今年 1 月，AMiner 團隊推出 AI 2000 榜單（https://www.aminer.cn/ai2000），旨在通過AMiner學術數據在全球範圍內遴選過去十年間，人工智能學科最有影響力、最具活力的頂級學者，贊揚他們對于人工智能研究領域的卓越貢獻。本次學術頭條有幸對入圍這一名單的香港大學教授黃凱斌進行了采訪。
摩托羅拉、愛立信、諾基亞……在 5G 普及的時代，這些手機品牌已經成爲曆史上泛黃的一頁，也由此標記著通信技術的不斷進步。
很長一段時間裏，這些進步都圍繞著這樣一個命題：在保證信息傳輸准確的前提下，盡可能提高傳輸速率。相關解決方案的理論基礎，也基本集中體現在香農 1948 年發表的不朽論文“通信中的數學原理”中。
直到 AI 的興起，打破了這個局面，提出了前所未有的挑戰——計算與通信結合。
用香港大學電子電機工程系教授、副系主任黃凱斌的話來說便是，6G 時代，香農將與圖靈相遇。以他在無線電通信數十年的的研究經驗來看，5G 以前，通信和計算可以視爲兩座獨立的島嶼，而這種做法的效益已日益縮減。
因此，當 AI 領域的人在關心AI賦能通信這樣的“傳統行業”時，有一批人在探索新的通信技術應該怎樣幫助到 AI，黃凱斌是其中的代表性人物之一。
在這個命題之下，或許會誕生無線電領域未來十年最精彩的篇章。
蘋果“最有影響力的專利top 5”
和許多人從課外活動喜歡上一門學科不同，無線電通信技術對黃凱斌的吸引，發生在課堂。
他尤其記得，自己從華南理工的工民建系轉向新加坡國立大學光纖通信專業之後，又在一位老師的耳濡目染之下，再度切換軌道，開始了無線電通信的學習。
“PY Kam 教授一位特別潇灑，文質彬彬的老師。每天來上課就拿著一個粉筆，還有一張紙。那張紙寫的什麽，我們也不知道，但是他可以兩個小時就一直只用這一張紙。這一張紙放在桌子上，他就可以用粉筆在黑板上一直推導無線電公式。我當時就覺得這個老師太厲害了，便決定要改行去學習無線電通信”，他回憶道。
新加坡國立大學畢業之後，黃凱斌繼續在無線電通信領域深造，前往美國 University of Texas at Austin 攻讀博士，研究的方向也從 3G 開始涉及 4G 和 5G 技術。
正如我們前文所言，現代通信研究大部分時間是在與通信速率做糾纏。這一點在黃凱斌的求學曆程中也不例外。尤其是他在 PhD 階段從事的多天線研究方向，便是 4G 速度實現的一大殺手锏。
當時，從 3G 叠代到 4G 所面臨的重大問題，是要很快的速度，但是又沒有頻譜，因爲頻譜不但昂貴還很有限。直到多天線技術的出現了，這個問題才有了很好的解決方案。
多天線技術的基本概念是，同樣的一段頻譜，可以在上面疊加n個數據流。同樣的頻譜速度可以 2 倍 3 倍 4 倍的疊加，只要放多一些天線就可以，産生的平行數據流就像路上疊起了一層層的高架橋。多天線技術的出現，被公認是 3G 邁向 4G 的重要轉折點。
而他當時所在的 University of Texas at Austin，擁有全美最早鑽研多天線技術的教授，也是全美最大和最強的無線電研究團隊之一。再加上奧斯汀有著像Freescale這樣領先企業在此設立總部，因此天然形成了活躍的多天線技術“交流場”。
這樣的氛圍之下，他和他所在的組作出了很多優秀的工作，其中最值得爲外人道的，恐怕還是一項多天線預編碼專利。顧名思義，多天線預編碼，便是提前在基站端進行數據流的處理。在基站裏進行了預編碼，用戶在手機中收到的信號存在好幾個數據流，也可以互不幹擾，上網完全不受影響。
這項專利現已授權蘋果使用，2013 年時還被權威的知識産權管理雜志 Asset Management Magazine 評爲當年蘋果所有專利的 Top Five，也就是最有影響力的 5 個專利之一，除此之外也被其他專利項目引用超過 200 多次，並應用于 4G 標准中。
