篤學誠行以報國 上下求索以爭鋒
——記北京郵電大學人工智能學院教授牛凱

李明麗

2022年1月12日，中國電子學會發布了2021年度科學技術獎公告：北京郵電大學人工智能學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”獲得中國電子學會科學技術獎自然科學獎一等獎。

對工科研究來說，獲得自然科學獎并不容易。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，這個過程必須遠離浮華，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，這位干練的基層工作者親歷許多電信工程的規劃建設，無形中開啟了牛凱對科學的興趣。“現在想來，長大后我之所以從事通信研究，也許正是受到了媽媽的影響。”牛凱回憶，少年時期他對未知充滿探索的興趣，最喜歡的讀物之一就是《少年科學畫報》。這樣的科普類書籍對少年牛凱產生了很大的啟發，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信息工程專業，開啟了新一代郵電人的技術探索之路。“我的青春求學和科研探索，都是在這所學校。”在牛凱心中，北京郵電大學始終占據著特殊而重要的位置。

牛凱在清華大學進行演講

有著“信息黃埔”之稱的北京郵電大學，是首批“211工程”全國重點大學，也是“雙一流”學科建設高校。自1955年建校以來，北京郵電大學始終厚植“傳郵萬里，國脈所系”的家國情懷，聚焦國家重大戰略需求，在信息、計算機技術等領域深耕積累并引領著技術前沿，培養出了一批又一批優秀人才，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域均取得了豐碩的成果，先后在《國際電氣電子工程師學會通信雜志》（

IEEE Communications Magazine

）、《通信技術匯刊》（

Transactions on Communications

）等重要學術期刊和會議發表論文200多篇，其中，《科學引文檢索》（S C I）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”國家級規劃教材《移動通信原理》，榮獲2010年全國電子信息類優秀教材獎一等獎。同時，他在4G/5G、信道編譯碼、智能信息處理領域申請國家發明專利80項，其中40項已獲得授權。

牛凱認為北京郵電大學給予的寬松研究環境和眾多前輩的言傳身教是他取得成果的重要原因：“首先，學校和院系給教師的發展提供了很好的環境和激勵；其次，在中國信息論的奠基人周炯槃院士和幾代前輩學者悉心培養人才的文化傳承下，才有了我個人的一些成果產出。”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、學無止境；張平院士眼光前瞻、大膽探索。3位師長通過不同的方式，在科研之路上深深影響了牛凱。在繼承師長優良傳統基礎上，牛凱也時刻保持開放包容的心態：“我很喜歡‘教學相長’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生的相互學習、交流碰撞中產生。”他與團隊不斷取得的科研成果正是在熱烈討論及無數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，更要求不斷創新。留校工作一段時間后，牛凱覺得應該與專業領域的頂尖學者進行更廣泛的交流。于是2011年仲夏，牛凱作為訪問學者赴香港城市大學電子工程系，師從張啟圖教授。結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，也是歷來國際標準制定中各國爭奪焦點之一。1948年信息論創始人克勞德·艾爾伍德·香農（Claude Elwood Shannon）提出著名的信道編碼定理，此后70年，設計逼近信道容量的構造性編碼一直是編碼領域的中心目標。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2009年，土耳其學者埃爾達爾·阿里坎（Erdal Arikan）提出了極化碼理論，首次以構造性方法證明信道容量漸近可達。

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。“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，牛凱設計了多種譯碼算法，雖然也極大地改進了極化碼性能，但仍舊遜色于當時主流的渦輪碼與低密度校驗碼。進展出現在2012年3月，在與學生陳凱討論的過程中，牛凱靈光乍現，建議把循環冗余校驗碼（C R C）與極化碼級聯，采用循環冗余校驗碼校驗選擇幸存路徑。驗證結果表明，這種新型代數編譯碼結構，將有限碼長下極化碼的差錯率降低了兩個量級，徹底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用的可能。

牛凱在他的專著《極化碼原理與應用》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中，那是一種發現新大陸的奇妙感覺，無法用文字確切形容。”從事科研工作的人都明白，所有的“靈光乍現”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、極化編碼調制等系列工作相繼取得突破。

與此同時，牛凱的學生陳凱博士畢業并加盟華為公司，恰逢華為積極布局進入5G標準工作，師生二人加緊推動極化碼在5G標準中的應用研究。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控制信道編碼標準，牛凱團隊研發的循環冗余校驗級聯極化（CRC-Polar）碼和準均勻鑿孔方案對5G極化碼標準有實質性貢獻。未來每一部5G手機中都將內嵌極化碼成果，中國科技實力將在國際上發揮越來越重要的作用。身為重要的參與者和見證者，牛凱激動不已。

極化碼被寫入5G標準，并不是牛凱研究之路的終點，而是新的起點。在他看來，極化碼是通信系統整體優化的“大道”與“太極”，其設計思想暗合了中國道家“大道至簡、太極混一”的系統論思想，將成為未來通信系統優化的新方向。縱觀第一代移動通信系統（1G）到第五代移動通信系統（5G）的發展歷程，滿足用戶的通信需求是每代系統演進的首要目標，而新的通信技術則是每代系統演進的驅動力。

5G方興未艾，第六代移動通信系統（6G）已經在籌謀中。6G將網絡與用戶看作統一的整體，挖掘用戶的智能需求是6G的關注重點。在深入探討6G時代人工智能和人類的關系后，張平院士與牛凱提出了6G業務需求框架，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，靈將成為元宇宙中的核心元素，通過人-機-物-靈協作，為用戶提供實時虛擬業務場景，并代理用戶實現相應的需求。

牛凱表示：“為了實現人類更深層次的智能通信需求，需要科研人員在信息理論、傳輸和組網方面實現理論和技術突破。”可以預見，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使命，不斷前行。