多模态语义通信原理、设计与应用

本书聚焦多模态语义通信这一前沿领域，从语义通信的起源入手，系统阐述了多模态语义通信从基础理论到实际应用的全方位内容。本书首先介绍了语义通信的基础架构，包括基于信息重构、生成模型和任务导向的系统，进而深入探讨多模态语义通信系统，涵盖多模态语义表示、模态缺失与语义噪声处理以及多任务多场景通信。在基础理论方面，详细介绍了信息瓶颈理论、信源信道联合编码，并对语义分析及语义知识库、多模态大模型进行深入解析。接着阐述了多任务、分布式和鲁棒性多模态语义通信系统的设计，探讨了多模态语义通信中的资源管理问题及解决方案。此外, 本书着重分析了基于大模型的多模态语义通信系统,包括大模型的训练与部署、系统架构及应用。最后介绍了多模态语义通信在不同场景下的应用，包括航空无人机场景下的图像分类、自动驾驶场景下的跨域目标检测、低地球轨道卫星通信系统中的图像传输及其他应用场景。
本书内容全面系统，知识先进，理论与实际应用相结合，非常适合企业、科研院所中从事通信领域前沿研究及应用的技术人员自学，也可用作高等院校相关专业的本科生和研究生教材。

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第1章 多模态语义通信系统概述001
1.1 语义通信的起源 002
1.1.1 从传统通信到语义通信的演进 002
1.1.2 语义通信的早期研究与应用 005
1.1.3 人工智能技术推动下的语义通信发展 006
1.2 语义通信的基础架构 007
1.2.1 基于信息重构的语义通信系统 008
1.2.2 基于生成模型的语义通信系统 010
1.2.3 任务导向的语义通信系统 011
1.3 多模态语义通信系统 015
1.3.1 多模态表征学习 015
1.3.2 多模态语义通信主要挑战 017
1.3.3 多任务多模态语义通信 019

第2章 多模态语义通信相关基础理论023
2.1 信息瓶颈理论 024
2.1.1 信息瓶颈理论的发展历程 024
2.1.2 信息瓶颈理论的数学表述 024
2.1.3 信息瓶颈理论的应用 026
2.2 信源信道联合编码 027
2.2.1 信源信道分离编码及其局限性 027
2.2.2 信源信道联合编码技术的发展 028
2.2.3 经典信源信道联合编码 029
2.2.4 面向语义通信的信源信道联合编码 032
2.3 语义分析及语义知识库 034
2.3.1 多模态特征提取 035
2.3.2 语义融合方法 038
2.3.3 语义知识库 039
2.3.4 知识图谱 046
2.4 多模态大模型 052
2.4.1 大型语言模型的发展历程 053
2.4.2 AIGC 生成式模型 055
2.4.3 多模态大语言模型 057
2.4.4 多模态语义通信系统中的大模型性能指标 060

第3章 多模态语义通信系统设计067
3.1 多任务多模态语义通信 068
3.1.1 多任务多模态语义通信概述 069
3.1.2 系统设计 070
3.1.3 多任务多模态语义通信系统性能分析 075
3.2 分布式多模态语义通信 080
3.2.1 分布式多模态语义通信概述 080
3.2.2 系统框架及主要技术 082
3.2.3 分布式多模态语义通信系统性能分析 087
3.3 鲁棒性多模态语义通信 089
3.3.1 鲁棒性多模态语义通信概述 090
3.3.2 系统框架及算法介绍 092
3.3.3 鲁棒性多模态语义通信系统性能分析 097

第4章 多模态语义通信中的资源管理105
4.1 多模态语义信息传输衡量指标 106
4.1.1 多模态语义信息传输衡量指标介绍 106
4.1.2 指标间的关联性 112
4.2 面向任务的多模态语义通信的智能资源分配方法 113
4.2.1 多模态语义通信资源分配概述 114
4.2.2 面向任务的多模态语义通信的无线资源分配方法 120
4.2.3 面向语义通信的多维资源联合优化技术 147

第5章 基于大模型的多模态语义通信系统155
5.1 多模态语义通信系统中的大模型训练与部署 156
5.1.1 云端架构下的模型部署 157
5.1.2 分布式模型训练 160
5.1.3 大模型算力适配和优化 165
5.2 基于大模型的多模态语义通信架构 169
5.2.1 基于大模型的多模态语义通信系统概述 169
5.2.2 基于大模型的多模态语义通信系统实例 171
5.3 基于大模型的多模态语义通信应用 175
5.3.1 基于大模型的通信场景生成 175
5.3.2 基于大模型的信源与信宿端数据增强 178
5.3.3 基于大模型的安全与隐私保护 181

第6章 多模态语义通信的应用场景187
6.1 航空无人机场景下的图像分类 188
6.1.1 概述 188
6.1.2 相关基础理论 189
6.1.3 面向航空无人机图像分类的多模态语义通信架构 191
6.2 自动驾驶场景下的跨域目标检测 195
6.2.1 概述 195
6.2.2 相关基础理论 197
6.2.3 面向自动驾驶跨域目标检测的多模态语义通信架构 201
6.3 低地球轨道卫星通信系统中的图像传输 205
6.3.1 概述 205
6.3.2 相关基础理论 207
6.3.3 面向LEO-Sat 系统图像传输的多模态语义通信架构 209
6.4 其他应用场景 212
6.4.1 全息智能通信 212
6.4.2 工业互联网 215
6.4.3 6G NTN 物联网 218

第7章 未来机遇与方向225
7.1 智能应用与行业协作 226
7.1.1 多模态语义通信与6G 226
7.1.2 跨行业协同与经济效益 229
7.2 跨领域的标准与协议建设 231
7.2.1 跨行业的标准化需求 231
7.2.2 标准化的建立 233

参考文献 236