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编者按：2022年，毕业于上海交通大学的潘昊因微软亚洲研究院“星桥计划”改变了自己的人生轨迹——来到微软亚洲研究院（上海）做研究助理，并最终通过校招程序成为了研究院正式的研究员。在微软亚洲研究院副院长邱锂力博士的带领下，潘昊在超表面研究这一全新领域攻坚克难，成功改善了为超表面的低轨卫星地面站部署的前景，并在移动计算领域国际顶会 MobiCom 中发表论文。在这里，他与仰慕已久的学术大牛合作，结识了来自五湖四海的优秀同辈，开启了无数的交叉合作灵感。下面，让我们一起来听听潘昊的故事。
生活中的潘昊
意外结缘，师徒携手探索全新领域
得知无法按期出国进行博士后深造时，潘昊规划的求学路线突然中断，毕业于上海交通大学计算机系的2022届博士生潘昊也被迫进入了 gap year。
面前不无选择，但选择也充满约束。潘昊没有准备好投身教职，也不喜欢工业企业的工作氛围，另外联系导师时间又太紧张。Gap year 的第一个月，潘昊仍然没有走出犹豫。他不停地搜索信息，联系同行探讨，把自己的处境讲给可能提供机会的人听，希望找到最优解。
反复的尝试下，转机出现。“星桥计划”这个名字进入了潘昊的视野。
“星桥计划”，是微软亚洲研究院专门为出国深造计划延期的同学打造的项目。项目于2020年正式推出，旨在帮助处于 gap year 或出国延期期间的优秀学子能够继续从事研究工作，积累科研成果——“gap year”、“科研”、“延期出国”，每一个关键词都如此准确地指向潘昊当时的状况。
时机同样好似命定。回拨三个月，2022年1月17日，无线及移动网络领域的国际顶级专家邱锂力博士正式加入微软亚洲研究院，负责微软亚洲研究院（上海）的研究与合作。加入研究院后，邱博士在上海牵头组建了从事新型无线通信和传感技术开发及应用的无线组——“无线通信和传感技术”，这正是潘昊的研究方向。这也意味着，加入研究院后，潘昊将有机会与这位他仰慕已久、 “学术名誉和头衔已经到顶”的资深学术大牛开展合作。
一切都如此恰好。
潘昊没有错过这个机会。2022年4月17日，潘昊正式通过遴选加入了“星桥计划”，来到了微软亚洲研究院（上海）。
潘昊在微软亚洲研究院（上海）办公室
超表面（meta surface）这一课题，是潘昊加入“星桥计划”后在 mentor 微软亚洲研究院副院长邱锂力博士的指导下开始探索的。读博期间潘昊在 QR code、电磁辐射、智能家居等等与无线相关研究领域都有所建树，他的博士学位论文《基于电磁辐射旁路信道的移动安全隐私技术研究》还获得了 ACM 中国优秀博士论文奖提名。但超表面对他而言还是一个全新的领域。
“全新”是一座富矿。这意味着他有机会把现有认知的尽头凿开一大截，但也意味着寻宝的道路将充满未知与险阻。
入门并不简单。此前，潘昊对超表面几乎一无所知，他需要从头开始学习这一领域的基础知识，除了大量恶补相关文献了解研究进展，还需要自学上手相关仿真软件与实物实验。最初的启动磕磕绊绊，潘昊的研究经常因为不熟悉仿真软件而卡壳。有一次仿真软件实验结果与理论推导存在很大偏差，他在反复地尝试、更改设置、翻教程后，无奈地确定自己实在无法独立找出“病因”，于是又去学校大海捞针地询问其他院系同学有没有会操作这一软件、能解决这一问题的。潘昊被这一障碍折磨了两周，才终于找到有经验的同学帮忙指点，让研究得以继续推进。
这一过程中，邱锂力博士会耐心地与潘昊讨论超表面相关研究，帮助他去阅读和尝试理解这一领域目前的工作。在强大的学习动力与 mentor 的引导下，潘昊慢慢熟悉了“超表面”领域的研究工作。经验渐长，想法频出，他开始真正浸入这一领域。
巧取攻坚，绘就低轨卫星超表面部署落地蓝图
“超表面主要是为了实现信号的增强、聚焦。如果把电磁波当作光，超表面就是一个透镜；透镜对光聚焦，超表面对信号聚焦。”
通信领域对超表面的原理研究其实已经相当成熟。但问题在于，目前的智能超表面通常由无数个携带可编程器件的小天线构成，硬件部署成本非常高，终端消费者甚至需要花费数倍于一个路由器的价格来安装一个超表面。没有人会为此买单。这也是过去超表面实际落地希望小、应用场景狭隘的主要原因。
