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国外性直播

让“灯光上网”的教授

发布时间:2020-01-07 

——复旦大学信息科学与工程学院通信系迟楠教授采访纪实

(马波)

    到2020年,将有260亿设备介入互联网,传输50万亿千兆数据。通过现有互联网传输的数据到达了高危险级别。美国联邦通信委员对全球的潜在互联网风暴做出了警告。当射频WIFI(103—109)无线上网的容量达到极限,WIFI频率资源耗尽还有什么资源热门可以上网?当核电通信、军事通信、水下通信、未来5G、6G通信.....这些不能用无线上网时,人们如何上网?还有哪种方式可以替代?复旦大学信息科学与工程学院通信系迟楠教授可以自信回答这个问题。

    “您想到过科幻电影中汽车之间通过车灯自动驾驶、机器人通过灯光上网与人直接交流吗?未来灯光上网就是有人的地方就有灯光,有光的地方我就要让人上网。”“有灯光的地方,就有网络信号,每个人就可以上网。但关掉灯,网络全无。”迟楠教授说。

与此同时,可见光通信也存在质疑。“迟教授,您就不要做这种无用功了。那是‘有去无回’不归路。因为天花板有灯可桌面上无灯,网络信号单向传输不成回路,也就构不成通信。

    “全世界灯的保有量是手机移动终端的一万倍,可见光的载频是现有无线通信载频的万倍以上。可见光频谱是人类有待研究的空白领域,一下子就激活带宽达到400THz的可见光谱资源。”“其不足就在于可见光通信技术(LiFi)若灯光被阻挡或光源一旦消失,网络信号将被切断。”“灯光,可以拓展现在匮乏的无线频率资源,光的使用不需要授权许可。而且这项技术的安全性非常高,在一个房间里面,只要在光源所出现的地方才有信号。光源照不到地方,无法接收到信号。你能看到你的网络在哪里,可见光提供了一种安全的通信方式。”这位慈眉善目的女教授充满自信和执着。只要介绍她的LiFi,眼神中散发着光芒,她的个人魅力让中外学者专家感受到这位小个子身上蕴藏的巨大能量。

    中国有了自己研制出的 LiFi 样机

    2013年10月16日,迟楠教授课题组实验成功一种利用屋内可见光传输网络信号的通信技术(LiFi)。

    同行专家认为:LiFi与现有WiFi相比,未来的可见光通信高速、安全又经济。“灯光上网”意味着更大的带宽和更高的速度。

该技术的传输速率令人惊叹,目前迟教授已经实现单颗灯泡20Gb/s的通信速率,未来有望达到每秒100Gb/s。这个速度,是我们平时使用WiFi速率的上百倍,有望支持未来的VR、全息等超高速应用,并且这种光对人体健康无害。

    2013年11月,迟楠教授的2台样机亮相2013年上海工业博览会。国内首个高速实时可见光通信系统样机,在第15届国际工业博览会展出并获得创新奖,为可见光通信这一战略新兴产业的发展起到推进作用,得到了人民日报,中央电视台,上海电视台和英国BBC等多家媒体的广泛报道。

迟楠教授提出的时域卷积和环形矩形多模盲均衡高阶CAP调制方法,入选国家标准和IEEE标准提案,IET Fellow、IoP Fellow 、英国利兹大学Jaafar Elmirghani教授评价“这是据我们所知,LED实现的最高传输容量。”

    迟楠教授可见光通信样机成功解决了核电站核安全区的无线通信问题,研制的核电500Mb/s双向光通信设备,已经安装在在福建宁德、广东阳江和广西防城港核电站。LiFi 技术同时在公安部一所、中国电信、亚明照明、长飞光纤、技物所等单位都得到应用。

对此,国家基金委、科技部、上海市科委、广东省科技厅对迟楠教授可见光通信系统技术研发和应用都有不同程度的资助和支持。这些课题的研究成果,推动了可见光通信的科学研究和应用探索。

    走近迟楠教授

    有一次我去迟楠教授实验室检查安全,直到走近才发现迟楠教授正在与本科生和研究生一起做实验,她混在学生中根本找不到她的存在,她是那么青春有活力。有同事开玩笑:“您看她的娃娃脸,也许她到八十岁,还是这样青春洋溢!”

