面向6G的觸覺互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與挑戰(zhàn)

尤子碩 李強(qiáng) 唐冰 葛曉虎

摘要：為了順應(yīng)6G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢，圍繞觸覺互聯(lián)網(wǎng)（TI）超低時延、超高可靠的關(guān)鍵性能需求，從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、信息傳輸、資源管理3個層面系統(tǒng)性地提出了TI關(guān)鍵使能技術(shù)框架。在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面，提出基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）/網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）和人工智能（AI）賦能的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu);在信息傳輸方面，提出采用多模態(tài)通信增強(qiáng)沉浸體驗(yàn)，并利用語義通信促進(jìn)智能體間的達(dá)意通信;在資源管理方面，提出通過通信-計(jì)算-存儲多維資源融合調(diào)度來提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)承載能力。最后，探討了TI在發(fā)展和應(yīng)用中存在的問題、挑戰(zhàn)以及可能的解決思路。

關(guān)鍵詞：觸覺互聯(lián)網(wǎng);網(wǎng)絡(luò)架構(gòu);多模態(tài)通信;語義通信;通信-計(jì)算-存儲融合調(diào)度

Abstract：Followingthedevelopmenttrendof6GnetworksandfocusingonthekeyperformancerequirementsofthetactileInternet（TI）forultra-lowlatencyandultra-highreliability，TIskeyenablingtechnologyframeworkissystematicallyproposedfromthreelevelsincludingnetworkarchitecture，informationtransmission，andresourcemanagement.Intermsofnetworkarchitecture，anewnetworkarchitecturebasedonsoftwaredefined-network（SDN）/networkfunctionvirtualization（NFV）andartificialintelligence（AI）isproposed.Intermsofinformationtransmission，itisproposedtousemulti-modalcommunicationtoenhancetheimmersiveexperience，andtousesemanticcommunicationtopromoteidea-passingcommunicationbetweenagents.Intermsofresourcemanagement，itisproposedtoimprovethecarryingcapacityofnetworkservicesthroughtheintegrationofcommunication-computing-cachingmulti-dimensionalresourcescheduling.Finally，theproblems，challenges，andpossiblesolutionsinTIsdevelopmentandapplicationarediscussed.

Keywords：tactileInternet;networkarchitecture;multimodalcommunication;semanticcommunication;communication-computing-cachingfusionscheduling

隨著智能終端設(shè)備的普及與移動高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）等業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)，全球移動業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流量呈爆炸式增長，預(yù)計(jì)10年后將達(dá)到5G網(wǎng)絡(luò)的極限。與此同時，5G網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸速率、覆蓋范圍、接入密度等方面面臨瓶頸，無法充分滿足車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程教育等新興業(yè)務(wù)的發(fā)展需求。為了進(jìn)一步打破現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界的界限，縮小現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界的鴻溝，全球主要國家和經(jīng)濟(jì)體已啟動6G的研究探索。6G將極大滿足人與人、人與物、人與環(huán)境之間的溝通交互需求，提供不受時間、空間限制的完全沉浸化交互體驗(yàn)[1]。這將有助于構(gòu)建一個平行于現(xiàn)實(shí)世界的開放數(shù)字虛擬世界，促進(jìn)人類社會的數(shù)字化轉(zhuǎn)型[2]。

6G時代新技術(shù)的應(yīng)用，使得實(shí)時傳輸觸覺控制信息的觸覺互聯(lián)網(wǎng)（TI）成為可能。區(qū)別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)信息傳輸，TI通過對觸覺控制信息的傳輸和反饋來進(jìn)行精細(xì)的動作控制，通過與實(shí)際或虛擬的物體進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時交互來實(shí)現(xiàn)“技能傳輸”。英國咨詢公司IDTechEx的報(bào)告顯示：觸覺反饋技術(shù)市場正呈指數(shù)級增長，預(yù)計(jì)到2025年市場規(guī)模將接近50億美元。此外，TI技術(shù)將使VR/AR更具有沉浸感，感官互聯(lián)預(yù)期將成為未來主流的通信方式。這將為移動通信、制造業(yè)、醫(yī)療健康等新興行業(yè)的發(fā)展帶來更多、更大的市場機(jī)遇。