諸如這樣的種種研究，最終共同推動著通信速度從以前的只夠打電話，發展到可以支持上網娛樂甚至移動辦公。
從普通用戶的感知來看，1G 有了移動通話，2G 將其普及之，2.5G 實現移動上網，3G帶來更快的上網速率，4G 實現多媒體通訊，基本滿足了所有的互聯網需求。
從運營商和移動通信網絡本身的角度來看，1G 到 4G 的曆程，是模擬到數字、低速到高速、 系統容量不斷提升、更穩定更安全更便宜的過程。
最終，通信技術才從少數人的特權，變成多數人的福祉。
對于親身參與其中的學者而言，黃凱斌又有不一樣的感受，似乎越往前走，越需要更大膽的創新。
因此，畢業之後，黃凱斌萌生了做一些和導師不一樣的工作的想法。尤其在研究 5G 邊緣計算的過程中，他注意到，有一些新的現象，挑戰著通信“祖師爺”香農的奠基性設想。
後香農時代：通信可以變得不“單純”
香農最初對于通信的設想，可以簡單概括爲建造一個網絡，然後很快速地傳輸數據，至于這些數據後面會發生什麽，比如具體用來作怎樣的計算，香農並沒有作任何區分，這就造成了通信和計算長期以來的分而治之的局面。
這個基本原則一直持續到 4G。4G 時代，計算主要發生在雲端的，發生在數據中心，而通信發生在網絡的邊緣，即基站和手機，兩者之間依然是“遙遠”，嚴格分屬于不同的兩個領域。因此，通信人不考慮數據是用來做什麽樣的計算，是完全沒有問題的。
直到 5G 的出現，更確切的說是 5G 帶來的邊緣計算的出現，迫使一部分人開始思考，通信階段是不是可以將後續的計算任務納入考量，速率還是不是此時最重要的衡量指標？
而在黃凱斌看來，答案已經很明顯了：
“5G帶來的最重要的改變，是計算從雲端遷往了通信網絡，特別是網絡的邊緣。由此産生的作用是，計算和通信有了結合的可能。
怎麽結合？就是計算的同時又要考慮到通信，然後設計一些特別的通信技術來支持計算和通信的結合。在 5G 之前，計算的人就考慮計算就好了，通信的人考慮通信就好了，不會互相包含，也不會爲對方著想。
如果手機上有個計算任務，這個任務太複雜，消耗很多能量，通信技術可以把計算任務從手機挪到服務器上，計算完之後再把那個結果告訴手機就可以了。這是 5G 時代邊緣計算的一個好處，它使得很多小小的IoT感知器沒有什麽計算的功能，但是網絡還是可以賦予它很強的功能，因爲通過通信技術把計算的功能外移。再比如，如果計算是爲了自動駕駛，需要反應的速度很快，那服務器就要爲計算任務多調度一些資源，而一些感知任務對時延的要求不是很高，就可以把它設爲 Low Priority 等等。這就是在物聯網時代的計算和通信的結合。”
他認爲，6G 技術的目標之一，就是要打破以往的思路，將數據計算也深度納入考量之中。因此，與 5G 相比，6G 引入新的性能指標與應用場景。
“以前是我們是很單純的，想著提高速度就可以了，現在考慮的是，要提高計算的 efficiency。這是一個不同的目的，它不一定代表著速率這麽簡單，而是需要考慮計算的結構，網絡的信道等等，終極目的還是讓計算更加的 efficient”。
在一場演講中，他用“香農和圖靈相遇”這個說法來闡釋這種思路：
香農無線電通信理論基于“Data bits were born equal”，翻譯成中文“數據生來平等”。而在以圖靈爲代表的機器學習領域，“Data samples are certainly not equally important!”，數據有“輕重”之分。
未來，網絡通信不僅要滿足AI需求，還有機器與機器之間的通信（mMTC），網絡遊戲和自動駕駛（URLLC）、高清晰流媒體（eMBB）等。目前網絡現狀，正如上圖“胖子”所示，它已經不堪重負。所以，研究如何消除計算瓶頸，才能提高邊緣學習的效率。
從 1G 到 5G，計算、感知、控制、通信等幾個模塊都是分開設計，這種相互隔離的模式無法解決計算瓶頸問題；6G 的設計模式是融合，將幾個模塊有機連接，連接的過程就是“香農”和“圖靈”思維的碰撞。
