Das nächste Kommunikationsparadigma, angetrieben durch AI-basierte semantische Kommunikation

Shannon'sches Gesetz

Die heutige Telekommunikation hat sich auf der Grundlage des Shannon'schen Gesetzes (Shannon's Law) entwickelt. Dieses Gesetz ist eine Theorie, die die Grenzen der Netzwerkkommunikation bestimmt, und die nachfolgend beschriebenen Versuche zielten darauf ab, die maximale Kanal Kapazität der Formel zu erhöhen. Dazu gehören Technologien wie MIMO (Multiple Input Multiple Output). Solche Technologien sind Teil der Bemühungen, eine höhere Kanal Kapazität auf der Grundlage der Shannon'schen Theorie zu erreichen.

Das Shannon'sche Gesetz wird durch die folgende Formel zur Berechnung der Kanal Kapazität ausgedrückt:

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

Diese stehen jeweils für Kanal Kapazität (Channel Capacity), Bandbreite (Bandwidth) und 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. So fand die Innovation in der Kommunikation in den letzten etwa 70 Jahren hauptsächlich in der Verbesserung der Kanal Kapazität statt.

In der heutigen Zeit sind jedoch die Ressourcen für das Processing enorm fortgeschritten. Die Kommunikation ist von der Ära des Versendens von Texten zu der Situation übergegangen, in der Raumvektoren gesendet werden. Die Grenzen, all diese Daten zuverlässig zu zerlegen und zu übertragen, beginnen sich abzuzeichnen. Beispielsweise können die Daten, die ein autonomes Fahrzeug erzeugt, täglich mehrere Terabyte erreichen, und es ist nahezu unmöglich, dies mit den aktuellen Kommunikationsnetzen zu bewältigen. Die einfache Lösung, mehr Kabel zu verlegen und mehr Antennen aufzustellen, stößt an wirtschaftliche/physikalische Grenzen.

So begann die Forschung an einem Paradigma, das sich von dem bisherigen Paradigma der exakten Übertragung aller Bits löst und stattdessen die Übertragung des Kontexts durch die Einführung von Intelligenz in die Kommunikation anstrebt. (Das Konzept selbst existiert 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 Semantische Kommunikation (Semantic Communication) bezeichnet, da es sich um eine Kommunikation handelt, bei der Bedeutungen ausgetauscht werden.

Semantische Kommunikation (Semantic communication)

Die Semantische Kommunikation zielt darauf ab, anstatt die gesamten Daten zu übertragen, nur die Kernbedeutung, d.h. den Kontext, der in ihnen 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 liegt die Aufgabe darin, das semantische und das Effektivitätsproblem 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 Foto übertragen.

In der Semantischen Kommunikation wird, anstatt alle Daten wie "aus dem Fenster kommt schwarzer Rauch und Flammen sind sichtbar" zu senden, nur die Kern-'Bedeutung' "Feuer ausgebrochen, sofortiger Einsatz erforderlich" übermittelt. Dies zielt darauf ab, unnötige Informationen konsequent wegzulassen und den Empfänger zu einer bestimmten Handlung (Einsatz) zu veranlassen.

Bei einer End-to-End-Kommunikation, die über dieselbe Wissensbasis in der Kategorie Feuerwehr verfügt, kann dies die für die Situationserfassung erforderliche Menge an Übertragungsdaten revolutionär reduzieren.

Die Kern-Encoding/Decoding-Logik dieser Semantischen Kommunikation ist ein Kommunikationsparadigma, das jedoch auf der Anwendungsschicht (Application Layer) arbeitet. 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 mit derselben Wissensbasis annehmen, was eine Kommunikation ermöglicht, bei der die Semantik ohne die Übertragung riesiger Datenmengen ausgetauscht wird.

Dies wird natürlich durch die Vollständigkeit des bestehenden Kommunikationsparadigmas gewährleistet. Zunächst muss technisch gewährleistet sein, dass Symbole präzise übertragen werden können, und dieser Reifegrad ist bereits erreicht. Nun ist die Hauptaufgabe, wie gut die übertragenen Symbole die Semantik der Informationen vermitteln und interpretieren, und die Forschung dazu beginnt gerade erst.

Allerdings birgt dieses Kommunikationssystem, das auf semantischem Kontext basiert, im Gegensatz zu den bestehenden syntaktischen Kommunikationssystemen ein sehr hohes Fehlerpotenzial, da es bei der Zuverlässigkeit (reliability) von KI und Ähnlichem abhängt. Selbst wenn dieselbe Knowledge Base vorhanden ist, können im Blackbox-Bereich des Modells unterschiedliche Interpretationen entstehen.

Nachbetrachtung

Es wird angenommen, dass in der 6G (6. Generation) Mobilfunktechnologie diese Semantische Kommunikation angewendet wird und ein intelligentes Internetsystem entstehen wird, wobei jedoch ein Fragezeichen steht, warum ein Paradigma, das auf der Anwendungsschicht arbeitet, zum Forschungsthema der Mobilfunkbetreiber wird. Meine Intuition ist, dass die Mobilfunkbetreiber die Rolle haben, die Reifestufe 1 zu gewährleisten, bei der Symbole und Bits technisch korrekt übertragen werden, und der Zeitpunkt, an dem die semantische Kommunikation funktioniert, bereits in den Bereich der Anwendungsprogramme fällt.

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

Der Grund, warum ich diesen Artikel dennoch schreibe, ist, dass sich das nächste Paradigma der mobilen Kommunikation meiner Meinung nach in einer ziemlich faszinierenden Form entfaltet. Die Einführung von Satelliteninternet zur Erweiterung der Kanal Kapazität ist durch das Aufkommen von Project Kuiper, Starlink usw. praktisch eine feststehende Tatsache, und der Versuch, die durch das Shannon'sche Gesetz auferlegten Grenzen in einer neuen Form zu durchbrechen, war ziemlich überraschend.