Следващата комуникационна парадигма, ръководена от AI-базирани семантични комуникации

Закон на Шанън

Съвременните комуникации са се развили въз основа на Закона на Шанън (Shannon's Law). Това е теория, която определя границите на мрежовите комуникации, и опитите за повишаване на максималния капацитет на канала на формулата, която ще бъде обсъдена по-нататък. Например, съществуват технологии като MIMO (Multiple Input Multiple Output). Тези технологии са част от усилията за постигане на по-висок капацитет на канала въз основа на теорията на Шанън.

Законът на Шанън се изразява със следната формула за изчисляване на капацитета на канала:

$C = B \cdot \log_{2}(1 + \frac{S}{N})$ author: yoonhyunwoo

Тези елементи означават съответно Капацитет на канала (Channel Capacity), Ширина на честотната лента (Bandwidth) и Съотношение сигнал/шум (Signal-to-Noise Ratio). Обяснено с прости думи, Максималната скорост на комуникация (C) се получава, като се умножи общото количество физически честотни ресурси, които системата може да използва (B), по **Ефективността ( $\log_2(1 + S/N)$ 48afe9fa2bfe0934a415fbc

С появата на този закон за изчисляване на капацитета на канала, комуникационната индустрия започна да полага усилия за увеличаване на капацитета на канала. Така, през приблизително 70 години, по-голямата част от иновациите в комуникациите се осъществиха чрез подобряване на капацитета на канала.

Въпреки това, в днешната епоха, ресурсите за обработка са се развили изключително много. Комуникациите преминаха от изпращане на текст до изпращане на пространствени вектори. Започнаха да възникват ограничения при надеждното разделяне и предаване на всички тези данни. Например, данните, генерирани от автономни автомобили, могат да достигнат няколко терабайта на ден, и е почти невъзможно настоящата комуникационна мрежа да се справи с това. Простото полагане на повече кабели и поставянето на повече антени достига икономически и физически граници.

Така започна да се проучва парадигма, която се отклонява от съществуващата за точно предаване на целия бит, като вместо това въвежда интелигентност в комуникацията и цели предаване само на контекста. (*Самата концепция съществува от десетилетия) И това е промяна, която следва мощното развитие на интелигентните модели напоследък и необходимостта от комуникация на все по-големи данни.

Това се нарича Семантична комуникация (Semantic Communication), тъй като представлява комуникация, при която се обменят значения.

Семантична комуникация (Semantic communication)

Семантичната комуникация цели, вместо да предава всички данни, да предава само основното значение, т.е. контекста, съдържащ се в тях.

Този проблем вече е бил поставен в комуникационния модел на Шанън и Уивър, които разделят зрелостта на комуникацията на три нива:

Технически проблем: Колко точно може да бъде предаден символът (Symbol)? (Това е основната област на моята теория.)
Семантичен проблем: Колко точно преданият символ предава желаното „значение“?
Проблем с ефективността: Колко ефективно предаденото значение влияе на действията на получателя?

Развитието на комуникациите досега почти е решило техническия проблем, и сега се изпълнява задачата за превеждане на семантичния проблем и проблема с ефективността.

За разлика между ниво на зрялост 1 и нива 2 и 3 (семантична комуникация) често се използва примерът с горящата къща.

Някаква къща гори.

В настоящата комуникационна парадигма тази сцена се преобразува детайлно в данни и се изпраща като снимка.

При семантичната комуникация, вместо да се изпращат всички данни като "от прозореца излиза черен дим и се виждат пламъци", се предава само ключовото "значение" – "Възникнал е пожар, необходимо е незабавно изпращане на екип". Целта е да се пропусне ненужната информация и да се накара получателят да предприеме конкретно действие (изпращане на екип).

Ако комуникацията между крайните точки е с еднаква база знания в категорията "пожарна", това може значително да намали количеството данни, необходими за предаване за разбиране на ситуацията.

Основната логика за кодиране/декодиране на тази семантична комуникация е комуникационна парадигма, но работи върху приложния слой. На страната на предавателя, чрез семантичен енкодер, дадените данни се преобразуват в семантични данни, а на страната на получателя, чрез семантичен декодер, те се обработват във форма, която може да бъде използвана от източника на заден план. Двете ще бъдат във формата на модел за извод или подобен, който има еднаква база знания, което позволява комуникация, при която се обменя семантика, без да е необходимо предаване на огромни данни.

Разбира се, това се гарантира върху завършеността на съществуващата комуникационна парадигма. Първо, трябва да е възможно технически точно да се предават символи, и това ниво на зрялост вече е постигнато. Сега основната задача е колко добре предаденият символ предава и интерпретира семантиката на информацията, и това е етап, в който изследванията тепърва започват.

Въпреки това, комуникационната система, базирана на такъв семантичен контекст, за разлика от съществуващата синтактична комуникационна система, има много голяма вероятност да възникнат проблеми, тъй като надеждността (reliability) се възлага на AI и други. Дори при наличието на еднаква База Знания (Knowledge Based), от областта на черната кутия на модела могат да излязат различни интерпретации.

Заключение

Очаква се 6G (шестото поколение) мобилни комуникации да приложат тази семантична комуникация, превръщайки се в интелигентна интернет система, но има въпросителна защо парадигма, работеща върху приложния слой, става изследователска задача на мобилните оператори. Моята интуиция е, че мобилните оператори имат ролята да гарантират технически ниво на зрялост 1, при което символите и битовете се предават точно, а моментът, в който започва да работи семантичната комуникация, вече е област на приложните програми.

От друга страна, съществува и въпросът дали това ще бъде нова парадигма в комуникационната технология, която трябва да има надеждността като основна ценност. Аз също имам такива въпроси и лично съм малко негативно настроен.

Въпреки това, причината да пиша този текст е, че смятам, че следващата парадигма в мобилните комуникации се развива по доста интригуващ начин. Внедряването на сателитен интернет за разширяване на капацитета на канала е на практика вече факт с появата на Project Kuiper, Starlink и други, и опитът да се преодолеят ограниченията, наложени от Закона на Шанън, по нов начин беше доста интересен.