笃学诚行以报国 上下求索以争锋

李明丽

2022年1月12日，中国电子学会发布了2021年度科学技术奖公告：北京邮电大学人工智能学院教授牛凯主持完成的“有限码长下高可靠极化编码理论与方法”获得中国电子学会科学技术奖自然科学奖一等奖。

对工科研究来说，获得自然科学奖并不容易。在成果面前，牛凯十分平静而谦逊：“科研工作就像登山，需要攀登的高峰还有很多，这个过程必须远离浮华，摒除外界干扰，真正静下心来。”

薪火相承 传邮万里

牛凯的母亲在文水县邮电局工作，作为老一辈邮电人，这位干练的基层工作者亲历许多电信工程的规划建设，无形中开启了牛凯对科学的兴趣。“现在想来，长大后我之所以从事通信研究，也许正是受到了妈妈的影响。”牛凯回忆，少年时期他对未知充满探索的兴趣，最喜欢的读物之一就是《少年科学画报》。这样的科普类书籍对少年牛凯产生了很大的启发，促使他一路奔向科研的精彩旅途。

1994年，牛凯考入北京邮电大学信息工程专业，开启了新一代邮电人的技术探索之路。“我的青春求学和科研探索，都是在这所学校。”在牛凯心中，北京邮电大学始终占据着特殊而重要的位置。

有着“信息黄埔”之称的北京邮电大学，是首批“211工程”全国重点大学，也是“双一流”学科建设高校。自1955年建校以来，北京邮电大学始终厚植“传邮万里，国脉所系”的家国情怀，聚焦国家重大战略需求，在信息、计算机技术等领域深耕积累并引领着技术前沿，培养出了一批又一批优秀人才，牛凯亦是其中之一。20多年来，牛凯在信息论与编码、5G/6G移动通信、智能信号处理等研究领域均取得了丰硕的成果，先后在《国际电气电子工程师学会通信杂志》（IEEE Communications Magazine）、《通信技术汇刊》（Transactions on Communications）等重要学术期刊和会议发表论文200多篇，其中，《科学引文检索》（SCI）60余篇。此外，他作为主要编著者，撰写了普通高等教育“十五”“十一五”国家级规划教材《移动通信原理》，荣获2010年全国电子信息类优秀教材奖一等奖。同时，他在4G/5G、信道编译码、智能信息处理领域申请国家发明专利80项，其中40项已获得授权。

牛凯认为北京邮电大学给予的宽松研究环境和众多前辈的言传身教是他取得成果的重要原因：“首先，学校和院系给教师的发展提供了很好的环境和激励;其次，在中国信息论的奠基人周炯槃院士和几代前辈学者悉心培养人才的文化传承下，才有了我个人的一些成果产出。”牛凯坦言，他有幸得到几位重量级前辈的言传身教：吴伟陵教授视野宽广、洞察深邃;周炯槃院士师德高尚、学无止境;张平院士眼光前瞻、大胆探索。3位师长通过不同的方式，在科研之路上深深影响了牛凯。在继承师长优良传统基础上，牛凯也时刻保持开放包容的心态：“我很喜欢‘教学相长’这个词，人的精力有限，老师并不永远是对的。新的思想往往在与学生的相互学习、交流碰撞中产生。”他与团队不断取得的科研成果正是在热烈讨论及无数次试错验证中诞生的。

十年磨一剑 再展凌云志

科研工作不仅需要传承，更要求不断创新。留校工作一段时间后，牛凯觉得应该与专业领域的顶尖学者进行更广泛的交流。于是2011年仲夏，牛凯作为访问学者赴香港城市大学电子工程系，师从张启图教授。结合牛凯过去一直从事的信道编码工作，张教授推荐了极化码研究方向。信道编码是移动通信的核心技术，也是历来国际标准制定中各国争夺焦点之一。1948年信息论创始人克劳德·艾尔伍德·香农（Claude Elwood Shannon）提出著名的信道编码定理，此后70年，设计逼近信道容量的构造性编码一直是编码领域的中心目标。近20年来，虽然以涡轮码（Turbo）与低密度校验码（LDPC）为代表的信道编码具有优越的纠错性能，但难以从理论上证明这些码渐近可达信道容量。直到2009年，土耳其学者埃尔达尔·阿里坎（Erdal Arikan）提出了极化码理论，首次以构造性方法证明信道容量渐近可达。

