中國(guó)工程院院士張平：未來(lái)通信要深刻理解ComAI與語(yǔ)義通信

12月25日消息（張曉寶）12月19日，由中關(guān)村泛聯(lián)院主辦的第三屆6G前沿技術(shù)與趨勢(shì)論壇——6G通感算智融合創(chuàng)新論壇舉行期間，中國(guó)工程院張平院士做了題為《ComAI的理論、技術(shù)及工程實(shí)踐》的主旨發(fā)言。

AI與通信的融合是當(dāng)前一大方向，AI的引入也會(huì)為信息通信發(fā)展帶來(lái)更多增益。人類社會(huì)活動(dòng)正在從地面向空天地海多維立體空間擴(kuò)展，驅(qū)動(dòng)著許多如衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、深空通信等新興技術(shù)領(lǐng)域飛速發(fā)展，也對(duì)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的覆蓋、容量、傳輸速率、靈活性、服務(wù)質(zhì)量等提出更廣、更高、更多樣化的要求。

而當(dāng)前包括5G等商用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)在新空口、頻譜資源利用、網(wǎng)絡(luò)部署、優(yōu)化和管理、網(wǎng)絡(luò)安全等方面仍面臨一系列挑戰(zhàn)。

張平認(rèn)為，人工智能的核心問(wèn)題是建構(gòu)能夠跟人類相似，甚至超卓的推理、規(guī)劃、學(xué)習(xí)、交互、感知、使用工具和操控機(jī)械的能力等?！叭绻?a href="http://ygpos.cn/%E4%BA%BA%E5%B7%A5%E6%99%BA%E8%83%BD_1.html" target="_blank" class="keylink">人工智能弄的比我們?nèi)祟愡€聰明，寫(xiě)的詩(shī)、彈的音樂(lè)比我們還好，這可能不是我們的初衷。我們的初衷是希望人工智能為我們?nèi)祟惤鉀Q一些我們?nèi)祟愖霾坏降膯?wèn)題?！?/p>

6G作為基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性未來(lái)產(chǎn)業(yè)，具有前瞻性、創(chuàng)新性、顛覆性、融合性等特點(diǎn)，將全面構(gòu)筑萬(wàn)物智聯(lián)的新一代信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，是發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的重要戰(zhàn)略支撐。

此外，6G技術(shù)演進(jìn)面臨的挑戰(zhàn)之一便是“可持續(xù)發(fā)展需求”。張平表示，從1G到6G，在香農(nóng)信道容量曲線之下，若要繼續(xù)提升頻譜效率并有效減少功耗便需要借助于人工智能?；诖?，他指出傳統(tǒng)通信系統(tǒng)所面臨的三個(gè)瓶頸，包括通信體制理論極限、通信體制與人工智能匹配性以及通信體制靈活適配復(fù)雜場(chǎng)景變化為代表的三大類問(wèn)題。

ComAI的內(nèi)涵：實(shí)現(xiàn)通信與智能的深度融合

今年有5位諾貝爾獎(jiǎng)得主均與人工智能有關(guān)，他們的研究為通信領(lǐng)域帶來(lái)了一些啟示——通信也可以與人工智能實(shí)現(xiàn)交叉并帶來(lái)增益。人類一直通過(guò)物理模擬、數(shù)學(xué)建模等方式去模擬、延伸和擴(kuò)展人類的智能；但其實(shí)，無(wú)論是人腦神經(jīng)元的信息協(xié)同處理，還是人類之間的信息協(xié)同處理，都需要信息傳遞（通信）與信息認(rèn)知（智能）極其高效的配合，使得通信與智能融為一體、互為驅(qū)動(dòng)、缺一不可。

當(dāng)回顧歷史也可發(fā)現(xiàn)，“通信鼻祖”香農(nóng)其實(shí)在AI領(lǐng)域也有貢獻(xiàn)。理論貢獻(xiàn)方面，在1950年香農(nóng)基于人類預(yù)測(cè)能力以估計(jì)語(yǔ)言的熵和冗余度，提出了最初的NLP預(yù)測(cè)方法。而工程貢獻(xiàn)方面，香農(nóng)在1952年制造了一只機(jī)械老鼠，它能在迷宮中自主尋找通往奶酪的路線，被認(rèn)為是最早的強(qiáng)化學(xué)習(xí)案例。

早先，通信對(duì)AI的發(fā)展必有方法論以及理論貢獻(xiàn)，像交叉熵函數(shù)直接來(lái)源于信息論，用于度量數(shù)據(jù)分布與真實(shí)分布的差距。本質(zhì)上，深度學(xué)習(xí)的各種任務(wù)都可看作是神經(jīng)模型擬合的數(shù)據(jù)分布逼近真實(shí)分布的過(guò)程，是信息論指導(dǎo)下的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

按照香農(nóng)公式，若繼續(xù)僅靠增加天線的數(shù)量、發(fā)射頻譜的帶寬、發(fā)射天線的功率來(lái)增加容量的話已經(jīng)面臨極限；而將傳統(tǒng)空口各模塊連接起來(lái)，提出用人工智能進(jìn)行整體研究，但除了成本和復(fù)雜度增加外，也并未產(chǎn)生明顯增益。

