El paradigma de la próxima generación de comunicaciones impulsado por las comunicaciones semánticas basadas en AI

Ley de Shannon

La comunicación actual se ha desarrollado basándose en la Ley de Shannon (Shannon's Law). Esta es una teoría que determina los límites de la comunicación en red, y las tentativas para aumentar el máximo de capacidad del canal de la fórmula que se describirá a continuación. Por ejemplo, existen tecnologías como MIMO (Multiple Input Multiple Output). Estas tecnologías son parte de un esfuerzo por tener una mayor capacidad de canal, basándose en la teoría de Shannon.

La Ley de Shannon se expresa con la siguiente fórmula que calcula la capacidad del canal:

Estos representan, respectivamente, la Capacidad del Canal (Channel Capacity), el Ancho de Banda (Bandwidth) y la Relación Señal/Ruido (Signal-to-Noise Ratio). Explicándolo de forma sencilla con palabras, la Velocidad Máxima de Comunicación (C) es la multiplicación de la cantidad total de recursos de frecuencia física que el sistema puede usar (B) por la eficiencia (log₂(1 + S/N)) que indica cuántos bits de información se pueden transmitir por cada 1Hz de recurso, dependiendo de la calidad de la señal (S/N).

Una vez que surgió esta ley que calcula la capacidad del canal, la industria de las telecomunicaciones comenzó a esforzarse por aumentarla. Así, durante aproximadamente 70 años, la mayoría de las innovaciones en comunicación se han logrado mediante la mejora de la capacidad del canal.

Sin embargo, en la era actual, los recursos de procesamiento han evolucionado enormemente. La comunicación ha pasado de enviar texto a enviar vectores espaciales. Para transmitir todos estos datos de forma fiable, han comenzado a surgir limitaciones. Por ejemplo, la cantidad de datos que genera un automóvil autónomo puede ascender a varios terabytes al día, y es casi imposible que la red de comunicación actual lo soporte. Simplemente instalar más cables y colocar más antenas llega a un límite económico y físico para resolver el problema.

De esta manera, se ha comenzado a investigar un paradigma que se aleja del modelo existente de transmisión precisa de todos los bits, e introduce inteligencia en la comunicación para buscar únicamente la transferencia de contexto. (El concepto en sí existe desde hace décadas). Esto es un cambio que se produce debido al reciente y potente avance de los modelos de inteligencia y la necesidad de comunicar datos más voluminosos.

A esto se le llama Comunicación Semántica (Semantic Communication), ya que se trata de una comunicación que intercambia significado.

Comunicación Semántica (Semantic communication)

Si la comunicación semántica tradicionalmente transmitía la totalidad de los datos, ahora tiene como objetivo transmitir solo el significado central que contienen, es decir, el contexto.

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 se puede transmitir el Símbolo (Symbol)? (Esta es el área central de mi teoría).
2. Problema semántico: ¿Con qué precisión el símbolo transmitido comunica el 'significado' deseado?
3. Problema de efectividad: ¿Con qué efectividad el significado transmitido influye en las acciones del receptor?

Hasta ahora, el desarrollo de la comunicación ha resuelto casi por completo el problema técnico, y ahora se enfoca en la tarea de abordar los problemas semánticos y de efectividad.

La diferencia entre la Etapa 1 de madurez y las Etapas 2 y 3 (Comunicación Semántica) se ilustra comúnmente con el ejemplo de una casa en llamas.

Una casa se está quemando.

En el paradigma de comunicación actual, esta escena se convierte en datos bit a bit y se transmite como una fotografía.

En la comunicación semántica, en lugar de enviar todos los datos como "sale humo negro de la ventana y se ven llamas", se transmite solo el 'significado' central: "ocurrió un incendio, se requiere una respuesta inmediata". Esto tiene como objetivo omitir información innecesaria de manera audaz y lograr que el receptor realice una acción específica (la respuesta).

Si se trata de una comunicación entre extremos que comparten la misma base de conocimiento en la categoría de extinción de incendios, esto puede reducir drásticamente la cantidad de datos de transmisión necesarios para comprender la situación.

La lógica central de codificación/decodificación de esta comunicación semántica es un paradigma de comunicación, pero opera sobre la capa de aplicación. En el lado del transmisor, los datos proporcionados se convierten en datos semánticos a través de un codificador semántico, y en el lado del receptor, se procesan en un formato que la fuente de fondo puede utilizar a través de un decodificador semántico. Ambos serán una forma de modelo de inferencia que comparte la misma base de conocimiento, y a través de esto, es posible la comunicación que intercambia esa semántica sin la necesidad de una transferencia masiva de datos.

Naturalmente, esto se garantiza sobre la base de la completitud del paradigma de comunicación existente. Primero, debe ser técnicamente posible transmitir los símbolos con precisión, y este nivel de madurez ya se ha alcanzado. Ahora, el principal desafío es cuán bien el símbolo transmitido comunica e interpreta la semántica de la información, y es un estado donde la investigación recién comienza.

Sin embargo, a diferencia de los sistemas de comunicación sintáctica existentes, este sistema de comunicación basado en el contexto semántico tiene una alta probabilidad de generar problemas porque la fiabilidad (reliability) depende de la IA, entre otros. Incluso si se tiene la misma Base de Conocimiento (Knowledge Based), pueden surgir interpretaciones diferentes en el área de caja negra del modelo.

Conclusión

Se dice que la comunicación semántica se aplicará en 6G (sexta generación) de comunicaciones móviles, convirtiéndose en un sistema de Internet inteligente, pero existe un signo de interrogación sobre por qué un paradigma que opera sobre la capa de aplicación se convierte en un tema de investigación para las empresas de telecomunicaciones móviles. Mi intuición es que las empresas de telecomunicaciones móviles cumplen la función de garantizar el nivel de madurez 1, donde los símbolos y bits se transmiten con precisión técnica, y el punto en el que opera la comunicación semántica es el ámbito de las aplicaciones.

Por otro lado, también existe la duda de si esto será un nuevo paradigma en la tecnología de comunicación, que debe basarse en la fiabilidad como valor fundamental. Yo también tengo esta duda y, personalmente, tengo una postura algo negativa.

No obstante, la razón por la que escribo este artículo es que considero que el próximo paradigma de la comunicación móvil se está desarrollando de una manera bastante interesante. La introducción de Internet satelital para la expansión de la capacidad del canal es un hecho consumado con la aparición de Project Kuiper, Starlink, etc., y el intento de superar los límites que estaban sujetos a la Ley de Shannon de una forma nueva me pareció bastante fascinante.