目前，TI作為B5G/6G的關(guān)鍵應(yīng)用，已經(jīng)引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。國際電信聯(lián)盟（ITU）和電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）等國際標(biāo)準(zhǔn)化組織已經(jīng)開始TI相關(guān)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)制定[3-4]。文獻(xiàn)[5]指出借助TI可以實(shí)時控制真實(shí)或虛擬對象，從而構(gòu)建新一代信息物理系統(tǒng)。文獻(xiàn)[6]比較了5G、物聯(lián)網(wǎng)、TI3種網(wǎng)絡(luò)，指出TI區(qū)別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵在于利用觸覺設(shè)備實(shí)現(xiàn)人-機(jī)（H2M）通信。文獻(xiàn)[7]提出了TI的一些關(guān)鍵性能要求，包括：極低時延極高可靠性、安全性、多感官的整合。文獻(xiàn)[8]提出了一些TI潛在應(yīng)用場景，包括醫(yī)療健康領(lǐng)域的外骨骼、遠(yuǎn)程教育中的交互式虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)、自動駕駛中的遠(yuǎn)程汽車控制，以及智能制造中機(jī)器人參與大規(guī)模裝配生產(chǎn)線等。文獻(xiàn)[9]指出實(shí)現(xiàn)TI面臨的挑戰(zhàn)，包括設(shè)計(jì)能夠提供動覺和觸覺信號反饋并且能與蜂窩網(wǎng)絡(luò)自由通信的觸覺設(shè)備，開發(fā)實(shí)現(xiàn)觸覺數(shù)據(jù)壓縮的觸覺編碼器，融合具有不同采樣/傳輸速率和延遲需求的視覺、聽覺、觸覺多模態(tài)信息等。文獻(xiàn)[10]提出，TI需要在共享的基礎(chǔ)設(shè)施上實(shí)現(xiàn)實(shí)時控制與網(wǎng)絡(luò)邊緣高效計(jì)算能力的結(jié)合。文獻(xiàn)[11]提出一種基于多層云的蜂窩系統(tǒng)以支持TI應(yīng)用，該系統(tǒng)包含微云單元、負(fù)責(zé)管理區(qū)域內(nèi)的微云單元并形成邊緣計(jì)算架構(gòu)的小型云、負(fù)責(zé)管理網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有小型云的核心網(wǎng)絡(luò)云以及作為大型數(shù)據(jù)中心的遠(yuǎn)程公共云。文獻(xiàn)[12]提出一種面向軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）/網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）的多層云TI結(jié)構(gòu)，有助于降低時延，提高系統(tǒng)性能。文獻(xiàn)[13]提出一種基于用戶體驗(yàn)質(zhì)量（QoE）的感知模型，可用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中觸覺應(yīng)用的動態(tài)資源分配。

如上所述，現(xiàn)有研究工作大多從應(yīng)用場景、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、編/譯碼器等單一角度研究TI。然而，TI作為一個系統(tǒng)工程，需要從不同層面開展關(guān)鍵使能技術(shù)的融合創(chuàng)新?；诰W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、信息傳輸以及資源管理這3個不同層面，本文提出了TI關(guān)鍵使能技術(shù)框架。為了滿足觸覺控制和反饋信息的實(shí)時、可靠傳輸，需要設(shè)計(jì)基于SDN/NFV和人工智能（AI）賦能的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過提供靈活的網(wǎng)絡(luò)功能和基于本地的服務(wù)保證時延、可靠性等關(guān)鍵性能要求;為了促進(jìn)多感官信息融合，需要利用多模態(tài)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)多感官信息的傳輸、接收和重建，并借助語義通信技術(shù)融合提取多模態(tài)信息的語義特征，減少數(shù)據(jù)冗余，提高通信有效性;為了靈活匹配網(wǎng)絡(luò)資源，需要設(shè)計(jì)通信、計(jì)算、存儲等多維網(wǎng)絡(luò)資源融合調(diào)度機(jī)制，在提高用戶沉浸式體驗(yàn)的同時提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率。

1TI網(wǎng)絡(luò)范式

下一代移動網(wǎng)絡(luò)（NGMN）聯(lián)盟將TI定義為：“通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程提供對真實(shí)或虛擬對象以及物理觸覺體驗(yàn)的實(shí)時控制的能力”[14]。為了在沉浸式遠(yuǎn)程教育、高精度遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷、工業(yè)控制和自動化等新興觸覺應(yīng)用領(lǐng)域提供對真實(shí)或虛擬對象實(shí)時的控制交互能力，TI應(yīng)具備以下的網(wǎng)絡(luò)范式。

如圖1所示，TI網(wǎng)絡(luò)范式主要包括3個部分：主控域、網(wǎng)絡(luò)域、從屬域[15-16]。主控域主要包含操作者和操作系統(tǒng)接口，操作系統(tǒng)接口或人機(jī)接口通常是一個觸覺設(shè)備，可以通過各種編碼方案將操作者的輸入轉(zhuǎn)換為觸覺輸入信息并將其發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)域。從屬域由遠(yuǎn)程操作設(shè)備構(gòu)成，受主控域中各種命令信號直接控制，可以和遠(yuǎn)程環(huán)境中的各種對象進(jìn)行交互，同時將觸覺反饋信息返回給主控域。網(wǎng)絡(luò)域?yàn)橹骺赜蚝蛷膶儆蛑g的雙向控制通信提供媒介，可以將操作者動態(tài)地耦合到遠(yuǎn)程環(huán)境。理想情況下，TI網(wǎng)絡(luò)可以讓操作者擁有遠(yuǎn)程環(huán)境中沉浸式的體驗(yàn)感受，從而實(shí)現(xiàn)物理世界的數(shù)字化重現(xiàn)。

