篤學(xué)誠行以報國,上下求索以爭鋒

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李明麗

2022年1月12日，中國電子學(xué)會發(fā)布了2021年度科學(xué)技術(shù)獎公告：北京郵電大學(xué)人工智能學(xué)院教授牛凱主持完成的“有限碼長下高可靠極化編碼理論與方法〞獲得中國電子學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎自然科學(xué)獎一等獎。

對工科研究來說，獲得自然科學(xué)獎并不簡單。在成果面前，牛凱十分寧靜而謙遜：“科研工作就像登山，需要攀登的高峰還有好多，這個過程必需遠離浮華，摒除外界干擾，真正靜下心來。〞

薪火相承傳郵萬里

牛凱的母親在文水縣郵電局工作，作為老一輩郵電人，這位干練的基層工親歷大量電信工程的規(guī)劃建設(shè)，無形中開啟了牛凱對科學(xué)的興趣?！艾F(xiàn)在想來，長大后我之所以從事通信研究，可能正是受到了媽媽的影響。〞牛凱回憶，少年時期他對未知充滿摸索的興趣，最喜歡的讀物之一就是《少年科學(xué)畫報》。這樣的科普類書籍對少年牛凱產(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)，開啟了新一代郵電人的技術(shù)摸索之路?！拔业那啻呵髮W(xué)和科研摸索，都是在這所學(xué)校。〞在牛凱心中，北京郵電大學(xué)始終占據(jù)著特別而重要的位置。

有著“信息黃埔〞之稱的北京郵電大學(xué)，是首批“211工程〞全國重點大學(xué)，也是“雙一流〞學(xué)科建設(shè)高校。自1955年建校以來，北京郵電大學(xué)始終厚植“傳郵萬里，國脈所系〞的家國情懷，聚焦國家重大戰(zhàn)略需求，在信息、計算機技術(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，牛凱在信息論與編碼、5G/6G移動通信、智能信號處理等研究領(lǐng)域均取得了豐碩的成果，先后在《國際電氣電子工程師學(xué)會通信雜志》（IEEECommunicationsMagazine）、《通信技術(shù)匯刊》（TransactionsonCommunications）等重要學(xué)術(shù)期刊和會議發(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〞國家級規(guī)劃教材《移動通信原理》，榮獲2022年全國電子信息類優(yōu)秀教材獎一等獎。同時，他在4G/5G、信道編譯碼、智能信息處理領(lǐng)域申請國家發(fā)明專利80項，其中40項已獲得授權(quán)。

牛凱認為北京郵電大學(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)境和鼓舞;其次，在中國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，才有了我個人的一些成果產(chǎn)出。〞牛凱坦言，他有幸得到幾位重量級前輩的言傳身教：吳偉陵教授視野寬廣、洞察深邃;周炯槃院士師德高尚、學(xué)無止境;張平院士眼光前瞻、大膽摸索。3位師長通過不同的方式，在科研之路上深深影響了牛凱。在繼承師長優(yōu)良傳統(tǒng)基礎(chǔ)上，牛凱也時刻保持開放寬容的心態(tài)：“我很喜歡‘教學(xué)相長’這個詞，人的精力有限，老師并不永遠是對的。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。〞他與團隊不斷取得的科研成果正是在強烈探討及無數(shù)次試錯驗證中誕生的。

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。留校工作一段時間后，牛凱覺得應(yīng)當(dāng)與專業(yè)領(lǐng)域的頂尖學(xué)者進行更廣泛的交流。于是2022年仲夏，牛凱作為訪問學(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。信道編碼是移動通信的核心技術(shù)，也是歷來國際標(biāo)準(zhǔn)制定中各國爭奪焦點之一。1948年信息論創(chuàng)始人克勞德·艾爾伍德·香農(nóng)（ClaudeElwoodShannon）提出有名的信道編碼定理，此后70年，設(shè)計迫近信道容量的構(gòu)造性編碼一直是編碼領(lǐng)域的中心目標(biāo)。近20年來，雖然以渦輪碼（Turbo）與低密度校驗碼（LDPC）為代表的信道編碼具有優(yōu)越的糾錯性能，但難以從理論上證明這些碼漸近可達信道容量。直到2022年，土耳其學(xué)者埃爾達爾·阿里坎（ErdalArikan）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。

甫一接觸極化碼，牛凱立刻被其微妙的理論所吸引，此后，“改進有限碼長下極化碼的性能〞就成為他10年來研究工作的核心目標(biāo)。“回首這10年的研究歷程，跌宕起伏恰似信道極化的過程。〞牛凱如是說。

無論何種領(lǐng)域，科研都是一個逐步積淀的漫長過程。著手研究極化碼之后，牛凱設(shè)計了多種譯碼算法，雖然也極大地改進了極化碼性能，但依舊遜色于當(dāng)時主流的渦輪碼與低密度校驗碼。進展出現(xiàn)在2022年3月，在與學(xué)生陳凱探討的過程中，牛凱靈光乍現(xiàn)，建議把循環(huán)冗余校驗碼（CRC）與極化碼級聯(lián)，采用循環(huán)冗余校驗碼校驗選擇幸存路徑。驗證結(jié)果說明，這種新型代數(shù)編譯碼結(jié)構(gòu)，將有限碼長下極化碼的過錯率降低了兩個量級，完全超越了渦輪碼與低密度校驗碼，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開心中，那是一種發(fā)現(xiàn)新大陸的巧妙感覺，無法用文字確鑿形容。〞從事科研工作的人都明白，所有的“靈光乍現(xiàn)〞都離不開扎實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入井噴期，準(zhǔn)均勻鑿孔（QUP）速率適配方案、混合自動重傳請求（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，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入5G標(biāo)準(zhǔn)工作，師生二人加緊推動極化碼在5G標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)用研究。2022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操縱信道編碼標(biāo)準(zhǔn)，牛凱團隊研發(fā)的循環(huán)冗余校驗級聯(lián)極化（CRC-Polar）碼和準(zhǔn)均勻鑿孔方案對5G極化碼標(biāo)準(zhǔn)有實質(zhì)性貢獻。未來每一部5G手機中都將內(nèi)嵌極化碼成果，中國科技實力將在國際上發(fā)揮越來越重要的作用。身為重要的參與者和見證者，牛凱沖動不已。

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

5G方興未艾，第六代移動通信系統(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)重視點。在深入探討6G時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，引入了新的通信對象——靈（Genie）。5G只包括了物理世界的三類核心對象——人、機、物，而靈是存在于虛擬世界的第四類對象。牛凱預(yù)計，未來6G將是真實世界與虛擬世界（元宇宙）的有機融合，靈將成為元