剛剛獲得第十二屆“中國青年女科學家獎”的西安電子科技大學通信工程學院李贊教授，其頒獎詞是研制出了我國獨立自主的新一代流星余跡通信系統(tǒng)。實際上，流星余跡通信只是高安全、高可靠通信方式之一。說得更確切一些，它就是利用流星劃過天際時產(chǎn)生的柱狀電離氣體，作為通信信道進行信息傳輸。流星這種信道的建立，是一種自然現(xiàn)象，在這個方向上更為廣闊的研究領域，就是不靠天而是靠人，在復雜惡劣的通信信道下實現(xiàn)高性能的信息傳輸，即高安全、高可靠通信。

多年來，讓李贊教授真正為之醉心和癡迷的，一直是高安全、高可靠通信基礎理論、關鍵技術研究和系統(tǒng)研制。2001年，碩士畢業(yè)的李贊留校任教，作為一名青年教師，剛剛畢業(yè)的她面臨團隊力量、經(jīng)費支持均不足的艱苦困境，在學校、通信工程學院及ISN國家重點實驗室的大力支持下，她一切從零開始。

如今，李贊帶領著自己一手組建的研究團隊，一步一個腳印，從一點一滴做起，攻堅克難、干事創(chuàng)業(yè)，針對國家實際應用需求，解決了高安全、高可靠通信中的一個又一個難題。除了流星余跡通信之外，跳頻通信也是一種非常重要的可靠通信手段，李贊帶領其團隊在該領域實現(xiàn)了從理論創(chuàng)新、技術開發(fā)、芯片設計、系統(tǒng)研制一直到實際應用的完整轉化。

致力跳頻通信深入研究

打開百度百科，鍵入“通信”，這個詞的瀏覽次數(shù)是29.9萬次；而鍵入“跳頻通信”，這個詞的瀏覽次數(shù)卻只有2.3萬次。“跳頻通信”是通信中一個很特殊、但卻非常重要的研究方向和領域，它是一種最常用的擴展頻譜無線通信方式。

在實際的高動態(tài)、復雜信道環(huán)境下，不但要求合理充分地利用頻譜資源，更要求通信保障系統(tǒng)的高安全高可靠性。李贊解釋說，在20世紀40年代，通過跳頻技術能夠實現(xiàn)抗干擾的可靠傳輸，也就是跳頻通信被正式提出。

目前，跳頻通信已廣泛應用于衛(wèi)星通信、藍牙設備以及短波、超短波通信等多種領域和場合。李贊說，跳頻通信通過頻率跳變，帶來了很多良好的性能。“它的抗干擾、抗衰落能力強，可實現(xiàn)高安全、高可靠傳輸，多用戶時還易于多址組網(wǎng)。”

跳頻通信，就是指收發(fā)雙方傳輸信號的頻率，按照預定規(guī)律在一定的頻段范圍內(nèi)進行隨機變化。也就是說，跳頻通信所使用的頻率，會在看似隨機變化的一組序列的控制下而隨機跳變，以實現(xiàn)重要信息的高安全、高可靠傳輸。

跳頻通信系統(tǒng)原理圖

如果用更專業(yè)的術語來解釋，可以這樣來描述：

在發(fā)信機中，使用一定頻率的載波對輸入的信碼進行調制，得到帶寬一定的調制信號；獨立產(chǎn)生的跳頻序列控制頻率合成器，在不同的時隙內(nèi)輸出頻率跳變的本振信號；再用本振信號對調制信號進行變頻，使變頻后的射頻信號頻率在跳頻序列的控制下偽隨機地跳變，以達到抗干擾的目的。

類似地，在收信機中，跳頻序列控制頻率合成器，使輸出的本振信號頻率隨發(fā)方頻率相應的跳變；跳變的本振信號，對接收到的跳頻信號進行變頻，將頻率搬回到原有頻率實現(xiàn)解跳；解跳后的調制信號在本地載波作用下，經(jīng)解調后恢復出信碼，從而實現(xiàn)信息的可靠傳輸。

在實際復雜信道環(huán)境下，跳頻通信如何有效抗干擾？李贊舉例說，因為信號傳輸頻率是跳變的，固定式頻率干擾自然起不了作用；即便對方干擾了一個或幾個頻段，只要跳變的頻隙數(shù)目足夠多、跳變范圍足夠寬、跳變速率足夠高，也能夠有效的抵御干擾。與此同時，跳頻通信信號載波頻率在跳頻序列控制下隨機跳變，難以截獲、預測和干擾傳輸信息，因而還具有好的安全性。由此也可以看出，作為跳頻通信的三大關鍵技術之一，跳頻序列是決定跳頻通信系統(tǒng)安全可靠的關鍵。

