袁曉軍：破譯信息通信中的“密碼”

宋潔

1996年，袁曉軍考進上海交通大學(xué)，也有了他的第一部數(shù)字手機——經(jīng)典的摩托羅拉翻蓋手機。好奇心正盛的年紀(jì)，袁曉軍開始琢磨手機到底是如何工作的。“這種好奇心讓我認(rèn)定了電子工程方向。”多年后，已經(jīng)是上海科技大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院助理教授的袁曉軍回憶道。

科研在于積累

“碩士階段，我?guī)煆耐踝谛澜淌冢芯?G無線通信中的關(guān)鍵技術(shù)——智能天線。由于研究基礎(chǔ)較薄弱，我當(dāng)時并沒能做出較有影響力的研究成果，希望通過攻讀博士學(xué)位來彌補。”拿到復(fù)旦大學(xué)碩士學(xué)位后，2004年，袁曉軍走進香港城市大學(xué)，師從李坪教授，開始研究編碼多天線系統(tǒng)的迭代檢測。

研究的起始階段并不很順利。袁曉軍想要對提出的迭代檢測算法進行理論分析，但理論預(yù)測的算法性能總是與數(shù)值仿真結(jié)果不吻合。他被卡在這個瓶頸上將近兩年時間，找不到突破口。“直到有一天，腦子里突然有了新的想法，將算法中的某一關(guān)鍵步驟進行適當(dāng)調(diào)整，仿真結(jié)果與理論分析馬上就完全吻合了。”那一刻，袁曉軍興奮得像個孩子，立馬跑去告訴導(dǎo)師。“2005年開始研究，2007年才寫了文章投稿，2008年在IEEE頂級期刊JSAC上發(fā)表。這篇博士論文來得其實挺晚的。”為了完成這項工作，袁曉軍花了很多精力去攻讀相關(guān)文獻，去理解同行專家的思想，去梳理算法脈絡(luò)。這種“慢工熬細(xì)活”的狀態(tài)也許在一些人看來有些浪費時間。“但是科研是一個積累的過程，有些知識也許眼前看不清作用，可當(dāng)你積累到一定程度，就會派上用場。只要認(rèn)準(zhǔn)了方向，不輕言放棄，過程也許艱難，但堅信前景必定光明。這就是我的科研信條。”袁曉軍說。

天道酬勤，袁曉軍在多天線（MIMO）技術(shù)上的研究積累逐漸形成了系統(tǒng)性成果。他首次提出了一種有效的迭代檢測機制，可以在包含符號間串?dāng)_、多天線干擾、多址干擾等的高度不利移動通信的環(huán)境中，進行可靠有效地通信，將基于關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)的復(fù)雜度降低到線性程度。他開創(chuàng)性地提出了線性預(yù)編碼矩陣和迭代檢測的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計，并從信息論的角度建立了迭代檢測系統(tǒng)的性能極限。他開創(chuàng)性地提出了一種基于局部信道信息的分布式波束形成技術(shù)（Hermitian預(yù)編碼技術(shù)），可以大幅降低基于大規(guī)模天線陣列的蜂窩網(wǎng)系統(tǒng)獲取信道狀態(tài)信息的難度。他深入研究了毫米波的電磁傳播特性，并與合作團隊首次揭示了基于規(guī)則天線陣列的毫米波信道的多路復(fù)用模式。

這些成果發(fā)表在IEEE頂級期刊后，引起了學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注，一成果被評價為“MIMO信道中基于非最大化碼率準(zhǔn)則的先驅(qū)工作之一”，另一成果被評價為“系統(tǒng)地利用迭代檢測來消除各種信號干擾的代表性工作之一”。另外，Hermitian預(yù)編碼技術(shù)得到了美國喬治亞理工大學(xué)Geoffery YeLi院士、倫敦大學(xué)學(xué)院Kai-Kit Wong院士等著名研究組的關(guān)注和引用，被認(rèn)為可以在Massive MIMO系統(tǒng)中大幅降低獲取信道信息帶來的開銷。Massive MIMO創(chuàng)始人、美國貝爾實驗室Thomas L.Marzetta博士也對該項工作高度評價，稱其為具有獨創(chuàng)性的大天線技術(shù)下行鏈路實現(xiàn)機制。

一位“港漂”的回歸

2008年獲得博士學(xué)位后，袁曉軍留在香港城市大學(xué)電子工程系擔(dān)任研究員。此后，他分別在2009年與2010年的春夏兩季以訪問學(xué)者的身份前往夏威夷大學(xué)馬諾分校。2011年7月，他加入香港中文大學(xué)，成為網(wǎng)絡(luò)編碼研究所的助理教授。截至2014年底，他發(fā)表了學(xué)術(shù)論文79篇，其中包括發(fā)表在IEEE頂級期刊上的35篇期刊論文以及在著名國際會議上的44篇會刊論文，并獲國內(nèi)外總引用640多次。2014年獲得國際通信領(lǐng)域頂級會議IEEE ICC的最佳論文獎，同年入選國際會議IEEE GlobeCom最佳報告論文。

不知不覺中，當(dāng)初那個對電子工程滿懷好奇的少年，已經(jīng)嶄露頭角。然而，在袁曉軍個人看來，他在博士畢業(yè)后，經(jīng)歷的卻是一個充滿挑戰(zhàn)的轉(zhuǎn)型過程。“其實每一位成熟的科研人，在這個階段都必須完成從一個由導(dǎo)師安排研究任務(wù)的博士生到一個具備國際視野和獨立科研能力的科研工作者的轉(zhuǎn)變。”袁曉軍說。

