給WiFi加“燈罩”？這個(gè)博士團(tuán)隊(duì)攻克了業(yè)界難題

2019年5月16日晚，參加完華為戰(zhàn)略與技術(shù)研討會(huì)議后，我和華為海外研究所Wi-Fi實(shí)驗(yàn)室資深專家Michael相約一起從深圳機(jī)場(chǎng)離開(kāi)，他轉(zhuǎn)道北京，我回蘇州。和Michael擁抱告別后，我走向自己航班的候機(jī)廳，看到登機(jī)閘口上有一個(gè)熟悉的書(shū)籍形狀的白色設(shè)備，我馬上拍照發(fā)給了Michael：“see？There’s one 4050HD on each gate.（看到了嗎？每個(gè)門上方都有一個(gè)4050HD。）” 

深圳機(jī)場(chǎng)登機(jī)閘口，頂部白色設(shè)備就是我們的Wi-Fi設(shè)備。

這個(gè)白色設(shè)備就是我們的Wi-Fi設(shè)備。從2016年第一代場(chǎng)館Wi-Fi產(chǎn)品誕生到現(xiàn)在源自華為5G的Wi-Fi6產(chǎn)品AirEngine問(wèn)世，一直都是負(fù)責(zé)Wi-Fi市場(chǎng)拓展的小伙伴告訴我，我們的設(shè)備掛在了北京首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)、深圳機(jī)場(chǎng)、鳥(niǎo)巢體育館、深圳地鐵……我從未有機(jī)會(huì)親眼見(jiàn)證，這次總算是如愿了。

以往我很少在機(jī)場(chǎng)開(kāi)Wi-Fi，但這次候機(jī)的三個(gè)小時(shí)，我打開(kāi)手機(jī)連上機(jī)場(chǎng)Wi-Fi體驗(yàn)了一把，始終信號(hào)滿格，下載“嗖嗖”地快。對(duì)于一個(gè)從事理論研究、常常被人覺(jué)得不夠“接地氣”的博士而言，在華為的4年，如同道士下山游歷，我學(xué)會(huì)了雙手沾泥，腳踏實(shí)地，將所學(xué)所長(zhǎng)應(yīng)用于實(shí)際。最開(kāi)心和驕傲的事，莫過(guò)于自己的設(shè)想最終變成產(chǎn)品，并改變著人們?nèi)粘９ぷ骱蜕罘绞健?nbsp;  

與Michael結(jié)緣是2016年初的那個(gè)冬天，我們第一次見(jiàn)面也是在深圳。

2015年底，25歲的我從東南大學(xué)博士畢業(yè)，研究方向是計(jì)算電磁學(xué)理論和電磁超材料研究。崇拜麥克斯韋的我，一直渴望通過(guò)理論的方法解決工程的瓶頸和難題，而華為當(dāng)時(shí)希望引入電磁學(xué)超材料技術(shù)，在天線小型化和降成本上有所突破。我們一拍即合，2016年元旦后，我加入華為開(kāi)始天線預(yù)研工作，也有幸成為公司在國(guó)內(nèi)做WLAN（無(wú)線局域網(wǎng)）天線的第一個(gè)博士。

剛到部門就趕上第一代高密天線交付，技術(shù)轉(zhuǎn)產(chǎn)品化的最后階段。當(dāng)時(shí)我們沒(méi)有自研的天線團(tuán)隊(duì)，做自研的在全球不過(guò)一兩個(gè)人，也沒(méi)有自研的實(shí)驗(yàn)室，早年間都是供應(yīng)商幫我們加工天線，我到華為的第一站，就是去供應(yīng)商的工廠配合來(lái)國(guó)內(nèi)的外籍專家Michael一起調(diào)試天線。

