探索和利用信息是驅(qū)動(dòng)數(shù)字時(shí)代發(fā)展的策源力。

信息通信與每個(gè)人的生活息息相關(guān)，對(duì)一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展影響深遠(yuǎn)。對(duì)普通人來(lái)說(shuō)，從3G到5G的通信變革讓生活變得美好輕松，而對(duì)專(zhuān)業(yè)人士來(lái)說(shuō)，通信其實(shí)已經(jīng)進(jìn)入“最難的時(shí)代”。由于經(jīng)典信息論停滯不前，通信技術(shù)已經(jīng)接近經(jīng)典信息論所預(yù)言的理論極限。未來(lái)發(fā)展方向在哪里？

語(yǔ)義通信取得新突破

1948年，現(xiàn)代信息論創(chuàng)始人香農(nóng)發(fā)表《通信的數(shù)學(xué)理論》論文，七十多年來(lái)，該論文一直指引著現(xiàn)代通信一路高歌猛進(jìn)。

通信不斷迭代演進(jìn)，AI相伴快速崛起。經(jīng)典信息論在指導(dǎo)未來(lái)智能通信系統(tǒng)構(gòu)建與研究上所遭遇的局限性，讓面向語(yǔ)義通信的研究引起學(xué)術(shù)界高度關(guān)注，而中國(guó)工程院院士、北京郵電大學(xué)教授張平團(tuán)隊(duì)就是引領(lǐng)全球語(yǔ)義通信研究的重要力量。

“隨著時(shí)間推移，香農(nóng)在上世紀(jì)四十年代末建立的經(jīng)典信息理論體系，已經(jīng)難以適應(yīng)未來(lái)通信技術(shù)的發(fā)展，我們迫切需要站在巨人的肩膀上予以突破。”張平說(shuō)。

香農(nóng)生活的那個(gè)時(shí)代，更多是人與人的通信，人們只要相互理解就能高效通信。而在當(dāng)下數(shù)字時(shí)代，通信更多發(fā)生在機(jī)器與機(jī)器之間。

“人與人之間那種天然的智能理解能力，這種‘靈’，能否在機(jī)器通信中出現(xiàn)呢？”張平堅(jiān)信，在AI技術(shù)助力下，語(yǔ)義通信能夠把模型、通信中蘊(yùn)藏的含義，通過(guò)多模態(tài)的形態(tài)，以通信的手段完成傳遞。“AI的引入，為通信系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)提供了全新視角，將帶來(lái)額外增益，即所謂的‘智簡(jiǎn)’，可以打破經(jīng)典理論對(duì)人們思想的禁錮。”

作為新一代通信方式的語(yǔ)義通信，在數(shù)學(xué)表征和理論依據(jù)方面尚不成熟。建立一套嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)模型來(lái)描述語(yǔ)義通信的過(guò)程是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，如何構(gòu)建語(yǔ)義信息論也是當(dāng)前研究的難點(diǎn)。

過(guò)去幾年，張平帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)一直在信息論領(lǐng)域大膽探索，砥礪奮進(jìn)，并在語(yǔ)義通信理論方面取得多項(xiàng)突破性成果。近期，該團(tuán)隊(duì)的重要論文《語(yǔ)義通信的數(shù)學(xué)理論》，發(fā)表在我國(guó)通信領(lǐng)域的頂級(jí)期刊《通信學(xué)報(bào)》，揭示了同義性是語(yǔ)義信息的本質(zhì)特征，從同義映射這一核心概念出發(fā)，建立了完整的語(yǔ)義信息理論框架，全面擴(kuò)展了通信系統(tǒng)的理論極限。