從1998年跟隨導師金力軍教授攻讀碩士開始，李贊就在導師的點撥引領和悉心指導下，邁入了跳頻通信的研究領域。她以研究跳頻序列為起點，逐步開展了對于該領域的深入研究。

實現(xiàn)跳頻抗干擾新突破

在掌握跳頻通信基礎理論和工作原理的基礎上，李贊發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外系統(tǒng)所普遍采用的跳頻序列設計大都基于有限域理論。針對日益復雜的無線電磁環(huán)境導致跳頻通信性能逐步下降的現(xiàn)狀，是否存在更優(yōu)秀的跳頻序列使得系統(tǒng)傳輸性能有效提升呢？

帶著對這個問題的深入思考，李贊帶領團隊開展了一系列創(chuàng)新性研究，在跳頻通信領域成果初現(xiàn)，相關技術和成果走在了同行前列，實現(xiàn)了三個方面的理論和技術突破。

李贊及其團隊的第一個重要突破，就是首次將密碼學的加密機制，引入到了跳頻序列族的設計之中，提出了密碼學加密和跳頻序列設計的等價性原理，創(chuàng)建了基于加密思想的智能跳頻序列族。“我們提出的基于加密原理的序列族產(chǎn)生方法，生成的序列具有優(yōu)異的綜合性能指標。”

李贊介紹說，目前國內(nèi)外所能查閱到的跳頻序列一般最多可以滿足均勻性、隨機性、周期性、線性復雜性等少數(shù)幾項性能，而且還經(jīng)常“顧此失彼”，即一旦某一項性能指標受到破壞，其他的幾項性能也會被影響。同時，按照已有理論生成的跳頻序列部分性能存在一定局限，比如周期性，也就是說在高速跳頻通信時其周期性規(guī)律難以抵御跟蹤式干擾；或者在多用戶接入和組網(wǎng)時，由于序列碰撞會影響網(wǎng)絡傳輸能力等。

李贊團隊提出的算法，成功地將序列性能指標拓展到13項，包括多址接入特性、游程特性、敏感性、相關性、組網(wǎng)特性等新性能。“最為重要的是，還順利破解了各指標之間無法兼顧的難題，實現(xiàn)了13項性能指標全部同時優(yōu)異。”李贊特別強調，“我們所提出的序列完全沒有周期，且對于該體制的破解，理論上只能采用窮盡攻擊法。”

基于高性能序列族理論的提出，針對新一代可靠通信系統(tǒng)需要適應無線信道高動態(tài)變化的迫切需求，李贊及其團隊在跳頻通信技術上的第二個重要突破，就是設計出系統(tǒng)參數(shù)隨信道特性實時變化的跳頻體制。

在研究中他們進一步發(fā)現(xiàn)，跳頻通信系統(tǒng)除了需要保證抗干擾性、抗截獲等綜合性能指標達到最優(yōu)之外，同時還要求系統(tǒng)參數(shù)，比如跳頻頻隙數(shù)、跳頻間隔、跳頻用戶數(shù)、跳頻頻率集等，能夠隨著實際環(huán)境中的干擾、用戶等動態(tài)變化，實現(xiàn)高的通信可靠性和頻譜利用率。而現(xiàn)有的序列難以按照實際需求動態(tài)變化，因此系統(tǒng)參數(shù)的不可變也是亟需解決的重要問題。

針對這一問題，李贊團隊進一步提出了系統(tǒng)參數(shù)實時可變的自適應跳頻序列。也就是說，在下一次頻跳之前，系統(tǒng)可以依據(jù)探明的“干凈”頻譜區(qū)域，或者無線電磁環(huán)境中干擾帶寬變化態(tài)勢等實際信道特性，通過實時指令輸入直接改變跳頻間隔等相應系統(tǒng)參數(shù)，瞬時再生成一個新的序列。這一過程無需中斷任何通信進程或重新初始化任意硬件參數(shù)，且確保跳頻系統(tǒng)原有的13項性能指標優(yōu)異性不受影響。這一研究成果，為進一步實現(xiàn)一體化智能通信系統(tǒng)提供了可能。

基于上述兩個理論突破，李贊團隊又在此基礎上首次構建了基于序列的跳頻同步組網(wǎng)和異步組網(wǎng)模型，并得出了跳頻組網(wǎng)性能的結論定理和理論極限，為實際的跳頻組網(wǎng)系統(tǒng)設計提供了理論支撐。2015年9月，在歐洲智能信息安全會議（IEEE EISIC 2015）上，基于該成果李贊教授應邀做了大會報告，相關論文也在國際會議上獲得了BEST Paper Runner Up Award等獎項。

如果說前兩個突破只停留在理論上，獲得的成績頂多就是發(fā)表了一篇篇高水平的論文，但李贊及其團隊的第三個重要突破，就是把這些理論運用到了工程實踐中，設計開發(fā)出了看得見、摸得著、用得上的基于FPGA的跳頻芯片。

