本文來自微信公眾號(hào)中國電子報(bào)，作者/劉晶
對(duì)語義通信的研究越來越受到重視，特別是在VR、AR、元宇宙蓬勃發(fā)展之際，這類業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)量是現(xiàn)在視頻數(shù)據(jù)量的10倍以上，要實(shí)現(xiàn)VR、AR、元宇宙的社交屬性，就需要實(shí)時(shí)傳送和互動(dòng)，如果按照傳統(tǒng)的通信方式，這意味著要消耗大量的帶寬資源。在6G的研究中，語義通信被寄予希望改變這種情況。
通俗一點(diǎn)說，語義通信就好像電視劇里特工密碼發(fā)報(bào)一樣，發(fā)很少的字節(jié)，傳復(fù)雜的內(nèi)容。通信雙方憑借本地的語義知識(shí)庫，在只傳很少信息的基礎(chǔ)上，各自分別編解碼，達(dá)到傳遞復(fù)雜龐大信息的目的。例如在VR、AR游戲里，對(duì)一道光的渲染，原本需要傳輸大量的信息，但以語義通信的方式，可以在傳輸端發(fā)送簡(jiǎn)單的語義信息說“需要有一道光”，接收端根據(jù)語義知識(shí)庫，就可以直接渲染出來，呈現(xiàn)出那道光。
“語義通信最大的特點(diǎn)就是可以把對(duì)傳輸速率的要求降得非常低，但用戶的體驗(yàn)仍然是非常的流暢，這是語義通信的明顯好處。”中國移動(dòng)首席研究員劉光毅說。
以語義通信超越香農(nóng)極限
語義通信的基本概念是由韋弗和香農(nóng)在1948年發(fā)表的經(jīng)典論文《傳播的數(shù)學(xué)理論》中首次提出，隨后，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界均從不同角度開展廣泛研究。
無線通信發(fā)展到今天，一直遵循的都是香農(nóng)定律。香農(nóng)定律是關(guān)于無線信道容量計(jì)算的經(jīng)典定律，是信息論的基礎(chǔ)。香農(nóng)認(rèn)為，雖然通信系統(tǒng)中傳輸?shù)男畔⑼ǔ０欢ǖ恼Z義信息，但是這些語義信息一般受到諸多與通信物理信道及傳輸技術(shù)本身無關(guān)的因素的影響。因此，為了保證信息理論的普適性，在設(shè)計(jì)和考慮通信的技術(shù)問題時(shí)，不應(yīng)當(dāng)考慮通信的語義問題。所以直到第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，都沒有語義通信。
為何在今天，進(jìn)入6G的關(guān)鍵技術(shù)研究窗口期中，語義通信受到了更多的關(guān)注？
在今年3月初的MWC大會(huì)上，時(shí)任華為輪值董事長(zhǎng)郭平說：“我們知道，信道容量已經(jīng)接近天花板。華為持續(xù)探索新一代MIMO和無線AI等理論與技術(shù)，進(jìn)一步逼近香農(nóng)極限，同時(shí)研究語義通信等新理論，嘗試超越香農(nóng)極限，為通信打開更為廣闊的發(fā)展空間。”
香農(nóng)定理認(rèn)為，一個(gè)信道中，也就是在某段頻譜資源內(nèi)，能夠傳送的數(shù)據(jù)量是有極限的，從第一代移動(dòng)通信到第五代移動(dòng)通信，信道編碼的方式換了又換，目的就是提高頻譜的利用效率，向香農(nóng)極限靠近，現(xiàn)在已經(jīng)十分逼近于香農(nóng)曲線的極限值，產(chǎn)業(yè)繼續(xù)發(fā)展面臨理論基礎(chǔ)的天花板。
目前業(yè)界在研究的語義通信是一種全新的通信架構(gòu)，它將用戶對(duì)信息的需求及語義融入通信過程。“基于人工智能技術(shù)發(fā)展的啟示，我們的創(chuàng)新解決方案是將傳統(tǒng)的通信轉(zhuǎn)換為語義通信，傳統(tǒng)通信是對(duì)信源內(nèi)容基于符號(hào)的方式進(jìn)行語法編碼傳輸，它的重點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)符號(hào)的無差錯(cuò)傳輸，而語義通信只是對(duì)信源內(nèi)容含義的特征進(jìn)行提取、編碼和傳輸，它的重點(diǎn)是要保證視頻內(nèi)容含義的一致性。”中國移動(dòng)研究院高級(jí)研究員潘成康說。
語義通信的探索方興未艾
目前語義通信研究比較多的是在VR、AR、元宇宙這類應(yīng)用場(chǎng)景中的實(shí)現(xiàn)。因?yàn)檫@類應(yīng)用需要非常大的帶寬資源，如果語義通信能夠在其中落地，具有非?，F(xiàn)實(shí)的商業(yè)意義。
中國移動(dòng)聯(lián)合清華大學(xué)、北京郵電大學(xué)開發(fā)了低碼率繪畫、視頻、通信和智簡(jiǎn)的語義通信系統(tǒng)。
“一個(gè)視頻的語義通信基本過程是我們?cè)诎l(fā)送端進(jìn)行語義編碼，需要對(duì)視頻內(nèi)容進(jìn)行語義特征的提取，例如視頻中一個(gè)繪畫者的頭部姿態(tài)和面部表情進(jìn)行特征提取，從而獲得頭部、面部關(guān)鍵點(diǎn)的位置信息和形變信息。”潘成康說，“再將這些信息進(jìn)行信道編碼，通過無線信道傳輸?shù)浇邮斩?，在接收端有語義解碼模塊，可以利用這些關(guān)鍵信息，結(jié)合一些先驗(yàn)的知識(shí)，包括關(guān)鍵幀信息、訓(xùn)練好的模型，在接收端可以理解和重構(gòu)繪畫者的頭部姿態(tài)和面部表情，恢復(fù)視頻畫面。”在演示過程中，語義通信可以僅用傳統(tǒng)通信1/16的傳輸速率，依然保持清晰流暢的畫面。
