AI-pohjaisen semanttisen kommunikaation johtama seuraava kommunikaatioparadigma

Shannoniin laki

Nykypäivän tietoliikenne on kehittynyt Shannoniin lain (Shannon's Law) pohjalta. Tämä on teoria, joka määrittää verkkotietoliikenteen rajoitukset, ja kyseessä ovat olleet yritykset nostaa myöhemmin esitettävän kaavan Channel Capacity -maksimiarvoa. Esimerkiksi tällaisia teknologioita ovat MIMO (Multiple Input Multiple Output). Nämä teknologiat ovat osa pyrkimystä saavuttaa suurempi Channel Capacity Shannoniin teoriaan perustuen.

Shannoniin laki ilmaistaan alla olevalla kaavalla, joka laskee Channel Capacityn: $$C = B \cdot \log_{2}(1 + \frac{S}{N})$$ author: yoonhyunwoo

Nämä tarkoittavat vastaavasti Channel Capacitya (kanavakapasiteetti), Bandwidthia (kaistanleveys) ja Signal-to-Noise Ratiota (signaali-kohinasuhde). Ymmärrettävästi sanoin selitettynä maksimitietoliikennenopeus (C) on järjestelmän käytettävissä olevien fyysisten taajuusresurssien kokonaismäärän (B) kertominen **tehokkuudella ( $\log_{2}(1 + S/N)$ afe9fa2bfe0934a415fbc

Kun Channel Capacityn laskeva laki ilmestyi, tietoliikenneala alkoi panostaa Channel Capacityn kasvattamiseen. Näin ollen noin 70 vuoden ajan suurin osa tietoliikenteen innovaatioista on tapahtunut Channel Capacityn parantamisen myötä.

Kuitenkin nykyaikaan tultaessa prosessointiresurssit ovat kehittyneet huomattavasti. Tietoliikenne on siirtynyt tekstin lähettämisen aikakaudesta siihen pisteeseen, että lähetetään nyt avaruusvektoreita. Tämän kaiken datan luotettavaan pilkkomiseen ja siirtämiseen alkoi syntyä rajoituksia. Esimerkiksi itseohjautuvien autojen tuottama data saattaa nousta useisiin teratavuihin päivässä, ja nykyisellä tietoliikenneverkolla sen käsittely on lähes mahdotonta. Pelkästään useampien johtojen asentaminen ja useampien antennien sijoittaminen johtaa taloudellisiin ja fyysisiin rajoituksiin.

Näin ollen alettiin tutkia paradigmaa, joka pyrkii siirtämään vain kontekstin ottamalla käyttöön älykkyyttä tietoliikenteeseen, poiketen perinteisestä paradigmasta, jossa pyrittiin siirtämään kaikki bitit tarkasti. (Itse käsite on ollut olemassa jo vuosikymmeniä). Ja tämä on muutos, joka johtuu älykkäiden mallien voimakkaasta kehityksestä ja tarpeesta siirtää entistä suurempia datamääriä.

Tätä kutsutaan Semantic Communicationiksi, koska se on tietoliikennettä, jossa vaihdetaan merkitystä (意味).

Semanttinen tietoliikenne (Semantic communication)

Jos semanttisessa tietoliikenteessä aiemmin siirrettiin koko data, nyt tavoitteena on siirtää vain sen sisältämä ydinmerkitys, eli konteksti.

Tämä ongelma on jo esitetty Shannonin ja Weaverin tietoliikennemallissa, ja he jakoivat tietoliikenteen kypsyyden kolmeen tasoon.

1. Tekninen ongelma: Kuinka tarkasti symbolit (Symbol) voidaan siirtää? (Tämä on heidän teoriansa ydinosa-alue.)
2. Semanttinen ongelma: Kuinka tarkasti siirretyt symbolit välittävät halutun 'merkityksen'?
3. Tehokkuusongelma: Kuinka tehokkaasti välitetty merkitys vaikuttaa vastaanottajan toimintaan?

Tietoliikenteen kehitys on tähän mennessä ratkaissut lähes kaikki tekniset ongelmat, ja nyt suoritetaan tehtävää, jossa käännetään semanttiset ja tehokkuusongelmat.