“我們發(fā)現(xiàn)，語(yǔ)義信息是語(yǔ)法信息的上級(jí)抽象，同義性是語(yǔ)義信息的本質(zhì)特征。”基于同義映射，張平團(tuán)隊(duì)引入了語(yǔ)義信息的度量——語(yǔ)義熵，以及上/下語(yǔ)義互信息、語(yǔ)義信道容量、語(yǔ)義率失真函數(shù)，從而建立了完整的語(yǔ)義信息度量體系。在新發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)又進(jìn)一步證明了三個(gè)重要的語(yǔ)義編碼定理，特別是語(yǔ)義信道容量公式打破了香農(nóng)界對(duì)通信系統(tǒng)的禁錮。

新的進(jìn)展，很快在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界引起關(guān)注。大家對(duì)這一最新突破產(chǎn)生濃厚興趣，并肯定了其深遠(yuǎn)影響。

“一個(gè)偉大的理論必然能概括為系統(tǒng)化的數(shù)學(xué)表述，而這種數(shù)學(xué)表述越簡(jiǎn)潔，就越容易被接受。”中國(guó)工程院外籍院士、英國(guó)皇家工程院院士、移動(dòng)通信領(lǐng)域國(guó)際著名學(xué)者王江舟在《語(yǔ)義通信的數(shù)學(xué)理論》序言中提出，這篇論文建立了一個(gè)源自同義映射概念的語(yǔ)義信息數(shù)學(xué)框架。應(yīng)用該理論，可以系統(tǒng)測(cè)量和評(píng)估語(yǔ)義信息，并設(shè)計(jì)和優(yōu)化語(yǔ)義通信系統(tǒng)。

最近，美國(guó)三所大學(xué)的科研人員致信張平，肯定了這一數(shù)學(xué)模型的創(chuàng)新性，認(rèn)為“同義映射能夠?yàn)樗诘难芯款I(lǐng)域帶來(lái)深遠(yuǎn)影響，并將為各地的研究人員帶來(lái)激發(fā)”。

圖為7月10日召開(kāi)的“信息論：經(jīng)典與現(xiàn)代”學(xué)術(shù)研討會(huì)現(xiàn)場(chǎng)（新華網(wǎng)朱家齊攝）

中國(guó)通信學(xué)會(huì)7月10日主辦的“信息論：經(jīng)典與現(xiàn)代”學(xué)術(shù)研討會(huì)上，與會(huì)院士專(zhuān)家普遍認(rèn)同，語(yǔ)義通信技術(shù)將成為未來(lái)信息通信技術(shù)的重要研究方向，具有重要的理論與應(yīng)用價(jià)值。張平團(tuán)隊(duì)發(fā)表的論文提出的語(yǔ)義信息論，是對(duì)經(jīng)典信息論的自然推廣，是中國(guó)科學(xué)家在信息基礎(chǔ)理論上的原創(chuàng)突破。

引入智能，助力6G智簡(jiǎn)

通信是賦能行業(yè)的工具，而AI又是賦能通信的重要工具。過(guò)去10年，機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)迅速發(fā)展，AI賦能通信也成為水到渠成的結(jié)果。

所謂數(shù)字世界，歸根結(jié)底是物理世界的人機(jī)物產(chǎn)生的映射。在此之下，通信與人工智能的緊密關(guān)系已經(jīng)非常明晰。在數(shù)字世界中，通信系統(tǒng)采集與傳輸語(yǔ)法信息，在算力、數(shù)據(jù)以及算法支持下，人工智能技術(shù)從語(yǔ)法信息中提取語(yǔ)義信息進(jìn)行加工處理，進(jìn)一步，智能決策與控制系統(tǒng)基于語(yǔ)用信息對(duì)物理世界執(zhí)行動(dòng)作。

早前，語(yǔ)義通信研究比較多的集中在XR、元宇宙這類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景中的實(shí)現(xiàn)，具有非常現(xiàn)實(shí)的商業(yè)意義。在視頻業(yè)務(wù)之外，張平團(tuán)隊(duì)敏銳地發(fā)現(xiàn)，利用語(yǔ)義通信實(shí)現(xiàn)6G網(wǎng)絡(luò)的智能簡(jiǎn)約也是一個(gè)重點(diǎn)方向，提出了6G智簡(jiǎn)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了面向智簡(jiǎn)6G的“一面-三層”智能高效語(yǔ)義通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

