给WiFi加“灯罩”？这个博士团队攻克了业界难题

2019年5月16日晚，参加完华为战略与技术研讨会议后，我和华为海外研究所Wi-Fi实验室资深专家Michael相约一起从深圳机场离开，他转道北京，我回苏州。和Michael拥抱告别后，我走向自己航班的候机厅，看到登机闸口上有一个熟悉的书籍形状的白色设备，我马上拍照发给了Michael：“see？There’s one 4050HD on each gate.（看到了吗？每个门上方都有一个4050HD。）” 

深圳机场登机闸口，顶部白色设备就是我们的Wi-Fi设备。

这个白色设备就是我们的Wi-Fi设备。从2016年第一代场馆Wi-Fi产品诞生到现在源自华为5G的Wi-Fi6产品AirEngine问世，一直都是负责Wi-Fi市场拓展的小伙伴告诉我，我们的设备挂在了北京首都国际机场、深圳机场、鸟巢体育馆、深圳地铁……我从未有机会亲眼见证，这次总算是如愿了。

以往我很少在机场开Wi-Fi，但这次候机的三个小时，我打开手机连上机场Wi-Fi体验了一把，始终信号满格，下载“嗖嗖”地快。对于一个从事理论研究、常常被人觉得不够“接地气”的博士而言，在华为的4年，如同道士下山游历，我学会了双手沾泥，脚踏实地，将所学所长应用于实际。最开心和骄傲的事，莫过于自己的设想最终变成产品，并改变着人们日常工作和生活方式。   

与Michael结缘是2016年初的那个冬天，我们第一次见面也是在深圳。

2015年底，25岁的我从东南大学博士毕业，研究方向是计算电磁学理论和电磁超材料研究。崇拜麦克斯韦的我，一直渴望通过理论的方法解决工程的瓶颈和难题，而华为当时希望引入电磁学超材料技术，在天线小型化和降成本上有所突破。我们一拍即合，2016年元旦后，我加入华为开始天线预研工作，也有幸成为公司在国内做WLAN（无线局域网）天线的第一个博士。

刚到部门就赶上第一代高密天线交付，技术转产品化的最后阶段。当时我们没有自研的天线团队，做自研的在全球不过一两个人，也没有自研的实验室，早年间都是供应商帮我们加工天线，我到华为的第一站，就是去供应商的工厂配合来国内的外籍专家Michael一起调试天线。

做天线需要仿真、设计、加工、测试、验证的过程，要很强的动手能力，但近十年的电磁学理论学习，我更多是通过计算或者编码来推算公式，没有进过工厂，也没有太多工作经验，动手能力可以说几乎为零。

Michael教我拿着刀，把同轴电缆放在食指上，一点一点剥出它的内芯。同轴电缆直径最大也不过1.37毫米，有四层，从外绝缘皮、外导体编织层、介质层，再到内芯，从外到里，每剥一层都不能伤了其他层，不然线缆就作废了。如果技术不好，稍不留神就会把手指划破。剥出内芯后还要熔纤，内芯不过0.3毫米左右，相当于3张A4纸的厚度，一开始我手都是抖的，根本熔不上。

Michael三下五除二，很快就剥好线熔好纤，干净利落。我惊呆了。Michael五十出头，在天线领域工作了近二十年，有着深厚的理论和技术功底，但我没想到的是，他手上的“功夫”竟也如此了得。这种hand-dirty （双手沾泥）的精神深深震撼了我。 

2017年12月 Michael在供应商天线实验室

给天线“动手术”，就像用手术刀剥生鸡蛋壳而不伤膜，需要长期不间断的练习。近一个多月的时间里，我和Michael每天早上一起从酒店出发去工厂，在他的指导下，一边做理论分析，一边调试天线，以划破手指2次的代价，我也能熟练媲美剥线机器的剥线技术。后来的几年时间里，我一直坚持把这一绝技传授给新入职的天线博士们。

