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语义通信的数学理论

通信学报 2024年第6期45卷 7-59页

作者：牛凯张平北京邮电大学泛网无线通信教育部重点实验室北京100876 北京邮电大学网络与交换技术全国重点实验室北京100876

自从1948年经典信息论诞生以来,在其指导下,现代通信技术已经逼近了理论性能极限,例如信息熵H(U)、信道容量C=max_(p(x))I(X;Y)以及率失真函数R(D)=min_(p(x|x):Ed(x,x)≤D)I(X;X)。长期以来,由于经典信息论只研究语法信息,限制了通信... 详细信息

自从1948年经典信息论诞生以来,在其指导下,现代通信技术已经逼近了理论性能极限,例如信息熵H(U)、信道容量C=max_(p(x))I(X;Y)以及率失真函数R(D)=min_(p(x|x):Ed(x,x)≤D)I(X;X)。长期以来,由于经典信息论只研究语法信息,限制了通信科学的进一步发展。近年来,研究语义信息处理与传输的通信技术获得了学术界的普遍关注,语义通信开辟了未来通信技术发展的新方向,但还缺乏一般性的数学指导理论。为了解决这一难题,构建了语义信息论的理论框架,对语义信息的度量体系与语义通信的理论极限进行了系统性阐述。首先,通过深入分析各类信源的数据特征,以及各种下游任务的需求,总结归纳出语义信息的普遍属性——同义性。由此指出语义信息是语法信息的上级概念,是许多等效或相似语法信息的抽象特征,表征隐藏在数据或消息背后的含义或内容。将语义信息与语法信息之间的关系命名为同义映射,这是一种“一对多”映射,即一个语义符号可以由许多不同的语法符号表示。基于同义映射f这一核心概念,引入语义熵H_(s)(U)作为语义信息的基本度量指标,表示为信源概率分布与同义映射的泛函。在此基础上,引入上/下语义互信息I^(s)(X;Y)(I_(s)(X;Y)),语义信道容量C_(s)=max_(f_(xy))max_(p_((x)))I^(s)(X;Y)以及语义率失真函数R_(s)(D)=min_({f_(x),f_(x)})min_(p(x|x):Ed_(s)(x,x)≤D)I_(s)(X;X),从而构建了完整的语义信息度量体系。这些语义信息度量是经典信息度量的自然延伸,都由同义映射约束,如果采用“一对一”映射,则可以退化为传统的信息度量。由此可见,语义信息度量体系包含语法信息度量,前者与后者具有兼容性。其次,证明了3个重要的语义编码定理,以揭示语义通信的性能优势。基于同义映射,引入新的数学工具——语义渐近均分(AEP),详细探讨了同义典型序列的数学性质,并应用随机编码和同义典型序列译码/编码,证明了语义无失真信源编码定理、语义信道编码定理和语义限失真信源编码定理。类似于经典信息论,这些基本编码定理也都是存在性定理,但它们指出了语义通信系统的性能极限,在语义信息论中起着关键作用。由同义映射和这些基本编码定理可以推断,语义通信系统的性能优于经典通信系统,即语义熵小于信息熵H_(s)(U)≤H(U),语义信道容量大于经典信道容量C_(s)≥C,以及语义率失真函数小于经典率失真函数R_(s)(D)≤R(D)。最后,讨论了连续条件下的语义信息度量。此时,同义映射转换为连续随机变量分布区间的划分方式。相应地,划分后的子区间被命名为同义区间,其平均长度定义为同义长度S。特别是对于限带高斯信道,得到了一个新的信道容量公式C_(s)=B log[S^(4)(1+P/N_(0)B)],其中,平均同义长度S表征了信息的辨识能力。这一容量公式是经典信道容量的重要扩展,当S=1时,该公式退化为著名的香农信道容量公式。综上所述,语义信息论依据同义映射这一语义信息的本质特征,构建了语义信息的度量体系,引入新的数学工具,证明了语义编码的基本定理,论证了语义通信系统的性能极限,揭示了未来语义通信的巨大性能潜力。

关键词：同义映射语义熵上/下语义互信息语义信道容量语义失真语义率失真函数语义典型序列同义典型序列同义长度

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面向工业互联网的语义编码传输方法及应用

中山大学学报(自然科学版)(中英文) 2024年

作者：牛凯鲁延鹏董超北京邮电大学人工智能学院泛网无线通信教育部重点实验室鹏城实验室

通过将语义通信技术引入工业网络，构建了一个面向工业互联网的语义编码传输系统。系统中设计了语义编解码器以提取信源中的语义信息，相对于传统通信系统，基于语义信息的通信有更高的信息压缩效率与更高的符号差错容忍能力。同时引入... 详细信息

