科技自立自強之院士說｜張平：為突破信息理論貢獻中國科學家力量

探索和利用信息是驅動數字時代發展的策源力。

信息通信與每個人的生活息息相關，對一個國家的經濟社會發展影響深遠。對普通人來說，從3G到5G的通信變革讓生活變得美好輕松，而對專業人士來說，通信其實已經進入“最難的時代”。由于經典信息論停滯不前，通信技術已經接近經典信息論所預言的理論極限。未來發展方向在哪里？

語義通信取得新突破

1948年，現代信息論創始人香農發表《通信的數學理論》論文，七十多年來，該論文一直指引著現代通信一路高歌猛進。

通信不斷迭代演進，AI相伴快速崛起。經典信息論在指導未來智能通信系統構建與研究上所遭遇的局限性，讓面向語義通信的研究引起學術界高度關注，而中國工程院院士、北京郵電大學教授張平團隊就是引領全球語義通信研究的重要力量。

“隨著時間推移，香農在上世紀四十年代末建立的經典信息理論體系，已經難以適應未來通信技術的發展，我們迫切需要站在巨人的肩膀上予以突破。”張平說。

香農生活的那個時代，更多是人與人的通信，人們只要相互理解就能高效通信。而在當下數字時代，通信更多發生在機器與機器之間。

“人與人之間那種天然的智能理解能力，這種‘靈’，能否在機器通信中出現呢？”張平堅信，在AI技術助力下，語義通信能夠把模型、通信中蘊藏的含義，通過多模態的形態，以通信的手段完成傳遞。“AI的引入，為通信系統整體設計提供了全新視角，將帶來額外增益，即所謂的‘智簡’，可以打破經典理論對人們思想的禁錮。”

作為新一代通信方式的語義通信，在數學表征和理論依據方面尚不成熟。建立一套嚴謹的數學模型來描述語義通信的過程是一項具有挑戰性的任務，如何構建語義信息論也是當前研究的難點。

過去幾年，張平帶領團隊一直在信息論領域大膽探索，砥礪奮進，并在語義通信理論方面取得多項突破性成果。近期，該團隊的重要論文《語義通信的數學理論》，發表在我國通信領域的頂級期刊《通信學報》，揭示了同義性是語義信息的本質特征，從同義映射這一核心概念出發，建立了完整的語義信息理論框架，全面擴展了通信系統的理論極限。

“我們發現，語義信息是語法信息的上級抽象，同義性是語義信息的本質特征。”基于同義映射，張平團隊引入了語義信息的度量——語義熵，以及上/下語義互信息、語義信道容量、語義率失真函數，從而建立了完整的語義信息度量體系。在新發現的基礎上，團隊又進一步證明了三個重要的語義編碼定理，特別是語義信道容量公式打破了香農界對通信系統的禁錮。

新的進展，很快在國內外學術界引起關注。大家對這一最新突破產生濃厚興趣，并肯定了其深遠影響。

“一個偉大的理論必然能概括為系統化的數學表述，而這種數學表述越簡潔，就越容易被接受。”中國工程院外籍院士、英國皇家工程院院士、移動通信領域國際著名學者王江舟在《語義通信的數學理論》序言中提出，這篇論文建立了一個源自同義映射概念的語義信息數學框架。應用該理論，可以系統測量和評估語義信息，并設計和優化語義通信系統。

最近，美國三所大學的科研人員致信張平，肯定了這一數學模型的創新性，認為“同義映射能夠為所在的研究領域帶來深遠影響，并將為各地的研究人員帶來激發”。

圖為7月10日召開的“信息論：經典與現代”學術研討會現場（新華網朱家齊攝）

中國通信學會7月10日主辦的“信息論：經典與現代”學術研討會上，與會院士專家普遍認同，語義通信技術將成為未來信息通信技術的重要研究方向，具有重要的理論與應用價值。張平團隊發表的論文提出的語義信息論，是對經典信息論的自然推廣，是中國科學家在信息基礎理論上的原創突破。

引入智能，助力6G智簡

通信是賦能行業的工具，而AI又是賦能通信的重要工具。過去10年，機器學習和深度學習迅速發展，AI賦能通信也成為水到渠成的結果。

所謂數字世界，歸根結底是物理世界的人機物產生的映射。在此之下，通信與人工智能的緊密關系已經非常明晰。在數字世界中，通信系統采集與傳輸語法信息，在算力、數據以及算法支持下，人工智能技術從語法信息中提取語義信息進行加工處理，進一步，智能決策與控制系統基于語用信息對物理世界執行動作。

早前，語義通信研究比較多的集中在XR、元宇宙這類應用場景中的實現，具有非常現實的商業意義。在視頻業務之外，張平團隊敏銳地發現，利用語義通信實現6G網絡的智能簡約也是一個重點方向，提出了6G智簡網絡，構建了面向智簡6G的“一面-三層”智能高效語義通信網絡架構。

