Следващата комуникационна парадигма, ръководена от AI-базирани семантични комуникации

Законът на Шанън

Съвременните комуникации се развиха въз основа на Закона на Шанън (Shannon's Law). Това е теория, която определя ограниченията на мрежовите комуникации, и опитите бяха насочени към повишаване на максималния капацитет на канала във формулата, която ще бъде разгледана по-долу. Примери за такива технологии са MIMO (Multiple Input Multiple Output). Тези технологии са част от усилията за постигане на по-висок капацитет на канала, базирани на теорията на Шанън.

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

Те представляват съответно Капацитет на канала (Channel Capacity), Ширина на лентата (Bandwidth) и Съотношение сигнал/шум (Signal-to-Noise Ratio). Обяснено с прости думи, Максималната скорост на комуникация (C) е произведението на общото количество физически честотни ресурси, които системата може да използва (B), по Ефективността (log₂(1 + S/N)), която показва колко бита информация могат да бъдат пренесени на 1Hz от този ресурс в зависимост от качеството на сигнала (S/N).

С появата на този закон за изчисляване на капацитета на канала, комуникационната индустрия започна да насочва усилията си към неговото увеличаване. Така, в продължение на около 70 години, иновациите в комуникациите се осъществяваха предимно чрез подобряване на капацитета на канала.

Въпреки това, в днешната епоха, ресурсите за обработка са се развили изключително много. Комуникациите преминаха от времето, когато се изпращаше текст, до етапа, когато се изпращат пространствени вектори. Започна да възниква ограничение при надеждното разделяне и предаване на всички тези данни. Например, данните, генерирани от автономни автомобили, могат да достигнат до няколко терабайта на ден, и е почти невъзможно настоящата комуникационна мрежа да се справи с това. Само чрез полагане на повече кабели и поставяне на повече антени се достига до икономически/физически лимит.

По този начин, отдръпвайки се от съществуващата парадигма за точно предаване на целия бит, започнаха да се проучват парадигми, които целят предаване само на контекста чрез въвеждане на интелигентност в комуникацията. (*Самата концепция съществува от десетилетия). И това е промяна, предизвикана от мощното развитие на интелигентните модели напоследък и необходимостта от комуникация на все по-големи обеми данни.

Това се нарича Семантична комуникация (Semantic Communication), тъй като представлява комуникация, която обменя смисъл.

Семантична комуникация (Semantic communication)

Семантичната комуникация има за цел да предава само основния смисъл, т.е. контекста, съдържащ се в данните, вместо да предава всички данни, както беше досега.

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

1. Технически проблем: Колко точно могат да бъдат предадени символите (Symbol)? (Това е основната област на моята теория.)
2. Семантичен проблем: Колко точно предаденият символ предава желаното „значение“?
3. Проблем с ефективността: Колко ефективно предаденото значение влияе върху действията на получателя?

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

Типичен пример, използван за разликата между Етап 1 на зрелост и Етапи 2 и 3 (Семантична комуникация), е примерът с горящата къща.

Една къща гори.

В настоящата комуникационна парадигма тази сцена се превръща в данни бит по бит и се предава като снимка.

При семантичната комуникация, вместо да се изпращат всички данни като "черен дим излиза от прозореца и се виждат пламъци", се предава само основното "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 "пожарогасене", това може значително да намали обема на предаваните данни, необходими за разбиране на ситуацията.

Основната логика за кодиране/декодиране на тази семантична комуникация е комуникационна парадигма, но работи върху приложния слой (Application Layer). На страната на изпращача, семантичен енкодер преобразува дадените данни в семантични данни, а на страната на получателя, семантичен декодер ги обработва във форма, която може да бъде използвана от изходния източник. Двете ще бъдат под формата на модел за извод или нещо подобно, което има еднаква база знания, и чрез това става възможна комуникация, която обменя семантиката без прехвърляне на огромни данни.

Разбира се, това е гарантирано върху завършеността на съществуващата комуникационна парадигма. Първо, трябва да е възможно технически да се предадат символите точно, и това ниво на зрелост вече е постигнато. Сега основната задача е колко добре предаденият символ предава и интерпретира семантиката на информацията, и проучванията едва сега 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) зависи от AI и други. Дори и да имат еднаква Knowledge Based, могат да се появят различни интерпретации в зоната на "черната кутия" на модела.

Заключение

Твърди се, че 6G (шестото поколение) мобилни комуникации ще прилагат такава семантична комуникация, превръщайки се в интелигентна интернет система, но има въпросителни относно това защо парадигма, която работи върху приложния слой, става изследователска задача за мобилните оператори. Моята интуиция е, че мобилните оператори имат ролята да гарантират ниво 1 на зрелост, където символите и битовете се предават точно технически, а моментът, в който семантичната комуникация започва да работи, 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 напиша тази статия 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 факт с появата на Project Kuiper, Starlink и др., и опитът да се преодолеят ограниченията, наложени от закона на Шанън, по нов начин, беше доста интересен.