Das nächste Kommunikationsparadigma, angetrieben durch KI-basierte semantische Kommunikation

Shannons Gesetz (Shannon's Law)

Die heutige Kommunikation hat sich auf der Grundlage von Shannons Gesetz (Shannon's Law) entwickelt. Dieses theoretische Konzept dient der Bestimmung der Grenzen der Netzwerkkommunikation, und die Bemühungen, die Maximalwerte der Kanalkapazität in der nachfolgend beschriebenen Formel zu erhöhen, waren zahlreich. Beispiele hierfür sind Technologien wie MIMO (Multiple Input Multiple Output). Solche Technologien stellen einen Teil der Anstrengungen dar, die darauf abzielen, auf Basis von Shannons Theorie eine höhere Kanalkapazität zu erreichen.

Shannons Gesetz wird durch die folgende Formel zur Berechnung der Kanalkapazität ausgedrückt: $$C = B \cdot \log_{2}(1 + \frac{S}{N})$$ author: yoonhyunwoo

Diese Begriffe bedeuten jeweils die Kanalkapazität (Channel Capacity), die Bandbreite (Bandwidth) und das Signal-Rausch-Verhältnis (Signal-to-Noise Ratio). Um es leicht verständlich auszudrücken: Die maximale Kommunikationsgeschwindigkeit (C) ergibt sich aus der Multiplikation der Gesamtmenge der physikalischen Frequenzressourcen, die das System nutzen kann (B), mit der Effizienz (log₂(1 + S/N)), die angibt, wie viele Bits an Informationen pro 1 Hz dieser Ressource in Abhängigkeit von der Signalqualität (S/N) übertragen werden können.

Nachdem dieses Gesetz zur Berechnung der Kanalkapazität aufkam, begann die Kommunikationsbranche, sich intensiv für die Steigerung der Kanalkapazität einzusetzen. So vollzog sich die Innovation in der Kommunikation in den letzten etwa 70 Jahren größtenteils durch die Verbesserung der Kanalkapazität.

In der heutigen Zeit ist jedoch die Ressource des Processings enorm fortgeschritten. Die Kommunikation ist von der Übertragung von Text zu einem Zustand gelangt, in dem nun Raumvektoren gesendet werden. Beim Versuch, all diese Daten zuverlässig zu zerlegen und zu übertragen, treten allmählich Grenzen auf. Beispielsweise können die Daten, die ein autonomes Fahrzeug erzeugt, täglich mehrere Terabyte umfassen, und es ist nahezu unmöglich, dies mit dem aktuellen Kommunikationsnetzwerk zu bewältigen. Die bloße Verlegung weiterer Leitungen und die Installation weiterer Antennen stoßen an wirtschaftliche und physikalische Grenzen.

Daher hat man begonnen, ein Paradigma zu erforschen, das sich von dem bisherigen, auf die exakte Übertragung aller Bits ausgerichteten Paradigma löst und stattdessen durch die Einführung von Intelligenz in die Kommunikation lediglich die Übertragung des Kontexts anstrebt. (*Das Konzept selbst existiert bereits seit Jahrzehnten.) Dies ist eine Veränderung, die durch die jüngste starke Entwicklung intelligenter Modelle und die Notwendigkeit der Kommunikation immer größerer Datenmengen bedingt ist.

Diese Art der Kommunikation, die den Austausch von Bedeutung (意味) beinhaltet, wird als Semantic Communication bezeichnet.

Semantische Kommunikation (Semantic communication)

Während bei der semantischen Kommunikation bisher die gesamten Daten übertragen wurden, zielt sie nun darauf ab, nur die Kernbedeutung, also den Kontext, der darin enthalten ist, zu übertragen.

Dieses Problem wurde bereits im Kommunikationsmodell von Shannon und Weaver aufgeworfen, die die Reife der Kommunikation in drei Ebenen unterteilten:

1. Technisches Problem: Wie genau können Symbole (Symbol) übertragen werden? (Dies ist der Kernbereich meiner Theorie.)
2. Semantisches Problem: Wie genau vermitteln die übertragenen Symbole die gewünschte 'Bedeutung'?
3. Effektivitätsproblem: Wie effektiv beeinflusst die übermittelte Bedeutung das Verhalten des Empfängers?

