Shannonova kapacita kanálu a struktura sémantické komunikace (Semantic Communication) založené na umělé inteligenci

Shannonův zákon

Dnešní komunikace se vyvíjela na základě Shannonova zákona (Shannon's Law). Jedná se o teorii, která určuje limity síťové komunikace, a snahy o zvýšení maximální hodnoty kapacity kanálu uvedené v níže popsaném vzorci byly motivovány právě jí. Příkladem jsou technologie jako MIMO (Multiple Input Multiple Output). Tyto technologie jsou součástí úsilí o dosažení vyšší kapacity kanálu na základě Shannonovy teorie.

Shannonův zákon je vyjádřen následujícím vzorcem pro výpočet kapacity kanálu.

Tyto veličiny představují kapacitu kanálu (Channel Capacity), šířku pásma (Bandwidth) a poměr signálu k šumu (Signal-to-Noise Ratio). Srozumitelně řečeno, maximální přenosová rychlost (C) se rovná celkovému množství fyzikálních frekvenčních zdrojů, které systém může využít (B), násobenému účinností (log₂(1 + S/N)), která udává, kolik bitů informace lze přenést na jeden hertz tohoto zdroje v závislosti na kvalitě signálu (S/N).

Po vzniku zákona, který takto počítá kapacitu kanálu, začal telekomunikační průmysl vynakládat úsilí na její zvyšování. Inovace v komunikaci tak přibližně 70 let probíhaly především jako zlepšování kapacity kanálu.

V současnosti však zpracovatelské zdroje výrazně pokročily. Komunikace se z doby přenosu textu dostala do stadia, kdy se přenášejí prostorové vektory. Spolehlivé rozdělení a přenos všech těchto dat začíná narážet na limity. Například data, která vytvářejí autonomní vozidla, mohou dosahovat několika terabajtů denně, a současné komunikační sítě je zvládnout prakticky nemohou. Pouhé pokládání dalších kabelů a instalace dalších antén by narazilo na ekonomické a fyzikální limity.

Proto se začalo zkoumat paradigma, které se odklání od původního paradigmatu přesného přenosu všech bitů a místo toho prostřednictvím zavedení inteligence do komunikace usiluje o přenos kontextu. (*Samotný koncept existuje už několik desetiletí.) Tato změna je důsledkem nedávného silného rozvoje inteligentních modelů a potřeby přenášet stále větší objemy dat.

Tento přístup se nazývá komunikace založená na významu, a proto se označuje jako Semantic Communication.

Sémantická komunikace (Semantic communication)

Sémantická komunikace si klade za cíl nepřenášet celá data, jak tomu bylo dříve, nýbrž pouze jejich základní význam, tedy kontext, který jsou nesena.

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? (Toto je hlavní oblast mé teorie.)
Sémantický problém: Jak přesně přenesené symboly předávají požadovaný „význam“?
Problém efektivity: Jak účinně ovlivňuje přenesený význam jednání příjemce?

Dosavadní vývoj komunikace z velké části vyřešil technický problém a nyní se úkolem stává řešit sémantický a problém efektivity.

Rozdíl mezi úrovní vyspělosti 1 a úrovněmi 2 a 3 (sémantická komunikace) se typicky ilustruje příkladem hořícího domu.

Některý dům hoří.

V současném komunikačním paradigmatu se tato scéna zaznamenává detailně po jednotlivých datech a odesílá se jako fotografie.

V sémantické komunikaci se místo přenosu všech dat, jako je „z okna stoupá černý kouř a jsou vidět plameny“, přenese pouze klíčový „význam“: „Požár, je nutný okamžitý zásah“. Cílem je vynechat nepodstatné informace a přimět příjemce k určité akci (výjezdu).

Pokud spolu komunikují koncová zařízení se stejnou znalostní bází v oblasti hasičství, lze tím výrazně snížit objem dat potřebných k pochopení situace.

Jádro kódování a dekódování sémantické komunikace je sice komunikačním paradigmatem, ale funguje nad aplikační vrstvou. Na straně odesílatele sémantický kodér převádí dané údaje na sémantická data a na straně příjemce sémantický dekodér je zpracovává do podoby, kterou mohou využít nižší zdroje. Oba budou mít pravděpodobně podobu inferenčních modelů nebo podobných systémů se stejnou znalostní bází, a díky tomu bude možné vyměňovat sémantiku bez přenosu velkých objemů dat.

Samozřejmě je to založeno na dokonalosti 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 předávají a interpretují význam informace, a výzkum v této oblasti teprve začíná.

Komunikační systémy založené na významu však na rozdíl od tradičních syntaktických komunikačních systémů spoléhají při zajišťování spolehlivosti (reliability) na AI a podobné technologie, proto je pravděpodobnost vzniku problémů velmi vysoká. I když mají dva systémy stejnou znalostní bázi, v černé skříňce modelu mohou vznikat odlišné interpretace.

Závěr

Ve 6G (šestá generace mobilních sítí) se má sémantická komunikace uplatnit a vytvořit inteligentní internetový systém, ovšem je otázkou, proč paradigma, které funguje nad aplikační vrstvou, se stává výzkumným úkolem mobilních operátorů. Podle mého názoru mají operátoři technicky zajišťovat úroveň vyspělosti 1, tedy přesný přenos symbolů a bitů, a fungování sémantické komunikace spadá již do oblasti aplikací.

Na druhou stranu existuje pochybnost, zda může v komunikačních technologiích, které musí mít spolehlivost jako základní hodnotu, vzniknout nové paradigma. I já tyto pochybnosti sdílím a osobně zastávám spíše negativní postoj.

Přesto píšu tento text, protože si myslím, že další paradigma mobilních komunikací se vyvíjí velmi zajímavým způsobem. Zavádění satelitního internetu za účelem rozšíření kapacity kanálu je díky projektům Project Kuiper, Starlink a dalším de facto samozřejmostí, a pokus překonat omezení vyplývající ze Shannonova zákona novými prostředky byl velmi pozoruhodný.