但一开始我并不理解，我是从事理论研究的，来华为就是想怎么在这里发挥出价值，每天当“剥线工”有多大意义？完全不需要一个博士啊。而且每天做的都是辅助工作，什么时候才能实现价值？这种自我怀疑和无价值感让我一度对自己的初衷产生了动摇。当压力难以纾解时，我几乎每晚一个人去秦淮河边跑步，疯狂给自己心理暗示，一定能熬过去的，但扎心的是，收效甚微。               

前辈们告诉我，当你在华为能熬过前三个月，基本就能“熬”下去了。幸运的是，三个多月后，参与的天线设计交付项目完成，第一代场馆高密天线成功应用于机场、火车站等人群高密度覆盖区域，这种压力才突然间消散了。对我来说，成功或许才是最有效的解压。

回过头看，这是我第一次亲身经历一个产品从设想、理论、设计、出图到最后交付的全过程，亲身参与天线装在整机上的性能的评估和比拼，亲眼目睹资深前辈扎实的工程基本功，让我懂得既要能“上山”研究，也要能“下山”实践，也可以说是“向上捅破天，向下扎到根”。也是到后来，做了无数次天线开发和研究，我才真正明白，作为一名博士，既会动脑又会动手，才有可能通过不断创新，真正将一个设想变成现实。

入职一年多，我先后参与了3-4款天线设计，但心底一直有一个小小的遗憾，那就是，没能如愿应用超材料。

电磁波（或光子）和电子是两种最重要的信息载体。基于半导体等电子材料的出现，人们对电子传输行为的调控已经到达相当高的水平，比如智能手机的普及、智能机器人的应用等。我是学电磁学的，一直以来的梦想和追求是，像控制电子一样自由控制电磁波，但现实是，自然材料对电磁波的调控能力十分有限。而超材料是在电路板上微小的电磁结构，它的应用可以带来很多全新的物理现象，比如隐身衣、负折射、电磁黑洞、静止彩虹等，可它还能在通信产品中发挥更大的作用吗？

我从论文中找到了破题的灵感。

从求学时代开始我就保持着一个习惯：每天看学术论文。论文是研究者眼睛向外望的一个窗口，也是了解和洞察业界方向和趋势的一个入口。我希望自己每天都能保持“眼睛向外望”，比起每年不超过五六次的国际会议交流，看论文可以说是最快捷的一种学习方式了。当你对一个方向还不清晰时，能做的就是先了解更多的内容，才可能启发灵感。所以对感兴趣的领域，哪怕工作再忙，我几乎每天中午都会抽出20分钟时间看论文。

有人可能会说，20分钟能看什么？说得对，我的方法稍微有点不同——用图片看论文。以前读书时我习惯用文字检索论文，花个一两天一点点下载下来，再从头到尾浏览，看完一篇往往要花很大的精力，但等到读完如果发现不是自己想要的，不仅效率特别低，还浪费了宝贵的时间。图片便是我能找到的折中方式。我会预想一些关键词，比如在网站图片里搜索“天线”，会找出天线的结构、电磁场、分布图、指标曲线等相关图片，这些图片可能就是论文里面的某个图片，点开就直接链接到论文了；又或者浏览了几百张图片，再换关键词“淘”一遍来找到论文。说来也挺有意思，我看这些图片就跟我太太看淘宝一样，要是一两天不看，整个人都不舒服。

入职之初，我阅读超材料相关论文发现，近年来学术界就有超材料应用在Wi-Fi产品中的设想——用超材料创造一个“人工磁导体”。磁导体是物理学上的概念，在自然界中并不存在，自然界存在的是大家熟知的电导体。水平电流放在电导体表面会“短路”，但在“人工磁导体”上是“开路”，天线可以紧贴“人工磁导体”表面，变得更薄。

但这一想法遭到很多人质疑。当时，让天线变薄并不是痛点，因为即便天线做薄，天线的外壳不薄，整机看起来还是不薄。我还没有找到超材料的应用价值，但是我内心一直坚定地认为，这个新东西总有一天会用上。

2018年元旦，我从南京调到苏州WLAN产品部时，团队正在设计第二代场馆高密天线。

WLAN天线是无线的室内基站，性能上靠近无线宏站的性能，成本又逼近终端天线，处于中间位。传统的做法是在几十米的高空上部署两个无线AP（接入点）加外挂很多线缆，因为场馆很大，天线放在AP旁边即可。而如果我们要弯道超车，最好的办法是反其道而行之，比如小型化和降成本。