Die Entwicklung der Kommunikation hat das technische Problem nahezu gelöst, und nun besteht die Aufgabe darin, die semantischen und Effektivitätsprobleme zu übersetzen.

Der Unterschied zwischen Reifegrad 1 und den Graden 2 und 3 (Semantische Kommunikation) wird typischerweise anhand des Beispiels eines brennenden Hauses veranschaulicht.

Ein Haus brennt.

Im aktuellen Kommunikationsparadigma wird diese Szene akribisch in Daten umgewandelt und als Foto übertragen.

Bei der semantischen Kommunikation werden nicht alle Daten gesendet, wie etwa "schwarzer Rauch kommt aus dem Fenster und Flammen sind sichtbar", sondern nur die Kern-"Bedeutung" wie "Feuer ausgebrochen, sofortiger Einsatz erforderlich" übermittelt. Dies zielt darauf ab, unnötige Informationen konsequent wegzulassen und den Empfänger zu einer bestimmten Handlung (Einsatz) zu bewegen.

Handelt es sich um eine End-to-End-Kommunikation zwischen Parteien, die über dieselbe Wissensbasis in der Kategorie Feuerwehr verfügen, kann dies die für die Lageeinschätzung erforderliche Menge an Übertragungsdaten revolutionär reduzieren.

Die Kern-Encoding/Decoding-Logik dieser semantischen Kommunikation operiert zwar auf der Anwendungsebene, ist aber ein Kommunikationsparadigma. Auf der Senderseite wandelt ein semantischer Encoder die gegebenen Daten in semantische Daten um, und auf der Empfängerseite verarbeitet ein semantischer Decoder diese in ein Format, das von der nachgeschalteten Quelle verwendet werden kann. Beide werden die Form eines Inferenzmodells oder Ähnlichem annehmen, das dieselbe Wissensbasis besitzt, wodurch eine Kommunikation möglich wird, die Semantik austauscht, ohne riesige Datenmengen übertragen zu müssen.

Dies wird selbstverständlich durch die Vollständigkeit des bestehenden Kommunikationsparadigmas gewährleistet. Zuerst muss die genaue Übertragung von Symbolen technisch möglich sein, und dieser Reifegrad ist bereits erreicht. Nun ist die Hauptaufgabe, wie gut das übertragene Symbol die Semantik der Information übermittelt und interpretiert, und die Forschung beginnt gerade erst.

Allerdings ist die Wahrscheinlichkeit sehr hoch, dass bei einem Kommunikationssystem, das auf einem solchen semantischen Kontext basiert, Probleme auftreten, da es bei der Zuverlässigkeit (reliability) im Gegensatz zu herkömmlichen syntaktischen Kommunikationssystemen auf KI etc. angewiesen ist. Selbst wenn dieselbe Knowledge Based vorhanden ist, können im Black-Box-Bereich des Modells unterschiedliche Interpretationen entstehen.

Nachbetrachtung

Es wird angenommen, dass in der 6G (6. Generation) Mobilkommunikation diese semantische Kommunikation angewendet wird und ein intelligentes Internetsystem entsteht. Es besteht jedoch ein Fragezeichen, warum ein Paradigma, das auf der Anwendungsschicht operiert, zum Forschungsthema von Mobilfunkanbietern wird. Meine Intuition sagt mir, dass die Mobilfunkanbieter die Rolle haben, den Reifegrad 1 zu gewährleisten, bei dem Symbole und Bits technisch korrekt übertragen werden, und der Zeitpunkt, an dem die semantische Kommunikation funktioniert, bereits in den Bereich der Anwendungsprogramme fällt.

Gleichzeitig gibt es Zweifel, ob dies in der Kommunikationstechnologie, die Zuverlässigkeit als Grundwert voraussetzen muss, ein neues Paradigma darstellen wird. Auch ich hege solche Zweifel und bin persönlich eher negativ eingestellt.

Der Grund, warum ich diesen Artikel dennoch schreibe, ist, dass sich das nächste Paradigma der mobilen Kommunikation in einer ziemlich faszinierenden Form entfaltet. Die Einführung von Satelliteninternet zur Erweiterung der Kanalkapazität ist durch das Aufkommen von Project Kuiper, Starlink usw. praktisch eine feststehende Tatsache, und der Versuch, die durch Shannons Gesetz bedingten Grenzen auf neue Weise zu durchbrechen, war ziemlich überraschend.