通信通过信息的传递消除了系统的不确定性，高效、可靠、安全的通信是人们普遍关注的重要问题。经过一百多年的科学研究、技术开发和工程试验，在20世纪中期，学术界将通信分为语法、语义及语用三个不同的层次。语法通信忽略信息含义，仅关注通信符号的精确传输；语义通信考虑信息含义，关注信息含义的准确传递；语用通信考虑信息效用，关注意图的准确传递。1948年，美国科学家香农创立信息论，为语法信息度量、压缩、传输等指明发展方向。语法通信的理论完备、工程可行，构成完善的经典信息通信技术体系。
习近平总书记在全国科技大会、国家科学技术奖励大会、两院院士大会上的重要讲话中指出：“当前，新一轮科技革命和产业变革深入发展。科学研究向极宏观拓展、向极微观深入、向极端条件迈进、向极综合交叉发力，不断突破人类认知边界。”6G是重要战略任务，国家向来十分重视信息通信技术的创新研究与产业培育工作，在政策层面和科研基础层面均具备语义通信基础理论研究、关键技术突破以及试验验证平台研制的优势条件。得益于提前布局和高水平技术研发，我国建成的国际首个面向6G的智能通信融合外场试验网开通，验证了基于“智简”语义通信所创设的“新道”的泛在智能化和可持续发展的能力。
我国移动通信高速发展为数字经济注入新动能，同时面临严峻挑战
信息通信技术正加速人类物理空间与数字空间的深度融合，是发展数字经济、数字社会的核心驱动力，是保障国家安全的基础性技术，正推动生产力发生重大变革，成为重塑国际经济、政治、文化、社会、军事发展新格局的关键力量。世界主要国家和地区均高度重视信息通信技术战略布局，将其作为谋求竞争新优势的战略方向。加快信息通信技术发展，建设数字国家已成为全球共识。移动通信是信息通信技术的核心组成部分，也是战略制高点。短短30年，我国在移动通信领域实现了从2G跟随、3G突破、4G并跑到5G引领的角色跨越。我国引领的5G网络架构、灵活系统设计、编码方案等技术陆续被国际标准所采纳。同时，历经数十年的奋斗，我国也建立起自己的供应链和市场，改变了全球移动通信的技术及产品分布格局。面向未来移动通信系统，我国要继续保持领先优势，进一步提升在移动通信技术领域的国际话语权。
但是，在国际强博弈背景下，我国移动通信领域发展还面临严峻挑战，主要体现在两方面：一是技术受限层面。如随着后摩尔时代的到来，芯片尺寸与元器件规模的矛盾日益突出，半导体工艺升级速度渐缓，算力增长式微；同时，冯·诺依曼结构带来的局限日渐明显，单纯依靠算力堆积无法解决可拓展性难题，移动通信的技术堆叠式演进还受到芯片工艺、器件及计算结构等严重限制。二是国际博弈层面。基于香农信息论，西方国家在1G~5G中建立了不可撼动的传统生态优势。随着国际形势日益严峻，部分西方国家在核心芯片等关键要素上进行霸权打压，我国的供应链和市场被“卡脖子”。全球产业链供应链格局向区域化、多元化调整，叠加贸易保护主义带来“断供”“脱钩”等，将对我国产业链供应链稳定安全带来挑战和压力。
现有以语法通信为特征的堆叠式创新难以为继，我国迫切需要转变思路、换道引领。随着移动通信发展迈入6G时代，语法通信正面临新挑战。从信道容量公式可以看出，通过增加信息传输的天线、频谱、功率等物理维度尽管可提升通信系统的容量，但对资源消耗巨大，难以可持续发展。不同类型机器人等新型通信对象不断涌现，这与人类的通信需求和信息接收方式存在巨大差异。例如，机器和机器之间的信息交互，通常面向任务，非常简洁，它们的语言可能人类无法理解。此外，人类与机器人交互过程中，理解机制也并不相同。例如，人类视觉看到的图像与机器视觉看到的图像差别很大。面向新型通信对象，采用语法通信将导致交互效率低。现有的语法通信应对挑战的模式主要采用堆叠式创新，以技术堆砌为演进思路，以系统复杂度换取性能增益，快速消耗资源，但这难以实现可持续发展。
从国际电信联盟（ITU）发布的6G技术愿景和需求来看，这两方面的影响对6G的演进提出了两个难题：一是能否支持智能泛在化；二是能否可持续发展。
“延长线发展”还是“换道引领”？以通信与人工智能融合为核心的“智简”新设计范式属于新质生产力范畴。世界各国均高度重视6G的技术研发，以有效解决这两个难题。但各国的技术演进模式主要沿用基于语法的香农信息论体系，通信能力提升过分依赖器件和工艺的升级，芯片的物理极限越发制约移动通信的技术发展，在大国博弈背景下我国还存在被“卡脖子”风险。