在視頻業(yè)務(wù)之外，利用語義通信實(shí)現(xiàn)6G網(wǎng)絡(luò)的智能簡(jiǎn)約也是一個(gè)重點(diǎn)方向。
中國工程院院士、北京郵電大學(xué)教授張平團(tuán)隊(duì)提出一種面向6G的“一面三層”智簡(jiǎn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)（IE-SC）。這一架構(gòu)的基礎(chǔ)是一種新的語義表征框架模型——語義基（Seb）。語義基是語義信息的基本組織單元，類比于香農(nóng)語法信息論體系中的基本組織單元——比特（Bit），Bit到Seb的改變可類比為基于“磚瓦”到基于“預(yù)制板”的兩種房屋建筑模式的改變。語義基是一種語義信息表示模型，以更為結(jié)構(gòu)化、簡(jiǎn)約化、彈性化的方式對(duì)信息進(jìn)行組織，為描述涉及網(wǎng)絡(luò)意圖的語義信息提供一個(gè)新的視角。
其中，“一面三層”分別為語義智能平面、語義物理承載層、語義網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層及語義應(yīng)用意圖層。在“三層”中，語義物理承載層是通過語義編譯碼、信源信道聯(lián)合編譯碼等實(shí)現(xiàn)上層語義信息的物理承載與傳輸；語義網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層實(shí)現(xiàn)上層應(yīng)用意圖在網(wǎng)絡(luò)中的智能交互；語義應(yīng)用意圖層通過意圖挖掘、意圖理解、意圖分解等實(shí)現(xiàn)從意圖到語義的分解轉(zhuǎn)化。在“一面”中，語義智能平面具備語義決策推導(dǎo)、語義環(huán)境表征、背景知識(shí)管理能力，驅(qū)動(dòng)語義信息流在三層之間的流動(dòng)。
在智簡(jiǎn)語義通信系統(tǒng)中，基本工作過程和視頻的過程是一致的，不同之處是進(jìn)一步的引入了信源信道聯(lián)合編碼，將信道的特征納入系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在語義特征提取的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮到信道的動(dòng)態(tài)變化。
此外，西安電子科技大學(xué)教授、鵬城實(shí)驗(yàn)室副主任石光明等人提出了面向萬物智聯(lián)的語義通信網(wǎng)絡(luò)，并提出一種基于聯(lián)邦邊緣智能的語義通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)集中式的機(jī)器學(xué)習(xí)方法不同，聯(lián)邦學(xué)習(xí)可保證多個(gè)數(shù)據(jù)擁有方之間在不泄露本地?cái)?shù)據(jù)及相關(guān)信息的前提下，僅通過交換不泄露隱私的中間結(jié)果實(shí)現(xiàn)合作訓(xùn)練和建模。這種語義通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要包括：用戶、邊緣計(jì)算服務(wù)器、全局知識(shí)與語義識(shí)別模型協(xié)同器，其中采用了知識(shí)圖譜作為語義的表征方法。
語義通信面臨的挑戰(zhàn)
語義通信曾經(jīng)面臨的最大問題是準(zhǔn)確性低，借助人工智能水平的提升，這一點(diǎn)會(huì)大大改善。但同一語義帶有多種含義依然是語義通信中要克服的主要困難。例如英文單詞“Catch”在作動(dòng)詞時(shí)可以有“理解”的含義，也可能是指“接住”或者“趕上”。這些不同含義一般可能導(dǎo)致接收端用戶在語義理解上出現(xiàn)較大偏差。
“語義通信實(shí)際上是一個(gè)非線性結(jié)構(gòu)化發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)，其中結(jié)構(gòu)化非常重要，人腦也是結(jié)構(gòu)化發(fā)展的，所以語義通信要克服復(fù)雜性，要利用結(jié)構(gòu)，要利用先驗(yàn)的結(jié)構(gòu)減少不確定性。”中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授陸建華說，“6G網(wǎng)絡(luò)要做成結(jié)構(gòu)化的，就要在基礎(chǔ)理論上有創(chuàng)新，這個(gè)創(chuàng)新應(yīng)該具備全局視角，包括網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)。”
在解決不確定性的同時(shí)，語義通信還應(yīng)具備自我學(xué)習(xí)的能力。當(dāng)新興的語義知識(shí)在某個(gè)平臺(tái)出現(xiàn)時(shí)，語義知識(shí)庫需要根據(jù)情況識(shí)別和分析其可能具備的含義和使用場(chǎng)景，并添加到知識(shí)庫里。
此外，語義通信網(wǎng)絡(luò)安全性也是一個(gè)重要的挑戰(zhàn)。所有上傳到語義知識(shí)庫的信息應(yīng)當(dāng)具有完善的審查機(jī)制，防止語義知識(shí)庫被惡意用戶篡改。隨著語義通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，會(huì)有更多新興的安全問題暴露出來。專家認(rèn)為，提前預(yù)測(cè)、建模和分析未來可能出現(xiàn)的新興語義通信網(wǎng)絡(luò)安全隱患對(duì)語義通信技術(shù)的發(fā)展和普及具有至關(guān)重要的意義。