從人類信息系統(tǒng)去思考的話，通過(guò)對(duì)外界信息的感知，再以信息介質(zhì)為傳導(dǎo)，生成整體意圖的概念，而意圖又通過(guò)神經(jīng)元傳至人類各個(gè)器官，并進(jìn)行信息利用、反饋等，其便體現(xiàn)出一個(gè)融合的特征。因此，張平提出了ComAI的內(nèi)涵，就是要能實(shí)現(xiàn)通信與智能的深度融合，要能實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)整體性能優(yōu)化。受自然智能的啟發(fā)，ComAI將創(chuàng)建更加智能、更具適應(yīng)性的網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)。

ComAI與語(yǔ)義信息論

ComAI的基礎(chǔ)理論在于語(yǔ)義信息論。前人對(duì)語(yǔ)義信息的特征進(jìn)行了多方面多角度探索，但尚未形成統(tǒng)一的語(yǔ)義信息理論框架。張平院士提出，建立語(yǔ)義信息理論的數(shù)學(xué)框架作為經(jīng)典信息論的自然延伸，其最新的文章成果便揭示了基于“同義性”本質(zhì)。

ComAI的基本理論就是要建立語(yǔ)義信息論，其關(guān)鍵技術(shù)包括語(yǔ)義基(Seb)物理模型、模分多址MDMA、非線性變換信源信道編碼NTSCC、語(yǔ)義全雙工SDD等，可實(shí)現(xiàn)對(duì)初步性能驗(yàn)證，以及探索潛在應(yīng)用場(chǎng)景。

今年牛凱、張平發(fā)表于中國(guó)《通信學(xué)報(bào)》的《語(yǔ)義通信的數(shù)學(xué)理論》，其建立了語(yǔ)義信息理論的數(shù)學(xué)框架，是經(jīng)典信息論的自然延伸。論文指出了語(yǔ)義通信的基本假設(shè)，包括語(yǔ)法表征性與語(yǔ)義同義性兩個(gè)方面。

與經(jīng)典通信系統(tǒng)相比，引入語(yǔ)義信源和語(yǔ)義信宿能使得通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)與設(shè)計(jì)邏輯發(fā)生根本性的改變。而引入同義映射與同義解映射，可用于描述語(yǔ)義信息與語(yǔ)法信息之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，能指導(dǎo)語(yǔ)義編碼器與語(yǔ)義解碼器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

此外，語(yǔ)義信息論也能很好計(jì)量語(yǔ)義信息度量。語(yǔ)義信息論還提出三大編碼定理，第一定理是語(yǔ)義無(wú)失真信源編碼定理，第二定理是語(yǔ)義信道編碼定理，第三定理是語(yǔ)義限失真信源編碼定理。

未來(lái)通信“拐點(diǎn)技術(shù)”：語(yǔ)義通信

張平指出，語(yǔ)義通信是未來(lái)通信的“拐點(diǎn)技術(shù)”。基于同義映射，語(yǔ)義通信可以大幅度提高通信系統(tǒng)的頻譜效率。由語(yǔ)義信息論所揭示的，平均同義區(qū)間長(zhǎng)度受編譯碼神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的規(guī)模、算力水平、同義碼字構(gòu)造、同義區(qū)間映射方式等關(guān)鍵因素的直接影響。

非線性變換信源信道編碼（NTSCC），其是基于非線性變換，對(duì)語(yǔ)義空間的多個(gè)信息流進(jìn)行精細(xì)特征提取、變速率編碼與傳輸。模分多址（MDMA），這個(gè)概念是指在語(yǔ)義域模型空間，利用了信源語(yǔ)義特征實(shí)現(xiàn)多用戶區(qū)分的新型多址接入方式。語(yǔ)義全雙工（SDD）方面，在帶內(nèi)全雙工場(chǎng)景下，通過(guò)引入語(yǔ)義自干擾抑制機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)逼近理想系統(tǒng)的傳輸效果。

ComAI的應(yīng)用前景要面向多智能體協(xié)同通信，以智慧港口場(chǎng)景中的多智能體協(xié)同工作為例，ComAI可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化信息交互方案，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全流程多智能體協(xié)同信息處理。

在實(shí)際驗(yàn)證方面，建成了國(guó)際首個(gè)面向6G智能與通信融合的外場(chǎng)試驗(yàn)網(wǎng)。通過(guò)實(shí)際外場(chǎng)驗(yàn)證了語(yǔ)義通信可以在4G/5G鏈路上達(dá)到6G傳輸能力，其譜效綜合提高近10倍，可推進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化，支撐未來(lái)產(chǎn)業(yè)化，也可為高校、研究機(jī)構(gòu)等降低6G研究門(mén)檻，也引起了海內(nèi)外的積極響應(yīng)。

對(duì)于信息理論的未來(lái)研究方向，張平提出要與人工智能進(jìn)行深度融合，要對(duì)理論極限再思考，更要向語(yǔ)用信息論擴(kuò)展。盡管大規(guī)模模型可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)用級(jí)信息決策，但語(yǔ)用信息論仍然缺失，需要建立具有向下兼容性的語(yǔ)用信息論，以解決推理與理解理論問(wèn)題。

對(duì)于ComAI關(guān)鍵技術(shù)的開(kāi)放性問(wèn)題，張平提出了包括與現(xiàn)有通信系統(tǒng)兼容、指導(dǎo)解決AI的現(xiàn)有問(wèn)題、系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化、信息安全和隱私保障問(wèn)題等幾大類的問(wèn)題。

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