科技自立自强之院士说｜张平：为突破信息理论贡献中国科学家力量

  信息通信与每个人的生活息息相关，对一个国家的经济社会发展影响深远。对普通人来说，从3G到5G的通信变革让生活变得美好轻松，而对专业人士来说，通信其实已经进入“最难的时代”。由于经典信息论停滞不前，通信技术已经接近经典信息论所预言的理论极限。未来发展方向在哪里？

  语义通信取得新突破

  1948年，现代信息论创始人香农发表《通信的数学理论》论文，七十多年来，该论文一直指引着现代通信一路高歌猛进。

  通信不断迭代演进，AI相伴快速崛起。经典信息论在指导未来智能通信系统构建与研究上所遭遇的局限性，让面向语义通信的研究引起学术界高度关注，而中国工程院院士、北京邮电大学教授张平团队就是引领全球语义通信研究的重要力量。

  “随着时间推移，香农在上世纪四十年代末建立的经典信息理论体系，已经难以适应未来通信技术的发展，我们迫切需要站在巨人的肩膀上予以突破。”张平说。

  香农生活的那个时代，更多是人与人的通信，人们只要相互理解就能高效通信。而在当下数字时代，通信更多发生在机器与机器之间。

  “人与人之间那种天然的智能理解能力，这种‘灵’，能否在机器通信中出现呢？”张平坚信，在AI技术助力下，语义通信能够把模型、通信中蕴藏的含义，通过多模态的形态，以通信的手段完成传递。“AI的引入，为通信系统整体设计提供了全新视角，将带来额外增益，即所谓的‘智简’，可以打破经典理论对人们思想的禁锢。”

  作为新一代通信方式的语义通信，在数学表征和理论依据方面尚不成熟。建立一套严谨的数学模型来描述语义通信的过程是一项具有挑战性的任务，如何构建语义信息论也是当前研究的难点。

  过去几年，张平带领团队一直在信息论领域大胆探索，砥砺奋进，并在语义通信理论方面取得多项突破性成果。近期，该团队的重要论文《语义通信的数学理论》，发表在我国通信领域的顶级期刊《通信学报》，揭示了同义性是语义信息的本质特征，从同义映射这一核心概念出发，建立了完整的语义信息理论框架，全面扩展了通信系统的理论极限。

  “我们发现，语义信息是语法信息的上级抽象，同义性是语义信息的本质特征。”基于同义映射，张平团队引入了语义信息的度量——语义熵，以及上/下语义互信息、语义信道容量、语义率失真函数，从而建立了完整的语义信息度量体系。在新发现的基础上，团队又进一步证明了三个重要的语义编码定理，特别是语义信道容量公式打破了香农界对通信系统的禁锢。

  新的进展，很快在国内外学术界引起关注。大家对这一最新突破产生浓厚兴趣，并肯定了其深远影响。

  “一个伟大的理论必然能概括为系统化的数学表述，而这种数学表述越简洁，就越容易被接受。”中国工程院外籍院士、英国皇家工程院院士、移动通信领域国际著名学者王江舟在《语义通信的数学理论》序言中提出，这篇论文建立了一个源自同义映射概念的语义信息数学框架。应用该理论，可以系统测量和评估语义信息，并设计和优化语义通信系统。

  最近，美国三所大学的科研人员致信张平，肯定了这一数学模型的创新性，认为“同义映射能够为所在的研究领域带来深远影响，并将为各地的研究人员带来激发”。

图为7月10日召开的“信息论：经典与现代”学术研讨会现场（新华网朱家齐 摄）

  中国通信学会7月10日主办的“信息论：经典与现代”学术研讨会上，与会院士专家普遍认同，语义通信技术将成为未来信息通信技术的重要研究方向，具有重要的理论与应用价值。张平团队发表的论文提出的语义信息论，是对经典信息论的自然推广，是中国科学家在信息基础理论上的原创突破。

  引入智能，助力6G智简

  通信是赋能行业的工具，而AI又是赋能通信的重要工具。过去10年，机器学习和深度学习迅速发展，AI赋能通信也成为水到渠成的结果。

  所谓数字世界，归根结底是物理世界的人机物产生的映射。在此之下，通信与人工智能的紧密关系已经非常明晰。在数字世界中，通信系统采集与传输语法信息，在算力、数据以及算法支持下，人工智能技术从语法信息中提取语义信息进行加工处理，进一步，智能决策与控制系统基于语用信息对物理世界执行动作。

  早前，语义通信研究比较多的集中在XR、元宇宙这类应用场景中的实现，具有非常现实的商业意义。在视频业务之外，张平团队敏锐地发现，利用语义通信实现6G网络的智能简约也是一个重点方向，提出了6G智简网络，构建了面向智简6G的“一面-三层”智能高效语义通信网络架构。