因此，潘昊的研究有一个非常明确的目标——降低超表面的应用成本。他重新思考起超表面的实现方案。在邱老师的指导下，他逐渐意识到诀窍：传统智能超表面对可编程的要求来自于需要主动适应不同的环境与功能要求；但如果环境相对固定，就不需要可编程级别的自由度。
随后，“被动式的超表面”思想应运而生：不需要成本高昂的可编程元件，只需要为超表面设计一个能使电磁波产生准确谐振的特定金属图案，就能使超表面成为新的基地源，实现强化信号、覆盖盲区的效果。在这一思路的指导下，仅要利用常见的生活用品便可以制作一个被动超表面。就像蔡伦用俯拾皆是的鱼网树皮代替昂贵的竹片丝帛，潘昊设计的方案构思精巧，材料低廉易得，还不需要额外电源，大大降低了智能超表面的硬件部署成本，也在毫米波通信环境中呈现出良好的实验效果。
超表面应用场景示例
找到智能超表面的低成本实现方案只是第一步，接下来的应用落地才是更复杂、更具挑战的深水区——在低地球轨道卫星地面站的天线前部署超表面。
卫星运行轨道包括地球同步轨道（GEO）、中地球轨道（MEO）、低地球轨道（LEO）等。潘昊所瞄准的低地球轨道（LEO）卫星拥有最低的海拔高度，相应地拥有最快的传输速度，因此被视作视频会议、在线游戏、远程医疗等延迟敏感应用的最优选；此外，LEO 卫星还能为目前覆盖不足的偏远地区提供互联网接入，有助于弥补社会数字鸿沟。
然而，与超表面的落地窘境如出一辙，被时代寄予厚望的 LEO 卫星同样受制于地面站建设的高昂成本，其中最核心的成本来自天线控制器，用于防止干扰、增强信号的天线控制器。
“你可以把现在的天线控制器理解成居民楼房顶能见到的那种卫星锅。我们使用的超表面就是把一个大的、立体的锅换成一个小的、二维的贴纸，同时还不损失性能。”在低成本的被动超表面方案加持下，这一设计大大降低了硬件部署成本，商业图景似乎正在徐徐展开。
远没有那么简单。
此前，潘昊设计的被动超表面是以牺牲自由度为代价来换取低成本，这在简单固定的空间里奏效，却不适用于多变的 LEO 卫星通信环境。仍以透镜和光为例，LEO 卫星在太空中不停运动，相当于光的入射角在不断变化，一个固定的透镜无法把光聚焦到一个固定的点位，一个被动的超表面也无法把信号聚焦到一个固定的天线上；反过来，当地面站想向卫星发送信号时，一个固定的天线也无法通过被动超表面把信号打到移动的卫星上。
又一次的停滞，又一次的瓶颈，又一次反复阅读、探索、模拟、实验，被验证失败。潘昊尝试了很多种方案，比如给被动超表面下方的天线做一个机械装置，让天线能动起来，这一设计最后被他评价为“非常地笨”。
直到在一次头脑风暴上，mentor 邱锂力博士提出了一个脑洞：能不能用一个小型相控阵天线来代替固定的天线？
相控阵天线由多个独立的小单元天线组成，通过控制每个小单元天线的电磁波相位和幅度，相控阵天线能够对指定方向上的信号强度进行强化或压抑，从而改变信号方向的效果——即通过改变光聚焦点位所在的平面结构，让点位能够随着入射角的变化而相应移动。
僵局裂开了第一道缝隙。在邱老师的指点下，潘昊沿着这一思路开始设计方案。最终，他们成功提出了一种将被动超表面与小型相控阵天线组合的集成方案。在这一方案下，通过基于软件变成的自适应波束扫描和聚焦，被动超表面能够精确地调制不同权重下来自相控阵天线的电磁波波前，使系统能够将来自传输天线的电磁波引向目标卫星，并将来自目标卫星的电磁波集中到接收天线上。
该方案的系统成本总计140美元。相比之下，传统的相控阵收发器成本约为10,000美元。超过50倍的成本缩减，一个巨大的突破，这项工作被移动计算领域顶级国际会议 MobiCom 2023 接收。审稿人给予了极高的评价，他们获得的评分在所有稿件中排名前五。
潘昊团队在43楼的高度模拟了“卫星”收发天线，并在地面部署了团队设计的小型地面站收发天线系统，图为实物实验场景
星桥启航，在研究院开启下一段人生旅途
其实，在听到邱老师提出的“相控阵天线+超表面”想法时，潘昊对这一方案并没有什么信心。他的第一反应甚至是“不切实际”，感觉这种设计并没有办法运转起来。他抱着半信半疑的态度开始研究可行性，最终，这一“异想天开”的脑洞成为了他们突破瓶颈的钥匙。
这是 mentor 邱锂力博士给潘昊带来的科研成长之一：“需要开脑洞，不要被固有思维局限，不要害怕去提出和讨论你的 idea，它们可能真的可行。”
