電子工程世界的智慧之光——記上海交通大學(xué)電子工程系教授、博士生導(dǎo)師陶梅霞

本刊記者　徐芳芳

電子工程世界的智慧之光——記上海交通大學(xué)電子工程系教授、博士生導(dǎo)師陶梅霞

本刊記者徐芳芳

如果把非邏輯思維視為形象思維，那么靈感思維就是頓悟，實(shí)際上是形象思維的特例。靈感的出現(xiàn)常常帶給人們渴求已久的智慧之光。

——錢(qián)學(xué)森

陶梅霞似乎一直是這樣被自己的感悟推著走，任何來(lái)到她身邊的事物她都會(huì)從中看到方向，然后付出自己全部的努力，認(rèn)真做到最好，其余的便不再計(jì)較。從當(dāng)初選擇電子學(xué)，到如今成為上海交通大學(xué)電子工程系教授、博士生導(dǎo)師；主持國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)……一路走來(lái)，她不斷地釋放著自己的能量。

敏而好悟確立事業(yè)方向

早年，陶梅霞考取上海復(fù)旦大學(xué)電子工程系的時(shí)候面臨著專(zhuān)業(yè)的選擇，微電子還是電子學(xué)？當(dāng)時(shí)的她可能不曾想過(guò)，這個(gè)非A即B的選擇將決定她今后的生活。

與大多數(shù)女孩子不同，陶梅霞“特別喜歡數(shù)學(xué)，尤其喜歡推導(dǎo)公式”，“但是對(duì)做實(shí)驗(yàn)這種需要?jiǎng)邮值氖虑閰s不太在行”。一番考慮之后，陶梅霞決定讀電子學(xué)專(zhuān)業(yè)，就這樣，電子學(xué)領(lǐng)域多了一名美女專(zhuān)家。

選專(zhuān)業(yè)就像談戀愛(ài)，互相適合是關(guān)鍵。讀書(shū)的日子里，信號(hào)與信息系統(tǒng)作為電子學(xué)專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課程不知弄得多少人頭暈?zāi)X脹，而陶梅霞卻興奮得不得了，因?yàn)樵谒磥?lái)“用數(shù)學(xué)對(duì)信號(hào)做出解釋和處理是件非常有趣的事情”。顯而易見(jiàn)，陶梅霞與電子學(xué)已然“兩情相悅”。

四年本科的學(xué)習(xí)，并沒(méi)有滿(mǎn)足陶梅霞的好奇心，大學(xué)畢業(yè)后，她選擇繼續(xù)深造。在香港科技大學(xué)讀博期間，她遇到了自己的導(dǎo)師，這是一位在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域頗有名氣的人物，他的言傳身教令陶梅霞受益匪淺。陶梅霞說(shuō)：“在香港科技大學(xué)的那段時(shí)間，是最寶貴的學(xué)習(xí)階段。那時(shí)候，與導(dǎo)師和同學(xué)們的交流讓我知道，原來(lái)學(xué)術(shù)界不是枯燥得像片沙漠，而是有著許許多多有意思的事情。更為重要的是，學(xué)習(xí)和工作讓我發(fā)現(xiàn)，原來(lái)我可以做很多事情，我可以通過(guò)努力為這個(gè)領(lǐng)域做出一點(diǎn)點(diǎn)的貢獻(xiàn)，這個(gè)領(lǐng)域還有太多的未知等待著我去發(fā)現(xiàn)?！?/p>

香港科技大學(xué)的學(xué)習(xí)完成后，陶梅霞進(jìn)入了香港應(yīng)用科技研究院任職。這是一個(gè)類(lèi)似于中科院的研究機(jī)構(gòu)，雖然規(guī)模不大，但是卻肩負(fù)著高難度的研發(fā)工作，并需要把科技成果轉(zhuǎn)移給產(chǎn)業(yè)界，培育優(yōu)秀科技人才，整合業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研發(fā)資源等重任。漸漸的，陶梅霞開(kāi)始注意到，一切在慢慢地發(fā)生著變化?！翱赡苁且?yàn)榻佑|成果轉(zhuǎn)化工作多了，我發(fā)現(xiàn)以前在學(xué)校里做的研究都太理想化了，而現(xiàn)實(shí)中的情況是十分復(fù)雜地，”認(rèn)識(shí)到了這一點(diǎn)，陶梅霞就不斷地提醒自己，“要打破以前慣有的思維方式，開(kāi)拓眼界，結(jié)合實(shí)際”。“科研一定要能夠解決實(shí)際問(wèn)題”也成為了她而后選擇課題方向的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

