摘 要：語義通信基于共享語義知識庫輔助，提取信源語義特征進(jìn)行編碼傳輸，實(shí)現(xiàn)信息的“達(dá)意”傳遞，被認(rèn)為是應(yīng)對６Ｇ 愿景的使能技術(shù)之一。為了構(gòu)建高效、魯棒的語義通信系統(tǒng)，深入研究語義通信中涉及無線信道建模與處理的相關(guān)內(nèi)容必不可少，如挖掘信道特征以指導(dǎo)語義編／ 譯碼、對抗信道衰落與噪聲以抑制語義信息誤解等。旨在綜述面向語義通信涉及無線信道建模與處理的研究進(jìn)展，在概述語義通信原理基礎(chǔ)上，總結(jié)了語義通信中涉及無線信道建模與處理的三個(gè)方面，包括信道知識庫構(gòu)建、物理信道處理和語義信道處理，綜述了相關(guān)方面的研究方法與進(jìn)展。結(jié)合已有研究成果，探討了信道知識庫構(gòu)建和信道處理存在的挑戰(zhàn)并展望了其未來發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：語義通信；信道知識庫；物理信道處理；語義信道處理

中圖分類號：ＴＮ９１１． １ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（ＯＳＩＤ）：

文章編號：１００３－３１１４（２０２４）０３－０５１９－０９

０ 引言

２０２３ 年６ 月，國際電信聯(lián)盟無線電通信部門完成了６Ｇ 綱領(lǐng)性文件《ＩＭＴ 面向２０３０ 及未來發(fā)展的框架和總體目標(biāo)建議書》［１］。該建議書作為６Ｇ 綱領(lǐng)性的文件，匯聚了全球６Ｇ 愿景共識，描繪了６Ｇ目標(biāo)與趨勢，提出了６Ｇ 的典型場景及能力指標(biāo)體系。一方面，建議書提出的６Ｇ 無線能力指標(biāo)相比５Ｇ 普遍提升１０ ～１００ 倍，如每秒兆比特級別的體驗(yàn)速率、亞毫秒級的時(shí)延、千萬級的連接等；另一方面，６Ｇ 在５Ｇ 三大場景的基礎(chǔ)上增強(qiáng)并拓展，同時(shí)推動“萬物互聯(lián)”向“萬物智聯(lián)”演進(jìn)，通信網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)將不再局限于過去的人－人通信，而是擴(kuò)展到人－機(jī)、機(jī)－機(jī)等多種方式智能互聯(lián)，為不同類型的通信對象按需提供針對性的智能服務(wù)。因此，如何滿足海量數(shù)據(jù)交互、復(fù)雜多樣的智能化服務(wù)需求是未來６Ｇ 通信領(lǐng)域面臨的一大挑戰(zhàn)［２－３］。

當(dāng)前通信技術(shù)的高速發(fā)展依賴于香農(nóng)建立的經(jīng)典信息論，其基于信息的隨機(jī)性給出概率信息熵［４］。然而，經(jīng)典信息論指導(dǎo)下的通信技術(shù)已經(jīng)逐漸逼近通信理論極限，例如，信源編碼技術(shù)已經(jīng)逼近信源熵／ 率失真函數(shù)以及信道編碼技術(shù)已經(jīng)逼近信道容量。事實(shí)上，早在１９５３ 年，Ｗｅａｖｅｒ 對基于經(jīng)典信息論的通信體系做了進(jìn)一步補(bǔ)充，將通信問題總體上規(guī)劃為語法、語義和語用３ 個(gè)層次［５］。經(jīng)典信息論只關(guān)注了信息的語法層次，并沒有關(guān)注信息的語義及語用層次，導(dǎo)致經(jīng)典信息論在研究廣度和研究深度等方面存在著一定的局限性。語義通信主要解決的是如何準(zhǔn)確傳輸符號意義的問題，是對信息傳輸內(nèi)容和方式的重新思考，通過深度融合人工智能（ＡＩ）及其他相關(guān)技術(shù)，有望對６Ｇ 移動通信演進(jìn)的理論架構(gòu)體系帶來全方位的改變，是當(dāng)前學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)［６－９］。在產(chǎn)業(yè)界，語義通信被華為公司視為后香農(nóng)時(shí)代信息及通信技術(shù)領(lǐng)域首要挑戰(zhàn)難題［１０］。

