迄今为止，通信系统主要旨在可靠地交流位序列。这种方法提供了有效的工程设计，这些设计对消息的含义或消息交换所旨在实现的目标不可知。但是，下一代系统可以通过将消息语义和沟通目标折叠到其设计中来丰富。此外，可以使这些系统了解进行交流交流的环境，从而为新颖的设计见解提供途径。本教程总结了迄今为止的努力，从早期改编，语义意识和以任务为导向的通信开始，涵盖了基础，算法和潜在的实现。重点是利用信息理论提供基础的方法，以及学习在语义和任务感知通信中的重要作用。

Along with the springing up of semantics-empowered communication (SemCom) researches, it is now witnessing an unprecedentedly growing interest towards a wide range of aspects (e.g., theories, applications, metrics and implementations) in both academia and industry. In this work, we primarily aim to provide a comprehensive survey on both the background and research taxonomy, as well as a detailed technical tutorial. Specifically, we start by reviewing the literature and answering the "what" and "why" questions in semantic transmissions. Afterwards, we present corresponding ecosystems, including theories, metrics, datasets and toolkits, on top of which the taxonomy for research directions is presented. Furthermore, we propose to categorize the critical enabling techniques by explicit and implicit reasoning-based methods, and elaborate on how they evolve and contribute to modern content \& channel semantics-empowered communications. Besides reviewing and summarizing the latest efforts in SemCom, we discuss the relations with other communication levels (e.g., reliable and goal-oriented communications) from a holistic and unified viewpoint. Subsequently, in order to facilitate the future developments and industrial applications, we also highlight advanced practical techniques for boosting semantic accuracy, robustness, and large-scale scalability, just to mention a few. Finally, we discuss the technical challenges that shed light on future research opportunities.

作为Shannon Paradigm的突破的语义通信旨在成功传输由源传送的语义信息，而不是每种单个符号或位的准确接收，而不管其含义如何。本文提供了关于语义通信的概述。在简要审查Shannon信息理论之后，我们讨论了深入学习的理论，框架和系统设计的语义通信。不同于用于测量传统通信系统的符号/误码率，还讨论了语义通信的新性能度量。这篇文章由几个开放问题结束。

随着数据生成越来越多地在没有连接连接的设备上进行，因此与机器学习（ML）相关的流量将在无线网络中无处不在。许多研究表明，传统的无线协议高效或不可持续以支持ML，这创造了对新的无线通信方法的需求。在这项调查中，我们对最先进的无线方法进行了详尽的审查，这些方法是专门设计用于支持分布式数据集的ML服务的。当前，文献中有两个明确的主题，模拟的无线计算和针对ML优化的数字无线电资源管理。这项调查对这些方法进行了全面的介绍，回顾了最重要的作品，突出了开放问题并讨论了应用程序方案。

Motivated by recent success of Machine Learning (ML) tools in wireless communications, the idea of semantic communication by Weaver from 1949 has received considerable attention. It breaks with the classic design paradigm of Shannon by aiming to transmit the meaning of a message, i.e., semantics, rather than its exact copy and thus allows for savings in channel uses or information rate. In this work, we extend the fundamental approach from Basu et al. for modeling semantics from logical to probabilistic entailment relations between meaning and messages. Thus, we model semantics by means of a hidden random variable and define the task of semantic communication as transmission of messages over a communication channel such that semantics is best preserved. We formulate the semantic communication design either as an Information Maximization or as an Information Bottleneck optimization problem. Finally, we propose the ML-based semantic communication system SINFONI for a distributed multipoint scenario: SINFONI communicates the meaning behind multiple messages that are observed at different senders to a single receiver for semantic retrieval. We analyze SINFONI by processing images as an example of messages. Numerical results reveal a tremendous rate normalized SNR shift up to 20 dB compared to classically designed communication systems.