到香港中文大學(xué)任職之后，他將研究方向定位在網(wǎng)絡(luò)編碼上，并取得了一系列國際領(lǐng)先的理論成果。他率先研究了結(jié)合網(wǎng)絡(luò)編碼和多天線技術(shù)的雙向中繼傳輸；首次提出利用基于網(wǎng)格預(yù)編碼和連續(xù)干擾消除的網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)來達到蜂窩雙向中繼信道的香農(nóng)容量；首次揭示了無線MIMO交換系統(tǒng)中最小均方誤差準(zhǔn)則和最大和速率準(zhǔn)則的轉(zhuǎn)換關(guān)系；系統(tǒng)分析了多天線多向中繼信道的自由度，并推導(dǎo)了在任意信道參數(shù)配置下該信道的可達自由度。這些成果引起了美國德州農(nóng)工大學(xué)Krishna Narayanan教授研究組、悉尼大學(xué)Branka Vucetic院士研究組等國際著名研究組的廣泛引用。物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的創(chuàng)始人Soung C.Liew院士研究評價其研究成果是針對多天線系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)編碼的先驅(qū)工作；網(wǎng)格編碼的創(chuàng)始人Uri Erez教授指出，該成果是目前MIMO雙向中繼信道容量的最佳刻畫。

在糾錯編碼技術(shù)上，他提出的一種能夠達到信道容量的系統(tǒng)噴泉碼，是首例具有線性編解碼復(fù)雜度并達到信道容量的系統(tǒng)噴泉碼。他還開創(chuàng)性地揭示了疊加編碼調(diào)制和基于最小均方誤差準(zhǔn)則的迭代檢測之間的聯(lián)系，為迭代系統(tǒng)中的編碼調(diào)制設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。這一系列成果也得到了學(xué)術(shù)界的高度評價和廣泛引用。

在科研道路上，袁曉軍迅速成長著。然而，多年的“港漂”生涯以及海外訪學(xué)經(jīng)歷，反而讓他越來越想回到內(nèi)地。“我能看得到我的未來可能就是一名普通教授。關(guān)鍵在于，香港和海外并不稀缺這類人才。”袁曉軍發(fā)現(xiàn)，其實更需要他、也更能讓他大展身手的職業(yè)舞臺在內(nèi)地。更何況，多年來，他與妻子分居于香港和上海，也希望結(jié)束“雙城記”生活，和家人團聚。

2013年，香港中文大學(xué)網(wǎng)絡(luò)編碼研究所主任楊偉豪教授應(yīng)邀參加上海科技大學(xué)的奠基儀式。回香港后，楊偉豪與袁曉軍聊起此事，引發(fā)了后者的興趣。經(jīng)多方了解之后，袁曉軍對上海科技大學(xué)的辦學(xué)理念十分欣賞，認(rèn)為這是一個回歸的機遇，開始著手準(zhǔn)備求職簡歷。2014年下半年，他全職加入上海科技大學(xué)。他回來了。

要探索，總會有驚喜

對于一個“科研達人”來說，袁曉軍在上海科技大學(xué)的重點當(dāng)然還是科研。一年多來，他延續(xù)網(wǎng)絡(luò)編碼方向的工作，帶領(lǐng)團隊系統(tǒng)地描述了中繼網(wǎng)絡(luò)在多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)交換模式之下的信道容量的測算。他也開始嘗試開拓新的研究，利用數(shù)學(xué)分支“蓋理論”解決了通信理論界多年來懸而未決的問題——多用戶多天線信道下的最優(yōu)導(dǎo)頻信號設(shè)計問題。“一直以來這個問題沒有得到系統(tǒng)解決。我有幸在最近得到了較完善的結(jié)果。”

當(dāng)然了，與這些曾經(jīng)熟悉的領(lǐng)域相比，“壓縮感知”才是他回來之后最大的嘗試。“我原本是在鉆研多天線信道的均衡算法設(shè)計。沒想到，相關(guān)算法中的數(shù)學(xué)模型與壓縮感知里的數(shù)學(xué)模型有很大的相似性。對其做了改善并應(yīng)用到壓縮感知之后，性能竟然超過了已有的壓縮感知算法。”文章投出后，評審專家中有一位是壓縮感知領(lǐng)域鼻祖、斯坦福大學(xué)David Donoho院士的課題組成員，對這件工作產(chǎn)生了極大興趣，并發(fā)郵件詢問合作事項。經(jīng)過獨立研究與合作交流，袁曉軍首次提出一種基于線性預(yù)編碼與消息傳遞的非線性均衡器，突破性地提出了性能優(yōu)越的Turbo壓縮感知算法。“現(xiàn)在的核磁成像技術(shù)，要得到比較好的分辨率，病人要躺半個小時以上，這個技術(shù)成熟后可以壓縮到十分鐘內(nèi)。”當(dāng)學(xué)術(shù)界評價他的研究為壓縮感知指明了新方向時，袁曉軍已經(jīng)在考慮他的研究的應(yīng)用前景了。

“我也在關(guān)注新興研究領(lǐng)域，如大數(shù)據(jù)處理、人工智能等。”現(xiàn)在的袁曉軍忙著備課，忙著指導(dǎo)學(xué)生，忙著參與學(xué)院建設(shè)，忙著忙不完的科研。回國以來，他贏得了第十二屆青年千人、中國電子學(xué)會信息論分會2015年度信息論青年新星獎、2015年度上海科技大學(xué)信息學(xué)院最佳科研獎等。這些同行認(rèn)可令他充滿了斗志，精神飽滿地投入到新的生活中。不可限量的未來，在上海起航。