做天線需要仿真、設(shè)計(jì)、加工、測(cè)試、驗(yàn)證的過(guò)程，要很強(qiáng)的動(dòng)手能力，但近十年的電磁學(xué)理論學(xué)習(xí)，我更多是通過(guò)計(jì)算或者編碼來(lái)推算公式，沒(méi)有進(jìn)過(guò)工廠，也沒(méi)有太多工作經(jīng)驗(yàn)，動(dòng)手能力可以說(shuō)幾乎為零。

Michael教我拿著刀，把同軸電纜放在食指上，一點(diǎn)一點(diǎn)剝出它的內(nèi)芯。同軸電纜直徑最大也不過(guò)1.37毫米，有四層，從外絕緣皮、外導(dǎo)體編織層、介質(zhì)層，再到內(nèi)芯，從外到里，每剝一層都不能傷了其他層，不然線纜就作廢了。如果技術(shù)不好，稍不留神就會(huì)把手指劃破。剝出內(nèi)芯后還要熔纖，內(nèi)芯不過(guò)0.3毫米左右，相當(dāng)于3張A4紙的厚度，一開(kāi)始我手都是抖的，根本熔不上。

Michael三下五除二，很快就剝好線熔好纖，干凈利落。我驚呆了。Michael五十出頭，在天線領(lǐng)域工作了近二十年，有著深厚的理論和技術(shù)功底，但我沒(méi)想到的是，他手上的“功夫”竟也如此了得。這種hand-dirty （雙手沾泥）的精神深深震撼了我。 

2017年12月 Michael在供應(yīng)商天線實(shí)驗(yàn)室

給天線“動(dòng)手術(shù)”，就像用手術(shù)刀剝生雞蛋殼而不傷膜，需要長(zhǎng)期不間斷的練習(xí)。近一個(gè)多月的時(shí)間里，我和Michael每天早上一起從酒店出發(fā)去工廠，在他的指導(dǎo)下，一邊做理論分析，一邊調(diào)試天線，以劃破手指2次的代價(jià)，我也能熟練媲美剝線機(jī)器的剝線技術(shù)。后來(lái)的幾年時(shí)間里，我一直堅(jiān)持把這一絕技傳授給新入職的天線博士們。

但一開(kāi)始我并不理解，我是從事理論研究的，來(lái)華為就是想怎么在這里發(fā)揮出價(jià)值，每天當(dāng)“剝線工”有多大意義？完全不需要一個(gè)博士啊。而且每天做的都是輔助工作，什么時(shí)候才能實(shí)現(xiàn)價(jià)值？這種自我懷疑和無(wú)價(jià)值感讓我一度對(duì)自己的初衷產(chǎn)生了動(dòng)搖。當(dāng)壓力難以紓解時(shí)，我?guī)缀趺客硪粋€(gè)人去秦淮河邊跑步，瘋狂給自己心理暗示，一定能熬過(guò)去的，但扎心的是，收效甚微。               

前輩們告訴我，當(dāng)你在華為能熬過(guò)前三個(gè)月，基本就能“熬”下去了。幸運(yùn)的是，三個(gè)多月后，參與的天線設(shè)計(jì)交付項(xiàng)目完成，第一代場(chǎng)館高密天線成功應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)、火車站等人群高密度覆蓋區(qū)域，這種壓力才突然間消散了。對(duì)我來(lái)說(shuō)，成功或許才是最有效的解壓。

回過(guò)頭看，這是我第一次親身經(jīng)歷一個(gè)產(chǎn)品從設(shè)想、理論、設(shè)計(jì)、出圖到最后交付的全過(guò)程，親身參與天線裝在整機(jī)上的性能的評(píng)估和比拼，親眼目睹資深前輩扎實(shí)的工程基本功，讓我懂得既要能“上山”研究，也要能“下山”實(shí)踐，也可以說(shuō)是“向上捅破天，向下扎到根”。也是到后來(lái)，做了無(wú)數(shù)次天線開(kāi)發(fā)和研究，我才真正明白，作為一名博士，既會(huì)動(dòng)腦又會(huì)動(dòng)手，才有可能通過(guò)不斷創(chuàng)新，真正將一個(gè)設(shè)想變成現(xiàn)實(shí)。