State-of-the-art performance for many emerging edge applications is achieved by deep neural networks (DNNs). Often, these DNNs are location and time sensitive, and the parameters of a specific DNN must be delivered from an edge server to the edge device rapidly and efficiently to carry out time-sensitive inference tasks. In this paper, we introduce AirNet, a novel training and transmission method that allows efficient wireless delivery of DNNs under stringent transmit power and latency constraints. We first train the DNN with noise injection to counter the wireless channel noise. Then we employ pruning to reduce the network size to the available channel bandwidth, and perform knowledge distillation from a larger model to achieve satisfactory performance, despite pruning. We show that AirNet achieves significantly higher test accuracy compared to digital alternatives under the same bandwidth and power constraints. The accuracy of the network at the receiver also exhibits graceful degradation with channel quality, which reduces the requirement for accurate channel estimation. We further improve the performance of AirNet by pruning the network below the available bandwidth, and using channel expansion to provide better robustness against channel noise. We also benefit from unequal error protection (UEP) by selectively expanding more important layers of the network. Finally, we develop an ensemble training approach, which trains a whole spectrum of DNNs, each of which can be used at different channel condition, resolving the impractical memory requirements.

Communication and computation are often viewed as separate tasks. This approach is very effective from the perspective of engineering as isolated optimizations can be performed. On the other hand, there are many cases where the main interest is a function of the local information at the devices instead of the local information itself. For such scenarios, information theoretical results show that harnessing the interference in a multiple-access channel for computation, i.e., over-the-air computation (OAC), can provide a significantly higher achievable computation rate than the one with the separation of communication and computation tasks. Besides, the gap between OAC and separation in terms of computation rate increases with more participating nodes. Given this motivation, in this study, we provide a comprehensive survey on practical OAC methods. After outlining fundamentals related to OAC, we discuss the available OAC schemes with their pros and cons. We then provide an overview of the enabling mechanisms and relevant metrics to achieve reliable computation in the wireless channel. Finally, we summarize the potential applications of OAC and point out some future directions.

传统上，信号处理，通信和控制一直依赖经典的统计建模技术。这种基于模型的方法利用代表基本物理，先验信息和其他领域知识的数学公式。简单的经典模型有用，但对不准确性敏感，当真实系统显示复杂或动态行为时，可能会导致性能差。另一方面，随着数据集变得丰富，现代深度学习管道的力量增加，纯粹的数据驱动的方法越来越流行。深度神经网络（DNNS）使用通用体系结构，这些架构学会从数据中运行，并表现出出色的性能，尤其是针对受监督的问题。但是，DNN通常需要大量的数据和巨大的计算资源，从而限制了它们对某些信号处理方案的适用性。我们对将原则数学模型与数据驱动系统相结合的混合技术感兴趣，以从两种方法的优势中受益。这种基于模型的深度学习方法通​​过为特定问题设计的数学结构以及从有限的数据中学习来利用这两个部分领域知识。在本文中，我们调查了研究和设计基于模型的深度学习系统的领先方法。我们根据其推理机制将基于混合模型/数据驱动的系统分为类别。我们对以系统的方式将基于模型的算法与深度学习以及具体指南和详细的信号处理示例相结合的领先方法进行了全面综述。我们的目的是促进对未来系统的设计和研究信号处理和机器学习的交集，这些系统结合了两个领域的优势。

Most semantic communication systems leverage deep learning models to provide end-to-end transmission performance surpassing the established source and channel coding approaches. While, so far, research has mainly focused on architecture and model improvements, but such a model trained over a full dataset and ergodic channel responses is unlikely to be optimal for every test instance. Due to limitations on the model capacity and imperfect optimization and generalization, such learned models will be suboptimal especially when the testing data distribution or channel response is different from that in the training phase, as is likely to be the case in practice. To tackle this, in this paper, we propose a novel semantic communication paradigm by leveraging the deep learning model's overfitting property. Our model can for instance be updated after deployment, which can further lead to substantial gains in terms of the transmission rate-distortion (RD) performance. This new system is named adaptive semantic communication (ASC). In our ASC system, the ingredients of wireless transmitted stream include both the semantic representations of source data and the adapted decoder model parameters. Specifically, we take the overfitting concept to the extreme, proposing a series of ingenious methods to adapt the semantic codec or representations to an individual data or channel state instance. The whole ASC system design is formulated as an optimization problem whose goal is to minimize the loss function that is a tripartite tradeoff among the data rate, model rate, and distortion terms. The experiments (including user study) verify the effectiveness and efficiency of our ASC system. Notably, the substantial gain of our overfitted coding paradigm can catalyze semantic communication upgrading to a new era.