從4G到5G，過去通信的演進發展可以說是靠堆疊式，天線要增加，帶寬要增加，功率要增加。未來，隨著通信演進迭代，芯片還要越來越小，但已經逼近極限。

“智能一定會帶來簡約，一定能開創新的通信演進新道路。”在語義信息論指導下，張平團隊提出了語義基物理模型，進一步提出了多項代表性的語義通信關鍵技術，并搭建了國際首個面向6G通信與智能融合的外場試驗網。該試驗網驗證了語義通信在4G鏈路上可以達到6G傳輸能力，在容量、覆蓋、效率三項通信核心基礎指標上均獲得10倍的性能提升。

圖為6G外場試驗網展示區（新華網朱家齊攝）

“以語義信息論為指導進行的系統搭建及6G外場組網，突破了香農界對通信系統的禁錮，可以支撐沉浸式通信、泛在連接、超高可靠低時延、超大規模多連接等6G主要場景的全面性能提升。”在張平看來，語義通信堪稱6G及未來通信的“拐點技術”。

在4G、5G鏈路上達到6G的傳輸能力，意義可謂深遠。它既體現出智能簡約的特點，也帶來顯著的增益改善。

“最集中的體現就是通信對資源的要求沒那么高了，成本降下來，老百姓都能用得起了。”張平說，在算力方面，只需國產算力，在芯片制程方面，走出了一條另辟蹊徑的道路，不再受限于高制程，4G時代的28納米就能支撐6G發展。

當新的通信潮流到來時，運營商也看好這一方向。大家認為，6G外場試驗網的成功搭建，降低了6G研究門檻，形成貫通理論、技術、標準和應用的全產業鏈創新環境，促進跨領域創新合作。

如今，張平團隊從實用的物理模型上已經證明了語義信息論的諸多觀點，現在只需大規模采用，驗證其先進性，就能更快推動其成為6G國際標準，為全球通信事業發展做出中國貢獻。

張平說，“現代語義通信關鍵技術已經成為6G標準化組織關注的候選技術，目前國家已成立了針對語義通信國際標準化的任務組，由我們牽頭，運營商、設備商、終端廠商等國際國內30余家單位積極參與，完成的技術提案已超過60項。”他希望，廣泛聯合學術界、產業界等各方力量，共同推進語義通信技術的國際標準化工作。

賦能新業態，貢獻新理論

從提出語義信息論、研發語義通信關鍵技術，到搭建6G外場試驗網，上述研究成果已經形成從基礎理論、關鍵技術到實驗驗證的完整體系。

張平團隊成功印證了語義通信的可行性，邁出了從0到1的關鍵一步。“我們把一個基礎原理搞清楚了，接下來就是從1到10，這也需要學術界和產業界聯合來推動。”張平院士團隊成員、北京郵電大學教授許曉東說，我們愿意把技術開放出來，讓大家能為移動通信事業發展做出更大貢獻。

實現語義通信已成為未來移動通信系統的重要目標與核心特征之一。作為新興交叉前沿研究方向，語義通信也會拓展新應用。

語義信息論指導下的現代語義通信，將為數字經濟新業態提供賦能。據張平介紹，目前，這一技術已在沉浸式視頻傳輸、無人車聯、無人機網絡、泛在連接衛星通信及大規模物聯網等場景驗證了其優異的性能。例如，基于語義通信的咪咕視頻彩鈴在今夏歐洲杯期間發布，已完成 100個專題視頻彩鈴的制作并上線，大幅度提升了窄帶高清的用戶效果體驗。未來，現代語義通信將通過賦能具身智能，助推低空經濟、工業互聯網、XR、智慧教育、元宇宙等獲得更廣闊的創新發展。

在業內專家看來，語義信息是通信與AI融合的關鍵，借助語義信息，通信融合AI將實現“最后一公里”的目標，推動無線AI、具身智能等應用的成熟與普及。

王江舟說，信息技術的發展迫切需要一個語義信息的成熟理論。張平團隊提出的語義信息論成為經典信息論的自然延伸，后者可以作為特例納入前者。它將極大促進通信和人工智能技術的快速進步。

中國科學院院士、通信網絡專家尹浩認為，張平團隊在通信原理理論、工程化實踐方面取得重大進展，其原創性值得肯定。

在張平本人看來，這次在信息理論研究方面的原創性突破，有助于推動中國產業在國際的競爭力。“我們國家的產業發展呈倒三角形，即應用很好，設備也不錯，但越到底層，我們的器件、操作系統越來越弱，特別是到了基礎理論層面大都是人家的。今天我們提出了這么一個基礎理論，希望讓這種競爭不是一個倒三角形，而是一個正方形，我們跟別人是站在同一起跑線。”

“無線通信的重大創新必須從基礎理論上突破”，早在十多年前的3G時代，張平在接受媒體采訪時就做出了這樣的斷定。

隨著語義信息理論的提出并受到國內外關注，張平通過多年不懈奮斗，讓自己的斷言成為現實，為突破經典理論極限重大科學問題做出了貢獻，也揭開了新一輪信息技術革命的面紗。（凌紀偉）