通过将语义通信技术引入工业网络，构建了一个面向工业互联网的语义编码传输系统。系统中设计了语义编解码器以提取信源中的语义信息，相对于传统通信系统，基于语义信息的通信有更高的信息压缩效率与更高的符号差错容忍能力。同时引入信源信道联合编解码器，以信源信道联合编码的方式将语义信息转化为信道符号传输，进一步提升系统对工业网络通信资源的利用效率。所有编解码器均构建在深度神经网络架构Transformer上，确保了编解码器对语义信息的理解能力及系统的泛化能力。在工业药品生产场景中，对该系统进行测试，结果显示：相较于传统通信方案，该语义编码传输系统在图像重建质量和传输处理速度方面均有显著提升。且系统对下游任务的性能影响极小，保证了工业生产中如缺陷检测等关键任务的准确性。

关键词：工业互联网数据压缩与传输语义通信深度学习

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面向6G移动通信的极化多址接入技术

中兴通讯技术 2024年第1期30卷 19-25页

作者：崔宏基牛凯北京邮电大学泛网无线通信教育部重点实验室中国北京100876

极化码是第一种达到信道容量的编码方案,是5G信道编码方案之一。面对6G更高可靠度、更低时延、更大连接的业务需求,提出面向6G的极化多址接入技术。极化多址接入技术能够充分利用多用户之间的极化效应,以实现更高的系统容量和系统接入... 详细信息

极化码是第一种达到信道容量的编码方案,是5G信道编码方案之一。面对6G更高可靠度、更低时延、更大连接的业务需求,提出面向6G的极化多址接入技术。极化多址接入技术能够充分利用多用户之间的极化效应,以实现更高的系统容量和系统接入能力。有源极化编码接入方案能够满足6G大容量高可靠的传输需求,无源极化编码随机接入方案能够提高系统的接入能力。这些方案表明,极化多址接入技术能够满足6G移动通信系统的超高可靠、高频谱效率、大容量的传输需求,是重要的候选技术之一。

关键词：多址接入极化编码随机接入非正交多址接入

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镀锌铁塔腐蚀特性及防腐寿命预测

有色金属科学与工程 2024年

作者：黄耀吴静张亮牛凯汪志刚中国电力科学研究院有限公司国网河南省电力公司经济技术研究院江西理工大学材料科学与工程学院

为有效评估腐蚀对长期服役杆塔服役设计寿命和防腐使用寿命造成的影响，采用扫描电镜、盐雾腐蚀试验和理论分析计算的方法，研究了镀锌角钢在12～60天的盐雾腐蚀环境中，其外观形貌、腐蚀速率、腐蚀后的微观形貌和锈蚀产物类别的变化情... 详细信息

为有效评估腐蚀对长期服役杆塔服役设计寿命和防腐使用寿命造成的影响，采用扫描电镜、盐雾腐蚀试验和理论分析计算的方法，研究了镀锌角钢在12～60天的盐雾腐蚀环境中，其外观形貌、腐蚀速率、腐蚀后的微观形貌和锈蚀产物类别的变化情况，结合Zn的大气暴晒腐蚀变化规律和腐蚀理论计算，计算了C4大气环境下，镀锌角钢的盐雾试验和大气暴晒试验加速比，合理预测了镀锌杆塔服役设计寿命和防腐使用寿命。研究结果表明：镀锌角钢经盐雾腐蚀12～60天后其平均腐蚀速率下降较为明显，腐蚀产物Zn5（OH）6(CO3)2和Zn5（OH）8Cl2H2O的生成是降低镀锌角钢腐蚀速率的主要因素。镀锌杆塔在C4大气腐蚀环境下的设计使用寿命为43.0～48.5年，实际服役年限为53.2～64.7年。

关键词：腐蚀速率室内加速腐蚀设计服役寿命防腐使用寿命

隐伏非贯通软弱夹层岩质边坡剪切蠕变特征及稳定性研究

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岩土工程学报 2024年第4期46卷 755-763页

作者：宋洋马旭琪赵常青谢志辉王富成牛凯辽宁工程技术大学建筑与交通学院辽宁阜新123000 中交三公局第一工程有限公司北京101304

针对隐伏非贯通软弱夹层岩质边坡滑移机理复杂这一关键科学问题。设计一种隐伏非贯通软弱夹层缩尺制备方法,开展考虑夹层埋深、岩层倾角、含水率因素影响下岩体剪切蠕变特性试验。引入多参数岩体渐变损伤变量,分阶段建立剪切蠕变损伤本... 详细信息