入職一年多，我先后參與了3-4款天線設(shè)計(jì)，但心底一直有一個(gè)小小的遺憾，那就是，沒(méi)能如愿應(yīng)用超材料。

電磁波（或光子）和電子是兩種最重要的信息載體。基于半導(dǎo)體等電子材料的出現(xiàn)，人們對(duì)電子傳輸行為的調(diào)控已經(jīng)到達(dá)相當(dāng)高的水平，比如智能手機(jī)的普及、智能機(jī)器人的應(yīng)用等。我是學(xué)電磁學(xué)的，一直以來(lái)的夢(mèng)想和追求是，像控制電子一樣自由控制電磁波，但現(xiàn)實(shí)是，自然材料對(duì)電磁波的調(diào)控能力十分有限。而超材料是在電路板上微小的電磁結(jié)構(gòu)，它的應(yīng)用可以帶來(lái)很多全新的物理現(xiàn)象，比如隱身衣、負(fù)折射、電磁黑洞、靜止彩虹等，可它還能在通信產(chǎn)品中發(fā)揮更大的作用嗎？

我從論文中找到了破題的靈感。

從求學(xué)時(shí)代開(kāi)始我就保持著一個(gè)習(xí)慣：每天看學(xué)術(shù)論文。論文是研究者眼睛向外望的一個(gè)窗口，也是了解和洞察業(yè)界方向和趨勢(shì)的一個(gè)入口。我希望自己每天都能保持“眼睛向外望”，比起每年不超過(guò)五六次的國(guó)際會(huì)議交流，看論文可以說(shuō)是最快捷的一種學(xué)習(xí)方式了。當(dāng)你對(duì)一個(gè)方向還不清晰時(shí)，能做的就是先了解更多的內(nèi)容，才可能啟發(fā)靈感。所以對(duì)感興趣的領(lǐng)域，哪怕工作再忙，我?guī)缀趺刻熘形缍紩?huì)抽出20分鐘時(shí)間看論文。

有人可能會(huì)說(shuō)，20分鐘能看什么？說(shuō)得對(duì)，我的方法稍微有點(diǎn)不同——用圖片看論文。以前讀書(shū)時(shí)我習(xí)慣用文字檢索論文，花個(gè)一兩天一點(diǎn)點(diǎn)下載下來(lái)，再?gòu)念^到尾瀏覽，看完一篇往往要花很大的精力，但等到讀完如果發(fā)現(xiàn)不是自己想要的，不僅效率特別低，還浪費(fèi)了寶貴的時(shí)間。圖片便是我能找到的折中方式。我會(huì)預(yù)想一些關(guān)鍵詞，比如在網(wǎng)站圖片里搜索“天線”，會(huì)找出天線的結(jié)構(gòu)、電磁場(chǎng)、分布圖、指標(biāo)曲線等相關(guān)圖片，這些圖片可能就是論文里面的某個(gè)圖片，點(diǎn)開(kāi)就直接鏈接到論文了；又或者瀏覽了幾百?gòu)垐D片，再換關(guān)鍵詞“淘”一遍來(lái)找到論文。說(shuō)來(lái)也挺有意思，我看這些圖片就跟我太太看淘寶一樣，要是一兩天不看，整個(gè)人都不舒服。

入職之初，我閱讀超材料相關(guān)論文發(fā)現(xiàn)，近年來(lái)學(xué)術(shù)界就有超材料應(yīng)用在Wi-Fi產(chǎn)品中的設(shè)想——用超材料創(chuàng)造一個(gè)“人工磁導(dǎo)體”。磁導(dǎo)體是物理學(xué)上的概念，在自然界中并不存在，自然界存在的是大家熟知的電導(dǎo)體。水平電流放在電導(dǎo)體表面會(huì)“短路”，但在“人工磁導(dǎo)體”上是“開(kāi)路”，天線可以緊貼“人工磁導(dǎo)體”表面，變得更薄。