從4G到5G，過(guò)去通信的演進(jìn)發(fā)展可以說(shuō)是靠堆疊式，天線要增加，帶寬要增加，功率要增加。未來(lái)，隨著通信演進(jìn)迭代，芯片還要越來(lái)越小，但已經(jīng)逼近極限。

“智能一定會(huì)帶來(lái)簡(jiǎn)約，一定能開(kāi)創(chuàng)新的通信演進(jìn)新道路。”在語(yǔ)義信息論指導(dǎo)下，張平團(tuán)隊(duì)提出了語(yǔ)義基物理模型，進(jìn)一步提出了多項(xiàng)代表性的語(yǔ)義通信關(guān)鍵技術(shù)，并搭建了國(guó)際首個(gè)面向6G通信與智能融合的外場(chǎng)試驗(yàn)網(wǎng)。該試驗(yàn)網(wǎng)驗(yàn)證了語(yǔ)義通信在4G鏈路上可以達(dá)到6G傳輸能力，在容量、覆蓋、效率三項(xiàng)通信核心基礎(chǔ)指標(biāo)上均獲得10倍的性能提升。

圖為6G外場(chǎng)試驗(yàn)網(wǎng)展示區(qū)（新華網(wǎng)朱家齊攝）

“以語(yǔ)義信息論為指導(dǎo)進(jìn)行的系統(tǒng)搭建及6G外場(chǎng)組網(wǎng)，突破了香農(nóng)界對(duì)通信系統(tǒng)的禁錮，可以支撐沉浸式通信、泛在連接、超高可靠低時(shí)延、超大規(guī)模多連接等6G主要場(chǎng)景的全面性能提升。”在張平看來(lái)，語(yǔ)義通信堪稱(chēng)6G及未來(lái)通信的“拐點(diǎn)技術(shù)”。

在4G、5G鏈路上達(dá)到6G的傳輸能力，意義可謂深遠(yuǎn)。它既體現(xiàn)出智能簡(jiǎn)約的特點(diǎn)，也帶來(lái)顯著的增益改善。

“最集中的體現(xiàn)就是通信對(duì)資源的要求沒(méi)那么高了，成本降下來(lái)，老百姓都能用得起了。”張平說(shuō)，在算力方面，只需國(guó)產(chǎn)算力，在芯片制程方面，走出了一條另辟蹊徑的道路，不再受限于高制程，4G時(shí)代的28納米就能支撐6G發(fā)展。

當(dāng)新的通信潮流到來(lái)時(shí)，運(yùn)營(yíng)商也看好這一方向。大家認(rèn)為，6G外場(chǎng)試驗(yàn)網(wǎng)的成功搭建，降低了6G研究門(mén)檻，形成貫通理論、技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用的全產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新環(huán)境，促進(jìn)跨領(lǐng)域創(chuàng)新合作。

如今，張平團(tuán)隊(duì)從實(shí)用的物理模型上已經(jīng)證明了語(yǔ)義信息論的諸多觀點(diǎn)，現(xiàn)在只需大規(guī)模采用，驗(yàn)證其先進(jìn)性，就能更快推動(dòng)其成為6G國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，為全球通信事業(yè)發(fā)展做出中國(guó)貢獻(xiàn)。

張平說(shuō)，“現(xiàn)代語(yǔ)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(guó)家已成立了針對(duì)語(yǔ)義通信國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的任務(wù)組，由我們牽頭，運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備商、終端廠商等國(guó)際國(guó)內(nèi)30余家單位積極參與，完成的技術(shù)提案已超過(guò)60項(xiàng)。”他希望，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(yǔ)義通信技術(shù)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作。

賦能新業(yè)態(tài)，貢獻(xiàn)新理論

從提出語(yǔ)義信息論、研發(fā)語(yǔ)義通信關(guān)鍵技術(shù)，到搭建6G外場(chǎng)試驗(yàn)網(wǎng)，上述研究成果已經(jīng)形成從基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的完整體系。