從物聯網到萬物聯網
那麽，究竟應該如何實現這種相遇？
2017 年，黃凱斌和 Khaled B. Letaief 等幾位合作者在“A survey on mobile edge computing: The communication perspective”這篇論文中，首次系統地提出了無線電和邊緣計算的結合，之後成爲了該領域的重要的論文，被引用數了約 3000 次。
現在，AI+無線電的結合已經成爲了無線電特別 6G 技術的熱門研究方向，在香港大學，他正帶領一支小組繼續深入研究。
雖然無線 AI 現在很火，但在 5 年前，學習無線電的學生對于自己還要學習 AI 知識是有所猶豫的。
有一位學生曾經和黃凱斌明確表示，自己是做無線的通信的，爲什麽要去做人工智能這個事情，但黃凱斌堅持道：這是將來會讓你科研上有突破的一個方向。
而這位學生在茫然之中，也在他的強烈建議之下，走上了這條當時幾乎沒人走的路，並開發了一種名叫“空中運算”的技術。
這個概念的意思是，萬物聯網意味著將有很多數據分布在成千上網的終端上，要把數據收集起來進行機器學習就很容易遇到瓶頸，傳統的聯網技術沒有應付過這種局面。
假設頻譜像一個比薩餅，有 10 個人要聯網，就將一個比薩餅切成 10 份，有 100 個人就要切成 100 份，上千個人的話，每個人拿到的比薩餅已經很小了，即速度已經很低了。把數據都上載到網絡，網絡再把這些計算的結果進行疊加，這就會出現比薩餅問題。
而空中運算，是要把空氣當成一個計算器，利用無線電波在空中疊加的狀態進行計算。用戶如果以同樣的頻譜將模型傳到“空中”，速率會非常快，而且在空中會自然疊加。“這樣一個技術的出現，每個人都可以分到整個比薩餅，不需要再切割了”，他說。
目前，這個概念已經可以用硬件技術實現，黃凱斌和他的團隊也發表了大約 10 篇的論文展示研究成果，包括一些企業也對此感興趣，例如華爲就在與他們接洽如何把這項技術應用到 6G 的系統中。
今年1月，他們還正式開啓了一個特別的項目：和西安電子科技大學聯合聯合利用自主開發並成功發射的衛星，以期實現“用衛星往地面傳輸 AI 應用”服務。
這個項目將服務于秦嶺的自然災害感知。以此爲契機，他們也將嘗試構建一個空地一體化網絡。黃凱斌表示，讓地球的每個角落都能夠被網絡所覆蓋，這同樣是是 5G 沒有完成而6G需要完成的一個重要使命。
因爲按照他的設想，6G 的時代，通信會超越傳統，不僅是針對人的通信，還涉及到了機器對機器的通信、機器和人的通信，不但發生在地面，也發生在天空之上。許多觀點提到香農定理遇到瓶頸，但在黃凱斌看來，還有很多突破點能夠賦予通信這個古老領域新的想象力和生命力。
值得一提的是，當問及是否擔心學生轉向純AI研究，他的回答也反映著他對于自己的要求：
“我經常與學生說，從一個科研者的角度出發，我們選擇一個方向的時候，如果發現它已經很擁擠，那麽進去的時候就要小心，因爲那裏未必有屬于你的東西。
比如，現在做 AI，時間點是否太晚了，裏面是否已經太擁擠了？還能夠做出讓人記住的嗎？還能超越別人嗎？這是我經常問學生的問題”。
個人簡介：
黃凱斌，香港大學電機電子工程系教授和副系主任，電氣與電子工程師協會（IEEE）院士。主要從事無線供電通訊、多天線通訊和5G通訊領域研究。在5G通訊方面的研究屢獲殊榮，包括2019年的IEEE通訊學會最佳教程論文獎、IEEE車輛技術學會傑出講師（2020-2021）、IEEE通訊學術傑出講師（2021-2022）及中國教育部頒發的2018年研究成果二等獎（自然科學）。此外，他在2019至2021年連續被科睿唯安評爲最廣征引研究人員之一。在2021年成爲電氣電子工程師學會（IEEE）院士，以表彰他對無線供電通訊以及多天線通訊研究上的貢獻。
來源：學術頭條
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