但這一想法遭到很多人質(zhì)疑。當(dāng)時(shí)，讓天線變薄并不是痛點(diǎn)，因?yàn)榧幢闾炀€做薄，天線的外殼不薄，整機(jī)看起來(lái)還是不薄。我還沒(méi)有找到超材料的應(yīng)用價(jià)值，但是我內(nèi)心一直堅(jiān)定地認(rèn)為，這個(gè)新東西總有一天會(huì)用上。

2018年元旦，我從南京調(diào)到蘇州WLAN產(chǎn)品部時(shí)，團(tuán)隊(duì)正在設(shè)計(jì)第二代場(chǎng)館高密天線。

WLAN天線是無(wú)線的室內(nèi)基站，性能上靠近無(wú)線宏站的性能，成本又逼近終端天線，處于中間位。傳統(tǒng)的做法是在幾十米的高空上部署兩個(gè)無(wú)線AP（接入點(diǎn)）加外掛很多線纜，因?yàn)閳?chǎng)館很大，天線放在AP旁邊即可。而如果我們要彎道超車，最好的辦法是反其道而行之，比如小型化和降成本。

我們向公司無(wú)線天線團(tuán)隊(duì)取經(jīng)，他們?cè)诳湛诿妗⑿⌒突嫌泻芏嗉夹g(shù)和經(jīng)驗(yàn)積累，但是無(wú)線天線的元器件振子和饋線架構(gòu)是分離的，成本高，沒(méi)法直接滿足WLAN的需求。后來(lái)，我們就想，把兩個(gè)AP合二為一，再進(jìn)一步把天線一體化集成在我們的主設(shè)備里。但把Wi-Fi 的2.4GHz頻段天線和5GHz頻段天線合一的時(shí)候遇到一個(gè)難題，2.4GHz頻段天線的波長(zhǎng)比較長(zhǎng)，在上面擋住了5GHz頻段信號(hào)，造成短路。它們不能“疊”在一起。

要怎么解決這個(gè)問(wèn)題呢？我想到了人工磁導(dǎo)體。把最下層的電導(dǎo)體反射板替換成2.4GHz頻段的人工磁導(dǎo)體，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)頻段天線位置的上下調(diào)換，改成2.4GHz天線可以放在5GHz天線下面，就像疊“三明治”一樣疊起來(lái)，這樣兩個(gè)頻段的Wi-Fi信號(hào)都可以完美地輻射出去，同時(shí)也做出了一款超薄的WLAN雙頻天線。

我把這個(gè)思路分享給了Michael，他非常支持，鼓勵(lì)我沿著這一方向繼續(xù)研究落地。找準(zhǔn)方向比努力更重要，這之后，我又找了與此相關(guān)的所有論文和資料，包括理論知識(shí)、天線手冊(cè)、工程書(shū)、原版的英文教材等，每想出一個(gè)方法，就和Michael團(tuán)隊(duì)交流可行性，再一一驗(yàn)證。當(dāng)時(shí)我們還沒(méi)有自己的實(shí)驗(yàn)室，只能自己動(dòng)手“做”產(chǎn)品，當(dāng)年跟隨Michael練就的功夫派上了用場(chǎng)，在和外研所、WLAN硬件團(tuán)隊(duì)合作的近一年時(shí)間，我基本都是在不停仿真、不停驗(yàn)證中度過(guò)。好在最終不負(fù)眾望，做出了WLAN AP高密天線的原型。天線成功商用到設(shè)備上，尺寸比業(yè)界產(chǎn)品小了一半多，整網(wǎng)性能高出業(yè)界30%，華為場(chǎng)館高密AP競(jìng)爭(zhēng)力領(lǐng)先業(yè)界一年以上。這一成果也被評(píng)為2018年網(wǎng)絡(luò)（產(chǎn)品線）最佳發(fā)明之一。

