篤學(xué)誠(chéng)行以報(bào)國(guó) 上下求索以爭(zhēng)鋒

李明麗

2022年1月12日，中國(guó)電子學(xué)會(huì)發(fā)布了2021年度科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)公告：北京郵電大學(xué)人工智能學(xué)院教授牛凱主持完成的“有限碼長(zhǎng)下高可靠極化編碼理論與方法”獲得中國(guó)電子學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

對(duì)工科研究來(lái)說(shuō)，獲得自然科學(xué)獎(jiǎng)并不容易。在成果面前，牛凱十分平靜而謙遜：“科研工作就像登山，需要攀登的高峰還有很多，這個(gè)過(guò)程必須遠(yuǎn)離浮華，摒除外界干擾，真正靜下心來(lái)?！?/p>

薪火相承 傳郵萬(wàn)里

牛凱的母親在文水縣郵電局工作，作為老一輩郵電人，這位干練的基層工作者親歷許多電信工程的規(guī)劃建設(shè)，無(wú)形中開(kāi)啟了牛凱對(duì)科學(xué)的興趣?！艾F(xiàn)在想來(lái)，長(zhǎng)大后我之所以從事通信研究，也許正是受到了媽媽的影響?！迸P回憶，少年時(shí)期他對(duì)未知充滿探索的興趣，最喜歡的讀物之一就是《少年科學(xué)畫報(bào)》。這樣的科普類書籍對(duì)少年牛凱產(chǎn)生了很大的啟發(fā)，促使他一路奔向科研的精彩旅途。

1994年，牛凱考入北京郵電大學(xué)信息工程專業(yè)，開(kāi)啟了新一代郵電人的技術(shù)探索之路?！拔业那啻呵髮W(xué)和科研探索，都是在這所學(xué)校?！痹谂P心中，北京郵電大學(xué)始終占據(jù)著特殊而重要的位置。

有著“信息黃埔”之稱的北京郵電大學(xué)，是首批“211工程”全國(guó)重點(diǎn)大學(xué)，也是“雙一流”學(xué)科建設(shè)高校。自1955年建校以來(lái)，北京郵電大學(xué)始終厚植“傳郵萬(wàn)里，國(guó)脈所系”的家國(guó)情懷，聚焦國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，在信息、計(jì)算機(jī)技術(shù)等領(lǐng)域深耕積累并引領(lǐng)著技術(shù)前沿，培養(yǎng)出了一批又一批優(yōu)秀人才，牛凱亦是其中之一。20多年來(lái)，牛凱在信息論與編碼、5G/6G移動(dòng)通信、智能信號(hào)處理等研究領(lǐng)域均取得了豐碩的成果，先后在《國(guó)際電氣電子工程師學(xué)會(huì)通信雜志》（IEEE Communications Magazine）、《通信技術(shù)匯刊》（Transactions on Communications）等重要學(xué)術(shù)期刊和會(huì)議發(fā)表論文200多篇，其中，《科學(xué)引文檢索》（SCI）60余篇。此外，他作為主要編著者，撰寫了普通高等教育“十五”“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材《移動(dòng)通信原理》，榮獲2010年全國(guó)電子信息類優(yōu)秀教材獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。同時(shí)，他在4G/5G、信道編譯碼、智能信息處理領(lǐng)域申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利80項(xiàng)，其中40項(xiàng)已獲得授權(quán)。

牛凱認(rèn)為北京郵電大學(xué)給予的寬松研究環(huán)境和眾多前輩的言傳身教是他取得成果的重要原因：“首先，學(xué)校和院系給教師的發(fā)展提供了很好的環(huán)境和激勵(lì);其次，在中國(guó)信息論的奠基人周炯槃院士和幾代前輩學(xué)者悉心培養(yǎng)人才的文化傳承下，才有了我個(gè)人的一些成果產(chǎn)出?！迸P坦言，他有幸得到幾位重量級(jí)前輩的言傳身教：吳偉陵教授視野寬廣、洞察深邃;周炯槃院士師德高尚、學(xué)無(wú)止境;張平院士眼光前瞻、大膽探索。3位師長(zhǎng)通過(guò)不同的方式，在科研之路上深深影響了牛凱。在繼承師長(zhǎng)優(yōu)良傳統(tǒng)基礎(chǔ)上，牛凱也時(shí)刻保持開(kāi)放包容的心態(tài)：“我很喜歡‘教學(xué)相長(zhǎng)’這個(gè)詞，人的精力有限，老師并不永遠(yuǎn)是對(duì)的。新的思想往往在與學(xué)生的相互學(xué)習(xí)、交流碰撞中產(chǎn)生?！彼c團(tuán)隊(duì)不斷取得的科研成果正是在熱烈討論及無(wú)數(shù)次試錯(cuò)驗(yàn)證中誕生的。

十年磨一劍 再展凌云志

科研工作不僅需要傳承，更要求不斷創(chuàng)新。留校工作一段時(shí)間后，牛凱覺(jué)得應(yīng)該與專業(yè)領(lǐng)域的頂尖學(xué)者進(jìn)行更廣泛的交流。于是2011年仲夏，牛凱作為訪問(wèn)學(xué)者赴香港城市大學(xué)電子工程系，師從張啟圖教授。結(jié)合牛凱過(guò)去一直從事的信道編碼工作，張教授推薦了極化碼研究方向。信道編碼是移動(dòng)通信的核心技術(shù)，也是歷來(lái)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定中各國(guó)爭(zhēng)奪焦點(diǎn)之一。1948年信息論創(chuàng)始人克勞德·艾爾伍德·香農(nóng)（Claude Elwood Shannon）提出著名的信道編碼定理，此后70年，設(shè)計(jì)逼近信道容量的構(gòu)造性編碼一直是編碼領(lǐng)域的中心目標(biāo)。近20年來(lái)，雖然以渦輪碼（Turbo）與低密度校驗(yàn)碼（LDPC）為代表的信道編碼具有優(yōu)越的糾錯(cuò)性能，但難以從理論上證明這些碼漸近可達(dá)信道容量。直到2009年，土耳其學(xué)者埃爾達(dá)爾·阿里坎（Erdal Arikan）提出了極化碼理論，首次以構(gòu)造性方法證明信道容量漸近可達(dá)。