从西方社会对6G研发的实际效果来看，其核心技术集中在传统通信技术的“延长线”上。从本质上看，目前并无突破性的创新出现，而且没能解决智能泛在和可持续发展难题。为了在6G中继续保持我国的领先地位，亟须破除堆叠式发展模式，探寻一条既符合我国发展国情又站在世界前沿的“新道”。这条“新道”，能克服大国博弈的“卡脖子”危机和彻底摆脱西方国家的霸权压制，为我国乃至全球未来通信的可持续发展另辟蹊径。
我们提出了破除堆叠式发展模式的有效路径，这条“新道”以“智简”为通信系统设计的新范式。从传统语法通信的更上一级，即语义通信入手，实现通信与智能融合，使得6G技术不仅具有真正的“泛在智能”能力，还在新范式下找到支持可持续发展的“拐点”技术。这样，基于语义通信的6G技术演进，不再需要超多的天线数目、大功率消耗、宽频谱占用，尤其是对芯片的工艺尺寸没有过高要求，即“6G引进智能后，系统实现可以获得极大简约，用4G、5G的资源就可以实现6G的需求”。
语义通信从基础理论、设计思想、核心方法等层面革新语法通信。在基础理论层面，需要解决“语义信息度量”“语义传输容量”两个通信基本问题；在设计思想层面，以语义信息为对象，将通信与智能紧密融合，以语义知识库为关键支撑，重塑通信系统的信息提取、表征、编译码、综合和重建等核心环节；在核心方法层面，需要面向语义任务、信道能力实现弹性信息压缩，并实现信源-信道-信宿的联合设计，提出多用户模分多址方法达到多用户高效组网的目的。因此，语义通信通过基础理论、设计思想、核心方法层面的升华达到“锻铁成钢”的目的。
以“智简”新设计范式为指导，语义通信颠覆传统通信技术体系
语义通信为通信与智能融合开辟了创新技术途径，在基础理论研究、核心技术攻关、工程试验验证等三个方面均取得突破性进展。
基础理论研究突破：建立语义信息理论体系，是经典香农信息论体系的拓展，是夯实我国信息理论创新的根基。香农信息论指导下的通信技术已经逐步逼近理论极限，未来的信息与通信技术如何突破经典理论极限是业界关注的重大科学问题。如前所述，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。语义通信从基本原理上改变了传统信息通信体系，挖掘信息语义层次内涵，探索语义信息表征与度量、语义知识库构建、语义弹性编码及语义协同传输等基础理论与核心方法，推动通信与智能融合的方法论创新和技术体系变革。语义通信是信息通信领域实现从“跟跑”到“领跑”的一项根技术，有望为我国6G突破“堵点”作出基础性贡献。语义信息构建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，将成为通信与智能融合的指导理论。
核心技术攻关突破：构建涵盖数学模型-物理模型-信息模型的语义通信的技术体系，为破解通信算力封锁、芯片工艺封锁创设“新道”。今天“人工智能+通信”已是潮流，但人工智能和通信都有各自的内在规律。通信形成理论指导下的自洽体系，同时要考虑工程应用的多重限制因素，如能耗、芯片、模块的各自优化及商业价值等。将人工智能引入通信系统，必须提供额外的增益，而且系统的实现不是做堆叠式增加而是要做到简约增效，这是与常规方法和思维方式最大的不同。
面向2030年及未来，人类社会将进入智能化时代，社会服务均衡化、高端化，社会治理科学化、精准化，社会发展绿色化、节能化将成为未来社会的发展趋势。从移动互联、万物互联到万物智联，6G将实现从服务于人、人与物，到支撑智能体高效联接的跃迁。通过人—机—物—智慧的全面互联、协同共生，满足经济社会高质量发展需求，服务智慧化生产与生活，助推人类走进虚拟与现实深度融合的全新时代，最终实现“万物智联、数字孪生”的美好愿景。
6G网络有望将人和拥有不同智能程度的机器相互连接起来，使得人-机-物-智慧四类通信对象之间产生大量不同形态的数据。由于各种对象之间的通信不再仅仅是传输比特数据，语义和有效性方面成为万物智联不可忽视的重要因素。与语法通信不同，语义通信泛指在不同的智能体间进行的以“达意”为目标的通信，是将语义在通信双方之间准确传递。与传统语法通信不同，语义通信并不要求信息的大量符号级准确传递，而是关注发送端输入的语义信息与接收端恢复出的语义信息之间的匹配，通过减少信息交流和理解的时间，提升通信节点协作的效能。这项技术有望突破基于经典香农信息论的通信系统传输瓶颈，解决基于数据移动通信系统中存在的人机不兼容、难互通等问题，最终实现万物智联。
