袁晓军：破译信息通信中的“密码”

本刊记者　宋　洁

袁晓军：破译信息通信中的“密码”

本刊记者宋洁

1996年，袁晓军考进上海交通大学，也有了他的第一部数字手机——经典的摩托罗拉翻盖手机。好奇心正盛的年纪，袁晓军开始琢磨手机到底是如何工作的。“这种好奇心让我认定了电子工程方向。”多年后，已经是上海科技大学信息科学与技术学院助理教授的袁晓军回忆道。

科研在于积累

“硕士阶段，我师从王宗欣教授，研究3G无线通信中的关键技术——智能天线。由于研究基础较薄弱，我当时并没能做出较有影响力的研究成果，希望通过攻读博士学位来弥补。”拿到复旦大学硕士学位后，2004年，袁晓军走进香港城市大学，师从李坪教授，开始研究编码多天线系统的迭代检测。

研究的起始阶段并不很顺利。袁晓军想要对提出的迭代检测算法进行理论分析，但理论预测的算法性能总是与数值仿真结果不吻合。他被卡在这个瓶颈上将近两年时间，找不到突破口。“直到有一天，脑子里突然有了新的想法，将算法中的某一关键步骤进行适当调整，仿真结果与理论分析马上就完全吻合了。”那一刻，袁晓军兴奋得像个孩子，立马跑去告诉导师。“2005年开始研究，2007年才写了文章投稿，2008年在IEEE顶级期刊JSAC上发表。这篇博士论文来得其实挺晚的。”为了完成这项工作，袁晓军花了很多精力去攻读相关文献，去理解同行专家的思想，去梳理算法脉络。这种“慢工熬细活”的状态也许在一些人看来有些浪费时间。“但是科研是一个积累的过程，有些知识也许眼前看不清作用，可当你积累到一定程度，就会派上用场。只要认准了方向，不轻言放弃，过程也许艰难，但坚信前景必定光明。这就是我的科研信条。”袁晓军说。

天道酬勤，袁晓军在多天线（MIMO）技术上的研究积累逐渐形成了系统性成果。他首次提出了一种有效的迭代检测机制，可以在包含符号间串扰、多天线干扰、多址干扰等的高度不利移动通信的环境中，进行可靠有效地通信，将基于关键系统参数的复杂度降低到线性程度。他开创性地提出了线性预编码矩阵和迭代检测的联合优化设计，并从信息论的角度建立了迭代检测系统的性能极限。他开创性地提出了一种基于局部信道信息的分布式波束形成技术(Hermitian预编码技术)，可以大幅降低基于大规模天线阵列的蜂窝网系统获取信道状态信息的难度。他深入研究了毫米波的电磁传播特性，并与合作团队首次揭示了基于规则天线阵列的毫米波信道的多路复用模式。

这些成果发表在IEEE顶级期刊后，引起了学术界的高度关注，一成果被评价为“MIMO信道中基于非最大化码率准则的先驱工作之一”，另一成果被评价为“系统地利用迭代检测来消除各种信号干扰的代表性工作之一”。另外，Hermitian预编码技术得到了美国乔治亚理工大学Geoffery YeLi院士、伦敦大学学院Kai-Kit Wong院士等著名研究组的关注和引用，被认为可以在Massive MIMO系统中大幅降低获取信道信息带来的开销。Massive MIMO创始人、美国贝尔实验室Thomas L.Marzetta博士也对该项工作高度评价，称其为具有独创性的大天线技术下行链路实现机制。

一位“港漂”的回归

2008年获得博士学位后，袁晓军留在香港城市大学电子工程系担任研究员。此后，他分别在2009年与2010年的春夏两季以访问学者的身份前往夏威夷大学马诺分校。2011年7月，他加入香港中文大学，成为网络编码研究所的助理教授。截至2014年底，他发表了学术论文79篇，其中包括发表在IEEE顶级期刊上的35篇期刊论文以及在著名国际会议上的44篇会刊论文，并获国内外总引用640多次。2014年获得国际通信领域顶级会议IEEE ICC的最佳论文奖，同年入选国际会议IEEE GlobeCom最佳报告论文。

