面向語義通信的信道知識庫構建與信道處理研究綜述

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行編碼傳輸，實現(xiàn)信息的“達意”傳遞，被認為是應對６Ｇ 愿景的使能技術之一。為了構建高效、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內(nèi)容必不可少，如挖掘信道特征以指導語義編／ 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展，在概述語義通信原理基礎上，總結(jié)了語義通信中涉及無線信道建模與處理的三個方面，包括信道知識庫構建、物理信道處理和語義信道處理，綜述了相關方面的研究方法與進展。結(jié)合已有研究成果，探討了信道知識庫構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 文獻標志碼：Ａ 開放科學（資源服務）標識碼（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 綱領性文件《ＩＭＴ 面向２０３０ 及未來發(fā)展的框架和總體目標建議書》［１］。該建議書作為６Ｇ 綱領性的文件，匯聚了全球６Ｇ 愿景共識，描繪了６Ｇ目標與趨勢，提出了６Ｇ 的典型場景及能力指標體系。一方面，建議書提出的６Ｇ 無線能力指標相比５Ｇ 普遍提升１０ ～１００ 倍，如每秒兆比特級別的體驗速率、亞毫秒級的時延、千萬級的連接等；另一方面，６Ｇ 在５Ｇ 三大場景的基礎上增強并拓展，同時推動“萬物互聯(lián)”向“萬物智聯(lián)”演進，通信網(wǎng)絡中的節(jié)點將不再局限于過去的人－人通信，而是擴展到人－機、機－機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。因此，如何滿足海量數(shù)據(jù)交互、復雜多樣的智能化服務需求是未來６Ｇ 通信領域面臨的一大挑戰(zhàn)［２－３］。

當前通信技術的高速發(fā)展依賴于香農(nóng)建立的經(jīng)典信息論，其基于信息的隨機性給出概率信息熵［４］。然而，經(jīng)典信息論指導下的通信技術已經(jīng)逐漸逼近通信理論極限，例如，信源編碼技術已經(jīng)逼近信源熵／ 率失真函數(shù)以及信道編碼技術已經(jīng)逼近信道容量。事實上，早在１９５３ 年，Ｗｅａｖｅｒ 對基于經(jīng)典信息論的通信體系做了進一步補充，將通信問題總體上規(guī)劃為語法、語義和語用３ 個層次［５］。經(jīng)典信息論只關注了信息的語法層次，并沒有關注信息的語義及語用層次，導致經(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）及其他相關技術，有望對６Ｇ 移動通信演進的理論架構體系帶來全方位的改變，是當前學術界的研究熱點［６－９］。在產(chǎn)業(yè)界，語義通信被華為公司視為后香農(nóng)時代信息及通信技術領域首要挑戰(zhàn)難題［１０］。

區(qū)別于以實現(xiàn)比特數(shù)據(jù)無差錯傳輸為目標的語法通信方式，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確理解，從而實現(xiàn)“達意”通信。為實現(xiàn)該目標，語義通信需要重塑信息表征、度量、壓縮、傳輸、恢復等核心環(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］，其關鍵技術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、信道能力實現(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的研究必不可少。通過對目前語義通信研究文獻的歸納總結(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)進行系統(tǒng)性綜述，主要包括信道知識庫構建、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裕徽Z義信道處理以降低語義噪聲為目標，旨在消除語義信息的歧義。在此基礎上，指出未來研究方向與挑戰(zhàn)，為相關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)基礎框架并簡述其核心組成部分，重點說明語義通信系統(tǒng)中涉及信道建模與處理的相關環(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)基礎框架，但是目前學術界尚未取得共識。不失一般性，本文采用張平院士團隊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)模型分為技術級通信與語義級通信兩個層級，其中，技術級通信包括信源、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，同時定義了高效搜索空間，規(guī)范了搜索路徑，是語義通信的關鍵使能技術之一［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的邏輯與推理關系。共享語義知識庫意味知識庫中的元素與邏輯關系能夠同時被通信參與方接收與理解。在此基礎上，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，輔助指導語義編／ 譯碼器訓練，進而實現(xiàn)高效、可靠的“達意”通信。近期由鵬程實驗室聯(lián)合北京郵電大學和香港中文大學（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以及語義知識庫使能的現(xiàn)代語義通信關鍵技術［１６］。