Das nächste Kommunikationsparadigma, angetrieben durch AI-basierte Semantic Communication

Shannons Gesetz

Die heutige Kommunikation hat sich auf der Grundlage von Shannons Gesetz (Shannon's Law) entwickelt. Dieses Gesetz ist eine Theorie zur Bestimmung der Grenzen der Netzwerkkommunikation, und es gab Versuche, die maximale Kanal Kapazität der später beschriebenen Formel zu erhöhen. Dazu gehören Technologien wie MIMO (Multiple Input Multiple Output). Diese Technologien sind Teil der Bemühungen, eine höhere Kanal Kapazität auf der Grundlage von Shannons Theorie zu erreichen.

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

Diese stehen jeweils für die Kanal Kapazität (Channel Capacity), die Bandbreite (Bandwidth) und das Signal-Rausch-Verhältnis (Signal-to-Noise Ratio). Einfacher ausgedrückt ist die maximale Kommunikationsgeschwindigkeit (C) das Produkt aus der Gesamtmenge der physikalischen Frequenzressourcen, die das System nutzen kann (B), multipliziert 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 Kanal Kapazität aufkam, begann die Kommunikationsbranche, sich intensiv um die Steigerung der Kanal Kapazität zu bemühen. Infolgedessen basierten die meisten Innovationen in der Kommunikation über einen Zeitraum von etwa 70 Jahren auf der Verbesserung der Kanal Kapazität.

In der heutigen Zeit sind jedoch die Ressourcen für das Processing enorm fortgeschritten. Die Kommunikation hat sich von der Übertragung von Text zu der Übertragung von räumlichen Vektoren entwickelt. Es beginnen sich Grenzen abzuzeichnen, diese gesamten Daten zuverlässig zu zerlegen und zu übertragen. Beispielsweise können die von einem autonomen Fahrzeug erzeugten Daten täglich mehrere Terabyte erreichen, und es ist nahezu unmöglich, dies mit dem aktuellen Kommunikationsnetzwerk zu bewältigen. Die bloße Verlegung weiterer Leitungen und die Aufstellung weiterer Antennen stoßen an wirtschaftliche und physikalische Grenzen.

Daher beginnt man, ein Paradigma zu erforschen, das sich von dem bisherigen Paradigma der exakten Übertragung aller Bits löst und stattdessen Intelligenz in die Kommunikation einführt, um nur den Kontext zu übertragen. (Das Konzept selbst existiert bereits seit Jahrzehnten.) Dies ist eine Veränderung, die durch die jüngste starke Entwicklung intelligenter Modelle und die Notwendigkeit der Kommunikation größerer Datenmengen bedingt ist.

Dies wird als Semantic Communication bezeichnet, da es sich um eine Kommunikation handelt, die Bedeutung (意味) austauscht.

Semantische Kommunikation (Semantic communication)

Während die semantische Kommunikation bisher die gesamten Daten übertragen hat, zielt sie nun darauf ab, nur die Kernbedeutung, d. h. 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 übertragene Bedeutung das Handeln des Empfängers?

Bisher hat die Entwicklung der Kommunikation die technischen Probleme weitgehend gelöst, und nun besteht die Aufgabe darin, die semantischen und Effektivitätsprobleme zu übersetzen.

Der Unterschied zwischen der Reifestufe 1 und den Stufen 2 und 3 (semantische Kommunikation) wird typischerweise am Beispiel eines brennenden Hauses veranschaulicht.

Ein Haus brennt.

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

Die semantische Kommunikation hingegen sendet nicht alle Daten wie "Rauch steigt aus dem Fenster und Flammen sind sichtbar", sondern überträgt nur die Kern-'Bedeutung' "Feuer ausgebrochen, sofortiger Einsatz erforderlich". Hierbei werden unnötige Informationen konsequent weggelassen, und das Ziel ist es, den Empfänger zu einer bestimmten Handlung (Einsatz) zu veranlassen.

Wenn es sich um eine End-to-End-Kommunikation handelt, bei der die Endpunkte über die gleiche Wissensbasis in der Kategorie Feuerwehr verfügen, kann die Menge der für die Situationserfassung erforderlichen Übertragungsdaten drastisch reduziert werden.

Die Kern-Encoding/Decoding-Logik dieser semantischen Kommunikation ist zwar ein Kommunikationsparadigma, operiert jedoch auf der Anwendungsschicht. Auf der Senderseite wandelt ein semantischer Encoder die gegebenen Daten in semantische Daten um, und auf der Empfängerseite verarbeitet ein semantischer Decoder diese so, dass sie von der nachgeschalteten Quelle verwendet werden können. Beide werden die Form eines Inferenzmodells mit der gleichen Wissensbasis annehmen, 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 es technisch möglich sein, Symbole präzise zu übertragen, und dieser Reifegrad ist bereits erreicht. Nun ist die Hauptaufgabe, wie gut das übertragene Symbol die Semantik der Information vermittelt und interpretiert, und die Forschung dazu beginnt gerade erst.

Allerdings birgt dieses auf dem semantischen Kontext basierende Kommunikationssystem im Gegensatz zum bestehenden syntaktischen Kommunikationssystem ein sehr hohes Risiko für Probleme, da es die Zuverlässigkeit (reliability) von KI und Ähnlichem abhängig macht. Selbst wenn die gleiche Knowledge Base vorhanden ist, können im Black-Box-Bereich des Modells unterschiedliche Interpretationen entstehen.

Nachwort

Es wird behauptet, dass die 6G (6. Generation) Mobilkommunikation diese semantische Kommunikation implementieren und zu einem intelligenten Internetsystem werden wird. Es stellt sich jedoch die Frage, warum ein Paradigma, das auf der Anwendungsschicht operiert, zum Forschungsthema der Mobilfunkanbieter wird. Meine Intuition sagt mir, dass die Mobilfunkanbieter die Rolle spielen, die Reifestufe 1 zu gewährleisten, bei der Symbole und Bits technisch präzise übertragen werden, und dass der Zeitpunkt, an dem die semantische Kommunikation funktioniert, bereits der Bereich der Anwendungsprogramme ist.

Andererseits stellt sich die Frage, ob es in einer Kommunikationstechnologie, die Zuverlässigkeit als Grundwert voraussetzen muss, ein neues Paradigma geben wird. Auch ich hege diese Zweifel und bin persönlich eher skeptisch.

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

Da es keine Informationen über GO gibt, schließe ich mit einem Gopher ab.