視覺、聽覺、觸覺等不同感官信號的傳輸需要保持實(shí)時性、可靠性、一致性和協(xié)調(diào)性[9]。為了更好地支持這些關(guān)鍵性能需求，需要為TI設(shè)計(jì)靈活、智能的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以提供超低時延、超高可靠和穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接，為TI設(shè)計(jì)高效的多模態(tài)信息傳輸技術(shù)以促進(jìn)多感官信息的融合，為TI設(shè)計(jì)多維網(wǎng)絡(luò)資源融合調(diào)度策略以在充分保證業(yè)務(wù)性能要求的基礎(chǔ)上提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率。以下我們將從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、信息傳輸、資源管理這3個方面探討6G背景下新型TI的關(guān)鍵使能技術(shù)。

2TI關(guān)鍵使能技術(shù)

2.1基于SDN/NFV的新型TI架構(gòu)

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)采用邏輯控制與數(shù)據(jù)傳輸緊密耦合的方式，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)同時進(jìn)行控制決策和數(shù)據(jù)傳輸，無法滿足TI超低時延、超高可靠的關(guān)鍵性能需求。實(shí)現(xiàn)觸覺通信的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)一個靈活、高效、能提供一致性QoE保障的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一管理與資源的動態(tài)調(diào)度，使網(wǎng)絡(luò)資源可以基于物理基礎(chǔ)設(shè)施在不同的服務(wù)和應(yīng)用之間有效切分、共享，從而降低數(shù)據(jù)傳輸時延，提高可靠性。

如圖2所示，本文提出一種基于SDN/NFV和AI賦能的TI3層架構(gòu)。感知層通過感知設(shè)備收集環(huán)境和用戶數(shù)據(jù)，然后將其上傳至網(wǎng)絡(luò)層，同時接收來自網(wǎng)絡(luò)層的控制信號。網(wǎng)絡(luò)層通過SDN和NFV實(shí)現(xiàn)邏輯控制與數(shù)據(jù)傳輸分離、虛擬資源與硬件資源分離，促進(jìn)了對虛擬網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一管理和動態(tài)配置，提高了TI架構(gòu)的靈活性?？刂破矫嫱ㄟ^在網(wǎng)絡(luò)的不同層級（如云計(jì)算中心和邊緣計(jì)算平臺等）構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)控制器，如SDN控制器、域控制器、邊緣控制器等，可以構(gòu)建集中和分布協(xié)同的多層級網(wǎng)絡(luò)（如云邊融合網(wǎng)絡(luò)），有效彌補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)空隙，提高網(wǎng)絡(luò)彈性。一方面，集中式架構(gòu)可以提供穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接，從而滿足確定性組網(wǎng)需求和服務(wù)質(zhì)量保證;另一方面，分布式架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)以用戶為中心的控制和管理，靈活適應(yīng)新業(yè)務(wù)新場景的需求。數(shù)據(jù)平面根據(jù)控制平面下達(dá)的指令，利用移動基礎(chǔ)設(shè)施提供連接和計(jì)算服務(wù)，實(shí)現(xiàn)高效的信息傳輸與業(yè)務(wù)交付。應(yīng)用層基于分布式與集中式融合的云邊協(xié)同網(wǎng)絡(luò)，為TI用戶提供差異化、多維度、確定性服務(wù)。根據(jù)不同的應(yīng)用需求，應(yīng)用層可以通過嵌入不同的AI引擎實(shí)現(xiàn)TI網(wǎng)絡(luò)的智能部署、智能運(yùn)維、智能優(yōu)化、智能管理，從容應(yīng)對各種實(shí)時的變化，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)、自運(yùn)行、自維護(hù)。在此基礎(chǔ)上，通過融合內(nèi)生智能技術(shù)，并充分利用網(wǎng)絡(luò)通信、感知、計(jì)算、存儲等能力，應(yīng)用層能夠更好地承載大規(guī)模智能分布式協(xié)同服務(wù)，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)的云AI向網(wǎng)絡(luò)AI轉(zhuǎn)變。

如上所述，TI3層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠有效結(jié)合云、網(wǎng)、邊、端的算力資源和能力，對不同業(yè)務(wù)進(jìn)行智能分發(fā)處理。例如，將需要大量計(jì)算資源的TI場景渲染放在云計(jì)算中心集中處理，將多模態(tài)信號的編解碼放在邊緣的分布式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)集散共存、分布自治的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[1]。

