉我，什么叫‘凭一己之力，把冷板凳坐热’”。

带着这样的感染与熏陶，章嘉懿后来即便前往有“世界上毕业率最低”之称的国家德国深造，心里也多了一份坦然与从容。“德国人的确严谨到有些苛刻，考查制度除了笔试还有占比更大的面试。临场反应骗不了人，对知识的掌握程度究竟如何，考官们大概会在两个问题左右就能得出结论。但没关系，努力学就好了。”2014年9月，入选德国洪堡学者恐怕是对这份不为人知的努力与无数个挑灯苦读的夜晚的绝佳回馈。但是，在许多海外高校及公司相继向章嘉懿抛来薪资可观、待遇优厚的橄榄枝时，他悄然再次出现在北交大的校园里。

“无论如何我也不能忘记母校十余年来对我的栽培，以及一众老师对我的教诲，没有他们的帮助，我大概是不会结缘科研的。所以一有机会，回到这个最熟悉的地方自然是我的首选。”而另外一个没被宣之于口，却被章嘉懿融入科研发展脉络的根本原因是：作为领域内的研究者，他十分清楚高效而可靠的信息传输是通信系统能够为信息化社会所提供的核心支撑力，而坚实稳固的底层技术体系则是通信系统传输能力与效能持续提升的重要根基。因而，当他身怀“多天线技术理论”这一科技利器，第一个想到的便是将其运用到建设通信强国的战略之中。

基于此，在国家自然科学基金、北京市自然科学基金等项目的支持下，章嘉懿在个人工作走上正轨之后，便开始紧锣密鼓地筹备科研布局。紧密结合国家“人工智能”“互联网+”“5G新基建”等发展战略，面向“4G热点高容量覆盖→5G海量低功耗覆盖→6G全维度智能覆盖”的发展需求，他和团队始终遵循从“经典信道到广义信道、理想硬件到非理想硬件、蜂窝到去蜂窝”的发展路线，基于大维随机矩阵和深度学习等理论，充分利用空间自由度，突破了传统移动通信网络多小区间干扰、频繁越区切换及基站终端能耗大等技术瓶颈，提升了系统的频谱效率和能量效率，并应用于中兴5G基站设备研发，为我国移动通信技术和标准研发提供了坚实支撑。

逐梦星际驿站

成立于1994年的北交大现代通信研究所，是最终承接章嘉懿所有梦想的地方。这方育才的沃土在过去的几十年中已经以IEEE车辆技术学会颁发的2019尼尔谢菲尔德最佳传播论文奖、IEEE国际通信会议（ICC）最佳论文奖及IEEE无线通信与信号处理大会（WCSP）最佳论文奖等客观荣誉向世人证明了其在平台建设、科学研究、国际学术交流等方面取得的长足发展，而这支如日方升的科技强军在新一代铁路无线通信、基于通信的列车控制和安全等领域的开创性研究更是不容忽视。

面向下一代系统，多天线技术仍将发挥重要的基础性作用。“从3G到5G，无数前辈已经为我们探明来时路，我国已经完成了一场极富特色的通信蝶变。但6G显示出了更远的目标点，即AI与整个通信系统的结合，特别是在无线空口完成AI的贯通是一件极具挑战的工作。传统的通信技术受到单模块优化的约束，亟须打破瓶颈，改变通信的范式。”章嘉懿说。

2020年11月，中国移动发布《2030+技术趋势白皮书》，把去蜂窝大规模MIMO列为6G第一无线使能技术。而早早将目光投向此处的章嘉懿通过研究与验证发现直至今日，针对这一系统的理论性能分析尚不完善，传统的蜂窝网络信号处理技术无法直接沿用。由此，他积极开展去蜂窝大规模多天线系统的信道容量和性能分析研究，不仅揭示了分布式协同、传播环境和系统配置对系统性能的影响机理，还设计了各种实际场景下高效的导频分配、信道估计、功率分配、预编码和接收机等传输算法。本着“够用就好”的原则，他还反复在系统性能、复杂度及成本之间寻求各种折中的可能性，为6G大规模多天线系统积极提供新颖的解决思路和方案，同时也为我国下一代6G移动通信网络的建设提供强有力的技术支持。

“虽然很多技术已经被前置，但6G的全覆盖尚存诸多技术挑战，长路仍然迢迢，因此我们仍需以应用需求为牵引，持续推进多领域、多要素融合创新，我相信，通信领域的领航将不再只是美好的祈愿。”章嘉懿说。