我国建设“世界一流信息与通信工程学科”

的机会与挑战

杨义先  教授

北京邮电大学信息安全中心主任

公共大数据国家重点实验室主任

任正非们在惊呼，香农界已被逼近，通信产业往哪里发展，路在何方？

专家教授们在迷惑，经过70余年的不懈努力，人类终于抵达了《信息论》这盏指路明灯跟前；可是，放眼四周，远处却是一遍黑暗！接下来该怎么办？是就地庆功，到此为止；还是继续探索？如果还要前行，下一个灯塔在哪里，方向在何方？

“红头文件”们又要“超英赶美”了，推着板车在大街小巷高声吆喝：“酒干倘卖无~！”它们又要高价收购“双一流”了，这次是先付款，后交货，绝不赖账，明码标价：“世界一流大学”黄金万两；“世界一流学科”白银千斤！于是乎，一石激起千层浪，包装厂生意红火，化妆师应接不暇；祥林嫂瞬间成西施，武大郎顷刻变潘安。

老夫无意指摘那些穷怕了的高校，毕竟它们还需要活下去！只是觉得，如果公仆们仍然将教授看成小偷或嫌疑犯，并严加防范；如果对专家继续进行按量考核，规定每年得发表X篇SCI论文；那么，今后多如牛毛的国产“世界一流”，将真的仅仅是“牛毛”，甚至可能连牛毛都不如！

真心希望众多车载斗量的“世界一流梦想”中，有一个“梦想”，哪怕是只有一个“梦想”，能够成真！

“信息与通信工程学科”是我国比较成熟的主流学科之一，而且也是当今世界的热门，因此，一定有许多大学会将其列入“世界一流学科”的建设名单。但是，在阅读了多所大学的“世界一流信息与通信学科建设方案”草稿后，老夫真不敢苟同；因为，真正的“世界一流”课题很少被问津，大家却都热心“短平快”的芝麻课题，也许这就是“粮食亩产超万斤”的捷径吧。

“中国特色”实在太牛了，任何人都能用它化腐朽为神奇：公仆用它，可让你随时感激涕零；专家用它，楞是可将“三流课题”，研究成“一流成果”。

闲话少说，书归正传。

老夫不才，斗胆在信息与通信工程领域，挂一漏万地从纯学术角度，提出两个“世界一流”的备选课题。我坚信，只有先提出“世界一流”的问题，才可能做出“世界一流”的成果，否则就是自欺欺人。

下面提出的这两个课题，仅供国内外通信界权威专家们参考。欢迎相关高校，在撰写“世界一流学科”建设方案时，任意取舍。如果谁能在此两者中的任何一方面引领世界，那么，他也许就是当之无愧的世界一流了！

阿弥托福，但愿老夫不是在砸“红头文件”的场子！

（一）重塑网络通信环境下的新灯塔

没错，针对以电话为例的，点对点实时通信来说，“香农界”这个灯塔的历史使命即将完成。无论您多么聪明，也甭想试图“突破香农界”！

但是，在当今的通信系统中，70余年前香农指引的“点对点实时通信”（更形象地说，就是打电话）本身就已经越来越次要，所占份额也越来越少，甚至快要被淘汰了；取而代之的则是“多用户的非实时通信”（形象地说，就是数据网络通信），以下简称“网络通信”！可惜，到目前为止，在“网络通信”中，还没有类似于“香农界”的指路明灯出现！甚至，在最简单、最常见的情形（比如，广播信道模型）下，全球科学家们也都还没有计算出相应的“香农界”来，更谈不上去逼近了！

如果谁能在“网络通信”环境下，重塑新的指路明灯（即，精确求出并在实用中逼近网络通信的容量极限），那么，谁就肯定是“世界一流”了！即使，不能最终完全树起此灯塔，如果能够显著改进通信容量，那么，从技术角度看，也可算是“世界一流”的了！（比如，使网络通信的总容量，大于其各不相交边的“香农容量”之和。这是很有可能的，因为：一来，从理论上看，有系统论中的“总体大于部分和”原理做靠山，二来，从技巧上看，只要充分利用边际效益，就很可能出现1+1>2。）

杨傻子我，在玩《安全通论》时，对此问题偶有思考。现将我的一些傻瓜想法提出来，供大家批判；如果错了，也没关系，相信您不会跟一个傻瓜计较的。

那么，为什么全球科学家都没能树起“网络通信”的新灯塔，甚至，连最简单的“广播信道”情形下，都没能计算出其容量极限呢？！难道除了香农外，大家都是像我这样的傻瓜吗？当然不是！那么，既然天才不少，为什么没能计算出想要的“极限”呢？嘿嘿，原因很简单，但也很出人意料：大家的方向走错了！越聪明的人，跑得越快的人，就错得越远；因为，过去数十年来，全球科学家们，都在向香农学习，都希望能用某些直线围出所谓的“容量极限凸区域”。

