人工智能通信理论与方法

从几大电子商务网站数据显示，《5G移动无线通信技术》、《大话5G 走进万物互联新时代》、《迈向5G——从关键技术到网络部署》等书自印发以来成为通信领域书籍的一类热门。其最*的原因是目前正处在5G研究的关键时期。然而当5G技术发展逐渐成熟时，如何从根源提出新的通信理论，如何跳出传统通信研究视角去寻求更高层次的创新，如何从更加贴近人的角度提供基于人工智能的方法和实践指导是我们亟待解决的。《基于人工智能的通信理论与方法》将有关5G、香农信息论和传统通信系统等研究的精华用另一种组织形式和语言表达浓缩在其中的一部分“理论篇”。而整本书从理论、方法、到应用被分为了三篇：基于人工智能的通信理论、面向新一代通信系统的人工智能理论与方法、基于人工智能的通信系统专题应用。1.《5G移动无线通信技术》人民邮电出版社，2017年，Afif Osseiran，Jose F. Monserrat，Patrick Marsch（著） 陈明，缪庆育，刘谙（译），118元本书概括介绍了全球5G的研究工作，并阐述了关键的组件技术，包括D2D、毫米波通信、大规模MIMO、多点协作、无线网络编码、干扰管理和频谱问题（国内第一本也是最全面的一本5G图书，但没有将通信与计算进行结合，没有体现新一代通信系统的智能性）2. 《大话5G 走进万物互联新时代》机械工业出版社，2017年，S^2微沙龙，55元在5G席卷全球的大背景下，本书对5G的相关知识进行通俗解读，满足大众对5G的求知欲。（通俗易懂、文笔幽默，但对专业知识和应用实践的介绍不够深入）3. 《迈向5G——从关键技术到网络部署》人民邮电出版社，2018年，中睿通信规划设计有限公司，118元本书主要关注5G关键技术及实际部署相关方面的内容，介绍5G发展路径以及5G应用场景和关键指标，阐述如何从无到有设计5G空口，并着重介绍5G关键技术，引入网络切片、移动边缘计算等网络技术的解读。（对应用与实践的介绍很详实，但缺乏理论创新）

通信的基本理论源于香农定理，之前人们认为信息是不会变化的，因此香农信息论将信息的传递作为一种统计现象来考虑，给出了估算通信信道容量的方法。认知信息是什么呢？信息从产生之后，在不断传输过程中，人们会自发的嵌入一个认知的环节。此时信息量会发生变化。这就是认知信息。而在研究认知信息时，最核心的是怎么度量认知信息的价值。价值是动态变化的，而且是有极性的，即信息存在正面和负面影响。为什么人类历史上很多信息消失了？因为它是负面的，是不符合规律、自然或普遍的真理的数据，因此最后都消失了。为什么一些正面的信息能够传承下去？因为它给人类的发展带来推动作用。很多人去认知它，会不断的净化它，把最核心的价值不断沉淀。而价值密度非常高的信息最后会一直流传下来。由于信息在传播过程中占用了很多通信资源，如何判断哪些信息是最有价值的，是可以存储或传播呢？通常，我们可以通过流行度，越广泛传播的信息，其价值越高。但这是通过人的行为来度量的，有时并不一定准确。我们需要通过一些基础理论来度量认知信息的价值。综上，本书提出了认知信息论。认知信息就是要度量认知后的信息的价值。物联网在未来应该不仅是把终端连起来，而是要把数据连起来，把价值网络连起来。移动通信技术从1G、2G、3G、4G的演化着重于优化频谱资源、通信容量和功耗等。但目前正在商业化推广的5G技术是通信领域的一大革命，把通信、网络与计算相结合，将物联网、区块链、边缘计算和云计算等分布式计算理论与技术组合成一个巨大的通信体系。而当通信与众多学科进行交叉结合时，认知信息论已经与传统的香农信息论不一样了。为了支撑海量的认知信息、庞大的通信系统和智能高效的计算，人工智能技术与通信理论的结合是必不可少的。这将会改变整个通信产业的发展方向，也从更加智能的角度提供了新的理论与技术方法。这也是本书之所以命名为《基于人工智能的通信理论与方法》的原因。