针对隐伏非贯通软弱夹层岩质边坡滑移机理复杂这一关键科学问题。设计一种隐伏非贯通软弱夹层缩尺制备方法,开展考虑夹层埋深、岩层倾角、含水率因素影响下岩体剪切蠕变特性试验。引入多参数岩体渐变损伤变量,分阶段建立剪切蠕变损伤本构模型,并通过相似模拟试验验证模型的合理性,分析此类边坡的稳定性。研究表明:(1)隐伏非贯通含软弱夹层岩体随夹层埋深增加、倾角减小、含水率减小而稳定性升高,反之稳定性降低,且夹层含水率对岩体稳定性影响最大,埋深影响相对较小;(2)考虑多参数渐变损伤本构模型能够反映隐伏非贯通软弱夹层岩体剪切蠕变全过程,且加速蠕变阶段拟合效果优于西原模型;(3)隐伏非贯通软弱夹层缩尺制备方法较为合理,所推剪切蠕变本构模型能够较好拟合边坡蠕变滑移各阶段情况,边坡滑移呈坡脚剪胀、后缘拉裂的整体性滑移,对隐伏非贯通含软弱夹层岩体蠕变滑移具有参考意义。

关键词：岩质边坡隐伏非贯通软弱夹层含水率剪切蠕变相似模拟

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起重吊装作业安全管理研究

工程技术研究 2024年第1期9卷 137-139页

作者：牛凯阳江核电有限公司广东阳江529941

起重吊装作业是现代化建设施工过程中常用的一种作业方式,能显著提升施工建设效率,但随着企业生产活动范围的不断扩大和自动化程度越来越高,起重吊装作业的安全性成为一个不可忽视的问题。尤其是近年来,国内发生了多起大中型起重吊装作... 详细信息

起重吊装作业是现代化建设施工过程中常用的一种作业方式,能显著提升施工建设效率,但随着企业生产活动范围的不断扩大和自动化程度越来越高,起重吊装作业的安全性成为一个不可忽视的问题。尤其是近年来,国内发生了多起大中型起重吊装作业的安全事故,不仅给企业带来了严重的损失,且危及了工作人员的生命安全,引发了全社会的广泛关注。为预防发生起重吊装作业安全事故,文章首先介绍了起重吊装作业的风险,并在此基础上分别对起重吊装作业安全操作和安全管理措施进行了深入的探讨,以期为企业的安全生产提供一定的帮助。

关键词：起重机起重吊装作业安全管理

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常见精神障碍的早期识别和干预

家庭生活指南 2024年第9期 171-172页

作者：牛凯舟山市第二人民医院

近年来，心理健康问题日益凸显，成为影响个体生活质量和社会稳定的重要因素。作为心理健康问题的严重表现形式，精神疾病不仅给患者本人造成深重的痛苦，还给其家庭和社会增加了不可估量的负担。因此，心理健康的早期关注、常见精神障...

近年来，心理健康问题日益凸显，成为影响个体生活质量和社会稳定的重要因素。作为心理健康问题的严重表现形式，精神疾病不仅给患者本人造成深重的痛苦，还给其家庭和社会增加了不可估量的负担。因此，心理健康的早期关注、常见精神障碍的早期识别和及时干预显得尤为重要。本文从精神科医生的视角探讨精神疾病的早期识别和干预策略，为公众提供科学、实用的指导。

关键词：

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冬小麦水肥一体化肥料利用率田间试验

河南农业 2024年第9期 31-32页

作者：牛凯艳博爱县农业综合行政执法大队

博爱县于2022年10月至2023年6月,组织开展了冬小麦水肥一体化肥料利用率田间试验,旨在测量水肥一体化条件下冬小麦对氮肥、磷肥和钾肥的利用率。一、试验设计(一)试验区概况博爱县地处东经112°57'~113°12",北纬35°02'~35°21',属暖... 详细信息

博爱县于2022年10月至2023年6月,组织开展了冬小麦水肥一体化肥料利用率田间试验,旨在测量水肥一体化条件下冬小麦对氮肥、磷肥和钾肥的利用率。一、试验设计(一)试验区概况博爱县地处东经112°57'~113°12",北纬35°02'~35°21',属暖温带大陆性季风气候。

关键词：水肥一体化肥料利用率试验区概况田间试验大陆性季风气候试验设计冬小麦暖温带

农村儿童通过美术项目活动提升积极情绪的实证分析

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