三千多年以前，人們用烽火產(chǎn)生的光和煙來(lái)傳遞敵人入侵的信息，這是人類第一次使用光作為載體來(lái)實(shí)現(xiàn)通信。
進(jìn)入二十一世紀(jì)，對(duì)人們的日常生活影響最深遠(yuǎn)的科技無(wú)疑是互聯(lián)網(wǎng)。近兩年，5G 也成為了大眾耳熟能詳?shù)募夹g(shù)名詞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，普通智能手機(jī)用戶每天點(diǎn)亮屏幕的次數(shù)不少于 47 次。
當(dāng)我們每次向遠(yuǎn)方的好友發(fā)送信息時(shí)，信息通過(guò)無(wú)線信號(hào)從手機(jī)發(fā)送出去，而對(duì)方也是通過(guò)無(wú)線信號(hào)接收的。但無(wú)線信號(hào)是怎么跨越幾百公里甚至上萬(wàn)公里的呢？這不為大眾所知的無(wú)名英雄就是光纖通信。對(duì)于全球的通信基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)說(shuō)，光纖其實(shí)承載了 90% 以上的通信流量，扮演著“主動(dòng)脈”的角色。
光纖通信的歷史可以回溯到上世紀(jì)六十年代。1966 年，“光纖之父”高琨先生發(fā)表論文提出光纖可以作為長(zhǎng)距離高速通信的介質(zhì)。此后，光纖通信系統(tǒng)歷經(jīng)數(shù)代技術(shù)革命，使得一根光纖里可以傳輸?shù)男畔⑷萘吭鲩L(zhǎng)了兩百多萬(wàn)倍。2009 年，高琨先生因這一偉大貢獻(xiàn)獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。同年，100G 數(shù)字相干光通信系統(tǒng)問(wèn)世，標(biāo)志著光纖通信正式邁入相干時(shí)代。也就在這一年，現(xiàn)任上海交通大學(xué)副教授的諸葛群碧遠(yuǎn)赴加拿大麥吉爾大學(xué)求學(xué)，正式踏上了光通信的研究之路。
為了進(jìn)一步提升單根光纖的傳輸容量，數(shù)字相干系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)處理算法來(lái)補(bǔ)償光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)受到物理?yè)p傷所導(dǎo)致的失真。在攻讀博士學(xué)位期間，諸葛群碧提出了一系列新型算法，對(duì)激光器相位噪聲、光收發(fā)機(jī)損傷、光纖偏振效應(yīng)等系統(tǒng)損傷進(jìn)行有效補(bǔ)償，并且前瞻性地設(shè)計(jì)了靈活速率和帶寬可變的光通信系統(tǒng)架構(gòu)，成果受到了廣泛認(rèn)可。
憑借在光通信系統(tǒng)領(lǐng)域取得的優(yōu)異成果，諸葛群碧入選了《麻省理工科技評(píng)論》“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”（Innovators Under 35）2020 年中國(guó)區(qū)榜單。
圖 | 《麻省理工科技評(píng)論》“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”2020 年中國(guó)區(qū)榜單入選者諸葛群碧
“你們發(fā)的微信，背后的信號(hào)傳輸有可能就是經(jīng)過(guò)我設(shè)計(jì)的算法進(jìn)行處理的”
光纖通信如今作為一個(gè)成熟的行業(yè)，在研究上需要與產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行緊密結(jié)合。因此，諸葛群碧在畢業(yè)之后首先選擇加入了工業(yè)界。同期，他也受聘擔(dān)任麥吉爾大學(xué)的兼職教授，負(fù)責(zé)共同指導(dǎo)博士生的研究工作。這種橫跨工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的模式，給諸葛群碧的研究帶來(lái)了獨(dú)特的視角，幫助他取得了真正推動(dòng)行業(yè)發(fā)展的創(chuàng)新成果。
信號(hào)從手機(jī)出發(fā)，在空中經(jīng)過(guò)幾十上百米的傳輸達(dá)到無(wú)線基站，再轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，通過(guò)埋在地下的光纖傳到百千公里之外的另外一個(gè)無(wú)線基站，再轉(zhuǎn)換為無(wú)線信號(hào)，到達(dá)另外一個(gè)用戶的手機(jī)。通信領(lǐng)域關(guān)系到人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?，比如上網(wǎng)課、視頻通話等等。