最近的作品表明，现代机器学习技术可以为长期存在的联合源通道编码（JSCC）问题提供另一种方法。非常有希望的初始结果，优于使用单独的源代码和通道代码的流行数字方案，已被证明用于使用深神经网络（DNNS）的无线图像和视频传输。但是，此类方案的端到端培训需要可区分的通道输入表示。因此，先前的工作假设可以通过通道传输任何复杂值。这可以防止在硬件或协议只能接收数字星座规定的某些频道输入集的情况下应用这些代码。本文中，我们建议使用有限通道输入字母的端到端优化的JSCC解决方案DeepJSCC-Q。我们表明，DEEPJSCC-Q可以实现与允许任何复杂的有价值通道输入的先前作品相似的性能，尤其是在可用的高调制订单时，并且在调制顺序增加的情况下，性能渐近接近无约束通道输入的情况。重要的是，DEEPJSCC-Q保留了不可预测的渠道条件下图像质量的优雅降级，这是在频道迅速变化的移动系统中部署的理想属性。

In recent years, mobile devices are equipped with increasingly advanced sensing and computing capabilities. Coupled with advancements in Deep Learning (DL), this opens up countless possibilities for meaningful applications, e.g., for medical purposes and in vehicular networks. Traditional cloudbased Machine Learning (ML) approaches require the data to be centralized in a cloud server or data center. However, this results in critical issues related to unacceptable latency and communication inefficiency. To this end, Mobile Edge Computing (MEC) has been proposed to bring intelligence closer to the edge, where data is produced. However, conventional enabling technologies for ML at mobile edge networks still require personal data to be shared with external parties, e.g., edge servers. Recently, in light of increasingly stringent data privacy legislations and growing privacy concerns, the concept of Federated Learning (FL) has been introduced. In FL, end devices use their local data to train an ML model required by the server. The end devices then send the model updates rather than raw data to the server for aggregation. FL can serve as an enabling technology in mobile edge networks since it enables the collaborative training of an ML model and also enables DL for mobile edge network optimization. However, in a large-scale and complex mobile edge network, heterogeneous devices with varying constraints are involved. This raises challenges of communication costs, resource allocation, and privacy and security in the implementation of FL at scale. In this survey, we begin with an introduction to the background and fundamentals of FL. Then, we highlight the aforementioned challenges of FL implementation and review existing solutions. Furthermore, we present the applications of FL for mobile edge network optimization. Finally, we discuss the important challenges and future research directions in FL.

语义通信引起了人们的兴趣，因为它可以显着减少在不丢失关键信息的情况下要传输的数据量。大多数现有作品都探索文本的语义编码和传输，并在自然语言处理（NLP）中应用技术来解释文本的含义。在本文中，我们构想了图像数据的语义通信，这些语义数据在语义和带宽敏感方面更为丰富。我们提出了一种基于增强学习的自适应语义编码（RL-ASC）方法，该方法编码超过像素级别的图像。首先，我们定义了图像数据的语义概念，该概念包括类别，空间布置和视觉特征作为表示单元，并提出卷积语义编码器以提取语义概念。其次，我们提出了图像重建标准，该标准从传统像素的相似性演变为语义相似性和感知性能。第三，我们设计了一种基于RL的新型语义位分配模型，其奖励是用自适应量化水平编码某个语义概念后的速率语义感知性能的提高。因此，与任务相关的信息得到正确保存和重建，同时丢弃了较少重要的数据。最后，我们提出了基于生成的对抗网（GAN）的语义解码器，该语义解码器通过注意模块融合本地和全球特征。实验结果表明，所提出的RL-ASC具有噪声稳定性，可以重建视觉上令人愉悦和语义一致的图像，并节省与标准编解码器和其他基于深度学习的图像编解码器相比，可以节省位置的时间。

