对语义通信的研究越来越受到重视，特别是在VR、AR、元宇宙蓬勃发展之际，这类业务的数据量是现在视频数据量的10倍以上，要实现VR、AR、元宇宙的社交属性，就需要实时传送和互动，如果按照传统的通信方式，这意味着要消耗大量的带宽资源。在6G的研究中，语义通信被寄予希望改变这种情况。

通俗一点说，语义通信就好像电视剧里特工密码发报一样，发很少的字节，传复杂的内容。通信双方凭借本地的语义知识库，在只传很少信息的基础上，各自分别编解码，达到传递复杂庞大信息的目的。例如在VR、AR游戏里，对一道光的渲染，原本需要传输大量的信息，但以语义通信的方式，可以在传输端发送简单的语义信息说“需要有一道光”，接收端根据语义知识库，就可以直接渲染出来，呈现出那道光。

“语义通信最大的特点就是可以把对传输速率的要求降得非常低，但用户的体验仍然是非常的流畅，这是语义通信的明显好处。”中国移动首席研究员刘光毅说。

通信传输的“极限”

1948 年，在信息通信领域中诞生了一个伟大的通信理论-著名的香农定理：通信信道容量在理论上存在极限值，它表示信道中的极限信息传输率和信道能力，被奉为现代通信的“金科玉律”。此后，香农定理成为现代信息论的基础理论，信息产业得以高速发展，在通信和数据存储领域广泛应用，基于七十多年前的香农定理，一代又一代的通信产品不断涌现，并为今天通信的发展打下了坚实的理论基础。

迈入数智化时代，我们进入到万物感知、万物互联的智能社会，新的生产和生活模式也在不断的崛起中，这些都与七十年前香农时代发生了根本性的变化。随着 5G技术的快速发展，几乎达到了香农定理的极限。很多业内的通信专家也表明“5G之后无G”，在点到点的信道容量方面已经趋近容量限值。未来通信技术的发展，剩下的只是通信频道量的扩张。

通信行业的发展到了需要直视挑战的阶段。在世界移动通信大会上，华为轮值董事长郭平指出：“香农定理和冯诺依曼架构已遇到很大瓶颈，我们需要探索新的理论和架构。”

香农极限与冯诺依曼架构的瓶颈，也让计算与通信演化的方向朝量子计算、DNA存储、语义通信的方向延展。利用语义通信来解决信息传输的存储与效率等问题，运用量子计算的特质来并行执行庞大的计算任务。

探索这些新的信息传递与处理模式，可以把信息的传递延伸到更加广阔的未知地带，如深海通信、深空通信、人体网络和分子网络等。这些研究的方向都为未来提供了新的增长与创新空间。

以语义通信超越香农极限

语义通信的基本概念是由韦弗和香农在1948年发表的经典论文《传播的数学理论》中首次提出，随后，学术界和工业界均从不同角度开展广泛研究。

无线通信发展到今天，一直遵循的都是香农定律。香农定律是关于无线信道容量计算的经典定律，是信息论的基础。香农认为，虽然通信系统中传输的信息通常包含一定的语义信息，但是这些语义信息一般受到诸多与通信物理信道及传输技术本身无关的因素的影响。因此，为了保证信息理论的普适性，在设计和考虑通信的技术问题时，不应当考虑通信的语义问题。所以直到第五代移动通信网络，都没有语义通信。

为何在今天，进入6G的关键技术研究窗口期中，语义通信受到了更多的关注？

在今年3月初的MWC大会上，时任华为轮值董事长郭平说：“我们知道，信道容量已经接近天花板。华为持续探索新一代MIMO和无线AI等理论与技术，进一步逼近香农极限，同时研究语义通信等新理论，尝试超越香农极限，为通信打开更为广阔的发展空间。”

香农定理认为，一个信道中，也就是在某段频谱资源内，能够传送的数据量是有极限的，从第一代移动通信到第五代移动通信，信道编码的方式换了又换，目的就是提高频谱的利用效率，向香农极限靠近，现在已经十分逼近于香农曲线的极限值，产业继续发展面临理论基础的天花板。

目前业界在研究的语义通信是一种全新的通信架构，它将用户对信息的需求及语义融入通信过程。“基于人工智能技术发展的启示，我们的创新解决方案是将传统的通信转换为语义通信，传统通信是对信源内容基于符号的方式进行语法编码传输，它的重点是强调符号的无差错传输，而语义通信只是对信源内容含义的特征进行提取、编码和传输，它的重点是要保证视频内容含义的一致性。”中国移动研究院高级研究员潘成康说。

语义通信的探索方兴未艾

目前语义通信研究比较多的是在VR、AR、元宇宙这类应用场景中的实现。因为这类应用需要非常大的带宽资源，如果语义通信能够在其中落地，具有非常现实的商业意义。

中国移动联合清华大学、北京邮电大学开发了低码率绘画、视频、通信和智简的语义通信系统。

“一个视频的语义通信基本过程是我们在发送端进行语义编码，需要对视频内容进行语义特征的提取，例如视频中一个绘画者的头部姿态和面部表情进行特征提取，从而获得头部、面部关键点的位置信息和形变信息。”潘成康说，“再将这些信息进行信道编码，通过无线信道传输到接收端，在接收端有语义解码模块，可以利用这些关键信息，结合一些先验的知识，包括关键帧信息、训练好的模型，在接收端可以理解和重构绘画者的头部姿态和面部表情，恢复视频画面。”在演示过程中，语义通信可以仅用传统通信1/16的传输速率，依然保持清晰流畅的画面。