拿 5G 舉例，你或許想象過(guò)，有一天不再需要朝九晚五去公司上班，在家中和老板同事交流超高清、無(wú)延遲；公路上的汽車自己跑，你坐著打盹但交通井然有序；當(dāng)你回家時(shí)，指紋開(kāi)鎖聯(lián)動(dòng)，燈和電器自動(dòng)打開(kāi)，你可以立即準(zhǔn)備晚餐……在 5G 時(shí)代，8K 直播、自動(dòng)駕駛、智能家居、VR、AR、遠(yuǎn)程醫(yī)療等等都將成為現(xiàn)實(shí)，而 5G 所基于的通信基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，離不開(kāi)光通信。
光通信對(duì) 5G 部署至關(guān)重要。工信部通信科技委常務(wù)副主任韋樂(lè)平說(shuō)：“'全光網(wǎng)’是 5G 的起點(diǎn)和最理想承載技術(shù)”，5G 的骨干網(wǎng)、承載網(wǎng)、基站與基站之間的連接以及基站進(jìn)行前傳和回傳都離不開(kāi)光通信。
打個(gè)比方，如果 5G 網(wǎng)絡(luò)是毛細(xì)血管，那么光纖就是主動(dòng)脈。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，5G 信號(hào)通過(guò)基站發(fā)射出來(lái)，手機(jī)接收 5G 的信號(hào)使我們能正常上網(wǎng)，而基站的信號(hào)則通過(guò)光纖傳輸?shù)诫娦艡C(jī)房，電信機(jī)房也是通過(guò)光纖連接。以無(wú)人駕駛為例，按每天行駛 1.5 小時(shí)計(jì)算，每輛無(wú)人駕駛汽車產(chǎn)生 4TB 的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)來(lái)自攝像頭、雷達(dá)，通過(guò)云連接上傳至數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心、服務(wù)器之間的通信就需要通過(guò)光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)。
光纖通信具有通信容量大、中繼距離長(zhǎng)、保密性能好等優(yōu)點(diǎn)，而且光通信是整個(gè)通信基礎(chǔ)設(shè)施最重要的組成部分之一。諸葛博士說(shuō)：“如果沒(méi)有光纖通信的發(fā)展，今天的高速互聯(lián)網(wǎng)將不復(fù)存在，而我們也將回到'從前郵件很慢，車馬很遠(yuǎn)’的時(shí)代?！?/span>
實(shí)現(xiàn)光聯(lián)萬(wàn)物的美好愿景
諸葛博士介紹，他的研究方向概括來(lái)說(shuō)就是光纖通信，而核心骨干光網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)和 B5G/6G 光技術(shù)是其主要聚焦的三個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景。
核心骨干光網(wǎng)是通信的基礎(chǔ)設(shè)施。骨干網(wǎng)一般都是廣域網(wǎng)，作用范圍幾十公里到幾千公里，城市之間、國(guó)家之間、大陸之間都是基于光纖來(lái)進(jìn)行通信的。光通信關(guān)鍵要看速率。有人說(shuō)，如果把 10G 比作老爺車，100G 比作代步車，那么 400G/800G 就如同超級(jí)跑車。
諸葛博士的研究幫助打造了一輛“超級(jí)跑車”——他在光傳輸架構(gòu)、數(shù)字算法和編碼調(diào)制技術(shù)方面的研究創(chuàng)新，幫助光通信單波速率從 100G 增長(zhǎng)到了 800G。他多次打破光傳輸速率世界紀(jì)錄，其中包括首個(gè)傳輸 80 公里的單波 400G 直檢光傳輸系統(tǒng)；他實(shí)驗(yàn)演示了首個(gè)連續(xù)可調(diào)速率的光通信系統(tǒng)，并實(shí)驗(yàn)首次證明了多子載波系統(tǒng)的光纖非線性增益，近年來(lái)都已成為商用系統(tǒng)的重要特性；他還提出了一系列基于機(jī)器學(xué)習(xí)的光監(jiān)測(cè)技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了商用相干數(shù)字芯片中的行業(yè)首個(gè) AI 感知算法落地，未來(lái)將繼續(xù)致力于智慧全光網(wǎng)的構(gòu)建。
（來(lái)源：諸葛群碧）