我们呈现深度，第一端到端联合源通道编码（JSCC）视频传输方案，其利用深神经网络（DNN）的力量直接将视频信号映射到信道符号，组合视频压缩，信道编码并且调制步骤进入单个神经变换。我们的DNN解码器预测无失真反馈的残差，这通过占闭塞/脱离和相机运动来提高视频质量。我们同时培训不同的带宽分配网络，以允许变量带宽传输。然后，我们使用强化学习（RL）训练带宽分配网络，该钢筋学习（RL）优化视频帧之间的有限可用信道带宽的分配，以最大限度地提高整体视觉质量。我们的研究结果表明，深度可以克服悬崖效应，这在传统的分离的数字通信方案中普遍存在，并在估计和实际信道质量之间取得不匹配来实现优雅的降级。 DeepWive优于H.264视频压缩，然后在所有信道条件下的低密度奇偶校验（LDPC）代码在多尺度结构相似性指数（MS-SSIM）方面平均达到0.0462，同时跳动H.265 + LDPC平均高达0.0058。我们还说明了通过显示我们的最佳带宽分配策略优于NA \“IVE统一分配来优化JSCC视频传输中的带宽分配的重要性。我们相信这是实现端到端潜力的重要一步优化的JSCC无线视频传输系统优于当前的基于分离的设计。

在本文中，我们提出了一类新的高效的深源通道编码方法，可以在非线性变换下的源分布下，可以在名称非线性变换源通道编码（NTSCC）下收集。在所考虑的模型中，发射器首先了解非线性分析变换以将源数据映射到潜伏空间中，然后通过深关节源通道编码将潜在的表示发送到接收器。我们的模型在有效提取源语义特征并提供源通道编码的侧面信息之前，我们的模型包括强度。与现有的传统深度联合源通道编码方法不同，所提出的NTSCC基本上学习源潜像和熵模型，作为先前的潜在表示。因此，开发了新的自适应速率传输和高辅助辅助编解码器改进机制以升级深关节源通道编码。整个系统设计被制定为优化问题，其目标是最小化建立感知质量指标下的端到端传输率失真性能。在简单的示例源和测试图像源上，我们发现所提出的NTSCC传输方法通常优于使用标准的深关节源通道编码和基于经典分离的数字传输的模拟传输。值得注意的是，由于其剧烈的内容感知能力，所提出的NTSCC方法可能会支持未来的语义通信。

鉴于无线频谱的有限性和对无线通信最近的技术突破产生的频谱使用不断增加的需求，干扰问题仍在继续持续存在。尽管最近解决干涉问题的进步，但干扰仍然呈现出有效使用频谱的挑战。这部分是由于Wi-Fi的无许可和管理共享乐队使用的升高，长期演进（LTE）未许可（LTE-U），LTE许可辅助访问（LAA），5G NR等机会主义频谱访问解决方案。因此，需要对干扰稳健的有效频谱使用方案的需求从未如此重要。在过去，通过使用避免技术以及非AI缓解方法（例如，自适应滤波器）来解决问题的大多数解决方案。非AI技术的关键缺陷是需要提取或开发信号特征的域专业知识，例如CycrationArity，带宽和干扰信号的调制。最近，研究人员已成功探索了AI / ML的物理（PHY）层技术，尤其是深度学习，可减少或补偿干扰信号，而不是简单地避免它。 ML基于ML的方法的潜在思想是学习来自数据的干扰或干扰特性，从而使需要对抑制干扰的域专业知识进行侧联。在本文中，我们审查了广泛的技术，这些技术已经深入了解抑制干扰。我们为干扰抑制中许多不同类型的深度学习技术提供比较和指导。此外，我们突出了在干扰抑制中成功采用深度学习的挑战和潜在的未来研究方向。

为了满足下一代无线通信网络的极其异构要求，研究界越来越依赖于使用机器学习解决方案进行实时决策和无线电资源管理。传统的机器学习采用完全集中的架构，其中整个培训数据在一个节点上收集，即云服务器，显着提高了通信开销，并提高了严重的隐私问题。迄今为止，最近提出了作为联合学习（FL）称为联合学习的分布式机器学习范式。在FL中，每个参与边缘设备通过使用自己的培训数据列举其本地模型。然后，通过无线信道，本地训练模型的权重或参数被发送到中央ps，聚合它们并更新全局模型。一方面，FL对优化无线通信网络的资源起着重要作用，另一方面，无线通信对于FL至关重要。因此，FL和无线通信之间存在“双向”关系。虽然FL是一个新兴的概念，但许多出版物已经在FL的领域发表了发布及其对下一代无线网络的应用。尽管如此，我们注意到没有任何作品突出了FL和无线通信之间的双向关系。因此，本调查纸的目的是通过提供关于FL和无线通信之间的相互依存性的及时和全面的讨论来弥合文学中的这种差距。

