Шанъновата граница на капацитета на канала и структура на семантичната комуникация, базирана на изкуствен интелект (Semantic Communication)

Законът на Шанън

Съвременните комуникации се развиват на основата на закона на Шанън (Shannon's Law). Той представлява теория, която определя границите на мрежовите комуникации, а опитите за повишаване на максималната стойност на капацитета на канала, изразен с формулата, която ще бъде представена по-нататък, са били насочени към това. 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 с формулата по-долу за изчисляване на капацитета на канала.

Те означават съответно капацитет на канала (Channel Capacity), честотна лента (Bandwidth) и отношение сигнал към шум (Signal-to-Noise Ratio). Изразено с прости думи, максималната скорост на предаване (C) е произведението на общия обем физически честотни ресурси (B), с които системата разполага, и ефективността (log₂(1 + S/N)), която показва колко бита информация може да се пренесат на 1 Hz от този ресурс в зависимост от качеството на сигнала (S/N).

След появата на закона за изчисляване на капацитета на канала индустрията на комуникациите започна да полага усилия за увеличаването му. Така в продължение на приблизително 70 години иновациите в комуникациите са се осъществявали предимно чрез подобряване на капацитета на канала.

Въпреки това в наши дни изчислителните ресурси са се развили толкова много, че комуникациите вече са преминали от изпращане на текст към изпращане на пространствени вектори. Надеждното разделяне и предаване на всички тези данни започва да среща ограничения. Например данните, генерирани от автономните автомобили, могат да достигат няколко терабайта на ден, а поддържането им със сегашните комуникационни мрежи е почти невъзможно. Простото полагане на още кабели и разполагане на още антени би достигнало икономически и физически предели.

Така, отделяйки се от парадигмата за точно предаване на всички битове, се започна изследването на парадигма, която чрез въвеждане на интелект в комуникацията цели предаване единствено на контекста. (*Самата концепция съществува от няколко десетилетия.) Това е промяна, породена от скорошното мощно развитие на интелигентните модели и от необходимостта от предаване на все по-големи обеми данни.

Това се нарича комуникация, основана на обмен на значения, и затова се нарича Semantic Communication.

Семантична комуникация (Semantic communication)

Семантичната комуникация има за цел да предава не цялостните данни, както е било досега, а основното значение, тоест контекста, съдържащ се в тях.

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

Технически проблем: Колко точно може да се предаде символ (Symbol)? (Това е основната област на моята теория.)
Семантичен проблем: Колко точно предаденият символ предава желаното "значение"?
Проблем на ефективността: Колко ефективно предаденото значение въздейства върху поведението на получателя?

Досегашното развитие на комуникациите почти е решило техническия проблем, а сега се заемаме със задачата да преведем семантичния проблем и проблема за ефективността.

Разликата между първото ниво на зрелост и второто и третото ниво (семантичната комуникация) е илюстрирана най-често с примера за горяща къща.

Една къща гори.

При сегашната комуникационна парадигма тази сцена се преобразува в данни поотделно и се изпраща като снимка.

При семантичната комуникация вместо да се изпращат всички данни, например "от прозореца се издига черен дим и се виждат пламъци", се предава само ключовото "значение": "Пожар, необходимо е незабавно изпращане на екип". Целта е да се пропуснат безвъзвратно ненужните данни и да се накара получателят да извърши определено действие (изпращане на екип).

Ако между отправителя и получателя съществува една и съща база знания в областта на пожарогасенето, от край до край, тази комуникация може значително да намали обема на данните, необходими за оценка на ситуацията.

Основната логика на кодиране и декодиране при семантичната комуникация е парадигма на комуникацията, но работи над приложния слой. На предаващата страна семантичният кодер преобразува дадените данни в семантични данни, а на приемащата страна семантичният декодер ги обработва във форма, която следващият източник може да използва. И двете страни ще бъдат модели от вида на инференциални модели, които разполагат с една и съща база знания, и благодарение на това е възможна комуникация, при която се обменя семантиката, без да се предава огромен обем данни.

Разбира се, това се осъществява върху завършеността на съществуващата комуникационна парадигма. Първо, символите трябва да могат да се предават технически точно, а това ниво на зрелост вече е постигнато. Сега основната задача е колко добре предаденият символ предава и интерпретира семантиката на информацията, а изследванията в тази област тепърва започват.

Въпреки това комуникационни системи, основани на такъв семантичен контекст, за разлика от традиционните синтактични комуникационни системи, разчитат на изкуствен интелект за надеждност (reliability), поради което съществува голяма вероятност от възникване на проблеми. Дори при една и съща Knowledge Based, в черната кутия на модела могат да се появят различни интерпретации.

Заключение

Очаква се в 6G (6-то поколение мобилни комуникации) тази семантична комуникация да бъде приложена, като се създаде интелигентна интернет система, но има въпрос защо парадигмата, работеща над приложния слой, става изследователска задача за мобилните оператори. Според моята интуиция ролята на операторите е техническо гарантиране на първото ниво на зрелост, при което символите и битовете се предават точно, а моментът, в който започва да работи семантичната комуникация, вече принадлежи към областта на приложните програми.

От друга страна, съществува съмнение дали в комуникационните технологии, при които надеждността е основна ценност, може да се появи нова парадигма. Аз също съм изправен пред този въпрос и лично съм донякъде скептичен.

Въпреки това пиша този текст, защото смятам, че следващата парадигма на мобилните комуникации се развива по доста интересен начин. Въвеждането на сателитен интернет за разширяване на капацитета на канала е практически факт благодарение на появата на Project Kuiper, Starlink и други, а опитите да се преодолеят ограниченията, наложени от закона на Шанън, по нов начин бяха наистина впечатляващи.