在我的電腦里，一直存著兩張圖片，一張是友商C公司滿桌子定位天線的樣品，一張是一家智能天線公司的天線也放滿了整個(gè)桌子。這兩張圖片告訴我，好的設(shè)想并不是一蹴而就，而是不斷試錯(cuò)試出來(lái)的。我不能保證每一個(gè)設(shè)想都能嘗試成功，實(shí)際上我的想法里只有30%能變成項(xiàng)目，30%里又可能只有一半能產(chǎn)品化，但如果不多看，多試，你永遠(yuǎn)不知道會(huì)做成什么。

2018年開(kāi)始，WLAN開(kāi)發(fā)部逐漸兵強(qiáng)馬壯，芯片、算法、天線等領(lǐng)域有越來(lái)越多的人員加入，其中博士就有15名。蘇州研究所作為公司的Wi-Fi能力中心，認(rèn)為要打造Wi-Fi領(lǐng)域核心競(jìng)爭(zhēng)力需要有跨代的技術(shù)能力演進(jìn)，而博士團(tuán)隊(duì)的能力和特質(zhì)決定了可以在這方面發(fā)揮更大的作用。研究所設(shè)置了“找出Wi-Fi的每一個(gè)bit（比特）”主題，并按博士圈運(yùn)作，每周一次小組討論，每月一次集體喝咖啡，開(kāi)展技術(shù)交流。

給Wi-Fi加上抗干擾的“燈罩”的創(chuàng)意，就是在一次月末“咖啡會(huì)”上碰撞出來(lái)的。

當(dāng)時(shí)團(tuán)隊(duì)正在天馬行空討論Wi-Fi6的技術(shù)展望，我想起曾和公司流程IT的同事開(kāi)會(huì)，一個(gè)技術(shù)主管提到一個(gè)非常有意思的現(xiàn)象，他說(shuō)，整個(gè)業(yè)界都面臨一個(gè)難題，室內(nèi)的Wi-Fi信號(hào)類似于辦公室內(nèi)一個(gè)個(gè)燈泡發(fā)出的光亮，彼此有干擾。他問(wèn)我：“能不能給Wi-Fi加一個(gè)類似咖啡廳燈的燈罩來(lái)抑制這種干擾？”

相比于4G/5G網(wǎng)絡(luò)適用于室外廣域覆蓋，Wi-Fi主要用于企業(yè)無(wú)線辦公和家庭網(wǎng)絡(luò)的高密接入，但一般大的辦公區(qū)域會(huì)安裝幾十甚至上百個(gè)AP設(shè)備來(lái)高密組網(wǎng)，以致Wi-Fi的同頻干擾比較嚴(yán)重。

眾所周知，燈泡加了燈罩，光的強(qiáng)度會(huì)減小，但也不太會(huì)干擾其他燈泡和被其他燈泡干擾。但給信號(hào)加“燈罩”，聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)天方夜譚，不過(guò)這一大膽的想象激發(fā)了團(tuán)隊(duì)的思考：可不可以不裝“燈罩”就實(shí)現(xiàn)信噪比的最優(yōu)？

我進(jìn)一步發(fā)散思維，以往場(chǎng)館天線使用的是業(yè)界已非常成熟的窄波束低副瓣方案，打個(gè)比方，場(chǎng)館天線就像一個(gè)手電筒，手電筒打出的光束是比較窄的，只有舉得越高，光斑區(qū)域（信號(hào)覆蓋區(qū)域）才會(huì)越大，但室內(nèi)高度有限，而且不可能密密麻麻布置“手電筒”，因而，室內(nèi)天線必須像燈泡一樣讓波束變寬，“照亮”整間屋子，但又要減少“燈泡”之間的相互干擾，讓光（信號(hào)）發(fā)射到指定的區(qū)域里。