  从4G到5G，过去通信的演进发展可以说是靠堆叠式，天线要增加，带宽要增加，功率要增加。未来，随着通信演进迭代，芯片还要越来越小，但已经逼近极限。

  “智能一定会带来简约，一定能开创新的通信演进新道路。”在语义信息论指导下，张平团队提出了语义基物理模型，进一步提出了多项代表性的语义通信关键技术，并搭建了国际首个面向6G通信与智能融合的外场试验网。该试验网验证了语义通信在4G链路上可以达到6G传输能力，在容量、覆盖、效率三项通信核心基础指标上均获得10倍的性能提升。

图为6G外场试验网展示区（新华网朱家齐 摄）

  “以语义信息论为指导进行的系统搭建及6G外场组网，突破了香农界对通信系统的禁锢，可以支撑沉浸式通信、泛在连接、超高可靠低时延、超大规模多连接等6G主要场景的全面性能提升。”在张平看来，语义通信堪称6G及未来通信的“拐点技术”。

  在4G、5G链路上达到6G的传输能力，意义可谓深远。它既体现出智能简约的特点，也带来显著的增益改善。

  “最集中的体现就是通信对资源的要求没那么高了，成本降下来，老百姓都能用得起了。”张平说，在算力方面，只需国产算力，在芯片制程方面，走出了一条另辟蹊径的道路，不再受限于高制程，4G时代的28纳米就能支撑6G发展。

  当新的通信潮流到来时，运营商也看好这一方向。大家认为，6G外场试验网的成功搭建，降低了6G研究门槛，形成贯通理论、技术、标准和应用的全产业链创新环境，促进跨领域创新合作。

  如今，张平团队从实用的物理模型上已经证明了语义信息论的诸多观点，现在只需大规模采用，验证其先进性，就能更快推动其成为6G国际标准，为全球通信事业发展做出中国贡献。

  张平说，“现代语义通信关键技术已经成为6G标准化组织关注的候选技术，目前国家已成立了针对语义通信国际标准化的任务组，由我们牵头，运营商、设备商、终端厂商等国际国内30余家单位积极参与，完成的技术提案已超过60项。”他希望，广泛联合学术界、产业界等各方力量，共同推进语义通信技术的国际标准化工作。

  赋能新业态，贡献新理论

  从提出语义信息论、研发语义通信关键技术，到搭建6G外场试验网，上述研究成果已经形成从基础理论、关键技术到实验验证的完整体系。

  张平团队成功印证了语义通信的可行性，迈出了从0到1的关键一步。“我们把一个基础原理搞清楚了，接下来就是从1到10，这也需要学术界和产业界联合来推动。”张平院士团队成员、北京邮电大学教授许晓东说，我们愿意把技术开放出来，让大家能为移动通信事业发展做出更大贡献。

  实现语义通信已成为未来移动通信系统的重要目标与核心特征之一。作为新兴交叉前沿研究方向，语义通信也会拓展新应用。

  语义信息论指导下的现代语义通信，将为数字经济新业态提供赋能。据张平介绍，目前，这一技术已在沉浸式视频传输、无人车联、无人机网络、泛在连接卫星通信及大规模物联网等场景验证了其优异的性能。例如，基于语义通信的咪咕视频彩铃在今夏欧洲杯期间发布，已完成 100个专题视频彩铃的制作并上线，大幅度提升了窄带高清的用户效果体验。未来，现代语义通信将通过赋能具身智能，助推低空经济、工业互联网、XR、智慧教育、元宇宙等获得更广阔的创新发展。

  在业内专家看来，语义信息是通信与AI融合的关键，借助语义信息，通信融合AI将实现“最后一公里”的目标，推动无线AI、具身智能等应用的成熟与普及。

  王江舟说，信息技术的发展迫切需要一个语义信息的成熟理论。张平团队提出的语义信息论成为经典信息论的自然延伸，后者可以作为特例纳入前者。它将极大促进通信和人工智能技术的快速进步。

  中国科学院院士、通信网络专家尹浩认为，张平团队在通信原理理论、工程化实践方面取得重大进展，其原创性值得肯定。

  在张平本人看来，这次在信息理论研究方面的原创性突破，有助于推动中国产业在国际的竞争力。“我们国家的产业发展呈倒三角形，即应用很好，设备也不错，但越到底层，我们的器件、操作系统越来越弱，特别是到了基础理论层面大都是人家的。今天我们提出了这么一个基础理论，希望让这种竞争不是一个倒三角形，而是一个正方形，我们跟别人是站在同一起跑线。”

  “无线通信的重大创新必须从基础理论上突破”，早在十多年前的3G时代，张平在接受媒体采访时就做出了这样的断定。

  随着语义信息理论的提出并受到国内外关注，张平通过多年不懈奋斗，让自己的断言成为现实，为突破经典理论极限重大科学问题做出了贡献，也揭开了新一轮信息技术革命的面纱。