其实，更可能吓您一跳的是：过去“大家努力计算网络通信容量极限凸区域”这件事情本身，就是一个伪命题！这种“区域”不是不存在，而是太多，甚至无穷多！只是过去，人们在辛辛苦苦地“按图索骥”，却忘记了：眼前马群中的每一匹马，其实都是“骥”！

要想树立“新灯塔”，就必须首先刷新通信观！

香农确实太牛了，简直是一个神！他的研究方法和思路，绝对天衣无缝，完全是为“点对点实时通信”量身订制的。可是，过去数十年来，全球科学家总想将他的方法和思路推广到“多用户”情形，从而为“网络通信”树立新灯塔；但始终不能成功，甚至在最简单的广播信道下，都惨遭失败。

因此，必须打破香农的魔咒，探讨新的思路和方法！特别注意：博弈论天生就是研究多用户的有力工具，如果能够找到博弈与通信的关系，那么，“树立新灯塔”的地基就有了。

非常幸运的是，博弈与通信还真是一回事（见文献[1]），即，发信方（X）与收信方（Y）之间的通信，其实等价于X与Y之间的博弈，具体地说：X与Y之间通信的信道容量，其实等于X与Y以互信息I(X,Y)为收益函数时，博弈所达到的纳什均衡状态的收益函数值。

为了将“网络通信”说清楚，我们考虑这样一种场景：N个人在进行一场头脑风暴研讨会，他们每个人随时都可以发言（输出或发信息），也可以随时倾听或忽略某些人的发言（输入或收信息）。其实，“头脑风暴”就是一种典型的“网络通信”；其它诸如光纤呀、无线呀、有线呀、设备呀、频率呀等等，都是掩人耳目的工具，在考虑“网络通信”理论模型时，都可以完全忽略！

注意，在“头脑风暴”中，你所说出的话，对不同的参与者，其被关注度的权重是不一样的，比如，你的暗恋者，也许只全身心关注你一个人的发言，无论你主要是说给谁听，无论她是否假装在听别人讲话；而普通的参与者，对你发言的关注度可能忽高忽低。同样，你在听取别人发言时，也是在不同的时间，对不同人的关注度是不一样的。总之，换句话说，如果这个“N人头脑风暴”中，只要彼此的“听”与“说”的关注度确定后，那么，相应的“网络通信”的“网络通信容量极限”就确定了。而过去数十年来，全球科学家们在“权值”都还没有确定的情况下，却想用直线围出某个“网络通信容量凸区域”，这当然就不可能啦，当然他们就是在解决一个伪命题嘛！形象地说，大家手拿一幅模糊不清的“马图”，却要在庞大的马群中，精确地找出某匹与“马图”完全相同的那匹马来。

更进一步，如果彼此“听”与“说”的关注度确定后，如何计算相应的“网络通信容量极限”呢？大致思路是：将这N个人的通信，看成N人博弈，而他们的收益函数由“关注度所确定的条件互信息”而定；当这个博弈达到纳什均衡状态时，对应的收益函数，便是网络通信的容量极限（详见文献[1]）。

各位看官，别误会，别太乐观，更别高兴太早，其实上面仅仅是指出了“树立新灯塔”的地基，后续的工作还多着呢，困难多得很，比如，1）关注度本身是时变的，怎么办？2）就算关注度被固定，当N较大时，各种条件互信息也足以让人眼花缭乱，手足无措；3）就算条件互信息问题解决了，纳什均衡只是肯定了其存在性，谁也不知道其精确计算方法（当然，当年香农也只是给出了“香农界”的存在性，也并未给出其精确值，从而把全世界的通信专家们折腾了70多年）。

各位看官，别误会，也别太悲观，其实在“点对点通信”情况下，你也不是先计算出相应信道的“香农界”后，再做其它工作；所以，在“网络通信”情况下，你就更没有必要先解决计算问题，而是可以直接基于存在性，开始其它工作。

还有一点，必须明示：当N较小时，如果关注度的权值被锁定了，那么，凭借现在的丰富计算资源，完全可以通过计算机机模拟的办法，找出纳什均衡状态的收益函数值，从而确定相应的“网络通信容量极限”，并根据该极限来完成相应的编码和译码工作。特别是，通过与“头脑风暴”的类比，可知，在“网络通信”系统中，从技术实现的角度来看：“说”并不难（与广播传输无异），但“听”却最难，也最关键，因为，必须要求能够同时“听”多方的说，而且还能匹配不同的“注意力”权值，这些都得依靠相应的编译码来解决。