不知不觉中，当初那个对电子工程满怀好奇的少年，已经崭露头角。然而，在袁晓军个人看来，他在博士毕业后，经历的却是一个充满挑战的转型过程。“其实每一位成熟的科研人，在这个阶段都必须完成从一个由导师安排研究任务的博士生到一个具备国际视野和独立科研能力的科研工作者的转变。”袁晓军说。

到香港中文大学任职之后，他将研究方向定位在网络编码上，并取得了一系列国际领先的理论成果。他率先研究了结合网络编码和多天线技术的双向中继传输；首次提出利用基于网格预编码和连续干扰消除的网络编码技术来达到蜂窝双向中继信道的香农容量；首次揭示了无线MIMO交换系统中最小均方误差准则和最大和速率准则的转换关系；系统分析了多天线多向中继信道的自由度，并推导了在任意信道参数配置下该信道的可达自由度。这些成果引起了美国德州农工大学Krishna Narayanan教授研究组、悉尼大学Branka Vucetic院士研究组等国际著名研究组的广泛引用。物理层网络编码的创始人Soung C.Liew院士研究评价其研究成果是针对多天线系统研究网络编码的先驱工作；网格编码的创始人Uri Erez教授指出，该成果是目前MIMO双向中继信道容量的最佳刻画。

在纠错编码技术上，他提出的一种能够达到信道容量的系统喷泉码，是首例具有线性编解码复杂度并达到信道容量的系统喷泉码。他还开创性地揭示了叠加编码调制和基于最小均方误差准则的迭代检测之间的联系，为迭代系统中的编码调制设计提供了理论基础。这一系列成果也得到了学术界的高度评价和广泛引用。

在科研道路上，袁晓军迅速成长着。然而，多年的“港漂”生涯以及海外访学经历，反而让他越来越想回到内地。“我能看得到我的未来可能就是一名普通教授。关键在于，香港和海外并不稀缺这类人才。”袁晓军发现，其实更需要他、也更能让他大展身手的职业舞台在内地。更何况，多年来，他与妻子分居于香港和上海，也希望结束“双城记”生活，和家人团聚。

2013年，香港中文大学网络编码研究所主任杨伟豪教授应邀参加上海科技大学的奠基仪式。回香港后，杨伟豪与袁晓军聊起此事，引发了后者的兴趣。经多方了解之后，袁晓军对上海科技大学的办学理念十分欣赏，认为这是一个回归的机遇，开始着手准备求职简历。2014年下半年，他全职加入上海科技大学。他回来了。

课题组

要探索，总会有惊喜

对于一个“科研达人”来说，袁晓军在上海科技大学的重点当然还是科研。一年多来，他延续网络编码方向的工作，带领团队系统地描述了中继网络在多种网络拓扑结构和数据交换模式之下的信道容量的测算。他也开始尝试开拓新的研究，利用数学分支“盖理论”解决了通信理论界多年来悬而未决的问题——多用户多天线信道下的最优导频信号设计问题。“一直以来这个问题没有得到系统解决。我有幸在最近得到了较完善的结果。”

当然了，与这些曾经熟悉的领域相比，“压缩感知”才是他回来之后最大的尝试。“我原本是在钻研多天线信道的均衡算法设计。没想到，相关算法中的数学模型与压缩感知里的数学模型有很大的相似性。对其做了改善并应用到压缩感知之后，性能竟然超过了已有的压缩感知算法。”文章投出后，评审专家中有一位是压缩感知领域鼻祖、斯坦福大学David Donoho院士的课题组成员，对这件工作产生了极大兴趣，并发邮件询问合作事项。经过独立研究与合作交流，袁晓军首次提出一种基于线性预编码与消息传递的非线性均衡器，突破性地提出了性能优越的Turbo压缩感知算法。“现在的核磁成像技术，要得到比较好的分辨率，病人要躺半个小时以上，这个技术成熟后可以压缩到十分钟内。”当学术界评价他的研究为压缩感知指明了新方向时，袁晓军已经在考虑他的研究的应用前景了。

“我也在关注新兴研究领域，如大数据处理、人工智能等。”现在的袁晓军忙着备课，忙着指导学生，忙着参与学院建设，忙着忙不完的科研。回国以来，他赢得了第十二届青年千人、中国电子学会信息论分会2015年度信息论青年新星奖、2015年度上海科技大学信息学院最佳科研奖等。这些同行认可令他充满了斗志，精神饱满地投入到新的生活中。不可限量的未来，在上海起航。