甫一接觸極化碼，牛凱立即被其奧妙的理論所吸引，此后，“改進(jìn)有限碼長(zhǎng)下極化碼的性能”就成為他10年來(lái)研究工作的核心目標(biāo)?！盎厥走@10年的研究歷程，跌宕起伏恰似信道極化的過(guò)程?！迸P如是說(shuō)。

無(wú)論何種領(lǐng)域，科研都是一個(gè)逐步積淀的漫長(zhǎng)過(guò)程。著手研究極化碼之后，牛凱設(shè)計(jì)了多種譯碼算法，雖然也極大地改進(jìn)了極化碼性能，但仍舊遜色于當(dāng)時(shí)主流的渦輪碼與低密度校驗(yàn)碼。進(jìn)展出現(xiàn)在2012年3月，在與學(xué)生陳凱討論的過(guò)程中，牛凱靈光乍現(xiàn)，建議把循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）與極化碼級(jí)聯(lián)，采用循環(huán)冗余校驗(yàn)碼校驗(yàn)選擇幸存路徑。驗(yàn)證結(jié)果表明，這種新型代數(shù)編譯碼結(jié)構(gòu)，將有限碼長(zhǎng)下極化碼的差錯(cuò)率降低了兩個(gè)量級(jí)，徹底超越了渦輪碼與低密度校驗(yàn)碼，使極化碼真正具備了落地應(yīng)用的可能。

牛凱在他的專著《極化碼原理與應(yīng)用》中這樣寫道：“我們找到了提升極化碼性能的金鑰匙，這真是‘眾里尋他千百度，驀然回首，那人卻在，燈火闌珊處’。整整一周，我沉浸在極度的興奮與快樂(lè)中，那是一種發(fā)現(xiàn)新大陸的奇妙感覺(jué)，無(wú)法用文字確切形容?！睆氖驴蒲泄ぷ鞯娜硕济靼祝械摹办`光乍現(xiàn)”都離不開(kāi)扎實(shí)的基本功與日常大量的科研積累。此后兩年，牛凱在極化碼方面的研究成果進(jìn)入井噴期，準(zhǔn)均勻鑿孔（QUP）速率適配方案、混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求（HARQ）方案、極化編碼調(diào)制等系列工作相繼取得突破。

與此同時(shí)，牛凱的學(xué)生陳凱博士畢業(yè)并加盟華為公司，恰逢華為積極布局進(jìn)入5G標(biāo)準(zhǔn)工作，師生二人加緊推動(dòng)極化碼在5G標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)用研究。2016年11月18日是他們最難忘的日子。就在這一天，極化碼被正式接納為5G控制信道編碼標(biāo)準(zhǔn)，牛凱團(tuán)隊(duì)研發(fā)的循環(huán)冗余校驗(yàn)級(jí)聯(lián)極化（CRC-Polar）碼和準(zhǔn)均勻鑿孔方案對(duì)5G極化碼標(biāo)準(zhǔn)有實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)。未來(lái)每一部5G手機(jī)中都將內(nèi)嵌極化碼成果，中國(guó)科技實(shí)力將在國(guó)際上發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。身為重要的參與者和見(jiàn)證者，牛凱激動(dòng)不已。

極化碼被寫入5G標(biāo)準(zhǔn)，并不是牛凱研究之路的終點(diǎn)，而是新的起點(diǎn)。在他看來(lái)，極化碼是通信系統(tǒng)整體優(yōu)化的“大道”與“太極”，其設(shè)計(jì)思想暗合了中國(guó)道家“大道至簡(jiǎn)、太極混一”的系統(tǒng)論思想，將成為未來(lái)通信系統(tǒng)優(yōu)化的新方向?？v觀第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)（1G）到第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)（5G）的發(fā)展歷程，滿足用戶的通信需求是每代系統(tǒng)演進(jìn)的首要目標(biāo)，而新的通信技術(shù)則是每代系統(tǒng)演進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力。

5G方興未艾，第六代移動(dòng)通信系統(tǒng)（6G）已經(jīng)在籌謀中。6G將網(wǎng)絡(luò)與用戶看作統(tǒng)一的整體，挖掘用戶的智能需求是6G的關(guān)注重點(diǎn)。在深入探討6G時(shí)代人工智能和人類的關(guān)系后，張平院士與牛凱提出了6G業(yè)務(wù)需求框架，引入了新的通信對(duì)象——靈（Genie）。5G只包括了物理世界的三類核心對(duì)象——人、機(jī)、物，而靈是存在于虛擬世界的第四類對(duì)象。牛凱預(yù)計(jì)，未來(lái)6G將是真實(shí)世界與虛擬世界（元宇宙）的有機(jī)融合，靈將成為元宇宙中的核心元素，通過(guò)人-機(jī)-物-靈協(xié)作，為用戶提供實(shí)時(shí)虛擬業(yè)務(wù)場(chǎng)景，并代理用戶實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的需求。

牛凱表示：“為了實(shí)現(xiàn)人類更深層次的智能通信需求，需要科研人員在信息理論、傳輸和組網(wǎng)方面實(shí)現(xiàn)理論和技術(shù)突破?！笨梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著科技日新月異和不斷迭代，牛凱與其他科研工作者仍將承擔(dān)使命，不斷前行。