在视频业务之外，利用语义通信实现6G网络的智能简约也是一个重点方向。

中国工程院院士、北京邮电大学教授张平团队提出一种面向6G的“一面三层”智简网络协议架构（IE-SC）。这一架构的基础是一种新的语义表征框架模型——语义基（Seb）。语义基是语义信息的基本组织单元，类比于香农语法信息论体系中的基本组织单元——比特（Bit），Bit到Seb的改变可类比为基于“砖瓦”到基于“预制板”的两种房屋建筑模式的改变。语义基是一种语义信息表示模型，以更为结构化、简约化、弹性化的方式对信息进行组织，为描述涉及网络意图的语义信息提供一个新的视角。

其中，“一面三层”分别为语义智能平面、语义物理承载层、语义网络协议层及语义应用意图层。在“三层”中，语义物理承载层是通过语义编译码、信源信道联合编译码等实现上层语义信息的物理承载与传输；语义网络协议层实现上层应用意图在网络中的智能交互；语义应用意图层通过意图挖掘、意图理解、意图分解等实现从意图到语义的分解转化。在“一面”中，语义智能平面具备语义决策推导、语义环境表征、背景知识管理能力，驱动语义信息流在三层之间的流动。

在智简语义通信系统中，基本工作过程和视频的过程是一致的，不同之处是进一步的引入了信源信道联合编码，将信道的特征纳入系统设计中，在语义特征提取的基础上，进一步考虑到信道的动态变化。

此外，西安电子科技大学教授、鹏城实验室副主任石光明等人提出了面向万物智联的语义通信网络，并提出一种基于联邦边缘智能的语义通信网络架构。与传统数据集中式的机器学习方法不同，联邦学习可保证多个数据拥有方之间在不泄露本地数据及相关信息的前提下，仅通过交换不泄露隐私的中间结果实现合作训练和建模。这种语义通信网络架构主要包括：用户、边缘计算服务器、全局知识与语义识别模型协同器，其中采用了知识图谱作为语义的表征方法。

终极通信模式

作为智能化时代的新型通信技术，语义通信未来将会在智能设施、多智能体协作、人机自然交互、人机融合、城市协同安防等方面具有广阔前景。不过虽然语义通信具有较大的潜力和价值，但鱼和熊掌难以兼得，其发展仍然面临挑战。

1.语义知识库难共享。语义知识库是语义传输的基石，通信的参与者需要共享相同或者相似的哲学世界观与知识模型，知识积累和数据采集需要持续不断地投入，会耗费大量的时间与成本。在一些未知语义知识的传输中，对双方的知识库的协同更新能力也有较高的要求。否则在一些发射与接收端知识库不一致的情形下，双方的共有知识不一致，会发生传输的信息无法保真的情形。对于一些寿命较短的设备和机器，维护和更新知识库也需要耗费庞大的通信和存储成本。

2.语义通信技术本身的局限，语义的语境难感知且难识别。语义的信号包含的信息包罗万象，内容丰富。容易受到各种地域、背景、阶层、环境等限制，例如通信行业的人对于通信领域的专业知识会更加敏感，擅长自动驾驶领域的会更关注聚焦无人驾驶信息。语义的信息内容传递会容易局限在信息传输两端的背景中。对于知识识别和处理来说，会比较困难。

3.信息的传递涉及隐私安全的矛盾。信息传递的双方在不断地交换各自获取感知到的信息，在协调和更新知识库的情形下，可能会引起本地知识/隐私数据潜在的泄露风险，数据隐私难以保护。

这些难题都是语义通信发展路途的拦路虎，香农极限的瓶颈解决依赖于这些限制的突破。语义通信的模式会使得通信功能从相互信号传递变为相互沟通交流。人机协同、人机混合的智能模式也会得以上升到新的维度。这也推动智能体之间的高效合作，完成更多复杂、开放、鲁棒等问题。

通信是现代科技各行业发展的基础，语义通信的变革也会将通信技术相关的产业带领到新的阶段。从通信网络的架构到核心的神经网络芯片，包括各种通信接口规范和标准等等都会随语义通信模式的出现而变革。

而这些变化也将影响各类行业接口、设备标准的改变。未来可能会出现这样的场景，新购买的商品，可以与人直接交流，不需要纸质图文或者视频版的使用说明书，与用户交流成为最方便快捷的趋势。用户不再需要学习使用产品的这道工序。智能体之间进行沟通的机器语言也将诞生，多智能体的协作理解也将成为现实，人机协同、机机协同的效能大幅提升。

在过去，信息的传递讲究的是复刻，速率，而在技术的极致发展中，通信产业的终极追求从快到懂，人从分析处理信息的步骤中简化、解放，信息传递的效率从内容的角度全面升维。

在科幻作品中，通信的终极模式是心灵感应。通过一些智能设备，只要双方想要传递信息，信息便会通过心灵感应的方式传递，不会存在误解与失真的情形发生，信息的传递效率也没有时间的限制，即刻就能完成。人能够从低效的信息传播中解放出来，智识得到全面的发展。科幻作品中完全的心灵感应难以实现，不过如果细究其本质，心灵感应和语义通信的本质相似，都在追求信息的保真与效率，换句话说，语义通信也是一种低阶的心灵感应方式。一旦成熟，解放出来的效率与抹平的信息障碍，带给我们的未来不可限量。

文章来源： 科普中国，中国电子报