張平團(tuán)隊(duì)成功印證了語(yǔ)義通信的可行性，邁出了從0到1的關(guān)鍵一步。“我們把一個(gè)基礎(chǔ)原理搞清楚了，接下來(lái)就是從1到10，這也需要學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界聯(lián)合來(lái)推動(dòng)。”張平院士團(tuán)隊(duì)成員、北京郵電大學(xué)教授許曉東說(shuō)，我們?cè)敢獍鸭夹g(shù)開(kāi)放出來(lái)，讓大家能為移動(dòng)通信事業(yè)發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。

實(shí)現(xiàn)語(yǔ)義通信已成為未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)的重要目標(biāo)與核心特征之一。作為新興交叉前沿研究方向，語(yǔ)義通信也會(huì)拓展新應(yīng)用。

語(yǔ)義信息論指導(dǎo)下的現(xiàn)代語(yǔ)義通信，將為數(shù)字經(jīng)濟(jì)新業(yè)態(tài)提供賦能。據(jù)張平介紹，目前，這一技術(shù)已在沉浸式視頻傳輸、無(wú)人車(chē)聯(lián)、無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)、泛在連接衛(wèi)星通信及大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)等場(chǎng)景驗(yàn)證了其優(yōu)異的性能。例如，基于語(yǔ)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(gè)專(zhuān)題視頻彩鈴的制作并上線，大幅度提升了窄帶高清的用戶(hù)效果體驗(yàn)。未來(lái)，現(xiàn)代語(yǔ)義通信將通過(guò)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。

在業(yè)內(nèi)專(zhuān)家看來(lái)，語(yǔ)義信息是通信與AI融合的關(guān)鍵，借助語(yǔ)義信息，通信融合AI將實(shí)現(xiàn)“最后一公里”的目標(biāo)，推動(dòng)無(wú)線AI、具身智能等應(yīng)用的成熟與普及。

王江舟說(shuō)，信息技術(shù)的發(fā)展迫切需要一個(gè)語(yǔ)義信息的成熟理論。張平團(tuán)隊(duì)提出的語(yǔ)義信息論成為經(jīng)典信息論的自然延伸，后者可以作為特例納入前者。它將極大促進(jìn)通信和人工智能技術(shù)的快速進(jìn)步。

中國(guó)科學(xué)院院士、通信網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)家尹浩認(rèn)為，張平團(tuán)隊(duì)在通信原理理論、工程化實(shí)踐方面取得重大進(jìn)展，其原創(chuàng)性值得肯定。

在張平本人看來(lái)，這次在信息理論研究方面的原創(chuàng)性突破，有助于推動(dòng)中國(guó)產(chǎn)業(yè)在國(guó)際的競(jìng)爭(zhēng)力。“我們國(guó)家的產(chǎn)業(yè)發(fā)展呈倒三角形，即應(yīng)用很好，設(shè)備也不錯(cuò)，但越到底層，我們的器件、操作系統(tǒng)越來(lái)越弱，特別是到了基礎(chǔ)理論層面大都是人家的。今天我們提出了這么一個(gè)基礎(chǔ)理論，希望讓這種競(jìng)爭(zhēng)不是一個(gè)倒三角形，而是一個(gè)正方形，我們跟別人是站在同一起跑線。”

“無(wú)線通信的重大創(chuàng)新必須從基礎(chǔ)理論上突破”，早在十多年前的3G時(shí)代，張平在接受媒體采訪時(shí)就做出了這樣的斷定。

隨著語(yǔ)義信息理論的提出并受到國(guó)內(nèi)外關(guān)注，張平通過(guò)多年不懈奮斗，讓自己的斷言成為現(xiàn)實(shí)，為突破經(jīng)典理論極限重大科學(xué)問(wèn)題做出了貢獻(xiàn)，也揭開(kāi)了新一輪信息技術(shù)革命的面紗。（凌紀(jì)偉）