2.2多模態(tài)語義通信

多模態(tài)通信是一種通過文字、圖片、音頻、視頻等多種信息載體進(jìn)行信息交互的方式。在面向6G的TI中，除了音、視頻等傳統(tǒng)的信息模態(tài)，還需要進(jìn)行觸覺信息的傳輸。因此，為了提供沉浸式體驗(yàn)，必須結(jié)合TI應(yīng)用特點(diǎn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的多模態(tài)通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)視覺、聽覺、觸覺等多感官信息的高效傳輸與融合[17]。

多模態(tài)通信過程包含多模態(tài)信號編碼、傳輸以及恢復(fù)重建3部分[18]，如圖3所示。同一對象的多模態(tài)信號之間通常具有一定的相關(guān)性，在傳輸前需要進(jìn)行跨模態(tài)編碼[17]。在跨模態(tài)編碼中，如何對多模態(tài)信號特征進(jìn)行提取壓縮，從而降低冗余、提高傳輸效率是亟待解決的問題。

傳統(tǒng)的香農(nóng)信息論主要關(guān)注信息的形式，而用戶更為關(guān)注的是信息的內(nèi)容和價值，由此引出了語義信息的概念[19]。語義通信泛指不同的智能體之間進(jìn)行的以“達(dá)意”為目的的通信，這里的“智能體”可以是人類或機(jī)器[20]。鑒于TI應(yīng)用中存在廣泛的智能體之間的會意交互應(yīng)用，語義通信可被用于傳輸相應(yīng)的觸覺控制指令，這將有助于實(shí)現(xiàn)超低時延、超高可靠的關(guān)鍵性能要求。提取、融合、傳輸多模態(tài)聯(lián)合信息的語義特征為提高TI傳輸效率、滿足用戶沉浸式體驗(yàn)需求提供了一種新思路。

語義通信的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)語義特征提取與恢復(fù)的語義編譯碼器。因?yàn)門I應(yīng)用中通常需要傳輸多模態(tài)信號，所以對多模態(tài)信息的表征學(xué)習(xí)是TI中實(shí)現(xiàn)語義通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前常用的多模態(tài)信息表征學(xué)習(xí)方法有聯(lián)合表示、編解碼器架構(gòu)、協(xié)同表示等[21]。聯(lián)合表示旨在將單模態(tài)的表示映射到一個共享語義子空間中，以融合多模態(tài)特征[22];編解碼器架構(gòu)早期用于自然語言處理中的機(jī)器翻譯[23]等任務(wù)，現(xiàn)廣泛應(yīng)用在將一種模態(tài)映射到另一模態(tài)的跨模態(tài)任務(wù)中;協(xié)同表示將多模態(tài)的信息分別映射到各自的表示空間中學(xué)習(xí)，但映射后的向量之間滿足一定的相關(guān)約束性[24]。由于不同模態(tài)中包含的信息是不平等的，學(xué)習(xí)分離表征有助于保持獨(dú)有的有用模態(tài)特定特征。采用高效的多模態(tài)信息表征方法能夠更好地解決數(shù)據(jù)冗余問題。

在對多模態(tài)信號進(jìn)行語義特征提取和編碼的基礎(chǔ)上，還需要滿足一定的傳輸時延和帶寬要求。不同模態(tài)信號的通信帶寬、可靠性等需求不同，因此在多模態(tài)碼流傳輸時需要設(shè)計(jì)合適的傳輸策略[18]。借助邊緣計(jì)算和云邊融合架構(gòu)，可以將網(wǎng)絡(luò)核心的計(jì)算處理功能下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣;通過在網(wǎng)絡(luò)邊緣對多模態(tài)信號進(jìn)行處理和傳輸，能夠有效縮短與用戶的距離，進(jìn)一步提高多模態(tài)通信的效率。

多模態(tài)碼流經(jīng)過傳輸和解碼后會有一定程度的損耗，因此對接收到的多模態(tài)信息進(jìn)行高效恢復(fù)重建也是影響TI用戶體驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)。現(xiàn)存方法多基于深度學(xué)習(xí)模型，例如WEIX.[25]等使用遷移學(xué)習(xí)和生成對抗網(wǎng)絡(luò)的方法從不同的模態(tài)中提取、遷移和融合信息，恢復(fù)損壞的信號，提升接收器的渲染效果。

2.3通信、計(jì)算、存儲資源聯(lián)合調(diào)度

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)以連接為中心，旨在通過匹配相應(yīng)的通信資源（如帶寬等）實(shí)現(xiàn)端到端的可靠連接。新型業(yè)態(tài)的不斷涌現(xiàn)，如自然語言處理、VR/AR、人臉識別等應(yīng)用穩(wěn)步發(fā)展，不僅要求高通信數(shù)據(jù)速率，還要求通信系統(tǒng)提供足夠強(qiáng)大的存儲和計(jì)算資源。通信不再是網(wǎng)絡(luò)提供的唯一核心業(yè)務(wù)，通信能力也不再等同于網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)能力。為了提供全面沉浸化的TI服務(wù)，往往需要融合調(diào)用通信、計(jì)算、存儲等網(wǎng)絡(luò)多維資源，如圖4所示。

