语义通信——概念与方法

通信的三个层面的问题：

• 层面A(技术问题):通讯符号如何准确地加以传输?
• 层面B(语义问题):传输的符号如何精确地传达含义?
• 层面C(效用问题):收到的含义如何以期望的方式有效地影响行为?

语义通讯泛指不同的智能体之间进行的以“ 达意” 为目的的通讯.这里的“ 智能体” 可以指人类、智能机器甚至其它生物.语义通讯的根本目的在于进行信息交换, 它并不追求对原始数据或信号进行保真, 而是在通讯的双方之间进行语义的准确传递.相比当前以数据表达、保真为驱动的通讯方式, 语义通讯的驱动在于对信源进行语义层面的信息提取与以“ 保意” 为目的的表达.

当前的通信流程：

 语义通信流程：

 一个例子：说明语义通信的目标

 

这里，Bob就是Alice和Charlie之间的语义信道

Bob并没有忠实地传输Alice的原始信息，但是他仍然能够保存发送者的原始含义。在字面上，可能出现工程差错，但是在语义上，并没有出错。

 

语义信源和语义信宿：

 

这里，将语义信源和语义信宿表达为四元组：

 

 

 

 

 

语义通信的三个子领域：

 

• H2H语义通信

 

通信三个层次中的第二个层次，其通信目标是在两个人类之间通过信道交换信息来实现精确的含义表达，其系统性能通过发送者的意图能被接受者以多大的程度解释来进行评估。

 

• H2M语义通信

 

涉及到三层次中的第二、第三个层次。典型应用包括人机共生系统、推荐系统、人类感知和关怀系统、VR、AR

• M2M语义通信

与第二层次通信相关性更少，与第三层次的通信关联性更大（有效性问题）

 

语义通信的分层架构：

 

语义通信系统设计包括两类方法：层耦合方法、SplitNet

 

1. 层耦合（layer-coupling）方法：

 

联合设计语义层和无线接入层

作者们开始探索在这两层之间交换信号的可能性

 

信号包括：

• CRI：信道速率信息，从更低层传上来的信息，使得语义编码器/有效性编码器（SE）能够根据无线信道状态调整其编码速率

• DII：数据重要性信息，用于衡量SE编码后数据的重要程度水平。对于人类作为信宿，DII就是解释信息；对于机器作为信宿，DII就是任务的有效执行

• PAI：部分算法信息，包含了当前算法的关键特征，如平均、最小等。PAI能够使物理层部署有效的传输方法，例如AirComp

• DTI：数据类型信息，标识了数据属于哪种类型。能够使无线接入层根据合适的性能指标选择传输方法，确定对应的性能要求

上述各类信号的举例说明：

 2. SplitNet方法

整个DNN划分为两个部分，即编码器和解码器，中间夹着信道，这被称为SplitNet

 

编解码器进一步分为两个子模块：语义编码器（解码器）+信道编码器（解码器），上述个编解码器都是神经网络

 

 

SplitNet面临三方面的问题：

1. 信道衰落和噪声的存在，导致DNN前馈过程和反向过程中的统计学扰动，因此训练收敛慢——可以通过引入CSI（信道状态信息）来进行缓解

2. 无限传播环境随时间和地点不同而变化，预训练的SplitNet在新环境下需要重新训练

3. 神经网络生成的模拟信号难以在电路中部署，