勤勉努力成就“世紀(jì)創(chuàng)新人才”

2004年8月，陶梅霞受聘于新加坡國(guó)立大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系。任教期間，作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人（PI）和共同負(fù)責(zé)人（Co-PI）共成功申請(qǐng)到約相當(dāng)于160萬(wàn)人民幣的科研基金，指導(dǎo)的一篇本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文獲2005年新加坡工程師協(xié)會(huì)的Publication Awards。

2008年1月，陶梅霞回到祖國(guó)，任教于上海交通大學(xué)電子工程系。同年，成為上海市2008年晨光計(jì)劃項(xiàng)目承擔(dān)人，并榮獲上海交通大學(xué)“晨星青年學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃”SMC優(yōu)秀青年教師獎(jiǎng)。

“無(wú)線(xiàn)雙向中繼通信單元的性能極限分析及其新型編碼與調(diào)制技術(shù)研究”是陶梅霞2009年申請(qǐng)到的青年科學(xué)基金項(xiàng)目。雙向中繼是結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)編碼的無(wú)線(xiàn)協(xié)作通信基本單元。其基本思想是在兩數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)經(jīng)中繼協(xié)助相互傳遞信息時(shí)，由中繼將兩路數(shù)據(jù)合并，然后同時(shí)廣播給接收端。相對(duì)于傳統(tǒng)中繼技術(shù)，雙向中繼可以成倍提升頻譜效率。然而，中繼策略的多樣性、雙向信息長(zhǎng)度的不等性以及信道質(zhì)量的不對(duì)稱(chēng)性等因素，使得相關(guān)研究極富挑戰(zhàn)性。

面對(duì)挑戰(zhàn)，陶梅霞沒(méi)有退縮，她的思路十分明晰并取得了三方面的重要進(jìn)展：通過(guò)分析雙向中繼策略的可達(dá)速率域、分集復(fù)用折中、有效容量等性能指標(biāo)，深入剖析了信道對(duì)稱(chēng)性、中繼節(jié)點(diǎn)位置、天線(xiàn)個(gè)數(shù)、業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)時(shí)延需求等參數(shù)影響這一基本通信單元性能的一般規(guī)律；系統(tǒng)研究了針對(duì)雙向中繼通信單元的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼、信道-網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合編譯碼、以及空時(shí)預(yù)編碼，提出了一套較全面的高譜效、高可靠性的雙向中繼通信方案；還研究了由雙向中繼單元構(gòu)成的多用戶(hù)信息交互網(wǎng)絡(luò)，提出了一系列協(xié)作預(yù)編碼方案及資源優(yōu)化算法，充分挖掘了雙向中繼在實(shí)際復(fù)雜環(huán)境下的高頻譜效率潛能。這些研究成果不僅對(duì)提高無(wú)線(xiàn)雙向甚至多向通信效率具有重要意義，也對(duì)廣義上的網(wǎng)絡(luò)編碼與協(xié)作通信的結(jié)合產(chǎn)生深刻影響。

項(xiàng)目研究期間，陶梅霞應(yīng)邀訪(fǎng)問(wèn)了日本東北大學(xué)Fumiyuki Adachi教授課題組和美國(guó)哥倫比亞大學(xué)王曉東教授課題組，并就雙向中繼預(yù)編碼方面的成果作了學(xué)術(shù)報(bào)告。陶梅霞還與來(lái)訪(fǎng)的英國(guó)約克大學(xué)Alister G. Burr教授和AgisilaosPapadogiannis博士就基于雙向中繼的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼在第四代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用展開(kāi)了合作研究。

基于在陶梅霞?xì)w國(guó)后一系列創(chuàng)新性的研究成果，她成功入選了2011年度教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才計(jì)劃，并于2013年獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金資助。相關(guān)研究成果的學(xué)術(shù)論文還獲得了2013年IEEE通信學(xué)會(huì)海因里?！ず掌澱撐莫?jiǎng)。這是通信領(lǐng)域最重要的國(guó)際學(xué)術(shù)獎(jiǎng)項(xiàng)之一，也是IEEE海因里?！ず掌潽?jiǎng)第一次授予中國(guó)學(xué)者。