自20世纪90年代以来，以数字技术为主体的第二代移动通信系统得到了极大的发展，当今第五代移动通信（5G）技术已经应运而生。但由于大量终端设备的接入和移动应用的出现，产生了大数据和海量信息，这对通信网络造成了极大的压力。在通信网络的性能提升和稳定性维护方面，应不仅着眼于通信资源的开发，还应关注复杂网络环境下对多样化服务需求的满足。为了进一步提高社会的信息化水平，增强通信网络处理复杂问题的能力，有必要对现有的通信系统中的理论与方法进行全新的改进与设计。按照我国“五位一体”总体布局和“四个全面”战略布局，深入实施创新驱动发展战略，新一代人工智能（AI）科技创新深刻改变了人类的社会生活。人工智能是影响面广的颠覆性技术，已经成为新一轮产业变革的核心驱动力，这也为通信系统中关键问题的解决提供了新的思路。结合传统通信技术所面临的技术难题，将人工智能技术引入通信网络中，一方面可以产生新的通信理论与方法，另一方面可以激发对通信中的智能科学应用的需求，为致力于通信网络的研究者带来全新的研究思路。因此，人工智能技术与通信网络的结合将成为研究热点，本书对相关的理论与方法以及应用的研究作了细致的介绍和探索。本书是一本系统论述人工智能技术应用于通信领域产生的新理论及其应用的著作。在当前人工智能技术获得迅速发展的时期，期望本书的出版能对国内外通信系统的研究、应用和相关人才的培养起到推动作用。本书一共分为绪论部分和三个篇章，绪论部分对全文的重要理论和关键技术进行了介绍，篇章下对应不同的章节。第一篇为理论篇，讨论基于AI的通信理论，该篇提出了将AI技术引入通信领域后产生的通信领域，包括第2章、第3章、第4章共三个章节。第2章引入认知信息论，提出了信息度量的方式，认知信息的不同方面以及信箱原理。第3章解释边缘认知计算，介绍了边缘认知计算中的5G关键技术和基于智能边缘云和5G的计算任务卸载。第4章对通信网络中缓存、计算与通信的协同优化理论进行了全面的探讨，从基本的缓存策略到单终端、多终端场景下的“计算、通信和缓存”模型到边缘云场景下的“计算、通信和缓存”协同优化。该篇提出的通信理论和方法是通信系统发展的基石。第二篇为技术篇，讨论面向新一代通信系统的AI，讲述了适应于通信系统的AI技术，包括第5章、第6章共两个章节。第5章对通信系统中的机器学习方法进行了概述，详细介绍了相关算法的实现。第6章全面引入面向新一代通信系统的AI技术，对深度学习、强化学习、无标签技术进行了详细的解释。该篇介绍的AI方法是通信系统发展的重要技术手段。第三篇为应用篇，讨论基于AI的通信系统专题应用，讲述AI技术与通信网络相结合时产生的诸多应用，包括第7章至第14章共八个章节。第7章从通信网络中的大数据、无线边缘通信、无线传感器网络中的大数据以及对无线网络的优化等方面讨论了基于AI的认知无线通信。第8章介绍了无线网络中的资源调度和管理问题。第9章介绍了基于AI的情感识别与通信，并介绍了可穿戴情感机器人系统的实现。第10章讨论了认知物联网的相关内容，主要是低功耗广域网、健康监护系统以及车联网的应用。第11章详细介绍了5G触觉网络，其中包括5G的认知触觉网络和网络的能效优化问题。第12章介绍了无人机网络的相关应用，从面向入侵无人机的多监控无人机应用设计。无人机集群中的业务调度和多任务卸载展开讨论。第13章和第14章介绍了五个认知计算前沿的应用，立足于人类心理健康需求，引入CreativeBioMan、DeepFocus和DeepInteraction三个应用；第14章总结了可穿戴设备以及织物的不足，提出了Wearable 3.0和IFabric，赋予人类的智能生活。该篇介绍的应用给未来通信系统的发展提供应用灵感。本书在编写过程中广泛参考了许多专家、学者的文章著作以及相关技术文献，作者在此表示衷心感谢。人工智能的通信理论与方法是一门正在发展的新理论与方法，有些内容、学术观点尚不成熟或无定论，同时由于作者水平有限，虽然尽了最大努力，但疏漏之处在所难免，敬请广大读者批评指正。编者