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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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RIS辅助多用户波束跟踪系统与硬件试验

电信科学 2024年第7期40卷 13-24页

作者：丁陈龙许文俊张鸿涛北京邮电大学泛网无线通信教育部重点实验室北京100876

可重构智能表面(reconfigurable intelligent surface,RIS,也称智能超表面)通过智能调控电磁传播路径,有效提高了6G通信系统的性能。然而,RIS集成大量反射单元使得多波束调控复杂度高、码本搜索空间大,导致实时调控能力不足,难以应用于... 详细信息

可重构智能表面(reconfigurable intelligent surface,RIS,也称智能超表面)通过智能调控电磁传播路径,有效提高了6G通信系统的性能。然而,RIS集成大量反射单元使得多波束调控复杂度高、码本搜索空间大,导致实时调控能力不足,难以应用于多用户波束跟踪。为提升RIS在多用户移动场景的适用性,创新基于逆衍射的场源迭代模型,快速生成近远场多用户调控码本,设计RIS辅助单基站定位方案,感知用户移动位置实时切换波束。研制RIS辅助多用户波束跟踪系统原型,实现多用户移动过程中快速波束对准。试验结果表明,毫秒级波束切换可实现移动多用户的实时信息传输。

关键词：智能超表面多波束生成波束跟踪硬件试验

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多物理场作用下的金属化膜自愈特性试验

高电压技术 2024年

作者：刘尚书吴致远仝殿杰齐红斌刘靖舟王伟华北电力大学高电压与电磁兼容北京市重点实验室

金属化膜电容器是柔性直流输电系统换流阀的核心元件，掌握电容器用金属化膜在复杂工作环境下的自愈参数，对高性能电容器的研制、提高能源输送效率具有关键性作用。文中基于金属化膜电容器的实际运行工况，利用搭建的多物理场自愈测试... 详细信息

金属化膜电容器是柔性直流输电系统换流阀的核心元件，掌握电容器用金属化膜在复杂工作环境下的自愈参数，对高性能电容器的研制、提高能源输送效率具有关键性作用。文中基于金属化膜电容器的实际运行工况，利用搭建的多物理场自愈测试平台，开展了金属化膜在电-热-力复合作用下的自愈特性测试，为电容器在多场耦合下的物性参数演变规律提供理论依据。通过对自愈特征量的统计分析，得到了自愈特征量随电场、温度、压强的复合演变规律；建立了自愈参数间的关联关系；提出了一种对自愈能量的快速估算方法。本研究涉及金属化膜材料性能的关键特征参数和判据集合，对金属化膜电容器的优化设计提供数据支撑。

关键词：金属化膜电容器聚丙烯薄膜多物理场金属化膜自愈特性自愈参数

直流GIS/GIL中线形金属微粒群飞萤运动现象与危险程度评估

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中国电机工程学报 2024年第15期44卷 6219-6228,I0032页

作者：胡智莹魏来耿秋钰王健李庆民常亚楠新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 北京市昌平区102206 北京市高电压与电磁兼容重点实验室(华北电力大学) 北京市昌平区102206

直流GIS/GIL中金属微粒群的存在严重威胁设备的绝缘性能,其中线形微粒会发生“飞萤运动”。为厘清线形微粒群飞萤运动机制,该文搭建飞萤运动观测平台,获得线形微粒群的运动特性。进一步,建立微粒群荷电运动模型,实现线形微粒群飞萤运动... 详细信息

直流GIS/GIL中金属微粒群的存在严重威胁设备的绝缘性能,其中线形微粒会发生“飞萤运动”。为厘清线形微粒群飞萤运动机制,该文搭建飞萤运动观测平台,获得线形微粒群的运动特性。进一步,建立微粒群荷电运动模型,实现线形微粒群飞萤运动的动态模拟。研究表明,微粒群飞萤起始电压与微粒数量呈负相关,且随微粒直径的增加而增大,随微粒长度的增大而减小,叠放状态下微粒群的启举电压减小,但飞萤起始电压不受微粒初始状态的影响;相较于单微粒,微粒间库仑力、空间电荷与场强的变化使得线形微粒群存在一系列不规则悬浮与随机跨越运动。微粒群飞萤显著降低了设备耐电强度,基于微粒的气隙击穿效应对线形微粒群运动行为进行危险程度评估。具体结果表明,对于飞萤的线形微粒群,地电极单微粒飞萤的危险程度最低,高压电极单微粒飞萤与静止微粒飞萤时危险程度较高,微粒绕飞时危险程度最高。该研究在抑制微粒群飞萤运动方面为设备的主绝缘设计提供一定参考依据。