因此，為了滿足用戶“身臨其境”的沉浸式體驗(yàn)需求，同時避免由于網(wǎng)絡(luò)單一類型資源匱乏導(dǎo)致的TI業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的不確定性，需要為TI設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)多維資源的融合調(diào)度策略。具體來說，為了實(shí)現(xiàn)高速率、低時延的傳輸觸覺控制和反饋信息，需要為TI匹配相應(yīng)的通信資源;為了進(jìn)行多模態(tài)信號的編譯碼、語義特征的提取與融合重建，需要為TI匹配相應(yīng)的計(jì)算資源;為了提高計(jì)算和通信效率、存儲語義庫以及多模態(tài)信息的編譯碼映射信息，需要為TI匹配相應(yīng)的存儲資源。值得注意的是，多維資源之間存在折衷互補(bǔ)特性。針對由于某種類型資源匱乏導(dǎo)致業(yè)務(wù)需求無法滿足的情況，可以通過通信、計(jì)算、存儲資源的深度交互、融合進(jìn)行補(bǔ)足和增強(qiáng)。

例如，通過提取語義特征進(jìn)行多模態(tài)信息的壓縮編碼，可以有效降低數(shù)據(jù)冗余度，提高通信效率，實(shí)現(xiàn)“以計(jì)算換通信”;反過來，通過將數(shù)據(jù)分析和計(jì)算任務(wù)卸載到邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)或云端進(jìn)行協(xié)作處理，可以有效提高計(jì)算效率，實(shí)現(xiàn)“以通信換計(jì)算”。通過將某些熱點(diǎn)流行內(nèi)容，如音頻、視頻等，預(yù)先存儲在網(wǎng)絡(luò)邊緣，能夠有效降低網(wǎng)絡(luò)傳輸時延，提升用戶體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)“以存儲換通信”。此外，通過緩存某些中間計(jì)算結(jié)果和相關(guān)數(shù)據(jù)，在進(jìn)行類似業(yè)務(wù)處理時能夠快速響應(yīng)、縮短處理時延，實(shí)現(xiàn)“以存儲換計(jì)算”。

6G時代，TI作為典型應(yīng)用，將通過融合通信、計(jì)算、存儲等網(wǎng)絡(luò)多維資源，構(gòu)建“算網(wǎng)一體”“存網(wǎng)一體”的網(wǎng)絡(luò)新格局。在實(shí)時感知網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和資源占用情況的基礎(chǔ)上，通過網(wǎng)絡(luò)多維資源的動態(tài)分配和調(diào)整，可以將業(yè)務(wù)流量匹配至最優(yōu)節(jié)點(diǎn)。這將有助于緩解甚至消除資源競爭狀況，賦能一致化、確定性用戶體驗(yàn)，保證用戶的沉浸化服務(wù)質(zhì)量需求。

3存在的問題

3.1多模態(tài)信息的編碼傳輸與融合重建

在多模態(tài)通信中，視聽編碼技術(shù)已經(jīng)較為成熟，而觸覺信號由于種類繁多、感知機(jī)理復(fù)雜，目前尚沒有成熟的編碼方案。文獻(xiàn)[17]提出了一種基于韋伯的顯著差異定律的感知盲區(qū)方案來解決動覺信號編碼問題，并提出了基于波形信號的壓縮、數(shù)據(jù)驅(qū)動下的特征提取兩種編碼方案來解決觸覺信號編碼問題。由于現(xiàn)實(shí)應(yīng)用場景下兩種信號相互作用、影響，需要結(jié)合動覺和觸覺信息來開發(fā)普適的標(biāo)準(zhǔn)觸覺編解碼器。視聽流的穩(wěn)定傳輸需要基于高帶寬、低抖動，而觸覺信號的傳輸則有著低時延、高可靠性的要求?，F(xiàn)有傳輸方案大多僅關(guān)注觸覺流[9]或視聽流[26]，嚴(yán)重影響用戶沉浸式體驗(yàn)。在實(shí)際的多模態(tài)通信中，傳輸環(huán)境是動態(tài)的，網(wǎng)絡(luò)資源是有限的，因此設(shè)計(jì)自主的跨模態(tài)協(xié)同傳輸方案是TI保證用戶沉浸式體驗(yàn)的關(guān)鍵所在[25]。此外，對接收跨模態(tài)信號進(jìn)行恢復(fù)，一般只能得到和發(fā)送端分辨率相同的信號，無法實(shí)現(xiàn)全息遠(yuǎn)程通信的沉浸式體驗(yàn)和虛擬現(xiàn)實(shí)下高精度渲染場景。通過深度學(xué)習(xí)的方法，可以實(shí)現(xiàn)多模態(tài)信號從低分辨率到超高分辨率的重建，從而增強(qiáng)用戶在TI下身臨其境的體驗(yàn)[18]。如C.LEDIG[27]等從照片感知角度出發(fā)，通過生成對抗網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行超高分辨率重建，提高了圖像超高清重建真實(shí)感。

