Límites de capacidad de canal de Shannon y arquitectura de comunicación semántica (Semantic Communication) basada en IA

La ley de Shannon

Las comunicaciones actuales se han desarrollado sobre la base de la ley de Shannon (Shannon's Law). Se trata de una teoría que determina el límite de la comunicación en red, y los esfuerzos orientados a elevar el máximo de la capacidad de canal de la fórmula que se expone a continuación han sido intentos de ese propósito. Por ejemplo, existen tecnologías como MIMO (Multiple Input Multiple Output). Estas tecnologías forman parte de los esfuerzos por alcanzar una mayor capacidad de canal sobre la base de la teoría de Shannon.

La ley de Shannon se expresa mediante la siguiente fórmula para calcular la capacidad de canal.

Estos representan, respectivamente, la capacidad de canal (Channel Capacity), el ancho de banda (Bandwidth) y la relación señal a ruido (Signal-to-Noise Ratio). Expresado de forma comprensible con palabras, la velocidad máxima de comunicación (C) se obtiene multiplicando la cantidad total de recursos de frecuencia física que el sistema puede utilizar (B) por la eficiencia (log₂(1 + S/N)), que indica cuántos bits de información pueden transportarse por cada 1 Hz de dicho recurso según la calidad de la señal (S/N).

Con la aparición de la ley que calcula de esta manera la capacidad de canal, la industria de las comunicaciones comenzó a esforzarse por incrementarla. Así, durante unos 70 años, la innovación en las comunicaciones se produjo en su mayor parte mediante la mejora de la capacidad de canal.

Sin embargo, en la época actual, los recursos de procesamiento han avanzado de forma notable. Las comunicaciones han pasado de la época en que se enviaban textos a la de enviar vectores espaciales. Empezó a surgir un límite para transmitir de manera fiable y fraccionada todos estos datos. Por ejemplo, los datos que generan los vehículos autónomos pueden alcanzar varios terabytes al día, y resulta prácticamente imposible soportarlos con las redes de comunicación actuales. Simplemente tender más cables e instalar más antenas conduce a alcanzar límites económicos y físicos.

Así, alejándose del paradigma tradicional de transmitir con precisión la totalidad de los bits, comenzó a investigarse un paradigma que busca únicamente la transmisión del contexto mediante la introducción de inteligencia en la comunicación. (*El concepto en sí existe desde hace décadas). Y este cambio responde al fuerte desarrollo reciente de los modelos de inteligencia y a la necesidad de comunicar datos cada vez más grandes.

Esto se denomina comunicación semántica, porque es una comunicación que intercambia significados, y por ello se la llama Semantic Communication.

Comunicación semántica (Semantic communication)

La comunicación semántica tiene como objetivo transmitir únicamente el núcleo del significado, es decir, el contexto, que contiene los datos, mientras que antes se transmitía el conjunto completo de datos.

Este problema ya fue planteado en el modelo de comunicación de Shannon y Weaver, quienes dividieron la madurez de la comunicación en tres niveles.

1. Problema técnico: ¿con qué precisión puede transmitirse el símbolo (Symbol)? (Este es el ámbito central de mi teoría.)
2. Problema semántico: ¿con qué precisión transmite el símbolo transmitido el "significado" deseado?
3. Problema de efectividad: ¿con qué eficacia influye el significado transmitido en el comportamiento del receptor?

Hasta ahora, el desarrollo de las comunicaciones ha resuelto casi por completo el problema técnico, y hoy se ocupa de la tarea de traducir los problemas semántico y de efectividad.

La diferencia entre el nivel de madurez 1 y los niveles 2 y 3 (comunicación semántica) suele ilustrarse con el ejemplo de la casa en llamas.

Una casa está ardiendo.

En el paradigma de comunicación actual, esta escena se digitaliza pieza a pieza y se transmite en forma de fotografía.

En la comunicación semántica, en lugar de enviar todos los datos, como "sale humo negro por la ventana y se ven llamas", solo se transmite el significado esencial "incendio, se necesita una intervención inmediata". Este método omite con decisión la información innecesaria y tiene como objetivo que el receptor realice una acción específica (acudir al lugar).

Si se trata de una comunicación de extremo a extremo que comparte la misma base de conocimiento de una categoría como la de bomberos, esto puede reducir de manera drástica la cantidad de datos necesarios para comprender la situación.

La lógica central de codificación/decodificación de la comunicación semántica es un paradigma de comunicación, pero opera sobre la capa de aplicación. En el lado emisor, un codificador semántico convierte los datos dados en datos semánticos, y en el lado receptor, un decodificador semántico los procesa en una forma que puede ser utilizada por la fuente posterior. Ambos serán modelos de inferencia con la misma base de conocimiento, y gracias a ello será posible intercambiar la semántica sin necesidad de transferir grandes volúmenes de datos.

Por supuesto, esto se garantiza sobre la base de la madurez del paradigma de comunicación tradicional. En primer lugar, debe ser posible transmitir técnicamente los símbolos con precisión, y ese nivel de madurez ya se ha alcanzado. Ahora, la cuestión principal es qué tan bien el símbolo transmitido transmite e interpreta la semántica de la información, y la investigación acaba de comenzar.

Sin embargo, los sistemas de comunicación basados en este contexto semántico, a diferencia de los sistemas sintácticos tradicionales, dependen de la IA y similares para la fiabilidad (reliability), por lo que existe una probabilidad muy alta de que surjan problemas. Incluso con la misma Knowledge Based, pueden surgir interpretaciones distintas en la zona de caja negra del modelo.

Epílogo

Se dice que en las comunicaciones móviles de 6G (sexta generación) se aplicará esta comunicación semántica para convertirse en un sistema de Internet inteligente, pero existe una interrogante sobre por qué un paradigma que opera sobre la capa de aplicación se ha convertido en un proyecto de investigación de los operadores móviles. Según mi intuición, el papel de los operadores es garantizar el nivel de madurez 1, en el que los símbolos y los bits se transmiten con precisión desde el punto de vista técnico, y considero que el momento en que la comunicación semántica funciona ya pertenece al ámbito de las aplicaciones.

Por otro lado, existe también la duda de si puede haber un nuevo paradigma en las tecnologías de comunicación, que deben asumir la fiabilidad como valor fundamental. Yo también tengo esta duda y, a título personal, tengo una postura algo negativa.

No obstante, escribo este texto porque considero que el próximo paradigma de las comunicaciones móviles se está desarrollando de una forma bastante interesante. La introducción de Internet por satélite para ampliar la capacidad de canal es un hecho prácticamente establecido con la aparición de Project Kuiper, Starlink y otros, y el intento de superar de una nueva forma la limitación impuesta por la ley de Shannon ha resultado bastante novedoso.