Další komunikační paradigma řízené AI-založenou sémantickou komunikací

Shannonův zákon

Současná komunikace se vyvíjela na základě Shannonova zákona (Shannon's Law). Jedná se o teorii, která definuje limity síťové komunikace, a byly to pokusy o maximalizaci kapacity kanálu ve vzorci, který bude popsán níže. Příkladem jsou technologie jako MIMO (Multiple Input Multiple Output). Tyto technologie jsou součástí snahy o dosažení vyšší kapacity kanálu na základě Shannonovy teorie.

Shannonův zákon se vyjadřuje následujícím vzorcem pro výpočet kapacity kanálu:

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

Tyto symboly představují kapacitu kanálu (Channel Capacity), šířku pásma (Bandwidth) a odstup signálu od šumu (Signal-to-Noise Ratio). Zjednodušeně řečeno, maximální komunikační rychlost (C) je součin celkového množství fyzických frekvenčních zdrojů, které může systém využít (B), a efektivnosti (log₂(1 + S/N)), která udává, kolik bitů informace lze přenést na jeden Hertz tohoto zdroje v závislosti na kvalitě signálu (S/N).

Po zavedení tohoto zákona pro výpočet kapacity kanálu se komunikační průmysl začal zaměřovat na její zvyšování. Po dobu přibližně 70 let se většina inovací v komunikaci soustředila na zlepšování kapacity kanálu.

Nicméně v současné době došlo k obrovskému pokroku v procesních zdrojích. Komunikace se posunula od éry posílání textu k situaci, kdy se posílají prostorové vektory. Začaly se objevovat limity v možnosti spolehlivě rozdělit a přenést všechna tato data. Například data generovaná autonomním vozidlem mohou dosáhnout řádu terabajtů denně, a je téměř nemožné, aby to současná komunikační síť zvládla. Pouhé položení více kabelů a instalace více antén naráží na ekonomické/fyzické limity.

Tímto způsobem se začalo zkoumat nové paradigma, které se odklání od původního zaměření na přesný přenos všech bitů a zavádí inteligenci do komunikace s cílem přenášet pouze kontext. (*Samotný koncept existuje již desítky let.) A tato změna je důsledkem silného rozvoje inteligentních modelů a rostoucí potřeby komunikace s rozsáhlejšími daty.

Tento typ komunikace, kde se vyměňuje význam, se nazývá sémantická komunikace (Semantic Communication).

Sémantická komunikace (Semantic communication)

Sémantická komunikace si klade za cíl přenášet pouze klíčový význam, tedy kontext, obsažený v datech, namísto přenosu celých dat, jak tomu bylo dříve.

Tento problém byl již nastolen v komunikačním modelu Shannona a Weavera, kteří rozdělili vyspělost komunikace do tří úrovní:

Technický problém: Jak přesně lze přenést symboly (Symbol)? (To je hlavní oblast mé teorie.)
Sémantický problém: Jak přesně přenesený symbol sděluje zamýšlený 'význam'?
Problém účinnosti: Jak účinně sdělený význam ovlivňuje chování příjemce?

Dosavadní vývoj komunikace téměř vyřešil technický problém a nyní se zaměřuje na úkol překladu sémantického problému a problému účinnosti.

Rozdíl mezi 1. fází vyspělosti a 2. a 3. fází (sémantická komunikace) je obvykle ilustrován příkladem hořícího domu.

Představte si dům, který hoří.

V současném komunikačním paradigmatu je tato scéna po bitech digitalizována a přenesena jako fotografie.

Sémantická komunikace namísto posílání všech dat, jako například "z okna vychází černý kouř a jsou vidět plameny", přenáší pouze klíčový 'význam', jako je "Požár, nutný okamžitý výjezd". Cílem je odvážně vynechat nepotřebné informace a zaměřit se na to, aby příjemce provedl specifickou akci (výjezd).

Pokud se jedná o end-to-end komunikaci, která sdílí stejnou znalostní bázi v kategorii hasičství, může to radikálně snížit objem přenášených dat potřebných k pochopení situace.

Klíčová logika kódování/dekódování sémantické komunikace je sice komunikačním paradigmatem, ale funguje nad aplikační vrstvou. Na straně odesílatele sémantický kódovač transformuje daná data na sémantická data a na straně příjemce sémantický dekodér zpracovává tato data do formátu, který může použít navazující zdroj. Obě strany budou mít formu inferenčního modelu se stejnou znalostní bází, což umožní komunikaci, která si vyměňuje sémantiku bez nutnosti přenosu rozsáhlých dat.

Samozřejmě, toto je zajištěno na základě dokončenosti stávajícího komunikačního paradigmatu. Nejprve musí být technicky možné přesně přenášet symboly, a tato úroveň vyspělosti je již dosažena. Nyní se hlavním úkolem stalo, jak dobře přenesené symboly sdělují a interpretují sémantiku informace, a výzkum teprve začíná.

Nicméně komunikační systém založený na takovém sémantickém kontextu, na rozdíl od stávajícího syntaktického komunikačního systému, spoléhá na AI pro spolehlivost (reliability), což velmi pravděpodobně povede k problémům. I když mají stejnou Knowledge Based, mohou se v oblasti "černé skříňky" modelu objevit různé interpretace.

Závěr

Očekává se, že v 6G (šesté generaci) mobilních komunikací bude aplikována sémantická komunikace, což povede k inteligentnímu internetovému systému. Existuje však otazník ohledně toho, proč se paradigma fungující na aplikační vrstvě stává výzkumným úkolem pro mobilní operátory. Můj instinkt mi říká, že mobilní operátoři mají za úkol technicky zajistit úroveň vyspělosti 1, kde jsou symboly a bity přesně přenášeny, a moment, kdy začne fungovat sémantická komunikace, je již doménou aplikačního softwaru.

Na druhou stranu, existuje také pochybnost, zda se toto stane novým paradigmatem v komunikační technologii, která musí spolehlivost považovat za základní hodnotu. I já mám tyto pochybnosti a osobně jsem spíše skeptický.

Přesto píšu tento článek, protože si myslím, že se příští paradigma mobilní komunikace rozvíjí poměrně zajímavým způsobem. Zavedení satelitního internetu pro rozšíření kapacity kanálu je fakticky dané s příchodem Project Kuiper, Starlink a dalších, a pokus o prolomení limitů Shannonova zákona novým způsobem byl docela fascinující.