3.2多模態(tài)信息的語義特征提取與壓縮

由于TI中視覺、聽覺、觸覺多感官信息存在一定的相關(guān)性，因此需采用多模態(tài)信息聯(lián)合編碼壓縮冗余、提高通信有效性。與此同時，多模態(tài)信息也具有差異互補(bǔ)性，多種感官信息的充分融合給用戶帶來“身臨其境”的體驗(yàn)。為了在提高通信效率的基礎(chǔ)上增強(qiáng)沉浸式的體驗(yàn)，多模態(tài)語義信息提取的準(zhǔn)確性與有效性顯得尤為重要。多模態(tài)語義信息的最佳表示是什么？什么是無損語義壓縮？如何量化評估語義保真度和體驗(yàn)沉浸度？這些問題的解決對實(shí)現(xiàn)多模態(tài)語義通信、提高TI用戶體驗(yàn)感至關(guān)重要。J.BAO[28]等分析了無損語義壓縮，在特定的假設(shè)下建立了無損語義數(shù)據(jù)壓縮的理論界限，然而在實(shí)際多模態(tài)語義通信過程中這些假設(shè)都難以成立。至于如何量化評估語義保真度還存在很多困難。針對文本傳輸?shù)脑u估量化，現(xiàn)有方法多使用機(jī)器翻譯任務(wù)中的BLEU[29]指標(biāo)。該指標(biāo)雖然能在一定程度上反映傳輸準(zhǔn)確率，但是無法評估傳輸前后的語義一致性。值得借鑒的做法是文獻(xiàn)[30]提出的新的度量：利用預(yù)訓(xùn)練好的語言模型和傳輸文本的語義信息來描述它們的語義相似度。

3.3安全性

傳統(tǒng)集中式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)缺乏安全內(nèi)生設(shè)計(jì)，用戶隱私數(shù)據(jù)泄露問題難以解決。同時，網(wǎng)絡(luò)安全與TI業(yè)務(wù)各成體系，安全投入高。基于分布式技術(shù)設(shè)計(jì)AI賦能的TI網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)去中心化的安全可信機(jī)制，能夠有效提高TI的安全自治能力。分布式技術(shù)在數(shù)據(jù)產(chǎn)生的地方進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，無須將數(shù)據(jù)全部發(fā)往云計(jì)算中心，這能夠在一定程度上緩解隱私數(shù)據(jù)泄露的問題。網(wǎng)絡(luò)AI可以實(shí)現(xiàn)主動免疫、彈性自治、安全泛在、智能協(xié)同，為TI助力網(wǎng)絡(luò)安全內(nèi)生。此外，語義通信需要交換雙方感知的知識信息，并協(xié)同更新雙方的知識庫，這可能會帶來本地隱私數(shù)據(jù)泄露的風(fēng)險。如何開發(fā)一種通信參與者之間的高效協(xié)調(diào)機(jī)制，而不造成任何私人數(shù)據(jù)泄露，仍是一個亟待解決的問題[31]。由于區(qū)塊鏈技術(shù)具有高冗余存儲、去中心化、公開透明和高安全性等特點(diǎn)，利用區(qū)塊鏈技術(shù)來存儲TI中本地隱私數(shù)據(jù)，可以在一定程度上避免因中心化機(jī)構(gòu)遭受攻擊造成的數(shù)據(jù)泄露[32]。

4結(jié)束語

為了順應(yīng)6G時代全面沉浸化的發(fā)展需求，本文從研究背景與現(xiàn)狀、網(wǎng)絡(luò)范式、關(guān)鍵使能技術(shù)、存在的問題等方面對TI進(jìn)行了系統(tǒng)介紹，并從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、信息傳輸、資源管理3個方面對TI關(guān)鍵使能技術(shù)進(jìn)行了探討。雖然TI在多模態(tài)信息編碼傳輸與融合重建、語義特征提取與壓縮、安全性等方面仍然存在很多需要解決的問題與挑戰(zhàn)，但隨著新技術(shù)的發(fā)展，相信在不久的將來TI作為6G關(guān)鍵技術(shù)將發(fā)揮越來越重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]IMT-2030（6G）推進(jìn)組.6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)愿景與關(guān)鍵技術(shù)展望白皮書[EB/OL].（2021-09-16）[2021-10-25].http：//www.caict.ac.cn/