能够直接在讨论中对 mentor 的想法表达质疑，是在微软亚洲研究院工作的日常状态：“我们非常平等，大家想说什么就说什么。”很多次例会上，同学们讨论各自遇到的问题时，邱老师也和大家一样无法很快找到方向，她会帮着找论文，制定调研思路，一起敲定后续解决办法。
在加入研究院之前的漫长时日中，邱锂力博士对潘昊而言只是一个遥远的名字，一位他反复在文献中、会议上、网页里了解的，“学术名誉和头衔已经到顶”的资深学术大牛。他以为这样的大牛只会站在高处给予一些方向性意见。但当真正与邱老师合作时，他们关于学术的交流渗透到了每天的科研工作中，邱老师会细致地与他打磨研究的每一个技术细节。在长期的合作下两人的交流已经非常默契与高效。
潘昊这样描述他的 mentor：“邱老师是一个非常非常单纯的人。她做科研非常纯粹，一心关注科研学术以及产品的落地。发论文和一些头衔对邱老师来说没有太多吸引力了，她是真的喜欢这一领域，想做一些有影响力的、能够实际落地的、对整个研究方向有推动性的工作。”
当然，对科研的纯粹追求有时也会带来一些压力。每周三次例会，同学们需要向邱老师汇报研究进度，新进组的实习生经常为此感到紧张与抵触。潘昊并不担心，因为很快他们就会和自己一样发现，邱老师并不需要学生们一定有确切的研究进展，分享思考、错误、尝试、疑惑、或者看到的论文，都没有问题：“邱老师在乎的不是结果，而是我们一直在往前走。”
mentor 邱锂力博士（右二）与潘昊（左一）及团队的同学们一起共进晚餐
2022年6月，在潘昊通过“星桥计划”来到研究院的两个月后，又一个选择摆在了他的面前：申请成为研究员，通过招聘正式加入研究院；或者继续观望，等待下一个出口。
这次他没有犹豫。
两个月的时间，足以让他意识到：我喜欢这里。他喜欢微软亚洲研究院对学术探索充分的包容与自由，喜欢全身心投入科研的感觉，喜欢与优秀的人合作讨论。一路走来，他身边陆续荟萃了五湖四海的同行者，大家从清北、耶鲁、卡耐基梅隆、威斯康辛、莱斯等国际知名院校来到这里。一些潘昊从前只能在网页上了解的名字，一下成为了“身边同学的老师”，变得前所未有的触手可得。在许多日常的、随意的对话中，他看到学术圈的门帷向自己缓缓敞开。
正式成为研究员后，潘昊也开始带新进组的实习生们。他会慢慢熟悉每个同学的性格，了解大家做课题的风格，再根据个人特征分配适合他们的工作任务。刚毕业不久的潘昊更像一位平易近人的学长，指导实习生们做研究、做实验，解答大家的疑问。他的工位离实习生们很近，每天一到中午，后辈们就在潘昊的带领下，浩浩荡荡地去食堂吃饭。
研究院的触角也为潘昊的研究提供了更多可能。除了无线组以外，微软亚洲研究院（上海）还有人工智能与机器学习组、系统组两个不同的方向，这为潘昊提供了跟踪其他领域学术动态的窗口。他经常在听其他组的成员分享研究时感觉耳目一新，迸发出学科融合的灵感。在研究院团队的北京之行中，潘昊参访了清华大学的未来实验室，在看到实验室里纳米材料、智能家居传感等等课题的研究成果时，他的脑海中闪过许多种合作的可能。


2023年6月，微软亚洲研究院（上海）团队到北京交流
“星桥计划改变了我的人生轨迹”。在意外进入 gap year 时，“星桥计划”为潘昊提供了过渡的桥索，给予了他充分的空间与时长去完成有影响力的研究，也让他结识了许多学术大佬与优秀同辈。
他偶尔还会想起一年前自己获悉“星桥计划”时的场景。2022年春季的上海，静默的学校中，他在宿舍里思考着下一步的去向。潘昊是相信“绝知此事要躬行”的人，“工作得快不快乐、开不开心、符不符合预期，还是要去尝试才知道”。尝试需要成本，但他觉得值得。
最初，抱着“体验一下，看看合不合适”的心态选择了“星桥计划”，来到了微软亚洲研究院研究院。而在今天，彼时埋下的问题已经得到了解答：“把 gap 的这一年或半年交给星桥计划，我觉得非常值得。”
Mentor 寄语
邱锂力
微软亚洲研究院
副院长
潘昊同学对研究充满热情，具备扎实的基础知识、超强的动手能力和卓越的学习能力，富有创造力且务实。他的工作既广又深。期待潘昊在科研道路上坚持不懈，实现许多创新性且具有影响力的突破，大力推动无线通信和感知技术。
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