Erona kypsyystason 1 ja tasojen 2 ja 3 (semanttinen tietoliikenne) välillä käytetään tyypillisesti esimerkkiä palavasta talosta.

Jokin talo on tulessa.

Nykyisessä tietoliikenneparadigmassa tämä kohtaus muutetaan dataksi pala palalta ja lähetetään valokuvana.

Semanttisessa tietoliikenteessä sen sijaan, että lähetettäisiin kaikki data, kuten "ikkunasta nousee mustaa savua ja näkyy liekkejä", siirretään vain ydin'merkitys', kuten "tulipalo havaittu, välitön lähtö tarpeen". Tämän tarkoituksena on jättää tarpeeton tieto pois ja saada vastaanottaja suorittamaan tietty toimenpide (lähtö).

Jos kyseessä on tietoliikennettä samanlaisen tietopohjan omaavien päiden välillä palokunnan kategoriassa, tämä voi vähentää merkittävästi tilanteen ymmärtämiseen tarvittavan lähetysdatan määrää.

Semanttisen tietoliikenteen ydin koodaus/dekoodaus logiikka on tietoliikenneparadigma, mutta se toimii sovelluskerroksen yläpuolella. Lähettävässä päässä semanttinen kooderi muuntaa annetun datan semanttiseksi dataksi, ja vastaanottavassa päässä semanttinen dekooderi käsittelee sen muotoon, jota takana oleva lähde voi käyttää. Molemmat ovat todennäköisesti samalla tietopohjalla varustettuja päättelymallin kaltaisia muotoja, ja niiden avulla on mahdollista kommunikoida vaihtamalla semantiikkaa ilman valtavan datamäärän siirtoa.

On luonnollista, että tämä taataan olemassa olevan tietoliikennepadigman täydellisyyden varassa. Ensinnäkin symbolit on voitava siirtää teknisesti tarkasti, ja tämä kypsyystaso on jo saavutettu. Nyt päätehtäväksi on noussut se, kuinka hyvin siirretyt symbolit välittävät ja tulkitsevat tiedon semantiikkaa, ja tutkimus on vasta alussa.

Kuitenkin tällaisessa semanttiseen kontekstiin perustuvassa tietoliikennejärjestelmässä on erittäin suuri mahdollisuus ongelmien syntymiseen, koska luotettavuus (reliability) on perinteisestä syntaktisesta tietoliikennejärjestelmästä poiketen riippuvainen tekoälystä jne. Vaikka käytössä olisi sama Knowledge Based, mallin "mustan laatikon" alueella voi syntyä erilaisia tulkintoja.

Jälkisanat

6G (6. sukupolven) mobiilitietoliikenteessä tällaisen semanttisen tietoliikenteen on tarkoitus johtaa älykkääseen internet-järjestelmään, mutta on epäselvää, miksi sovelluskerroksen yläpuolella toimiva paradigma on mobiilioperaattoreiden tutkimusaihe. Oma intuitiivinen käsitykseni on, että operaattoreiden rooli on taata kypsyystaso 1, jossa symbolit ja bitit siirretään teknisesti tarkasti, ja semanttisen tietoliikenteen toimintavaihe kuuluu jo sovellusten alueeseen.

Toisaalta on myös epäilys siitä, onko tällaisella uudella paradigmalla sijaa tietoliikenneteknologiassa, jonka perusarvona on luotettavuus. Minullakin on tällaisia epäilyksiä, ja olen henkilökohtaisesti hieman negatiivisella kannalla.

Siitä huolimatta syy siihen, miksi kirjoitan tällaisen tekstin, on se, että mobiilitietoliikenteen seuraava paradigma etenee mielestäni varsin mielenkiintoisella tavalla. Satelliitti-internetin käyttöönotto Channel Capacityn laajentamiseksi on Project Kuiperin ja Starlinkin kaltaisten toimijoiden myötä käytännössä jo tosiasia, ja yritys murtaa Shannonin lain rajoituksia uudella tavalla oli varsin kiehtovaa.