我们向公司无线天线团队取经，他们在空口面、小型化上有很多技术和经验积累，但是无线天线的元器件振子和馈线架构是分离的，成本高，没法直接满足WLAN的需求。后来，我们就想，把两个AP合二为一，再进一步把天线一体化集成在我们的主设备里。但把Wi-Fi 的2.4GHz频段天线和5GHz频段天线合一的时候遇到一个难题，2.4GHz频段天线的波长比较长，在上面挡住了5GHz频段信号，造成短路。它们不能“叠”在一起。

要怎么解决这个问题呢？我想到了人工磁导体。把最下层的电导体反射板替换成2.4GHz频段的人工磁导体，实现两个频段天线位置的上下调换，改成2.4GHz天线可以放在5GHz天线下面，就像叠“三明治”一样叠起来，这样两个频段的Wi-Fi信号都可以完美地辐射出去，同时也做出了一款超薄的WLAN双频天线。

我把这个思路分享给了Michael，他非常支持，鼓励我沿着这一方向继续研究落地。找准方向比努力更重要，这之后，我又找了与此相关的所有论文和资料，包括理论知识、天线手册、工程书、原版的英文教材等，每想出一个方法，就和Michael团队交流可行性，再一一验证。当时我们还没有自己的实验室，只能自己动手“做”产品，当年跟随Michael练就的功夫派上了用场，在和外研所、WLAN硬件团队合作的近一年时间，我基本都是在不停仿真、不停验证中度过。好在最终不负众望，做出了WLAN AP高密天线的原型。天线成功商用到设备上，尺寸比业界产品小了一半多，整网性能高出业界30%，华为场馆高密AP竞争力领先业界一年以上。这一成果也被评为2018年网络（产品线）最佳发明之一。

在我的电脑里，一直存着两张图片，一张是友商C公司满桌子定位天线的样品，一张是一家智能天线公司的天线也放满了整个桌子。这两张图片告诉我，好的设想并不是一蹴而就，而是不断试错试出来的。我不能保证每一个设想都能尝试成功，实际上我的想法里只有30%能变成项目，30%里又可能只有一半能产品化，但如果不多看，多试，你永远不知道会做成什么。

2018年开始，WLAN开发部逐渐兵强马壮，芯片、算法、天线等领域有越来越多的人员加入，其中博士就有15名。苏州研究所作为公司的Wi-Fi能力中心，认为要打造Wi-Fi领域核心竞争力需要有跨代的技术能力演进，而博士团队的能力和特质决定了可以在这方面发挥更大的作用。研究所设置了“找出Wi-Fi的每一个bit（比特）”主题，并按博士圈运作，每周一次小组讨论，每月一次集体喝咖啡，开展技术交流。

给Wi-Fi加上抗干扰的“灯罩”的创意，就是在一次月末“咖啡会”上碰撞出来的。

当时团队正在天马行空讨论Wi-Fi6的技术展望，我想起曾和公司流程IT的同事开会，一个技术主管提到一个非常有意思的现象，他说，整个业界都面临一个难题，室内的Wi-Fi信号类似于办公室内一个个灯泡发出的光亮，彼此有干扰。他问我：“能不能给Wi-Fi加一个类似咖啡厅灯的灯罩来抑制这种干扰？”

相比于4G/5G网络适用于室外广域覆盖，Wi-Fi主要用于企业无线办公和家庭网络的高密接入，但一般大的办公区域会安装几十甚至上百个AP设备来高密组网，以致Wi-Fi的同频干扰比较严重。

众所周知，灯泡加了灯罩，光的强度会减小，但也不太会干扰其他灯泡和被其他灯泡干扰。但给信号加“灯罩”，听起来有点天方夜谭，不过这一大胆的想象激发了团队的思考：可不可以不装“灯罩”就实现信噪比的最优？

