袁曉軍：破譯信息通信中的“密碼”

本刊記者　宋　潔

袁曉軍：破譯信息通信中的“密碼”

本刊記者宋潔

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

科研在于積累

“碩士階段，我師從王宗欣教授，研究3G無線通信中的關鍵技術——智能天線。由于研究基礎較薄弱，我當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位來彌補。”拿到復旦大學碩士學位后，2004年，袁曉軍走進香港城市大學，師從李坪教授，開始研究編碼多天線系統的迭代檢測。

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，但理論預測的算法性能總是與數值仿真結果不吻合。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，將算法中的某一關鍵步驟進行適當調整，仿真結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文獻，去理解同行專家的思想，去梳理算法脈絡。這種“慢工熬細活”的狀態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，可當你積累到一定程度，就會派上用場。只要認準了方向，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）技術上的研究積累逐漸形成了系統性成果。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擾、多天線干擾、多址干擾等的高度不利移動通信的環境中，進行可靠有效地通信，將基于關鍵系統參數的復雜度降低到線性程度。他開創性地提出了線性預編碼矩陣和迭代檢測的聯合優化設計，并從信息論的角度建立了迭代檢測系統的性能極限。他開創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(Hermitian預編碼技術)，可以大幅降低基于大規模天線陣列的蜂窩網系統獲取信道狀態信息的難度。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則天線陣列的毫米波信道的多路復用模式。

這些成果發表在IEEE頂級期刊后，引起了學術界的高度關注，一成果被評價為“MIMO信道中基于非最大化碼率準則的先驅工作之一”，另一成果被評價為“系統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預編碼技術得到了美國喬治亞理工大學Geoffery YeLi院士、倫敦大學學院Kai-Kit Wong院士等著名研究組的關注和引用，被認為可以在Massive MIMO系統中大幅降低獲取信道信息帶來的開銷。Massive MIMO創始人、美國貝爾實驗室Thomas L.Marzetta博士也對該項工作高度評價，稱其為具有獨創性的大天線技術下行鏈路實現機制。

一位“港漂”的回歸

2008年獲得博士學位后，袁曉軍留在香港城市大學電子工程系擔任研究員。此后，他分別在2009年與2010年的春夏兩季以訪問學者的身份前往夏威夷大學馬諾分校。2011年7月，他加入香港中文大學，成為網絡編碼研究所的助理教授。截至2014年底，他發表了學術論文79篇，其中包括發表在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，并獲國內外總引用640多次。2014年獲得國際通信領域頂級會議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，當初那個對電子工程滿懷好奇的少年，已經嶄露頭角。然而，在袁曉軍個人看來，他在博士畢業后，經歷的卻是一個充滿挑戰的轉型過程。“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師安排研究任務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變。”袁曉軍說。

到香港中文大學任職之后，他將研究方向定位在網絡編碼上，并取得了一系列國際領先的理論成果。他率先研究了結合網絡編碼和多天線技術的雙向中繼傳輸；首次提出利用基于網格預編碼和連續干擾消除的網絡編碼技術來達到蜂窩雙向中繼信道的香農容量；首次揭示了無線MIMO交換系統中最小均方誤差準則和最大和速率準則的轉換關系；系統分析了多天線多向中繼信道的自由度，并推導了在任意信道參數配置下該信道的可達自由度。這些成果引起了美國德州農工大學Krishna Narayanan教授研究組、悉尼大學Branka Vucetic院士研究組等國際著名研究組的廣泛引用。物理層網絡編碼的創始人Soung C.Liew院士研究評價其研究成果是針對多天線系統研究網絡編碼的先驅工作；網格編碼的創始人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。

在糾錯編碼技術上，他提出的一種能夠達到信道容量的系統噴泉碼，是首例具有線性編解碼復雜度并達到信道容量的系統噴泉碼。他還開創性地揭示了疊加編碼調制和基于最小均方誤差準則的迭代檢測之間的聯系，為迭代系統中的編碼調制設計提供了理論基礎。這一系列成果也得到了學術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”生涯以及海外訪學經歷，反而讓他越來越想回到內地。“我能看得到我的未來可能就是一名普通教授。關鍵在于，香港和海外并不稀缺這類人才。”袁曉軍發現，其實更需要他、也更能讓他大展身手的職業舞臺在內地。更何況，多年來，他與妻子分居于香港和上海，也希望結束“雙城記”生活，和家人團聚。

2013年，香港中文大學網絡編碼研究所主任楊偉豪教授應邀參加上海科技大學的奠基儀式。回香港后，楊偉豪與袁曉軍聊起此事，引發了后者的興趣。經多方了解之后，袁曉軍對上海科技大學的辦學理念十分欣賞，認為這是一個回歸的機遇，開始著手準備求職簡歷。2014年下半年，他全職加入上海科技大學。他回來了。

課題組

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的重點當然還是科研。一年多來，他延續網絡編碼方向的工作，帶領團隊系統地描述了中繼網絡在多種網絡拓撲結構和數據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，利用數學分支“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導頻信號設計問題。“一直以來這個問題沒有得到系統解決。我有幸在最近得到了較完善的結果。”

當然了，與這些曾經熟悉的領域相比，“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計。沒想到，相關算法中的數學模型與壓縮感知里的數學模型有很大的相似性。對其做了改善并應用到壓縮感知之后，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域鼻祖、斯坦福大學David Donoho院士的課題組成員，對這件工作產生了極大興趣，并發郵件詢問合作事項。經過獨立研究與合作交流，袁曉軍首次提出一種基于線性預編碼與消息傳遞的非線性均衡器，突破性地提出了性能優越的Turbo壓縮感知算法。“現在的核磁成像技術，要得到比較好的分辨率，病人要躺半個小時以上，這個技術成熟后可以壓縮到十分鐘內。”當學術界評價他的研究為壓縮感知指明了新方向時，袁曉軍已經在考慮他的研究的應用前景了。

“我也在關注新興研究領域，如大數據處理、人工智能等。”現在的袁曉軍忙著備課，忙著指導學生，忙著參與學院建設，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年度上海科技大學信息學院最佳科研獎等。這些同行認可令他充滿了斗志，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。