Das nächste Kommunikationsparadigma, angetrieben durch KI-gestützte Semantische Kommunikation

Shannons Gesetz

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

Shannons Gesetz wird durch die folgende Formel zur Berechnung der Kanal-Kapazität ausgedrückt:

Diese stehen jeweils für Kanal-Kapazität (Channel Capacity), Bandbreite (Bandwidth) und das Signal-Rausch-Verhältnis (Signal-to-Noise Ratio). Zur leichteren Erklärung in Worten ausgedrückt, ist die maximale Kommunikationsgeschwindigkeit (C) das Produkt aus der Gesamtmenge der physikalischen Frequenzressourcen (B), die das System nutzen kann, und 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 deren Steigerung zu bemühen. So vollzog sich die Innovation in der Kommunikation über etwa 70 Jahre hinweg größtenteils in der Verbesserung der Kanal-Kapazität.

Jedoch sind die Ressourcen für das Processing in der heutigen Ära immens fortgeschritten. Die Kommunikation ist von der Übertragung von Texten zu dem Punkt gelangt, an dem nun räumliche Vektoren übertragen werden. Es begannen sich Grenzen abzuzeichnen, diese gesamten Daten zuverlässig zu zerlegen und zu übertragen. Beispielsweise können die Daten, die ein autonomes Fahrzeug generiert, täglich mehrere Terabyte erreichen, und es ist nahezu unmöglich, dies mit dem aktuellen Kommunikationsnetzwerk zu bewältigen. Es stößt an wirtschaftliche/physische Grenzen, dies einfach durch die Verlegung weiterer Kabel und die Installation weiterer Antennen zu lösen.

So begann man, ein Paradigma zu erforschen, das sich vom bisherigen Paradigma der exakten Übertragung aller Bits löst und 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 größerer Datenmengen bedingt ist.

Diese Art der Kommunikation, bei der Bedeutungen ausgetauscht werden, wird als Semantische Kommunikation (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, d.h. den Kontext, der darin enthalten ist, zu übertragen.

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

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 Handeln des Empfängers?

Bisher hat die Entwicklung der Kommunikation das technische Problem weitgehend 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 des brennenden Hauses verdeutlicht.

Ein Haus brennt.

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

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

Wenn die Kommunikation zwischen Endpunkten stattfindet, die über dieselbe Wissensbasis in der Kategorie Feuerwehr verfügen, kann dies die Menge der zur Situationserfassung erforderlichen Übertragungsdaten revolutionär reduzieren.

Die Kern-Encoding/Decoding-Logik dieser semantischen Kommunikation ist zwar ein Kommunikationsparadigma, operiert aber auf der Anwendungs-Layer. Auf der Senderseite wandelt der semantische Encoder die gegebenen Daten in semantische Daten um, und auf der Empfängerseite verarbeitet der semantische Decoder diese in ein Format, das die nachgeschaltete Quelle verwenden kann. Beide werden die Form eines Inferenzmodells o.ä. mit der gleichen Wissensbasis annehmen, wodurch eine Kommunikation möglich wird, bei der die Semantik ausgetauscht wird, ohne dass riesige Datenmengen übertragen werden müssen.

Dies wird selbstverständlich auf der Grundlage der Vollständigkeit des bestehenden Kommunikationsparadigmas gewährleistet. Zuerst muss technisch die genaue Übertragung von Symbolen möglich sein, 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 besteht bei einem Kommunikationssystem, das auf einem solchen semantischen Kontext basiert, im Gegensatz zu einem konventionellen syntaktischen Kommunikationssystem die sehr große Wahrscheinlichkeit, dass Probleme auftreten, da die Zuverlässigkeit (reliability) von KI usw. abhängt. Selbst wenn die gleiche Knowledge Base vorhanden ist, können aus dem Black-Box-Bereich des Modells unterschiedliche Interpretationen hervorgehen.

Nachwort

Es wird gesagt, dass die 6G (6. Generation) Mobilkommunikation durch die Anwendung dieser semantischen Kommunikation zu einem intelligenten Internet-System 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 haben, den Reifegrad 1 zu gewährleisten, bei dem Symbole und Bits technisch korrekt übertragen werden, und der Zeitpunkt, zu dem die semantische Kommunikation funktioniert, bereits im Bereich der Anwendungsprogramme liegt.

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

Der Grund, warum ich diesen Text dennoch schreibe, ist, dass sich das nächste Paradigma der mobilen Kommunikation in einer ziemlich faszinierenden Form entfaltet. Die Einführung von Satelliten-Internet zur Erweiterung der Kanal-Kapazität ist durch das Aufkommen von Project Kuiper, Starlink usw. praktisch eine beschlossene Sache, und der Versuch, die durch Shannons Gesetz begrenzten Grenzen auf neue Weise zu durchbrechen, war ziemlich überraschend.