通信学报

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特邀论文
语义通信的数学理论

牛凯, 张平

2024, 45(6): 7-59. DOI: 10.11959/j.issn.1000-436x.2024111

摘要：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 $C = m a x_{p (x)} I (X; Y)$ 以及率失真函数 $R (D) = m i n_{p (\hat{x} | x) : E d (x, \hat{x}) \leq D} I (X; \hat{X})$ 。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 $H_{s} (\tilde{U})$ 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 $I^{s} (\tilde{X}; \tilde{Y}) (I_{s} (\tilde{X}; \tilde{Y}))$ ，语义信道容量 $C_{s} = m a x_{f_{x y}} m a x_{p (x)} I^{s} (\tilde{X}; \tilde{Y})$ 以及语义率失真函数 $R_{s} (D) = m i n_{{f_{x}, f_{\hat{x}}}} m i n_{p (\hat{x} | x) : E d_{s} (\tilde{x}, \hat{\tilde{x}}) \leq D} I_{s} (\tilde{X}; \hat{\tilde{X}})$ ，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 $H_{s} (\tilde{U}) \leq H (U)$ ，语义信道容量大于经典信道容量 $C_{s} \geq C$ ，以及语义率失真函数小于经典率失真函数 $R_{s} (D) \leq R (D)$ 。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 $C_{s} = B l o g S^{4} (1 + \frac{P}{N_{0} B})]$ ，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。

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2026年第47卷第4期

学术论文
编码器带有因果状态信息的任意变化窃听信道上的强保密通信 AI导读

陈一齐, 董晨, 骆源

DOI：10.11959/j.issn.1000-436x.2026070

摘要：为了在存在干扰者和窃听者，且编码器在每个发送时刻可以检测到干扰信号的通信系统中进行可靠且保密的通信，提出一种编码方案并研究该通信系统的理论通信能力极限。该编码方案利用每个时刻检测到的干扰信号对信道输入进行针对性编码，构造了用于组合信道上保密可靠通信的码。基于此码，利用一组对码字的随机置换构造了用于抵抗任意变化的干扰信号的强保密通信码，得到了所研究通信系统的强保密通信容量的下界。通过分析可得，当所构造的编码方案用于主信道比窃听信道严格低噪的情况时，其达到了最优强保密容量，是该情况下的最优编码方案。
关键词：任意变化信道;窃听信道;强保密通信;可靠通信;因果状态信息

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更新时间：2026-04-20
内嵌式数据处理单元的服务功能链编排机制 AI导读

邢若鹏, 郭少勇, 邱雪松, 郝佳恺, 李宇婷

DOI：10.11959/j.issn.1000-436x.2026079

摘要：针对云-边-端场景下大规模、多元化业务应用对高灵活性和高性能网络服务的需求，提出一种内嵌式数据处理单元的服务功能链编排机制。首先，提出了一种内嵌式数据处理单元的服务功能链架构，以解决传统服务功能链无法兼顾灵活性和性能的问题。其次，针对该架构下服务功能需求异构资源的特点，提出综合考虑资源占用率、硬件加速器利用率、端到端时延和部署响应时间的服务功能链部署问题。为解决该问题，设计了一种基于遗传粒子群优化算法的服务功能链部署方法，同时提出子链划分方法和相似请求合并方法，分别优化方法的计算时间和部署方法的平均响应时间。仿真结果表明，相较于对比方法，所提方法可以得出更优的服务功能链部署策略，且具备较快的决策速度。
关键词：服务功能链;服务功能链部署;云-边-端网络;数据处理单元;遗传粒子群优化算法

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更新时间：2026-04-20
基于RIS子结构的压缩感知多径抑制直接定位算法 AI导读

李菁菁, 王建辉, 刘利豪, 张艳语, 胡南

DOI：10.11959/j.issn.1000-436x.2026081

摘要：针对可重构智能表面（RIS）辅助定位在多径环境下精度受限的问题，提出一种基于RIS子结构（RISS）的高精度定位算法。该算法通过将单块RIS划分为多个RISS并对各RISS施加时序正交编码，使接收端能够通过正交解码精确分离各RISS的反射信号分量，将单RIS等效为多个虚拟锚点，从而在单RIS单天线配置下显著提升系统的空间观测维度。在此基础上，构建了基于角度域信号模型的压缩感知直接定位框架，以候选位置到各RISS的几何映射关系构建观测字典，直接在位置域搜索目标，避免了传统两步法中到达角（AoA）等中间参数估计的串级误差；通过联合利用目标位置的一致性约束和多径分量的稀疏性，有效实现目标路径与多径干扰的区分。仿真结果表明，所提算法在复杂多径环境下具有良好的鲁棒性，能够实现亚米级定位精度，为低成本、高精度的RIS辅助定位提供了新的解决方案。
关键词：定位;可重构智能表面;多径环境;压缩感知

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更新时间：2026-04-20
基于指数平滑动态图的CAN总线入侵检测方法 AI导读

韦文杰, 王建萍, 陈彬, 林福宏

DOI：10.11959/j.issn.1000-436x.2026078

摘要：控制器局域网络（CAN）总线的安全性正面临现代车辆中动态非平稳通信模式的严峻挑战，传统静态检测方法难以有效捕捉此类特征。为此，提出一种基于指数平滑动态图神经网络（ES-DyGNN）的CAN总线入侵检测模型，旨在精准刻画电子控制单元（ECU）间的动态关联关系。与启发式动态模型不同，该方法通过严格定义的指数平滑图算子实现拓扑变化的自适应捕捉，推导了动态邻接序列的闭式展开式，并建立了刻画模型稳定性的Frobenius范数收敛界。同时，从理论上证明了攻击扰动的持续存在性下界，确保即使在噪声环境中仍能检测到细微的注入攻击。模型利用正弦时间嵌入技术增强节点的时间感知能力，并结合边缘条件注意力机制，使消息传递同时考虑特征相似性与平滑转移频率。在两个基准数据集上的实验结果表明，ES-DyGNN检测准确率超过99%，且单窗口推理时延为0.14 ms。理论分析与实验验证证明了该方法的高效性和实用性。
关键词：CAN总线入侵检测;动态图神经网络;指数平滑;车载安全

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更新时间：2026-04-20
FR-FPE：有限基保留格式加密算法 AI导读

王小峰, 叶军, 刘文正, 孙兵, 吴华晖, 郭佳朴

DOI：10.11959/j.issn.1000-436x.2026080

摘要：针对现有保留格式加密算法难以应对滑动关联及线性密码分析攻击且效率不高的问题，提出了有限基保留格式加密FR-FPE算法。通过设计基于CBC模式的参数向量加密机制和结构化调整参数全关联加密模型，有效抵御滑动关联及线性密码分析攻击。通过设计轻量化确定性加密结构，支持对不超过192 bit的明文和96 bit的调整参数进行加密，在保证算法与NIST FF1相同安全强度的同时，分组加密的调用次数比FF1减少45%（9次）。基于Game-Hopping博弈模型，给出了FR-FPE算法强伪随机置换（SPRP）安全性证明，并量化分析了算法抵御滑动关联及线性密码分析攻击的能力。实验结果表明，针对radix=36的数字字母混合数据集，FR-FPE的每秒加密次数比FF1平均高26.55%，加密数据吞吐率平均高21.25%。
关键词：保留格式加密;滑动关联攻击;线性密码分析攻击;强伪随机置换

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更新时间：2026-04-20

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