區(qū)別于以實(shí)現(xiàn)比特?cái)?shù)據(jù)無差錯(cuò)傳輸為目標(biāo)的語法通信方式，語義通信追求如何高效地傳輸語義信息，保證收發(fā)端對源信息的通信意圖準(zhǔn)確理解，從而實(shí)現(xiàn)“達(dá)意”通信。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，語義通信需要重塑信息表征、度量、壓縮、傳輸、恢復(fù)等核心環(huán)節(jié)，面臨“統(tǒng)一度量難、按需壓縮難、高效傳輸難”等一系列體系化挑戰(zhàn)問題［１１－１３］，其關(guān)鍵技術(shù)包括語義信息表示與度量，主要解決面向文字、圖像、視頻等多模態(tài)信源構(gòu)建統(tǒng)一的度量體系的問題；語義信息按需壓縮，主要解決面向語義任務(wù)、信道能力實(shí)現(xiàn)語義信息的彈性壓縮問題；語義信息高效魯棒傳輸，主要解決在語義失真約束下實(shí)現(xiàn)語義信息的端到端有效傳輸問題。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)語義信息的高效傳輸以及保障語義通信系統(tǒng)的魯棒性，對面向語義通信的信道建模與處理技術(shù)的研究必不可少。通過對目前語義通信研究文獻(xiàn)的歸納總結(jié)，本文旨在對語義通信過程中涉及無線信道建模與處理的環(huán)節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)性綜述，主要包括信道知識庫構(gòu)建、物理信道處理、語義信道處理三方面。簡而言之，信道知識庫為語義通信提供傳輸環(huán)境的信道語義信息，支撐端到端語義通信的高效實(shí)現(xiàn)；物理信道處理為對抗無線信道衰落與噪聲以保障語義傳輸?shù)挠行?；語義信道處理以降低語義噪聲為目標(biāo)，旨在消除語義信息的歧義。在此基礎(chǔ)上，指出未來研究方向與挑戰(zhàn)，為相關(guān)研究工作提供理論參考。

１ 語義通信系統(tǒng)模型

先給出語義通信系統(tǒng)基礎(chǔ)框架并簡述其核心組成部分，重點(diǎn)說明語義通信系統(tǒng)中涉及信道建模與處理的相關(guān)環(huán)節(jié)。在語義通信系統(tǒng)建模方面，研究者基于不同的考慮提出了不同的語義通信系統(tǒng)基礎(chǔ)框架，但是目前學(xué)術(shù)界尚未取得共識。不失一般性，本文采用張平院士團(tuán)隊(duì)提出的語義通信系統(tǒng)模型［１４］，如圖１ 所示。語義通信系統(tǒng)模型分為技術(shù)級通信與語義級通信兩個(gè)層級，其中，技術(shù)級通信包括信源、語法編碼器、物理信道、語法譯碼器、信宿５ 個(gè)模塊；語義級通信是疊加在經(jīng)典通信模型上的系統(tǒng)，引入了語義知識庫、語義編碼器以及語義譯碼器，并擴(kuò)展了信道與信宿。

相比于傳統(tǒng)語法通信系統(tǒng)，語義通信系統(tǒng)中新增且必不可少的模塊包括：

① 語義知識庫。語義知識庫為語義通信中語義元素的提取、識別、傳輸以及推理過程提供全局知識背景，同時(shí)定義了高效搜索空間，規(guī)范了搜索路徑，是語義通信的關(guān)鍵使能技術(shù)之一［９，１５］。語義通信要求所有通信參與者都必須具備相似的背景知識，包含語義元素及其對應(yīng)的邏輯與推理關(guān)系。共享語義知識庫意味知識庫中的元素與邏輯關(guān)系能夠同時(shí)被通信參與方接收與理解。在此基礎(chǔ)上，語義通信系統(tǒng)從信源或信宿中提取語義背景知識，從信道傳播環(huán)境中提取環(huán)境語義特征知識，輔助指導(dǎo)語義編／ 譯碼器訓(xùn)練，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效、可靠的“達(dá)意”通信。近期由鵬程實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合北京郵電大學(xué)和香港中文大學(xué)（深圳），共同發(fā)布的《面向現(xiàn)代語義通信的語義知識庫技術(shù)白皮書》總結(jié)了語義知識庫的研究現(xiàn)狀與面臨的挑戰(zhàn)，提出了語義知識庫性能衡量指標(biāo)以及語義知識庫使能的現(xiàn)代語義通信關(guān)鍵技術(shù)［１６］。