諸葛博士聚焦的第二個(gè)領(lǐng)域是數(shù)據(jù)中心的光互聯(lián)，嘗試研發(fā)最低成本的系統(tǒng)，同時(shí)滿足數(shù)據(jù)中心通信容量的需求。他相信數(shù)據(jù)中心是光纖通信在未來(lái)的十年或者更長(zhǎng)時(shí)間能夠發(fā)揮巨大作用的地方。有研究報(bào)告曾指出，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的發(fā)展，全球互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和應(yīng)用數(shù)據(jù)處理都在數(shù)據(jù)中心進(jìn)行，光通信技術(shù)在數(shù)據(jù)中心得到大量的使用，光通信的應(yīng)用主體從電信運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)向了數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心成為光通信的最大市場(chǎng)。諸葛群碧帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)已在這片疆土開(kāi)拓。
他們?cè)?2019 年為騰訊數(shù)據(jù)中心光網(wǎng)絡(luò)的智能管控平臺(tái)研發(fā)了光纖信道模型，幫助其構(gòu)建一個(gè)低余量的光網(wǎng)絡(luò)來(lái)增加網(wǎng)絡(luò)容量。這個(gè)模型為騰訊數(shù)據(jù)中心光網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)提供了先驗(yàn)機(jī)制以輸出對(duì)應(yīng)配置，賦予了該平臺(tái)控制器在線診斷能力，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化并最終像智慧管控進(jìn)行演進(jìn)。他們的研究成果也被騰訊官方公眾號(hào)“鵝廠網(wǎng)事”專題報(bào)道，成為該公眾號(hào)唯一的高校合作成果報(bào)道。
B5G 和 6G 是通信領(lǐng)域未來(lái)十年的聚焦方向，諸葛博士的第三個(gè)研究目標(biāo)則是探索光技術(shù)在 B5G/6G 中的應(yīng)用。他近期受聘華為無(wú)線光應(yīng)用技術(shù)能力中心顧問(wèn)，在未來(lái)將與華為展開(kāi)深度合作，共同推動(dòng)光與無(wú)線的融合，助力 B5G/6G 發(fā)展。
諸葛群碧團(tuán)隊(duì)將通過(guò)和行業(yè)領(lǐng)軍公司包括華為和騰訊建立深度合作，推動(dòng)其研究成果進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化。他說(shuō)：“我相信我們的研究成果將對(duì)未來(lái)光纖通信和光互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用，為實(shí)現(xiàn)光聯(lián)萬(wàn)物的美好愿景做出我們的貢獻(xiàn)?！?/span>
聚焦系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)層面的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)
從材料到器件到系統(tǒng)，從算法到網(wǎng)絡(luò)，從光到電再到數(shù)字，光通信覆蓋的研究領(lǐng)域很廣，諸葛群碧的研究則著重于解決在系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)層面的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。
理論上說(shuō)，實(shí)現(xiàn)光通信只需要把通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，然后再轉(zhuǎn)為光信號(hào)即可。然而，光信號(hào)在光纖里傳輸時(shí)，其實(shí)有著非常復(fù)雜的物理效應(yīng)，比如激光器中的相位噪聲、光纖中線性和非線性的效應(yīng)、光電轉(zhuǎn)換器件內(nèi)的物理效應(yīng)等等，這些效應(yīng)會(huì)影響光信號(hào)的質(zhì)量。
諸葛群碧解釋，光在光纖中傳輸時(shí)，光的強(qiáng)度的變化會(huì)引起光纖介質(zhì)折射率的變化，進(jìn)而導(dǎo)致信號(hào)失真，等效于噪聲的增加。這一現(xiàn)象稱之為光纖非線性效應(yīng)，也是限制光纖通信容量增長(zhǎng)的“罪魁禍?zhǔn)住?。另一方面，在?shí)際部署光網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要對(duì)光纖中所有噪聲的量有一個(gè)精確的估計(jì)，才能配置最佳速率。
（來(lái)源：諸葛群碧）
針對(duì)上述問(wèn)題，諸葛群碧帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在光傳輸和光網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了突破。