    迟楠教授2001年到2003年在丹麦技术大学做博士后、助理教授,2005年至2006年,在英国University of Bristol担任副研究员。作为主研人员先后参与了“正交调制方式光标记交换”、“研究基于MZI-SOA 的标记交换和信头识别”、“研究MZI-SOA 的设计、工艺制造与全光信息处理应用”三个欧盟IST重大项目。她首次实现了40Gb/s RZ-DPSK /IM 正交光标记交换,在一次国际会议上被国际学术界泰斗,美国光学学会主席,南加州大学Alan Willner教授所称赞,正是他的不经意间一句赞美,使初出茅庐的迟楠坚定了自己对科研的信心。

    2006年6月作为高级人才加入,破格晋升为教授,博导。2008年6月来到,主要从事光分组交换网,全光信息处理和先进调制方式的研究。她发表SCI检索论文200篇,累计SCI他引2400余次,Google引用6500余次,出版专著5部。获发明专利18项,入选国家标准和IEEE标准提案,可见光通信系统速率多次被国际同行评价为当时国际最高并在核电和国防等重大工程得到应用。5次担任光通信国际会议主席,近5年应邀在国际会议作大会主题报告2次,特邀报告30余次。获教育部自然科学二等奖、中国产学研合作创新一等奖、国际工业博览会创新奖等各1项。先后荣获教育部新世纪优秀人才,上海市曙光学者,日本大川情报基金,上海市浦江人才,上海市十大IT 新锐。2019年获得国家杰出青年基金的资助;又入选2020年美国光学学会 OSA Fellow。

    可见光通信

    可见光通信技术是近年来才提出的崭新的技术,它寄希望于可见光来传输我们需要的信息和数据,是利用LED或者激光器发出的高速明暗闪烁信号来传输信息的。就好比古时候的烽火台,但可见光通信技术控制的LED频闪更快,人眼根本不会注意到光的快速变化,在接收端可以接收到这些光强的改变,就完成了可见光传输信息和数据的目的。

    可见光通信不同于光纤通信,也不同于无线通信,是一种自由空间传播的光通信。可见光通信是面向未来的通信技术,具有高速、人眼安全、无辐射、抗干扰等优势。可以应用在核电、医院等无电磁辐射的特种领域,还可以运用在无线电波无法很好传播的地方,比如水下,这样下水作业也能保障通讯的流畅。在未来B5G/6G通信,可见光通信可以实现超高速泛在光联网。

    随着5G进入商用部署的关键阶段,全球主要国家相继启动了6G研究。我国6G技术研发推进工作组和总体专家组的成立,标志着我国6G技术研发工作正式启动。目前全球6G技术研究仍处于探索起步阶段,技术路线尚不明确,关键指标和应用场景还未有统一的定义。从目前国内外情况看,现有无线频谱已基本枯竭,毫米波和可见光将是6G的重要方向。

    实现可见光通信将要面对的挑战更是一座又一座难以逾越的大山。“高速可见光通信具有四大难点:1、宽带材料器件:针对通信设计新材料新机理器件;2、高阶调制编码:接近香农极限的高谱效率调制编码;3、高效信号处理:高效信号处理补偿各类传输损伤;4、多维复用组网:时频空多维复用和多点同构异构组网;”迟楠教授在仔细分析,逐条梳理后得出迫在眉睫需要解决的问题。

    LiFi技术竞争异常激烈,世界最快的“灯光上网”

    不同于传统的通过以太网电缆,WIFI信号或者光纤来链接设备传送数据。LiFi技术利用LED光来传送。

    “比如手机,全球数百万个基站帮助其增强信号,大部分能量却消耗在冷却上,效率只有5%。”迟楠教授说:“国内LED光源正在大规模取代传统白炽灯。只要在LED灯泡中增加一个微芯片,便可让灯泡变成无线网络发射器。”“给LED灯泡装上微芯片后,可控制其每秒数百万次闪烁,亮了表示1,灭了代表0(二进制的数据)。“由于频率太快,人眼根本觉察不到,光敏传感器却可以接收到这些变化。”这样一来,二进制的数据就被快速编码成灯光信号并进行有效传输。灯光下的电脑,通过一套特制的接收装置,读懂了灯光里的“莫尔斯密码”。该技术优势是LiFi技术能实现一个光源能使4台带有电脑功能的机器即可同时上网、互传网络信号。

    2014年,迟楠教授把网络信号接入一盏1W的LED灯,灯光下的4台电脑即可上网,离线最高速率可达3.25G,实时系统平均上网速率达到150M,那时意大利LiFi技术实现速率为3.4Gb/s;

    2015年,迟楠教授课题组实现4.5Gb/s LiFi上网,刚跑在前面,不久意大利又实现LiFi 5.6Gb/s高速上网;

    2016年,迟楠教授课题组实现8Gb/s LiFi上网,2017年迟楠教授课题组实现9.5Gb/s LiFi上网,不久英国牛津大学就实现LiFi 10.4Gb/s上网;

    2018年,中国南昌和迟楠教授课题组联合实现LiFi10.7Gb/s上网,不久英国剑桥大学传来LiFi上网达到11.9Gb/s;