总之，综上所述，在为“网络通信”建立新灯塔的过程中，你有机会成为“新香农”；你所在的信息与通信学科，也有机会成为真正的“世界一流学科”；你所在的大学，也有机会成为当年香农的“贝尔实验室”。反正，你们都有机会；唯一没机会的就是老朽我自己，因为，我得继续玩《安全通论》去了，拜拜！

（二）维纳辩论式对话的通信理论与技术

科学和技术是为人类服务的，它们必须迁就人，而不是相反；因此，人的任何“真性情”都应该获得充分尊重。

维纳至少发现了人类的两个“真性情”：

其一，叫“反馈与微调”。维纳以此发现，创立了鼎鼎大名的“赛博学”（又被国内误译为《控制论》），成为当今影响力最大的学科之一；

其二，维纳发现了“辩论式对话”。可惜由于当时数学工具不足（比如，博弈论还没成熟，特别是纳什均衡定理还没被发现），所以，大家只能将此发现弃之不用。因此，本文提出的第二项“世界一流”备选课题，就是：基于维纳的“辩论式对话”，创立相应的信息通信理论（暂且称之为“辩论式信息论”吧）并以此研发出相应的“辩论式通信技术或系统”；因为，香农信息论其实是基于“协同式对话”的。而“协同式对话”仅仅是“辩论式对话”的一种特例而已！

为了将维纳的“辩论式对话”（又称为“非协同式对话”）说清楚，我们先讲一个笑话：

话说，某幼儿园的调皮蛋，小明，去看医生，说自己受伤了。

大夫见其腿上有泥，便让他摸摸。小明说痛。此时，这段对话，当然就减少了大夫的不确定度（即，熵被减少了，小明给出了正信息），大夫初步判断：小明的腿受伤了。

大夫又见小明脸上有汗，叫他擦擦。小明又说痛。此时，这段对话，却增加了大夫的不确定度，大夫开始有点迷糊了（即，熵被增加了，信息被减少了或出现了负信息）：脸上没伤，咋也痛呢？！

大夫再让小明摸摸肚子。小明还是说痛。此时，这段话把大夫搞崩溃了（即，熵又被增加了，信息又被减少了）：这么小的儿童，不可能全身浮肿或疼痛呀？！

最后，大夫让小明摸遍全身，结果，小明都说痛。这时，大夫灵感一现，哦~，原来是小明的手指受伤了（熵被减少至0，或者说获得了全部信息），至此，不确定度就全部消失了！

小明的故事虽然是笑话，但是，它确实告诉我们：有些对话能够减少熵，有些却又能增加熵；有些能够提供正信息，有些却提供的却是负信息。

“某些事件，使熵减少；某些事件，使熵增加”的例子还有很多，

比如：当你只有一个闹表时，你对时间是很确定的；但是，当你有两只闹表时，如果它们的时间显示不一样，那么，你对时间的不确定度会大增（熵也增加，信息减少），甚至不知所措；再进一步，如果你有三个或更多的闹表时，你对时间的不确定度又会减少（熵被减少或信息被增加），因为，你可以借助统计手段（少数服从多数）来做出基本正确的判断。

又比如：有些病症能够帮助大夫做出正确判断，但是，也有些病症会把大夫搞糊涂，从而才会出现那么多“疑难杂症”。

再回到法庭上。关于法官和律师之间的辩论，他们在大的原则上，肯定会有一定的底线（至少法律条文也确保了他们无法跨越底线），这时他们的对话就会以减少不确定度（熵）为目标，即，出现协作，传递正信息；但是，在一些细节方面，他们（特别是律师）肯定试图增加不确定度（熵），把法官搞糊涂（即，出现局部的对抗，传递负信息），从而达到“重罪轻判”等目的。而由这种“正信息”和“负信息”彼此交融，而形成的对话，就是辩论式对话，或“非协同式对话”。

辩论式对话，是维纳在1950年首次发现的！此前，也许全人类都没有注意到这个问题；因为，甚至在维纳的名著《控制论》(其实该叫《赛博学》)中，都处处隐含了“协作式对话”的痕迹。直到1950年，维纳出版了他的另一本重要著作《人有人的用处》（见文献[4]），才明确提出了这个问题。在[4]中，维纳甚至花费了两章（第四章“语言的机制和历史”和第六章“法律和通信”）的篇幅来探讨“非协作式对话”，下面，让我们摘录维纳的两段话吧，