我进一步发散思维，以往场馆天线使用的是业界已非常成熟的窄波束低副瓣方案，打个比方，场馆天线就像一个手电筒，手电筒打出的光束是比较窄的，只有举得越高，光斑区域（信号覆盖区域）才会越大，但室内高度有限，而且不可能密密麻麻布置“手电筒”，因而，室内天线必须像灯泡一样让波束变宽，“照亮”整间屋子，但又要减少“灯泡”之间的相互干扰，让光（信号）发射到指定的区域里。

让波束“从窄到宽”，还要抗干扰，这是一个系统难题。部门成立了天线、RRM（Radio Resource Manage，无线资源管理）算法、网规共同组成的创新组，列出了每一个难点，并进行专业的分析，大家头脑风暴，有人提出了把八竿子打不着的天线和算法相结合的思路。大伙一听，感觉有戏，于是我们求助无线产品线帮忙测试了室内无线环境的信道情况，再把天线预想的一些波束、网规预部署，导入无线的信道测量和系统仿真平台，仿真结果非常喜人，从理论上可以提升80%的并发容量。

接下来就是细化和落地了。我带着几个新来的博士，也是我同校的师弟，一起研究抗干扰天线，算法博士俞居正带着几人研究抗干扰算法。

这又是一个不断试错、试错、再试错的过程。不同的天线有不同的几何结构，我尝试了很多种结构进行仿真，仿真设计后出设计图，再加工成天线，一次尝试最快一两周能出结果，但一开始不是信号覆盖不够，就是干扰又多了，一直在中间寻找一个平衡点。

我一直把自己定位为“桥梁”，架起外籍专家和对内沟通交流的“桥梁”，天线和其他领域的跨域“桥梁”，学术界和产业界之间连接的桥梁。所以，这期间我还做了一件事，如何和算法团队连接，实现天线和算法结合最优。

听懂算法人的语言是第一步。俞博坐在我旁边，我找他要来算法入门级的教材和资料一通“恶补”，不懂就抓他问，一段时间下来总算能从方案、框架上了解什么是算法了。算法的工作量很大，我牵头搭建了一个办公区的模拟环境，配置好设备，花时间写了两个自动化测试和分析的工具，可以将速率大小、信号强弱通过图形曲线的形式统计出来，让每天测试的速率时延等信息可视化，方便在实验过程中自动采集数据和抓包分析，也方便算法团队进行算法的阈值调试。

就这样， 多个领域聚焦，一个方向上发力，3个多月后我们交出一张漂亮的成绩单：业界首款室内场景的宽角度低副瓣抗干扰天线，结合CCA（Clear Channel Assessment，空闲信道评估）/TPC（Transmit Power Control，传输功率控制）/AMC（Automatic Modulation Control，自动调制控制）抗干扰算法，室内高密场景组网性能平均优于业界48%，业界绝对领先。

WLAN博士团队“全家福”，后排左一为作者。

我设计过一张喇叭图，图的中心是一个喇叭，也就是喇叭天线，喇叭口对着全世界先进的技术，作为博士要参与国际前沿动态，与公司海外研究所交流联合开发，也要有机会和业界前沿Fellow点对点喝咖啡，展望未来。在喇叭口最底端，非常细的矩形区域，我定义为工程化能力，尤其是无线和终端在射频天线技术这块非常强大。那么我自己呢？我想，我处于喇叭口的过渡阶段，站在公司强大的工程能力基础上，怎样通过理论专业研究分析和方法做好外界先进技术和客户价值宽窄喇叭口的转换，最大增益吸收先进技术和宇宙能量。

 华为4年，从利用超材料技术突破天线单领域工程瓶颈，到通过天线和算法跨域创新突破业界难题，我最大的收获是，向外的喇叭口在不断打开。未来我希望将天线和射频、芯片、算法等多个领域结合摸索出跨域创新的方法论或模式，我们能打造出跨领域的博士军团，就像全营一杆枪一样，有各种类型的人才，但每个人都围绕一个目标冲锋，这样才能发挥出一个军团最大的优势和最强的力量。

很多人说我是一个非典型的博士，我喜欢抬头看路，下山游历一番，之后再闭关修炼，等到有所成之后再出来继续游历。人生本就是上山、下山，我想，在这条通过未来的路上，创新无止境，追求亦无止境。