[2]劉子涵.元宇宙：人類數(shù)字化生存的高級形態(tài)[J].新閱讀，2021（9）：78-79

[3]TU-TFGNET2030.Newservicesandcapa-bilitiesfornetwork2030：description，technicalgapandperformancetargetanalysis[EB/OL].[2021-10-25].https：//www.itu.int/en/ITU-T/focusgroups/net2030/Documents/Deliverable_NET2030.pdf

[4]HOLLANDO，STEINBACHE，PRASADRV，etal.TheIEEE1918.1“tactileInternet”stan-dardsworkinggroupanditsstandards[J].Pro-ceedingsoftheIEEE，2019，107（2）：256-279.DOI：10.1109/JPROC.2018.2885541

[5]胡泳.所到之處皆媒介：5G對媒體產(chǎn)業(yè)的影響分析[J].新聞記者，2020（7）：59-69.DOI：10.16057/j.cnki.31-1171/g2.2020.07.006

[6]MAIERM，CHOWDHURYM，RIMALBP，etal.ThetactileInternet：vision，recentprogress，andopenchallenges[J].IEEEcommunica-tionsmagazine，2016，54（5）：138-145.DOI：10.1109/MCOM.2016.7470948

[7]王凌豪，王淼，張亞文，等.未來網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景與網(wǎng)絡(luò)能力需求[J].電信科學(xué)，2019，35（10）：2-12.DOI：10.11959/j.issn.1000-0801.2019223

[8]FETTWEISGP.ThetactileInternet：appli-cationsandchallenges[J].IEEEvehiculartechnologymagazine，2014，9（1）：64-70.DOI：10.1109/MVT.2013.2295069

[9]AIJAZA，DOHLERM，AGHVAMIAH，etal.RealizingthetactileInternet：hapticcom-municationsovernextgeneration5Gcellularnetworks[J].IEEEwirelesscommunica-tions，2017，24（2）：82-89.DOI：10.1109/MWC.2016.1500157RP

[10]趙亞軍，郁光輝，徐漢青.6G移動通信網(wǎng)絡(luò)：愿景、挑戰(zhàn)與關(guān)鍵技術(shù)[J].中國科學(xué)：信息科學(xué)，2019，49（8）：963-987.DOI：10.1360/N112019-00033

[11]ATEYAAA，VYBORNOVAA，KIRICHEKR，etal.MultilevelcloudbasedtactileInternetsystem[C]//Proceedingsof201719thInter-nationalConferenceonAdvancedCommuni-cationTechnology（ICACT）.IEEE，2017：105-110.DOI：10.23919/ICACT.2017.7890067

[12]魏萌，呂廷勤.基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的觸覺互聯(lián)網(wǎng)端到端系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2020，37（12）：3760-3763.DOI：10.19734/j.issn.1001-3695.2019.09.0549

[13]AAZAMM，HARRASKA，ZEADALLYS.Fogcomputingfor5GtactileindustrialInternetofThings：QoE-awareresourceallocationmodel[J].IEEEtransactionsonindustrialinformat-ics，2019，15（5）：3085-3092.DOI：10.1109/TII.2019.2902574

[14]NGMN.5Gwhitepaper[EB/OL].（2016-04-26）[2021-10-25].http：//www.ngmn.org/5g-white-paper.html

[15]SIMSEKM，AIJAZA，DOHLERM，etal.5G-enabledtactileInternet[J].IEEEjour-nalonselectedareasincommunications，2016，34（3）：460-473.DOI：10.1109/JSAC.2016.2525398

[16]GEXH，ZHOUR，LIQ.5GNFV-basedtactileInternetformission-criticalIoTservices[J].IEEEInternetofThingsjour-nal，2020，7（7）：6150-6163.DOI：10.1109/JIOT.2019.2958063

[17]周亮，袁哲.跨模態(tài)編碼[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，40（5）：95-100.DOI：10.14132/j.cnki.1673-5439.2020.05.010

[18]高赟，魏昕，周亮.跨模態(tài)通信理論及關(guān)鍵技術(shù)初探[J].中國傳媒大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，28（1）：55-63.DOI：10.16196/j.cnki.issn.1673-4793.2021.01.009

[19]鐘義信.信息生態(tài)學(xué)與語義信息論[J].圖書情報(bào)知識，2017（6）：4-11.DOI：10.13366/j.dik.2017.06.004

[20]石光明，李瑩玉，謝雪梅.語義通訊-智能時代的產(chǎn)物[J].模式識別與人工智能，2018，31（1）：91-99.DOI：10.16451/j.cnki.issn1003-6059.201801008