第1段话，维纳说（文献[4]第四章“语言的机制和历史”第78页）：“……正常的通信谈话，其主要敌手就是自然界自身的熵趋势，它所遭遇到的并非一个主动的、能够意识自己目的的敌人。而另一方面，辩论式的谈话，例如，我们在法庭上看到的法律辩论以及如此等类的东西，它所遭遇到的就是一个可怕得多的敌人，这个敌人的自觉目的就在于限制乃至破坏谈话的意义。因此，一个适用的、把语言看作博弈的理论应能区分语言的这两个变种，其一的主要目的是传送信息（本文作者注：这便是，香农已经研究得相当完美的，协作式对话），另一种的主要目的是把自己的观点强加到顽固不化的反对者头人（本文作者注：这便是，辩论式对话）。我不知道是否有任何一位语言学家曾经做过专门的观察并提出理论上的陈述，来把这两类语言依我们的目的做出必要的区分，但是，我完全相信，它们在形式上是根本不同的……”。

从这段话中，我们可以确定两个重要的事实：1）既然作为语言学家的儿子，维纳，都不知道是否曾经有过语言学家对“辩论式对话”做过研究，那么，维纳的父亲，著名的语言学家，也许也不知道。因此，辩论式对话很可能是维纳首先发现并明确提出的。2）“协作式对话”与“非协作（辩论）式对话”是“根本不同的”，所以，以协作式对话为前提的香农《信息论》确实还有值得扩展之处。

第2段话，维纳说（文献[4]第六章“法律与通信”第97页）：“……噪声可以看作人类通信中的一个混乱因素，它是一种破坏力量，但不是有意作恶。这对科学的通信来说，是对的；对于二人之间的一般谈话来说，在很大程度上也是对的。但是，当它用在法庭上时，就完全不对了……”。

从这段话中，我们可以确定另外两个重要事实：1）协作式对话的主要破坏力量是噪声，《信息论》已经对它有完美的研究了；2）协作式对话的成果，完全不适合于法庭上的辩论式对话。

注意：香农信息论的“乳名”叫“通信的数学理论”，而这里的“通信”其实是协同式对话，所以，香农信息论其实名叫“协同式对话的数学理论”。

既然人类除了“协同式对话”之外，还有“非协同（辩论）式对话”，那么，要想让技术迁就人类，就肯定存在一套与香农信息论相对应的“非协同式对话的数学理论”，并且，信息论只不过是其特例而已！更进一步，还应该有一系列服务于“非协同式对话”的“非协同式通信系统或技术”；而当今的通信系统，只适用于“协同式对话”。可见，非协同式通信绝对值得深入研究，而且，完全有可能引领世界，当然也就是“世界一流”了。

提醒1：香农的所有成果和思路，都基于“协同式对话”，对维纳的辩论场景完全失效；但是，如果从安全攻防角度来看，它们的根却是相同的，都可以用博弈论来统一处理，详见文献[2,3]。

提醒2：未来“非协同式通信”的主要区别将体现在接收端，而发送端与今天的广播传输类似。今后的接收端将更像人类“耳朵”，即，它既能选择性地同时监听多个信息源，又能选择性地忽略另一些信息源。而现在的“协同式通信系统”接收端，却不忽略任何1比特信息；这表面上看是优点，其实是缺点，是一够智慧的表现。而人作为一种信息终端，其最大的优点就是善于省略，无论是视觉、听觉、记忆、认知等。

提醒3：一个良好的“非协同式通信系统”，必须既能充分协同（即，传递正信息，使沟通顺畅），又能充分对抗（即，传递负信息，使对方迷失）。换句话说，这能够逼近人类自身的“辩论式对话”。

总之，未来基于“非协同式对话”的通信，应该更接近于人，比如，懂得省略，善于省略等。

与第一个可能的“世界一流”选题相比，此节的第2个选题更具挑战性，但前景更好！在可见的将来，也许仅限于理论研究，但这并不影响此课题引领“世界一流”的地位。

参考文献

[1]杨义先，钮心忻，《信息论》、《博弈论》与《安全通论》的融合：刷新您的通信观念，见网址：http://blog.sciencenet.cn/blog-453322-989745.html

[2] 杨义先，钮心忻，对话的数学理论：安全通论（12），见网址：http://blog.sciencenet.cn/blog-453322-993540.html

[3] 杨义先，钮心忻，杨义先，钮心忻，安全简史，电子工业出版社，2017年6月出版，北京。

[4]N.维纳著，陈步译，人有人的用处，北京大学出版社，2014年6月（第三次印刷）。