关键词： GIS/GIL 线形微粒群运动特性飞萤机制危险程度评估

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6G星地融合移动通信关键技术

中国科学：信息科学 2024年第5期54卷 1177-1214页

作者：陈山枝孙韶辉康绍莉徐晖苏厉张晓燕胡博张伟虞志刚中国信息通信科技集团有限公司北京100083 无线移动通信全国重点实验室北京100083 中信科移动通信技术股份有限公司北京100083 清华大学天基网络与通信全国重点实验室北京100084 国家无线电监测中心北京100037 北京邮电大学计算机学院北京100876 中国空间技术研究院北京100094 中国电子科技集团有限公司电子科学研究院北京100041

星地融合移动通信朝着“5G体制兼容、6G系统融合”的技术路径发展,6G星地融合可以充分发挥卫星通信和地面移动通信各自的优势,极大地提高网络的覆盖能力和系统性价比,实现全球立体覆盖的目标.本文概述了星地融合移动通信发展背景与趋势... 详细信息

星地融合移动通信朝着“5G体制兼容、6G系统融合”的技术路径发展,6G星地融合可以充分发挥卫星通信和地面移动通信各自的优势,极大地提高网络的覆盖能力和系统性价比,实现全球立体覆盖的目标.本文概述了星地融合移动通信发展背景与趋势,分析了6G星地融合移动通信需求与技术挑战,针对无线传输效率低、网络架构设计复杂、移动性管理难、网络质量保障难等系列问题,从无线传输、网络架构、资源管控和移动性管理、天基计算、频谱共享等多个方面开展6G星地融合移动通信关键技术研究.针对各关键技术,首先分析发展现状,然后提出创新技术,并开展相应的性能评估验证其有效性.

关键词： 6G 星地融合移动通信多波束协同弹性可重构网络架构频谱共享移动性管理天基计算

基于分子动力学的聚丙烯电热应力老化特性分析

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电力电容器与无功补偿 2024年第1期45卷 88-94页

作者：高煦轲常曦文仝殿杰王璁屠幼萍华北电力大学高电压与电磁兼容实验室北京102206

高压直流输电(HVDC)工程中广泛应用的聚丙烯(PP)薄膜电容器,其内部高温和高场强是PP老化的主要原因。基于分子动力学仿真方法,从分子层面研究了PP在电热应力下的老化过程。首先建立PP和含羰基PP分子模型,基于反应力场分别模拟了热、电... 详细信息

高压直流输电(HVDC)工程中广泛应用的聚丙烯(PP)薄膜电容器,其内部高温和高场强是PP老化的主要原因。基于分子动力学仿真方法,从分子层面研究了PP在电热应力下的老化过程。首先建立PP和含羰基PP分子模型,基于反应力场分别模拟了热、电应力作用下PP裂解反应,分析了主要产物形成过程;然后基于COMPASS力场分析热应力下PP力学和绝缘性能变化规律。结果表明:PP裂解反应中C—H键首先断裂,然后是C—C键的断裂并形成羰基,在此过程中热应力对于PP的电热老化影响更显著;温度在450 K以下时,PP力学参数基本不变,当温度达到600 K时,PP力学参数显著变化,稳定性下降;羰基影响PP老化过程中的力学和绝缘性能变化,含羰基PP能隙下降28.21%,在300 K、450 K和600 K时弹性模量分别增加15.3%,32.85%和27.08%。