[21]GUOW，WANGJ，WANGAS.Deepmulti-modalrepresentationlearning：asurvey[J].IEEEaccess，2019，7（99）：63373-63394.DOI：10.1109/ACCESS.2019.2916887

[22]BALTRUSAITIST，AHUJAC，MORENCYLP.Multimodalmachinelearning：asurveyandtaxonomy[J].IEEEtransactionsonpatternanalysisandmachineintelligence，2017，41（2）：423-443.DOI：10.1109/TPAMI.2018.2798607

[23]CHOK，MERRIENBOERVB，GULCEHREC，etal.LearningphraserepresentationsusingRNNencoder-decoderforstatisticalmachinetranslation[EB/OL].（2014-09-03）[2021-10-25].https：//arxiv.org/abs/1406.1078

[24]HEY，XIANGS，KANGC，etal.Cross-modalretrievalviadeepandbidirectionalrepre-sentationlearning[J].IEEEtransactionsonmultimedia，2016，18（7）：1363-1377.DOI：10.1109/TMM.2016.2558463

[25]WEIX，ZHOUL.AI-enabledcross-modalcommunications[J].IEEEwirelesscommuni-cations，2021，28（4）：182-189.DOI：10.1109/MWC.001.2000448

[26]LIUL，HUH，LUOY，etal.WhenwirelessvideostreamingmeetsAI：adeeplearningapproach[J].IEEEwirelesscommunica-tions，2020，27（2）：127-133.DOI：10.1109/MWC.001.1900220

[27]LEDIGC，THEISL，HUSZ?RF，etal.Pho-to-realisticsingleimagesuper-resolutionusingagenerativeadversarialnetwork[C]//Proceedingsof2017IEEEConferenceonComputerVisionandPatternRecogni-tion.IEEE，2017：105-114.DOI：10.1109/CVPR.2017.19

[28]BAOJ，BASUP，DEANM，etal.Towardsatheoryofsemanticcommunication[C]//2011IEEENetworkScienceWorkshop.IEEE，2011：110-117.DOI：10.1109/NSW.2011.6004632

[29]PAPINENIK，ROUKOSS，WARDT，etal.BLEU：amethodforautomaticevaluationofmachinetranslation[C]//Proceedingsofthe40thAnnualMeetingonAssociationforComputationalLinguistics-ACL02.Asso-ciationforComputationalLinguistics，2001：311-318.DOI：10.3115/1073083.1073135

[30]XIEHQ，QINZJ，LIGY，etal.Deeplearningenabledsemanticcommunicationsystems[J].IEEEtransactionsonsignalprocess-ing，2021，69：2663-2675.DOI：10.1109/TSP.2021.3071210

[31]SHIGM，XIAOY，LIYY，etal.Fromse-manticcommunicationtosemantic-awarenetworking：model，architecture，andopenproblems[J].IEEEcommunicationsmag-azine，2021，59（8）：44-50.DOI：10.1109/MCOM.001.2001239

[32]袁勇，王飛躍.區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].自動化學(xué)報(bào)，2016，42（4）：481-494.DOI：10.16383/j.aas.2016.c160158

作者簡介

尤子碩，華中科技大學(xué)電子信息與通信學(xué)院在讀碩士研究生;研究方向?yàn)橛|覺通信、邊緣計(jì)算/霧計(jì)算、邊緣緩存。

李強(qiáng)，華中科技大學(xué)教授、IEEEGLOBECOM2019分會聯(lián)合主席;主要研究方向?yàn)闊o線協(xié)作通信、物聯(lián)網(wǎng)、認(rèn)知無線電、觸覺通信、邊緣計(jì)算/霧計(jì)算、邊緣緩存等;承擔(dān)了國家級和省部級科研項(xiàng)目10余項(xiàng);發(fā)表論文70余篇，獲授權(quán)專利20余項(xiàng)。

唐冰，華中科技大學(xué)電子信息與通信學(xué)院在讀碩士研究生;研究方向?yàn)橐曨l內(nèi)容理解、語義通信。

葛曉虎，華中科技大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，國家綠色通信與網(wǎng)絡(luò)國際聯(lián)合研究中心主任，國際信息處理聯(lián)合會（IFIP）中國代表和聯(lián)合國咨商信息與通信技術(shù)專委會委員，國家科技部和國家自然基金委會評專家，湖北省科技廳評審專家，IETFellow，中國通信學(xué)會會士;主要研究方向?yàn)榫G色通信與網(wǎng)絡(luò)、超密集網(wǎng)絡(luò)、大規(guī)模MIMO、毫米波通信技術(shù)等;主持完成了20余項(xiàng)國家級科研課題和多項(xiàng)國際高水平科技合作項(xiàng)目;發(fā)表論文200余篇，獲授權(quán)專利50余項(xiàng)。