AI-pohjaisen semanttisen kommunikaation johtama seuraava kommunikaatioparadigma

Shannnonin laki

Nykypäivän tietoliikenne on kehittynyt Shannonin lain (Shannon's Law) pohjalta. Kyseessä on teoria, joka määrittää verkkotietoliikenteen rajat, ja se on ollut pyrkimys nostaa jäljempänä esitettävän kaavan mukaisen kanavakapasiteetin maksimiarvoa. Esimerkiksi tällaisia teknologioita ovat MIMO (Multiple Input Multiple Output). Nämä teknologiat ovat osa pyrkimystä saavuttaa korkeampi kanavakapasiteetti Shannonin teorian pohjalta.

Shannonin laki ilmaistaan kanavakapasiteetin laskevalla kaavalla seuraavasti: $$C = B \cdot \log_{2}(1 + \frac{S}{N})$$

Nämä tarkoittavat vastaavasti kanavakapasiteettia (Channel Capacity), kaistanleveyttä (Bandwidth) ja signaali-kohinasuhdetta (Signal-to-Noise Ratio). Helposti selitettynä sanallisesti maksimi tiedonsiirtonopeus (C) on järjestelmän käytettävissä olevien fyysisten taajuusresurssien kokonaismäärä (B) kerrottuna hyötysuhteella ( $\log_{2}(1 + S/N)$ ), joka kertoo, kuinka monta bittiä tietoa voidaan kuljettaa resursseissa 1 Hz kohden signaalin laadun (S/N) mukaan.

Kun tämä kanavakapasiteetin laskentaperiaate syntyi, tietoliikenneala alkoi keskittyä kanavakapasiteetin lisäämiseen. Näin ollen noin 70 vuoden ajan tietoliikenteen innovaatiot ovat suurelta osin tapahtuneet kanavakapasiteetin parantamisen myötä.

Kuitenkin nykyaikana prosessointiresurssit ovat kehittyneet liian pitkälle. Tietoliikenne on siirtynyt tekstin lähettämisen ajoista tilavektorien lähettämiseen. Tämän kaiken datan luotettavassa pilkkomisessa ja lähettämisessä alkaa ilmetä rajoituksia. Esimerkiksi itseohjautuvan auton tuottama data voi olla jopa teratavuja päivässä, ja nykyisillä tietoliikenneverkoilla sen hallitseminen on lähes mahdotonta. Pelkällä useampien kaapeleiden asentamisella ja useampien antennien sijoittamisella ratkaisu kohtaa taloudelliset ja fyysiset rajat.

Näin ollen on alettu tutkia paradigmaa, jossa pyritään siirtymään pois perinteisestä paradigmasta, jossa koko bittimäärä pyritään siirtämään tarkasti, ja sen sijaan pyritään siirtämään vain konteksti ottamalla käyttöön älykkyyttä tietoliikenteeseen. (*Itse käsite on ollut olemassa jo vuosikymmeniä) Ja tämä on muutos, joka johtuu äskettäin tapahtuneesta älykkäiden mallien voimakkaasta kehityksestä ja tarpeesta siirtää yhä suurempia määriä dataa.

Tätä kutsutaan semanttiseksi kommunikaatioksi (Semantic Communication), koska se koskee merkityksen (意味) vaihtamista.

Semanttinen kommunikaatio (Semantic communication)

Semanttisen kommunikaation tavoitteena on siirtää koko datan sijaan vain sen sisältämä ydinmerkitys, eli konteksti.

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

1. Tekninen ongelma: Kuinka tarkasti symbolit (Symbol) voidaan siirtää? (Tämä on minun teoriani ydinosa-alue.)
2. Semanttinen ongelma: Kuinka tarkasti siirretty symboli välittää halutun "merkityksen"?
3. Tehokkuusongelma: Kuinka tehokkaasti välitetty merkitys vaikuttaa vastaanottajan toimintaan?

Tähän mennessä tietoliikenteen kehitys on ratkaissut lähes kaikki tekniset ongelmat, ja nyt se suorittaa tehtävää kääntää semanttisia ja tehokkuusongelmia.

Ero kypsyysasteen 1 ja tasojen 2 ja 3 (semanttinen kommunikaatio) välillä esitetään tyypillisesti esimerkkinä palavasta talosta.

Jokin talo on tulessa.

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

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

Jos kyseessä on päästä päähän -kommunikaatio, jossa molemmilla osapuolilla on sama tietopohja palokunnan kategoriassa, tämä voi vähentää merkittävästi tilanteen ymmärtämiseen tarvittavan lähetysdatan määrää.

Tämän semanttisen kommunikaation ydin koodaus/purkulogiikka on tietoliikenneparadigma, mutta se toimii sovelluskerroksen yläpuolella. Lähettävä puoli muuntaa annetun datan semanttiseksi dataksi semanttisen kooderin avulla, ja vastaanottava puoli käsittelee sen takana olevan lähteen käytettävissä olevaan muotoon semanttisen purkajan avulla. Molemmat ovat jonkinlaisia päättelymalleja, joilla on sama tietopohja, ja tämä mahdollistaa kommunikaation semantiikan vaihtamisen ilman suurta tiedonsiirtoa.

On selvää, että tämä perustuu olemassa olevan tietoliikennepadigman täydellisyyteen. Ensinnäkin symbolit on voitava siirtää teknisesti tarkasti, ja tämä kypsyystaso on jo saavutettu. Nyt pääasiallinen tehtävä on se, kuinka hyvin siirretty symboli välittää ja tulkitsee tiedon semantiikan, ja tutkimus on vasta aluillaan.

Kuitenkin tällainen semanttiseen kontekstiin perustuva kommunikaatiojärjestelmä, toisin kuin perinteinen syntaktinen kommunikaatiojärjestelmä, on erittäin altis ongelmille, koska se luottaa luotettavuudessa (reliability) tekoälyyn (AI) ja vastaaviin. Vaikka Knowledge Based olisi sama, mallin mustan laatikon alueelta voi tulla erilaisia tulkintoja.

Jälkisanat

6G (kuudennen sukupolven) mobiiliviestinnän odotetaan soveltavan tätä semanttista kommunikaatiota ja kehittyvän älykkääksi internet-järjestelmäksi. Herää kuitenkin kysymys, miksi sovelluskerroksen yläpuolella toimiva paradigma on mobiilioperaattoreiden tutkimusaihe. Minun intuitiossani operaattoreiden rooli on taata kypsyystason 1, jossa symbolit ja bitit siirretään teknisesti tarkasti, ja semanttisen kommunikaation toiminta-alue on jo sovellusohjelmien aluetta.

Toisaalta on myös epäilys siitä, voiko tämä olla uusi paradigma tietoliikenneteknologiassa, jonka perusarvon on oltava luotettavuus. Minulla on myös tällaisia epäilyksiä, ja olen henkilökohtaisesti hieman negatiivisella kannalla.

Siitä huolimatta kirjoitan tämän tekstin, koska mielestäni mobiiliviestinnän seuraava paradigma kehittyy melko mielenkiintoisella tavalla. Satelliitti-internetin käyttöönotto kanavakapasiteetin laajentamiseksi on käytännössä tosiasia Project Kuiperin, Starlinkin ja muiden myötä, ja uusi tapa murtautua Shannonin lain rajoituksista oli melko uusi.

Koska GO:sta ei ole sisältöä, päätän gopherilla.