    2019年,迟楠教授课题组实现LiFi 14.6Gb/s上网,又传来英国爱丁堡大学15.7Gb/s LiFi上网;

    最近迟楠教授课题组又成功刷新可见光联网速率

    在科技部重点研发计划“高速可见光通信技术研究及芯片化设计”(2017YFB0403603)项目支持下,复旦大学与华为公司合作,成功实现了5Gbps 2x2 MIMO实时可见光通信系统,创造单颗硅基LED实时通信世界纪录,华为官网报道了这一结果,该结果在巴黎召开的LiFi Congress大会上做主题报告:Nan Chi, “LiFi beyond 5G –high speed connectivity (keynote talk)”, LiFi Congress 2019, Paris, France.样机也从原有尺寸50**30cm到现在10cm*5cm。

    近期迟楠教授课题组又成功实现了LED可见光通信系统水下100米传输,传输速率2Mbps,已经完成现场验收。

    英国几所顶级大学争先恐后在与中国一个课题组较量,中国这位小个子女教授也在与时间赛跑.......

    逐鹿问鼎,花落谁家都不重要,关键是一位复旦大学女教授将国家的使命和担当与整个西方抗衡,这不仅仅是国际上巾帼不让须眉,而是一个弱女子顶起中国科技的一片蓝天。

    同学们的良师益友、知心姐姐

    作为10通信本科生班的班导师,迟楠教授特地抽出自己午休的时间分别约见班级里的每一位同学聊天,了解了同学们的基本情况、对未来的规划的同时,与同学们聊大学生感兴趣的话题,她像姐姐一样与同学们说知心话,同学们也敞开心扉,诉说自己的迷茫、苦恼和纠结,她用自己的方式解开同学的心结,为他们答疑解惑;迟楠教授还给同学们提供了许多了解信息的渠道,包括各种招聘信息,研究生导师情况,往届毕业生的联系方式等等,让他们对自己的人生规划进行正确的选择。

    10通信的班长李振民同学不好意思地说:“在与迟老师的交流中,我发现迟老师早已经记住了每一位同学的名字,甚至记住了绝大多数同学的籍贯、爱好、性格特点等等。这让我钦佩不已,同时也有一点点惭愧,因为对于某些同学,迟老师了解得比我还多。”

10通信王建波同学“大学几年里,迟老师的专业课是我最喜欢的,既能学到有用的知识,又充满了轻松的氛围,独此一门。”

迟楠教授担任《数字信号处理A》课程的任课教师,已经拥有多年的教学经验,但她每个学期却不会为方便而沿用对往届学生使用过的课件、大纲、教学方式来进行授课。她总是结合科学前沿,采取新颖的教学方式,激发同学们对科研的兴趣;同时又针对不同学生的特点,鼓励同学们提出新的建议。在授课中,她适时地调整授课方节奏,改进往届学生教学过程中存在问题认真准备每一个细节,以学生为本,以追求学习效率为第一准则,让同学们都能真正地理解所学的内容,让学生自己感受到学习的快乐,达到最好的学习效果

10通信“直研”王智鑫同学兴奋地说“迟楠老师对我们要求严格,我在这里学到了许多知识,我很喜欢实验室组织的娱乐活动,非常高兴能加入到迟老师的课题组继续做科研 

    培养研究生的科研能力是课题组导师职责所在。不仅需要在理论和实践方面对学生进行指导,同时也会分配给学生一些任务来完成。迟楠教授根据课题组每个成员具体情况,对每一位成员进行针对性的指导,给研究生搭建平台,使他们在自己喜欢和熟悉的领域大展拳脚,迎接新的挑战,有效地培养研究生独立做科研的能力。研究生在导师的鼓励和指导下不断地训练自己的动手能力,提升自己的科研水平。工作之余,迟楠教师还会组织丰富多彩的娱乐活动,以缓解研究生的压力,加强课题组成员们彼此之间的交流。

在学生们心里,迟楠教授既是一位严谨务实的学者,又是一位认真负责的“好导师”,还是同学们生活中的良师益友,更是关心他们细致入微的“知心姐姐”。

    教育理念  学生导师

    “作为教育科研工作者,要有心中有党、忠诚人民的政治信念;有心系天下、科研报国的家国情怀;有爱岗敬业、潜心育人的高尚师德;有不畏艰险、锐意进取的创新精神;有修身律己、甘于奉献的人格风范。以实际行动服务祖国、服务社会、服务人民。”迟楠教授给我讲述她的理念。