甫一接触极化码，牛凯立即被其奥妙的理论所吸引，此后，“改进有限码长下极化码的性能”就成为他10年来研究工作的核心目标。“回首这10年的研究历程，跌宕起伏恰似信道极化的过程。”牛凯如是说。

无论何种领域，科研都是一个逐步积淀的漫长过程。着手研究极化码之后，牛凯设计了多种译码算法，虽然也极大地改进了极化码性能，但仍旧逊色于当时主流的涡轮码与低密度校验码。进展出现在2012年3月，在与学生陈凯讨论的过程中，牛凯灵光乍现，建议把循环冗余校验码（CRC）与极化码级联，采用循环冗余校验码校验选择幸存路径。验证结果表明，这种新型代数编译码结构，将有限码长下极化码的差错率降低了两个量级，彻底超越了涡轮码与低密度校验码，使极化码真正具备了落地应用的可能。

牛凯在他的专著《极化码原理与应用》中这样写道：“我们找到了提升极化码性能的金钥匙，这真是‘众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在，灯火阑珊处’。整整一周，我沉浸在极度的兴奋与快乐中，那是一种发现新大陆的奇妙感觉，无法用文字确切形容。”从事科研工作的人都明白，所有的“灵光乍现”都离不开扎实的基本功与日常大量的科研积累。此后两年，牛凯在极化码方面的研究成果进入井喷期，准均匀凿孔（QUP）速率适配方案、混合自动重传请求（HARQ）方案、极化编码调制等系列工作相继取得突破。

与此同时，牛凯的学生陈凯博士毕业并加盟华为公司，恰逢华为积极布局进入5G标准工作，师生二人加紧推动极化码在5G标准中的应用研究。2016年11月18日是他们最难忘的日子。就在这一天，极化码被正式接纳为5G控制信道编码标准，牛凯团队研发的循环冗余校验级联极化（CRC-Polar）码和准均匀凿孔方案对5G极化码标准有实质性贡献。未来每一部5G手机中都将内嵌极化码成果，中国科技实力将在国际上发挥越来越重要的作用。身为重要的参与者和见证者，牛凱激动不已。

极化码被写入5G标准，并不是牛凯研究之路的终点，而是新的起点。在他看来，极化码是通信系统整体优化的“大道”与“太极”，其设计思想暗合了中国道家“大道至简、太极混一”的系统论思想，将成为未来通信系统优化的新方向。纵观第一代移动通信系统（1G）到第五代移动通信系统（5G）的发展历程，满足用户的通信需求是每代系统演进的首要目标，而新的通信技术则是每代系统演进的驱动力。

5G方兴未艾，第六代移动通信系统（6G）已经在筹谋中。6G将网络与用户看作统一的整体，挖掘用户的智能需求是6G的关注重点。在深入探讨6G时代人工智能和人类的关系后，张平院士与牛凯提出了6G业务需求框架，引入了新的通信对象——灵（Genie）。5G只包括了物理世界的三类核心对象——人、机、物，而灵是存在于虚拟世界的第四类对象。牛凯预计，未来6G将是真实世界与虚拟世界（元宇宙）的有机融合，灵将成为元宇宙中的核心元素，通过人-机-物-灵协作，为用户提供实时虚拟业务场景，并代理用户实现相应的需求。

牛凯表示：“为了实现人类更深层次的智能通信需求，需要科研人员在信息理论、传输和组网方面实现理论和技术突破。”可以预见，随着科技日新月异和不断迭代，牛凯与其他科研工作者仍将承担使命，不断前行。