关键词：聚丙烯绝缘性能分子动力学 COMPASS力场反应力场老化

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全频谱深度认知理论与方法

无线电工程 2024年第7期54卷 1589-1601页

作者：黄赛冯志勇王文远路长鑫许霁松王朝炜郭冬倩北京邮电大学信息与通信工程学院北京100876 泛网无线通信教育部重点实验室北京100876 北京邮电大学电子工程学院北京100876 北京机电工程研究所北京100074

深入研究了全频谱认知与智能利用领域,强调了现有认知无线电理论和无线电监测技术在特定环境中的优势,指出在面对宽带、瞬变、未知、复杂的电磁环境时存在“认不深”的问题。为解决这一挑战,提出了多维度的深度频谱认知作为未来的发展方... 详细信息

深入研究了全频谱认知与智能利用领域,强调了现有认知无线电理论和无线电监测技术在特定环境中的优势,指出在面对宽带、瞬变、未知、复杂的电磁环境时存在“认不深”的问题。为解决这一挑战,提出了多维度的深度频谱认知作为未来的发展方向,从信号多维特征与个体本征属性双重维度对辐射源目标进行精准认知。通过探索辐射源目标信号的多域特征,构建辐射源完备表征数据库,实现通信终端的本征属性认知,可以更全面地理解和利用频谱资源。分析了调制域、协议域中信号的调制识别以及协议解析等研究现状;高速目标信号识别和空域定向认知的发展瓶颈及主要研究方向。提供了较为全面的理论和方法,为未来多维度的电磁环境感知和频谱利用奠定了基础。

关键词：全频谱深度认知信号识别通信协议解析空域定向认知

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基于成功递送率的编码感知机会路由机制

吉林大学学报（工学版） 2012年第1期42卷 218-222页

作者：孙建镇刘元安胡鹤飞袁东明北京邮电大学无线电与电磁兼容实验室北京100876

为充分利用无线信道的广播特性,提升网络性能,提出了一种基于成功递送率的编码感知机会路由机制。该机制采用成功递送率替代跳数、期望传输次数等传统路由判据进行路由选择。同时采用转发节点集,允许转发节点集中的所有节点进行编码并... 详细信息

为充分利用无线信道的广播特性,提升网络性能,提出了一种基于成功递送率的编码感知机会路由机制。该机制采用成功递送率替代跳数、期望传输次数等传统路由判据进行路由选择。同时采用转发节点集,允许转发节点集中的所有节点进行编码并按不同的优先级转发数据包,从而避免了传统编码感知的路由方法为获得编码增益'汇聚'数据流所引起的流间干扰、中间节点过载等问题,获得了更高的编码增益。仿真结果表明,该机制能够以增加少量重复数据包为代价获得更多的编码机会,从而有效地提升网络性能。

关键词：信息处理技术无线mesh网络网络编码机会路由成功递送率

基于链路代价综合评估和转发限制的延迟容忍社会性网络路由

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吉林大学学报（工学版） 2013年第4期43卷 1082-1090页

作者：白云飞刘元安袁东明胡鹤飞北京邮电大学无线电技术与电磁兼容实验室北京100876

针对延迟容忍社会性网络存在多个社会子区域的情况,提出了一种基于链路代价综合评估和转发限制的路由算法SECMR。算法定义了节点社会性状态参数,使用IPMM与RWP相结合的移动模型来模拟延迟容忍社会性网络中节点的运动规律,并设置域内转... 详细信息

针对延迟容忍社会性网络存在多个社会子区域的情况,提出了一种基于链路代价综合评估和转发限制的路由算法SECMR。算法定义了节点社会性状态参数,使用IPMM与RWP相结合的移动模型来模拟延迟容忍社会性网络中节点的运动规律,并设置域内转发限制参数SOC_CST,避免大量域间数据在活跃节点处的拥塞。仿真结果表明,SECMR对延迟容忍社会性网络具有较强的适应性;与Prophet及MEED路由协议相比,在增加少量资源开销的前提下,数据分组投递率分别提升了15%与20%,平均传输时延分别降低了9%与12%。

关键词：通信技术延迟容忍网络社会区域链路代价综合评估转发限制