张平院士：基于“智简”范式的6G通信技术发展

张平，北京邮电大学教授，中国工程院院士，长期致力于移动通信理论研究和技术创新，提出了宽带4G TDD移动传输理论与方法，创建了多域认知的无线异构组网架构，攻克了测试仪器动态可重构技术，建立完整的语义信息理论框架，为我国自主技术成为国际主流作出了基础性的贡献。先后获国家科学技术进步奖特等奖等多项奖励，获首届“全国创新争先奖”奖章、光华工程科技奖、何梁何利基金科学与技术进步奖。本文刊载于《学习时报》2024年9月25日第6版。

移动通信的高速发展，为我国数字经济注入新动能。从2G的跟跑者到5G技术的领跑者，我们用30余年时间实现了飞跃，特别是我国主导的多项5G技术被国际标准采纳，重塑了全球移动通信的技术版图。然而，步入6G时代，我们面临的技术挑战与国际竞争更为复杂。技术层面，后摩尔定律效应显现，芯片与元器件受限、半导体工艺进步放缓，传统发展模式遇阻。同时，国际博弈加剧，西方国家在信息通信领域的生态优势及关键技术的封锁，特别是核心芯片的制裁，对我国构成了严峻挑战。

此外，AI智能体、工业机器人、无人驾驶汽车等新型通信主体的涌现，彻底改变了当前通信生态。它们与人类的通信需求、信息接收与处理方式差异巨大，且人机交互中的信息理解机制也存在显著差异，而传统语法通信模式因依赖技术堆砌，以系统复杂度换取性能增益，已难以适应这些新变化。因此，6G的演进面临两大难题：一是如何支持智能泛在化，二是如何实现可持续发展。

为6G通信技术发展开辟“新道”

当前，国际社会对6G的研发虽取得一定进展，但多聚焦于传统通信技术的延长线上，缺乏突破性创新，难以应对智能泛在化及可持续发展的挑战。为保持我国在6G领域的领先地位，需摒弃堆叠式发展模式，探索一条既符合国情又站在世界前沿的“新道”，以摆脱西方霸权影响，促进全球通信的可持续发展。

为此，我们提出了“智能内生，原生简约”（简称“智简”）为通信系统设计的新范式，为6G通信技术发展开辟了“新道”。该范式从传统语法通信的更高层次的语义通信入手，深度融合通信技术与AI，赋予6G真正的“泛在智能”，并找到支持可持续发展的“拐点”技术。基于此，6G技术演进将摆脱对大量天线、高功耗、宽频带的依赖，尤其是降低对芯片工艺尺寸的要求，就能实现系统的高度简约化。简而言之，6G引进人工智能后，系统可以获得极大地简约，用4G、5G的资源就可以实现6G的需求。

“智简”范式的三大突破

以“智简”范式为指导，语义通信颠覆了传统通信技术体系，为通信与人工智能的深度融合开辟了新的技术路径。团队在基础理论研究、核心技术攻关、工程试验验证等方面均实现了突破性进展。

一是基础理论的突破。建立了语义信息理论体系，这一体系是对经典香农信息理论的拓展，为我国信息理论创新奠定了坚实根基。随着经典信息论指导下的通信技术逼近理论极限，如何突破成为业界焦点。与语法通信关注通信符号的精确传输不同，语义通信主要关注信息含义的准确传递，通过深入挖掘信息的语义层次内涵，探索语义信息表征、度量、知识库构建、弹性编码及协同传输等核心方法，推动了通信与人工智能融合的方法论创新与技术体系变革，从基本原理上改变了传统信息通信体系。语义通信的数学理论揭示了语义信息的本质，构建了完整理论框架，拓展了通信系统的理论极限，将成为通信与人工智能融合的新指导理论。这一成果有望助力我国6G技术突破瓶颈。目前，该理论已得到国内外专家的广泛认可，认为语义通信是未来信息通信技术的重要方向，具有显著的理论与应用价值。