    课程思政:结合工科学科特点,参加信息学院的思政课程建设。给本科生举办好导师讲座,讲授科研前沿发展和竞争态势,激发学生的学习兴趣;以学术文化节为契机,邀请著名院士和企业领导举办了大学生人生导航活动,坚定同学们的理想信念。

    课程教学:建立具有中国特色的学科体系和目标体系,已经成为复旦大学回应国家和社会需求,服务创新型国家、健康中国建设和大力弘扬哲学社会科学战略的载体,成为学校迈向“顶尖全球综合型大学”的“生命线”。建设一流大学,关键是建设一批国内顶尖、国际有重要影响力的学科。学科是学校立德树人、人才培养、科学研究、服务社会、文化传承和国际合作与交流的基础。迟楠教授先后担任复旦大学信号类教学团队的骨干和负责人,积极参与学科建设和教学研讨,组织了数字信号处理课程在信息学院电子工程系、通信系和微电子学院的教学大纲修改制定,作为第二完成人,获得上海市教学成果一等奖。连续8年主讲本科生必修课数字信号处理,获得复旦大学校级精品课程。

    实践育人:大学是国之重器,培养国之栋梁义不容辞,为国储才我们责无旁贷,这是我们所肩负的重大时代使命。而作为复旦新工科的代表学科之一,责任更加重大、形势更加严峻,国家复兴的关键在于核心科技,科技发展需要人才,工科教育是这一切的根本。在育人方面,迟楠教授培养的学生先后参与了C919大飞机的研制,参与了航母的建设,在航天、国防等国家重大工程发挥作用。培养的研究生有9人获得国家奖学金(全系博士每年1人),2人获得IEEE PS Student Fellowship (全球每年10人),1人获得中国光学工程学会优秀博士论文提名奖,1人获得马可尼青年科学家奖(全球每年4人)。担任上海电视台“少年爱迪生”导师,指导的学生获得四大发明奖。

迟楠教授全身心投入教学与科研事业,严格律己,为党员同志和群众起了很好地示范和引领作用,被评选为复旦大学十位“钟扬式好党员”之一,先后获得上海市曙光学者、上海市十大IT新锐、上海市教育系统三八红旗手上海市巾帼建功标兵上海市三八红旗手、上海市教卫工作党委系统优秀共产党员等荣誉称号。

    青少年科普工作

    科技的未来在青年,中国的未来在少年。迟楠教授的科研工作在科教电影“驭光而行”、美国探索频道电视片“智慧中国”、新闻综合频道电视片“少年爱迪生”等纪录片中都有展示。

    一位热衷于灯光上网的少年走进电视台说他的偶像是迟楠教授。电视台的主持人问他:“您想不想见到您的偶像?”他说:“不可能吧?她工作那么忙。”这是大门打开,迟楠教授迈着矫健的步伐走到台上与少年握手:“您好,我就是迟楠。”。

    娃娃脸的她给人感觉非常亲近,根本感觉不到她是大牌的教授。面对观众,她说话条理清晰,口齿清楚,娓娓道来,简单介绍这几年她的课题组在LiFi领域取得丰硕成果,在场的师生对她的LiFi技术无不惊叹。她那一举手一投足处处彰显出复旦大学女教授的风采。

参与复旦大学招生办组织的“复旦导师制计划”,先后在无锡2所高中和上海4所高中作系列讲座,对高中生进行爱国主义教育,吸引优秀的高中生报考复旦大学。

    LiFi技术面临问题与挑战

    LED带宽限制问题、探测器灵敏度低、光的非线性严重制约光通信技术的升级,这些问题亟待解决。高速可见光通信更需要芯片突破。

    作为独立通信体系,可见光通信还需要更多LED、探测器、光电器件;外调制器、放大器、复用器解复用器、光开关、集成收发器.....芯片等一些列产品进行产业技术的升级和提升,这将是一个非常广阔的产业发展空间。

    高速可见光通信是竞争的焦点和制高点:对于通信的非线性问题可能要从机器学习,深度学习的角度去接近线性模型;对于通信接收问题,现有光电器件的灵敏度是远远不够的,而纳米天线表面等离子体超材料的发展可能是一个不错的突破口。

    这项技术最大的优点就是它无需依赖已经接近饱和的无线网络,技术现在最大的困难在于像手机、平板这些个人终端,暂时无法安装光信号的接收器。现在迟楠教授正在努力公关接收器的微型集成电路。我们期待着,中国LiFi未来科技的蓬勃发展。

    在未来,我们将仅用LED光传输数据。基本上市面上所有类型的LED固态光源都可以作为信号传输的载体,让光高速传输数据。迟楠教授研究的LiFi技术正处在数据革新探索的前沿,这项技术将使人类的生活更加便捷,对互联网、物联网、自动驾驶和人工智能的发展将起到推动作用。