致敬香農(nóng) 超越香農(nóng)：語義信息論開創(chuàng)“智簡”新范式

7月11日消息（趙婷婷）7月10日，由中國通信學(xué)會主辦的“信息論：經(jīng)典與現(xiàn)代”學(xué)術(shù)研討會在北京召開。會議圍繞北京郵電大學(xué)教授、中國工程院院士張平團(tuán)隊(duì)在語義信息論方面的理論突破、語義通信的關(guān)鍵技術(shù)以及6G外場試驗(yàn)網(wǎng)等內(nèi)容開展學(xué)術(shù)研討。與會專家一致認(rèn)為，語義通信技術(shù)將成為未來信息通信技術(shù)的重要研究方向，具有重大的理論與應(yīng)用價值。

在接受包括C114在內(nèi)的媒體專訪時，張平院士表示，經(jīng)典信息論指導(dǎo)下的通信技術(shù)已經(jīng)逐步逼近理論極限，如何突破經(jīng)典理論極限是整個業(yè)界都關(guān)注的重大科學(xué)問題。

在這條勇攀科技創(chuàng)新“珠峰”的道路上，張平團(tuán)隊(duì)在信息論領(lǐng)域大膽探索，在語義通信理論方面取得了多項(xiàng)突破性成果。該團(tuán)隊(duì)的重要論文《語義通信的數(shù)學(xué)理論》，發(fā)表在我國通信領(lǐng)域的頂級期刊《通信學(xué)報(bào)》，揭示了同義性是語義信息的本質(zhì)特征，從同義映射這一核心概念出發(fā)，建立完整的語義信息理論框架，全面擴(kuò)展了通信系統(tǒng)的理論極限。該論文提出的語義信息論，是對經(jīng)典信息論的推廣與超越，是中國科學(xué)家在信息基礎(chǔ)理論上的原創(chuàng)突破，將成為現(xiàn)代語義通信的指導(dǎo)理論。

語義通信：端到端貫通式優(yōu)化，突破通信網(wǎng)絡(luò)三大瓶頸

1948年美國科學(xué)家香農(nóng)發(fā)表了著名論文《通信的數(shù)學(xué)理論》，標(biāo)志著經(jīng)典信息論的誕生。70多年來，在經(jīng)典信息論指導(dǎo)下，通信技術(shù)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，已經(jīng)逼近了理論極限。如何突破經(jīng)典信息論的局限，推動可持續(xù)發(fā)展，是學(xué)術(shù)界與工業(yè)界共同關(guān)心的重大問題。

研討會上，張平院士指出，“當(dāng)前通信領(lǐng)域面臨著三大瓶頸?！敝饕憩F(xiàn)在理論性、智能性以及靈活性三個方面：當(dāng)前通信體制無法逾越理論極限的天花板，與人工智能的設(shè)計(jì)范式難以匹配，以及無法靈活適配復(fù)雜場景變化的需求。可以說，經(jīng)典信息理論體系，已經(jīng)難以適應(yīng)未來通信技術(shù)的發(fā)展，迫切需要站在巨人的肩膀上予以突破。

張平認(rèn)為，語義通信將是突破這三大瓶頸的有效途徑。在他看來，現(xiàn)代語義通信是將通信與智能融合的新型通信技術(shù)，以語義信息論為指導(dǎo)，充分挖掘語義信息的深層特性，實(shí)現(xiàn)端到端聯(lián)合優(yōu)化，以簡約的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，獲得更好的通信性能，體現(xiàn)了“智簡”通信的特點(diǎn)。

“經(jīng)典通信，大多采用分模塊處理信息，導(dǎo)致信號處理技術(shù)堆疊，處理鏈條冗長，復(fù)雜度越來越高，難以持續(xù)。”相比于經(jīng)典通信，現(xiàn)代語義通信打破了模塊分離優(yōu)化的約束，采用端到端貫通式優(yōu)化，采用信源信道聯(lián)合設(shè)計(jì)的技術(shù)手段，獲得通信系統(tǒng)的整體優(yōu)化?！盁o損的高效傳輸是通信的基本關(guān)注點(diǎn)，而多模態(tài)信源語義的提取及處理是AI關(guān)注的問題，更高層次的語義信息是解決通信智能融合的手段?！?/p>

體系創(chuàng)新：從理論到實(shí)踐，多項(xiàng)原創(chuàng)性突破成果亮相

近年來，張平團(tuán)隊(duì)在信息論領(lǐng)域大膽探索，取得了多項(xiàng)突破性成果，已經(jīng)形成了從基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的完整體系。