據(jù)介紹，他們所開發(fā)的芯片具有資源占用少、運算速度快、接口靈活等顯著特點。在典型的96兆赫茲時鐘下，芯片可支持每秒超過1400000跳的超高速跳頻通信。如今，這一芯片已用在了我國具體衛(wèi)星、遠洋艦船等多種產(chǎn)品和設備中，有效提高了通信系統(tǒng)的傳輸性能，取得了顯著的社會效益。

推動探測、感知和通信相結合

現(xiàn)代通信技術的發(fā)展，是道高一尺魔高一丈的螺旋上升進程，隨著無線互聯(lián)網(wǎng)、下一代移動通信等無線通信方式和設備的迅速增加，無線通信環(huán)境的日益錯綜復雜，高安全、高可靠通信面臨著更加嚴峻的挑戰(zhàn)。

在上述跳頻通信研究基礎上，李贊針對目前無線通信信道更加復雜、現(xiàn)有通信系統(tǒng)對無線環(huán)境態(tài)勢感知能力急待加強的現(xiàn)狀，又將研究方向擴展到了智能化寬帶電磁頻譜監(jiān)測領域，旨在將探測、感知和通信相結合，為實現(xiàn)一體化智能通信打下基礎。

“我們的工作是從對于認知無線電技術的思考開始的。”李贊說，認知無線電的概念1999年被提出，這一技術是依據(jù)無線環(huán)境的感知信息，通過認知引擎進行系統(tǒng)決策，實時改變傳輸功率、載波頻率、調制技術等系統(tǒng)參數(shù)以適應信道特性，從而最大限度地充分利用無線環(huán)境和信道資源以實現(xiàn)高性能通信。

李贊介紹說，這一技術可以這樣形象化理解，傳統(tǒng)的無線通信其實是“瞎子”通信，收、發(fā)雙方并不知道實際信道質量如何、是否適合信息傳輸。因此，掌握和監(jiān)測實際信道特性對于可靠通信至關重要。

據(jù)了解，在頻譜監(jiān)測領域，李贊團隊利用認知的思想，已經(jīng)研制出網(wǎng)絡化寬帶電磁頻譜監(jiān)測設備，并在陜西省長安區(qū)、江西鄱陽湖、重慶北碚區(qū)等構建了3個典型地域的示范驗證網(wǎng)。經(jīng)國家無線電監(jiān)測中心測試，相關技術指標處于國內(nèi)領先水平。

“我們當前和下一步的工作，就是希望把基于智能化寬帶的電磁頻譜監(jiān)測，與我們的跳頻通信等技術優(yōu)勢相結合，不斷提升通信傳輸?shù)目煽啃浴４騻€比方，如果說頻譜監(jiān)測是‘眼睛’，我們就是要讓可靠通信系統(tǒng)用上這個‘眼睛’，讓它‘看得見’‘分辨得出’能用的信道在哪兒。”

從踏著前輩老師金力軍、劉增基、李建東等教授的足跡致力于流星余跡通信研究，研制出我國新一代流星余跡應急通信系統(tǒng)，到下決心去啃“跳頻通信”這塊硬骨頭，再到將研究方向擴展到智能化寬帶電磁頻譜監(jiān)測領域……李贊，這個研究高安全、高可靠通信的年輕女學者，正帶領她的團隊向更高、更遠的目標邁進。正如她本人在頒獎會上的寄語：一分耕耘，一分收獲。執(zhí)著前行，做更好的自己。

人物簡介：

李贊，女，1975年生于陜西西安，西安電子科技大學教授、博士生導師、教育部長江學者特聘教授、綜合業(yè)務網(wǎng)理論與關鍵技術（ISN）國家重點實驗室“通信信號處理”研究中心主任。第十二屆中國青年女科學家獎、第十三屆中國青年科技獎獲得者，被授予全國“五一巾幗標兵”等稱號、入選教育部新世紀優(yōu)秀人才計劃，獲霍英東教育基金會青年教師基金資助。IEEE Senior Member、第十二屆中華青年聯(lián)合會委員、中國電子學會高級會員、陜西省電子學會理事。擔任國際期刊副主編、編委等，并在多個國際會議上擔任重要職務。以第一完成人主持國家科技重大專項、國家863計劃、國家自然科學基金等課題，創(chuàng)新性成果以第一完成人獲教育部科學技術進步二等獎、陜西省科學技術二等獎等。以第一作者出版專業(yè)學術著作3部，申請國家/國防專利47項、獲得專利授權34項，在IEEE Trans. on Communications等國外期刊及會議上發(fā)表SCI、EI檢索論文100余篇，其中第一作者和通信作者論文50余篇。