讓波束“從窄到寬”，還要抗干擾，這是一個(gè)系統(tǒng)難題。部門成立了天線、RRM（Radio Resource Manage，無(wú)線資源管理）算法、網(wǎng)規(guī)共同組成的創(chuàng)新組，列出了每一個(gè)難點(diǎn)，并進(jìn)行專業(yè)的分析，大家頭腦風(fēng)暴，有人提出了把八竿子打不著的天線和算法相結(jié)合的思路。大伙一聽(tīng)，感覺(jué)有戲，于是我們求助無(wú)線產(chǎn)品線幫忙測(cè)試了室內(nèi)無(wú)線環(huán)境的信道情況，再把天線預(yù)想的一些波束、網(wǎng)規(guī)預(yù)部署，導(dǎo)入無(wú)線的信道測(cè)量和系統(tǒng)仿真平臺(tái)，仿真結(jié)果非常喜人，從理論上可以提升80%的并發(fā)容量。

接下來(lái)就是細(xì)化和落地了。我?guī)е鴰讉€(gè)新來(lái)的博士，也是我同校的師弟，一起研究抗干擾天線，算法博士俞居正帶著幾人研究抗干擾算法。

這又是一個(gè)不斷試錯(cuò)、試錯(cuò)、再試錯(cuò)的過(guò)程。不同的天線有不同的幾何結(jié)構(gòu)，我嘗試了很多種結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，仿真設(shè)計(jì)后出設(shè)計(jì)圖，再加工成天線，一次嘗試最快一兩周能出結(jié)果，但一開(kāi)始不是信號(hào)覆蓋不夠，就是干擾又多了，一直在中間尋找一個(gè)平衡點(diǎn)。

我一直把自己定位為“橋梁”，架起外籍專家和對(duì)內(nèi)溝通交流的“橋梁”，天線和其他領(lǐng)域的跨域“橋梁”，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界之間連接的橋梁。所以，這期間我還做了一件事，如何和算法團(tuán)隊(duì)連接，實(shí)現(xiàn)天線和算法結(jié)合最優(yōu)。

聽(tīng)懂算法人的語(yǔ)言是第一步。俞博坐在我旁邊，我找他要來(lái)算法入門級(jí)的教材和資料一通“惡補(bǔ)”，不懂就抓他問(wèn)，一段時(shí)間下來(lái)總算能從方案、框架上了解什么是算法了。算法的工作量很大，我牽頭搭建了一個(gè)辦公區(qū)的模擬環(huán)境，配置好設(shè)備，花時(shí)間寫(xiě)了兩個(gè)自動(dòng)化測(cè)試和分析的工具，可以將速率大小、信號(hào)強(qiáng)弱通過(guò)圖形曲線的形式統(tǒng)計(jì)出來(lái)，讓每天測(cè)試的速率時(shí)延等信息可視化，方便在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中自動(dòng)采集數(shù)據(jù)和抓包分析，也方便算法團(tuán)隊(duì)進(jìn)行算法的閾值調(diào)試。

就這樣， 多個(gè)領(lǐng)域聚焦，一個(gè)方向上發(fā)力，3個(gè)多月后我們交出一張漂亮的成績(jī)單：業(yè)界首款室內(nèi)場(chǎng)景的寬角度低副瓣抗干擾天線，結(jié)合CCA（Clear Channel Assessment，空閑信道評(píng)估）/TPC（Transmit Power Control，傳輸功率控制）/AMC（Automatic Modulation Control，自動(dòng)調(diào)制控制）抗干擾算法，室內(nèi)高密場(chǎng)景組網(wǎng)性能平均優(yōu)于業(yè)界48%，業(yè)界絕對(duì)領(lǐng)先。

WLAN博士團(tuán)隊(duì)“全家福”，后排左一為作者。