互联网连接系统的指数增长产生了许多挑战，例如频谱短缺问题，需要有效的频谱共享（SS）解决方案。复杂和动态的SS系统可以接触不同的潜在安全性和隐私问题，需要保护机制是自适应，可靠和可扩展的。基于机器学习（ML）的方法经常提议解决这些问题。在本文中，我们对最近的基于ML的SS方法，最关键的安全问题和相应的防御机制提供了全面的调查。特别是，我们详细说明了用于提高SS通信系统的性能的最先进的方法，包括基于ML基于ML的基于的数据库辅助SS网络，ML基于基于的数据库辅助SS网络，包括基于ML的数据库辅助的SS网络，基于ML的LTE-U网络，基于ML的环境反向散射网络和其他基于ML的SS解决方案。我们还从物理层和基于ML算法的相应防御策略的安全问题，包括主要用户仿真（PUE）攻击，频谱感测数据伪造（SSDF）攻击，干扰攻击，窃听攻击和隐私问题。最后，还给出了对ML基于ML的开放挑战的广泛讨论。这种全面的审查旨在为探索新出现的ML的潜力提供越来越复杂的SS及其安全问题，提供基础和促进未来的研究。

本次调查绘制了用于分析社交媒体数据的生成方法的研究状态的广泛的全景照片（Sota）。它填补了空白，因为现有的调查文章在其范围内或被约会。我们包括两个重要方面，目前正在挖掘和建模社交媒体的重要性：动态和网络。社会动态对于了解影响影响或疾病的传播，友谊的形成，友谊的形成等，另一方面，可以捕获各种复杂关系，提供额外的洞察力和识别否则将不会被注意的重要模式。

经典的交流范式专注于准确地通过嘈杂的渠道传输位，而香农理论则对可靠通信速率提供了基本的理论限制。在这种方法中，位平均对待，并且通信系统忽略了这些位传达或如何使用的含义。可以预见的是，对智力和简洁性的未来沟通将发挥主导作用，连接的智能代理的扩散需要对编码传输范式进行根本性的重新思考，以支持地平线上的新通信形态。最近的“语义通信”概念提供了有希望的研究方向。将语义指南注入编码传输设计以实现语义感知通信，这表现出了进一步突破性和可靠性的巨大潜力。本文阐明了语义引导的源和频道编码作为语义通信的传输范式，该传输范式可以利用数据语义的多样性和无线通道多样性，以增强整个系统性能。我们介绍一般的系统体系结构和关键技术，并指出有关此主题的一些开放问题。

即使机器学习算法已经在数据科学中发挥了重要作用，但许多当前方法对输入数据提出了不现实的假设。由于不兼容的数据格式，或数据集中的异质，分层或完全缺少的数据片段，因此很难应用此类方法。作为解决方案，我们提出了一个用于样本表示，模型定义和培训的多功能，统一的框架，称为“ Hmill”。我们深入审查框架构建和扩展的机器学习的多个范围范式。从理论上讲，为HMILL的关键组件的设计合理，我们将通用近似定理的扩展显示到框架中实现的模型所实现的所有功能的集合。本文还包含有关我们实施中技术和绩效改进的详细讨论，该讨论将在MIT许可下发布供下载。该框架的主要资产是其灵活性，它可以通过相同的工具对不同的现实世界数据源进行建模。除了单独观察到每个对象的一组属性的标准设置外，我们解释了如何在框架中实现表示整个对象系统的图表中的消息推断。为了支持我们的主张，我们使用框架解决了网络安全域的三个不同问题。第一种用例涉及来自原始网络观察结果的IoT设备识别。在第二个问题中，我们研究了如何使用以有向图表示的操作系统的快照可以对恶意二进制文件进行分类。最后提供的示例是通过网络中实体之间建模域黑名单扩展的任务。在所有三个问题中，基于建议的框架的解决方案可实现与专业方法相当的性能。