水到渠成致力通信前瞻性研究

近年來(lái)，智能終端設(shè)備的廣泛使用，帶動(dòng)了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。作為支撐移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的承載能力卻面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)，主要承載業(yè)務(wù)也已從傳統(tǒng)的“互聯(lián)互通”向“內(nèi)容分發(fā)”迅速轉(zhuǎn)型。然而，當(dāng)前的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)仍然襲著傳統(tǒng)“連接導(dǎo)向”的通信架構(gòu)。單純依賴(lài)擴(kuò)展通信資源的發(fā)展模式無(wú)法支撐移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展。

在通信技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，移動(dòng)終端和網(wǎng)絡(luò)的存儲(chǔ)及計(jì)算能力也在飛躍式的發(fā)展。人們意識(shí)到，如能利用豐富而廉價(jià)的存儲(chǔ)和計(jì)算資源，對(duì)內(nèi)容進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)，然后提前將內(nèi)容緩存在離用戶(hù)近的基站端，或直接推送在用戶(hù)終端設(shè)備里，便可有效減少無(wú)線(xiàn)空口資源消耗或回程鏈路開(kāi)銷(xiāo)，提高移動(dòng)內(nèi)容分發(fā)效率。因此，陶梅霞認(rèn)為，要從本質(zhì)上解決移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的承載問(wèn)題，就必須實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)的“連接導(dǎo)向”到“內(nèi)容中心”的根本轉(zhuǎn)變，構(gòu)建“內(nèi)容中心無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)（content-centric wireless networks）”這一未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信愿景。

陶梅霞介紹說(shuō)：“目前，內(nèi)容中心無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究尚處于起步階段，存在巨大研究空間?！?/p>

2015年，陶梅霞就“基于多播和緩存的內(nèi)容中心無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論及關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目遞交了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目申請(qǐng)書(shū)。

作為項(xiàng)目主持人，陶梅霞將該項(xiàng)目宗旨定位在基于現(xiàn)有無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，通過(guò)充分利用無(wú)線(xiàn)信道的廣播特征和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)里的存儲(chǔ)資源，就“連接導(dǎo)向”到“內(nèi)容中心”的傳輸架構(gòu)轉(zhuǎn)型這一領(lǐng)域進(jìn)行探索。重點(diǎn)圍繞物理層多播和邊緣緩存這兩大核心技術(shù)，深入研究相關(guān)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)。

俗話(huà)說(shuō)，不謀全局者，不足謀一域。經(jīng)過(guò)多年的積淀，陶梅霞已然是為此前瞻性的研究可以順利執(zhí)行打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前的陶梅霞項(xiàng)目組成員已經(jīng)完成了相應(yīng)的基礎(chǔ)性研究工作及預(yù)研，如：面向海量?jī)?nèi)容移動(dòng)分發(fā)的“內(nèi)容中心無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)”概念的提出及容量的初步分析；蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的物理層多播波束賦形；具備緩存的內(nèi)容中心無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)動(dòng)態(tài)多播調(diào)度。

此外，陶梅霞項(xiàng)目組還依托上海無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)研究所搭建的大型綜合無(wú)線(xiàn)創(chuàng)新試驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展研究。該平臺(tái)有效集成了寬帶移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字廣播網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)及云計(jì)算，可以為項(xiàng)目研究中的數(shù)據(jù)采集、分析和方案驗(yàn)證提供豐富的資源。

陶梅霞的這一項(xiàng)目研究成果必將為解決移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的頻譜危機(jī)提供新思路、新途徑，并為構(gòu)建未來(lái)內(nèi)容中心無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)提供基礎(chǔ)理論指導(dǎo)和關(guān)鍵技術(shù)支撐。鑒于近年來(lái)她在科學(xué)研究上的突出表現(xiàn)及所展現(xiàn)出的創(chuàng)新潛能及相關(guān)工作所具有的重要?jiǎng)?chuàng)新前景，2015年8月被遴選為2015年的“萬(wàn)人計(jì)劃”青年拔尖人才。

國(guó)學(xué)大師王國(guó)維的《人間詞話(huà)》中提到關(guān)于治學(xué)的第三種境界，“眾里尋他千百度，驀然回首，那人卻在，燈火闌珊處?！弊鰧W(xué)問(wèn)、成大事業(yè)者，要達(dá)到第三境界，必須有專(zhuān)注的精神，反復(fù)追尋、研究，下足功夫，自然會(huì)豁然貫通，有所發(fā)現(xiàn)，有所發(fā)明，就能夠從必然王國(guó)進(jìn)入自由王國(guó)。記者期待，女青年科學(xué)家陶梅霞在中國(guó)電子工程科學(xué)的天空，綻放屬于自己的智慧之光。