2024年5月11日，北京中关村展示中心常设展上的未来通信“‘智简’通信系统”展台。
在语义通信基础理论和关键技术方面，目前我们已做了大量的原创性研究。其中，针对语义通信的全新架构，提出模型驱动的“智简”通信系统；通过设计新型“智简”发射机与接收机，实现模型构建、信源信道编码一体化能力及信源信息的高效重建、恢复。针对利用终端的智慧能力，将模型作为“智简”信息传输的核心方式，提出面向“智简”通信系统的云—边—端协同模型部署与传输方案；基于模型分割、剪枝、蒸馏等技术，提出“智简”模型的切分技术，通过安全高效的模型传输机制，为6G终端提供“定制化”“智简”模型，实现“智简”模型灵活增强与高效能传输，并在无人系统、智能电网、视频应用和高轨卫星等场景开展试验验证。
工程试验验证突破：建成国际首个面向6G的智能通信融合外场试验网，首次测通从北京到西安1200公里的语音语义通信。继理论证明后，从工程试验验证层面也验证了语义通信是支持6G可持续发展的“拐点”技术，使通信技术上升到一个新的高度，打通了香农信息论对思想的禁锢；核心技术上的突破证明了人工智能可以与通信高效融合，克服了网络知识、模型传递的“最后一公里”难题，使得网联人工智能成为可能。语义通信的基础理论和核心技术是我国进行从“0”到“1”原始技术创新的一个成功范例，是另辟蹊径的颠覆性创新，证明了我国不仅可以在制造、应用等方面取得举世闻名的成就，也可以在基础理论和核心技术方面位居世界一流。
语义通信基础理论和核心技术的突破带来传统通信系统设计的变革，它不是传统通信系统在工程实现时采用模块分离设计“延长线”的碎片化创新，而是采用人工智能的系统化优势并与通信系统模块化、低成本、可解释的优化融合，获得巨大的系统性能增益。系统性能增益主要来自三方面：一是基础理论突破了传统通信体制无法逾越的理论极限的天花板，找到了系统设计的“拐点”技术，解决了系统依赖高功耗和高制程芯片的设计难题；二是通信体制与人工智能的设计范式深度匹配的核心技术继承了人工智能全局优化的优点，改变了传统通信以模块优化为主的限制，同时继续保持通信成本可控；三是面向不同典型场景与用户语义需求，基于共享知识库的语义弹性编码方法，根据不同语义任务需求及移动信道条件等自适应调节编码模式、编码速率等，智能适配语义信息传输的效率与质量，实现语义弹性压缩与重建，以最优化语义信息量传输为目标，使得通信体制可以灵活适配复杂场景变化的需求。
团队重点部署“‘智简’语义通信关键技术研究与试验验证平台研制”创新工作，以“智能简约”为指导，研究面向语义通信系统中信源、信道以及传输等方面处理的基础理论及关键技术，研制试验验证平台，并建设国际首个面向6G的智能通信融合外场试验网，解决多模态以及跨模态语义信息处理、信道语义表征以及信道知识库构建、语义信息端到端有效传输等方面的快速部署、统一验证等技术难题，为“智简”语义通信创新发展提供一个开放、共享、融合的一体化真实试验验证环境。
该外场试验网面向6G通信与智能融合，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，频谱效率突破“香农极限”对通信系统的禁锢，在三项通信核心基础指标（容量、覆盖、效率）上均获得10倍的性能提升。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、扩展现实（XR）、智慧教育、元宇宙等获得更广阔的创新发展。
语义通信理论与技术体系赋能通信、智能的高速发展，有潜力成为开启新一轮科技革命和产业变革的钥匙，为我国成为智能时代的信息科技中心赢得先机。
人工智能和通信技术的深度融合，有望开辟革命性的技术演进新路线。通过多域知识及深度学习技术训练的神经网络，能够理解和生成多模态信息，其在处理复杂任务方面展现了卓越的能力，是通用人工智能发展的重要组成部分。融合信息通信领域多元多态数据、科学数据和专家经验的大模型具有提升通信效能的巨大潜力，能够动态更新多域知识库，处理多模态数据，理解和生成意图。这些能力可以革新通信中信源、信宿及信道传输过程中的信号与信息处理机制，构建达意、高效、适变、跨模态的语义通信技术新体制，促进我国信息通信技术的智能化升级。