二是核心技术突破。构建了自洽的通信与AI一体化融合的语义信息通信技术体系，为智能泛在化、可持续发展创设了一条“新道”。当前，AI与通信融合发展成为技术趋势，但两者的内在规律迥异：通信系统依赖理论指导，具有可解释性，性能受能耗、芯片、成本等工程应用的多重制约；而AI系统以实验为指导，不具有可解释性，虽在模拟人类智能方面取得了巨大成功，但以大算力、大数据和大模型（算法）带来的成本剧增和资源消耗为代价。通信和AI堆叠式、浅层次融合，难以打破各自内在规律，特别是从网络到用户物理空间的割裂，使得智能泛在化面临智能传递与分发的“最后一公里”鸿沟。为此，以“智简”范式指导，团队提出了通信与AI一体化融合的载体、AI构建的信息通信表征单元——语义基；赋能AI一体化融入通信系统，在成本和功耗等制约条件下为系统提供额外增益，不再是通过堆叠式增加效能，而是采用简约设计、智能地做减法提升性能，这是与常规AI方法最大的不同。

基于语义基的一体化融合纽带，语义通信基础理论及在通信领域引发的突破带来了传统通信系统设计的变革，通信系统的设计不再是传统通信系统在工程实现时采用堆叠式、模块分离延长线的碎片化创新，而是采用AI的系统化优势并与通信系统模块化、低成本、可解释的一体化融合，获得了巨大的系统性能增益。团队从基础理论、设计思想、核心方法等层面全面革新语法通信。在设计思想上，以语义信息（语义基作为表征单元）为对象，深度融合通信与人工智能，以语义知识库为关键支撑，重新塑造通信系统的信息提取、表征、编译码、综合和重建等环节；在核心方法上，针对语义任务、信道能力，实现弹性信息压缩，并通过信源—信道—信宿的联合设计，提出模分多址等方法，达到多用户高效组网的目的。因此，语义通信通过理论、思想、方法层面的升华，达到“锻铁成钢”的目的。

三是工程试验验证。继理论证明后，我国建成的世界首个面向6G的智能通信融合外场试验网，首次验证了基于智简语义通信的智能泛在化与可持续发展能力，是支持6G可持续发展的拐点技术，突破了经典信息论的框架限制。该技术采用低制程芯片，替代高精密制程工艺，有效解决了可持续发展难题。语义通信的基础理论和核心技术是我国“从0到1”原始技术创新的成功典范，证明了我国不仅可以在制造、应用等方面取得成就，也可以在基础理论和核心技术方面位居世界一流，发挥引领作用。

团队在智简网络、可持续发展等方面前瞻布局，针对新的系统理论验证与关键技术验证需求，建设语义通信科学基础设施，开展语义通信关键技术研发与验证，支撑智简语义通信领域创新链的建设，为智简语义通信创新发展提供一个真实外场试验验证环境。

该试验面向6G通信与人工智能融合，展示了语义通信在智慧模型传输、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中的优异性能，验证了语义通信在4G/5G链路上可以达到6G传输能力，频谱效率更是突破了香农极限，同时在容量、覆盖、效率三项通信核心基础指标上同时实现了多倍性能提升。试验结果还表明，在极限通信状态下的语义通信，打破了传统通信理论的局限，对未来的各行各业，尤其是国防通信、内生安全等具有重大的意义。

重大意义

语义通信理论与技术体系，有望成为开启新一轮科技革命和产业变革的一把钥匙，为我国智能时代的信息通信发展赢得先机。AI和通信技术的深度融合，开辟了一条革命性、颠覆性“新道”。这条创新之道的重要意义主要有三点。其一，基础理论的突破。这是中国在国际竞争激烈的信息通信领域首次提出并系统阐述了自己的基础理论——语义信息论，揭示了语义信息的本质，构建了完整模型，并证明了最优语义编码的存在性定理，为这项技术的发展指明了方向。其二，考虑到智能泛在化及可持续发展的需求，这无疑是对传统通信技术的极大挑战。在未来的网络中，流动的不再仅仅是冷冰冰的符号，而将是丰富的知识。AI通过实时通信的桥梁，将构建出更为庞大的知识体系。借助语义信息的深度应用，通信与AI的融合将成功跨越“最后一公里”鸿沟，极大地推动无线AI、具身智能等前沿应用的成熟与普及，加速通信与AI技术的快速进步。其三，通过30年的努力，中国在移动通信领域实现了从跟随到引领的跨越，改变了全球移动通信格局。如今，面对第三次信息科技中心转移的机遇与挑战，中国正通过基础理论创新，开辟新一代通信技术路径，构建新的信息通信体制与生态。

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