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。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研制。2001年，碩士畢業的李贊留校任教，作為一名青年教師，剛剛畢業的她面臨團隊力量、經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、干事創業，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了從理論創新、技術開發、芯片設計、系統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”，這個詞的瀏覽次數是29.9萬次；而鍵入“跳頻通信”，這個詞的瀏覽次數卻只有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、復雜信道環境下，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，可實現高安全、高可靠傳輸，多用戶時還易于多址組網。”

跳頻通信，就是指收發雙方傳輸信號的頻率，按照預定規律在一定的頻段范圍內進行隨機變化。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，以實現重要信息的高安全、高可靠傳輸。

跳頻通信系統原理圖

如果用更專業的術語來解釋，可以這樣來描述：

在發信機中，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；獨立產生的跳頻序列控制頻率合成器，在不同的時隙內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解跳；解跳后的調制信號在本地載波作用下，經解調后恢復出信碼，從而實現信息的可靠傳輸。

在實際復雜信道環境下，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，李贊發現國內外系統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境導致跳頻通信性能逐步下降的現狀，是否存在更優秀的跳頻序列使得系統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新性研究，在跳頻通信領域成果初現，相關技術和成果走在了同行前列，實現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生方法，生成的序列具有優異的綜合性能指標。”

李贊介紹說，目前國內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、線性復雜性等少數幾項性能，而且還經常“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律難以抵御跟蹤式干擾；或者在多用戶接入和組網時，由于序列碰撞會影響網絡傳輸能力等。

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，實現了13項性能指標全部同時優異。”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需要適應無線信道高動態變化的迫切需求，李贊及其團隊在跳頻通信技術上的第二個重要突破，就是設計出系統參數隨信道特性實時變化的跳頻體制。

在研究中他們進一步發現，跳頻通信系統除了需要保證抗干擾性、抗截獲等綜合性能指標達到最優之外，同時還要求系統參數，比如跳頻頻隙數、跳頻間隔、跳頻用戶數、跳頻頻率集等，能夠隨著實際環境中的干擾、用戶等動態變化，實現高的通信可靠性和頻譜利用率。而現有的序列難以按照實際需求動態變化，因此系統參數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參數實時可變的自適應跳頻序列。也就是說，在下一次頻跳之前，系統可以依據探明的“干凈”頻譜區域，或者無線電磁環境中干擾帶寬變化態勢等實際信道特性，通過實時指令輸入直接改變跳頻間隔等相應系統參數，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，且確保跳頻系統原有的13項性能指標優異性不受影響。這一研究成果，為進一步實現一體化智能通信系統提供了可能。

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和異步組網模型，并得出了跳頻組網性能的結論定理和理論極限，為實際的跳頻組網系統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，設計開發出了看得見、摸得著、用得上的基于FPGA的跳頻芯片。

據介紹，他們所開發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星、遠洋艦船等多種產品和設備中，有效提高了通信系統的傳輸性能，取得了顯著的社會效益。

推動探測、感知和通信相結合

現代通信技術的發展，是道高一尺魔高一丈的螺旋上升進程，隨著無線互聯網、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。

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、現有通信系統對無線環境態勢感知能力急待加強的現狀，又將研究方向擴展到了智能化寬帶電磁頻譜監測領域，旨在將探測、感知和通信相結合，為實現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，這一技術是依據無線環境的感知信息，通過認知引擎進行系統決策，實時改變傳輸功率、載波頻率、調制技術等系統參數以適應信道特性，從而最大限度地充分利用無線環境和信道資源以實現高性能通信。

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

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

“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測，與我們的跳頻通信等技術優勢相結合，不斷提升通信傳輸的可靠性。打個比方，如果說頻譜監測是‘眼睛’，我們就是要讓可靠通信系統用上這個‘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，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、綜合業務網理論與關鍵技術（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。