基礎(chǔ)理論方面，其團(tuán)隊(duì)在通信學(xué)報(bào)發(fā)表的論文《語義通信的數(shù)學(xué)理論》中，發(fā)現(xiàn)語義信息是語法信息的上級抽象，同義性是語義信息的本質(zhì)特征。由此，基于同義映射，團(tuán)隊(duì)引入了語義信息的度量——語義熵，以及上/下語義互信息、語義信道容量、語義率失真函數(shù)，從而建立了完整的語義信息度量體系。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)證明了三個重要的語義編碼定理。特別是語義信道容量公式打破了香農(nóng)界對通信系統(tǒng)的禁錮?！罢Z義信息論全面擴(kuò)展了通信系統(tǒng)的理論極限，是對經(jīng)典信息論的自然推廣，這是中國學(xué)者對信息理論的原創(chuàng)性貢獻(xiàn)。”

關(guān)鍵技術(shù)方面，在語義信息論指導(dǎo)下，張平團(tuán)隊(duì)提出了語義基物理模型，是通信和智能融合的基礎(chǔ)，賦能現(xiàn)代語義通信系統(tǒng)的柔性化智能設(shè)計(jì)；以語義基模型為基礎(chǔ)，進(jìn)一步提出了非線性變換編碼、模分多址(MDMA)、語義全雙工(SDD)等多項(xiàng)代表性的語義通信關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)將在語義通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，發(fā)揮重要的支撐作用。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方面，張平團(tuán)隊(duì)搭建的外場試驗(yàn)網(wǎng)是國際首個面向6G通信與智能融合的外場試驗(yàn)網(wǎng)，以語義信息論為指導(dǎo)進(jìn)行的系統(tǒng)搭建及外場組網(wǎng)，突破了香農(nóng)界對通信系統(tǒng)的禁錮，在三項(xiàng)通信核心基礎(chǔ)指標(biāo)(容量、覆蓋、效率)上均獲得10倍的性能提升；可以支撐沉浸式通信、泛在連接、超高可靠低時延、超大規(guī)模多連接等6G主要場景的全面性能提升。在研討會現(xiàn)場，中國移動首席專家劉光毅指出，語義通信工程化設(shè)計(jì)需要考慮兼容性和性能之間的均衡，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的全局優(yōu)化。

范式轉(zhuǎn)變：加快國際標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，6G全球競爭中贏得先機(jī)

去年，ITU正式發(fā)布6G愿景，明確了6個典型場景和15個性能指標(biāo)；今年3月，3GPP進(jìn)一步敲定了6G標(biāo)準(zhǔn)化時間表。圍繞著6G關(guān)鍵技術(shù)的遴選與收斂，成為了業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

張平指出，“現(xiàn)代語義通信關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)成為6G標(biāo)準(zhǔn)化組織關(guān)注的候選技術(shù)。目前，國家已成立了針對語義通信國際標(biāo)準(zhǔn)化的任務(wù)組，由我們牽頭，運(yùn)營商、設(shè)備商、終端廠商等國際國內(nèi)30余家單位積極參與，完成的技術(shù)提案已超過60項(xiàng)。我們將廣泛聯(lián)合學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界等各方力量，共同推進(jìn)語義通信技術(shù)的國際標(biāo)準(zhǔn)化工作?！?/p>

“未來，我們將繼續(xù)推動智能與通信的融合理論與技術(shù)研究，推動語義通信在6G中的應(yīng)用與標(biāo)準(zhǔn)化工作，進(jìn)一步鞏固我國語義通信技術(shù)在國際的領(lǐng)先地位?！睆埰秸f道。

更重要的是，現(xiàn)代語義通信并不是“空中樓閣”，而是已經(jīng)在現(xiàn)網(wǎng)中得到應(yīng)用。例如基于語義通信的咪咕視頻彩鈴在今夏歐洲杯期間發(fā)布，已完成 100個專題視頻彩鈴的制作并上線，大幅度提升了窄帶高清的用戶效果體驗(yàn)。未來，現(xiàn)代語義通信將通過賦能具身智能，助推低空經(jīng)濟(jì)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、XR、智慧教育、元宇宙等獲得更廣闊的創(chuàng)新發(fā)展?！罢Z義信息論指導(dǎo)下的現(xiàn)代語義通信，將推動未來通信技術(shù)的范式轉(zhuǎn)變，為數(shù)字經(jīng)濟(jì)新業(yè)態(tài)提供賦能?！?

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