他對(duì)光纖非線性效應(yīng)的物理原理和數(shù)學(xué)模型展開(kāi)了深入的研究，提出了可以高效補(bǔ)償非線性損傷的低復(fù)雜度數(shù)字信號(hào)處理算法，通過(guò)在數(shù)字域根據(jù)傳輸信號(hào)來(lái)計(jì)算非線性失真從而進(jìn)行補(bǔ)償，可以有效地降低非線性噪聲的量。
在當(dāng)時(shí)研究界紛紛關(guān)注提升光通信傳輸速率的時(shí)候，諸葛群碧實(shí)驗(yàn)演示了世界首個(gè)連續(xù)可調(diào)速率的光通信系統(tǒng)。此外，他在信號(hào)的編碼調(diào)制技術(shù)上進(jìn)行了創(chuàng)新，設(shè)計(jì)了新型的低復(fù)雜度低時(shí)延的概率星座整形算法，通過(guò)該算法產(chǎn)生的信號(hào)不僅可以容量更多的噪聲，在理論上逼近香農(nóng)極限，還可以匹配光纖非線性信道，使信號(hào)在傳輸時(shí)產(chǎn)生更少的非線性噪聲。
諸葛群碧說(shuō)，光通信的研究始于 1966 年，前 30 至 40 年的發(fā)展主要是材料和器件的發(fā)展帶來(lái)的，而在過(guò)去 20 年，數(shù)學(xué)和算法的發(fā)展則促進(jìn)了該領(lǐng)域關(guān)鍵性的發(fā)展。事實(shí)證明，他的研究極具前瞻性。
與此同時(shí)，他的團(tuán)隊(duì)以構(gòu)建智慧光網(wǎng)絡(luò)為目標(biāo)，將人工智能技術(shù)引入光纖信道的感知、建模與管控，通過(guò)準(zhǔn)確估計(jì)系統(tǒng)的信噪比和運(yùn)行狀態(tài)，大幅提升光網(wǎng)絡(luò)總體容量。他基于“算法”即“感知”的理念，創(chuàng)新性地將傳輸算法與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)來(lái)挖掘傳輸算法中對(duì)于鏈路損傷的關(guān)鍵信息。
光通信領(lǐng)域有著龐大和成熟的產(chǎn)業(yè)體系。諸葛博士介紹：“快速發(fā)展的光通信技術(shù)，將在未來(lái)從主動(dòng)脈走向毛細(xì)血管，滲透到信息時(shí)代的方方面面，創(chuàng)造出更多應(yīng)用價(jià)值。光通信技術(shù)在光無(wú)線融合、片上光互連、工業(yè)光網(wǎng)、車載光網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域都大有可為?！?/span>
培養(yǎng)學(xué)生是最重要的KPI
諸葛群碧現(xiàn)在是上海交通大學(xué)的副教授。他說(shuō)：“在我的職業(yè)生涯中，對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)會(huì)成為對(duì)我而言最重要的一個(gè) KPI。我的學(xué)生未來(lái)是不是能夠成長(zhǎng)為這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的關(guān)鍵人才，他們能不能為社會(huì)為國(guó)家做貢獻(xiàn)，這些都是我關(guān)心的。”
諸葛博士選擇在學(xué)校任教與他的興趣是分不開(kāi)的。對(duì)他來(lái)說(shuō)，關(guān)注基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題而不是具體技術(shù)或產(chǎn)品的研發(fā)是他的興趣和優(yōu)勢(shì)所在。比起在公司中研發(fā)產(chǎn)品，他更愿意與學(xué)生一起做有開(kāi)創(chuàng)性的工作。“作為一個(gè)工程師或者公司里面的科學(xué)家，在我的整個(gè)職業(yè)生涯，或許能解決 1 個(gè)科學(xué)問(wèn)題，或者做 10 個(gè)產(chǎn)品，我只能做這么多。但是，如果培養(yǎng) 10 個(gè)優(yōu)秀的學(xué)生，他們每個(gè)人都去做 10 個(gè)產(chǎn)品，這個(gè)影響跟我在公司里面是不一樣的。”諸葛博士說(shuō)。
在他求學(xué)和工作的各個(gè)階段，都很幸運(yùn)地遇到了“貴人”，包括他的博士生導(dǎo)師 David Plant 教授、華為美國(guó)研究所的劉翔副總裁等，都對(duì)他的學(xué)習(xí)和工作給予了很大幫助。加入上海交大之后，團(tuán)隊(duì)里的老師們也毫無(wú)保留地為他的工作提供了支持。他說(shuō)：“做學(xué)術(shù)是一件幸福感很強(qiáng)的事，年輕的學(xué)者總是會(huì)得到很多前輩的指導(dǎo)和幫助?！敝T葛群碧希望將這種精神傳承下去，幫助學(xué)生們實(shí)現(xiàn)他們的人生目標(biāo)，也為祖國(guó)的未來(lái)培養(yǎng)更多的人才。
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