Seuraava viestintäparadigma, jota ohjaa tekoälypohjainen semanttinen viestintä

Shannonin laki

Nykypäivän tietoliikenne on kehittynyt Shannonin lain (Shannon's Law) pohjalta. Se on teoria, joka määrittää verkkotietoliikenteen rajat, ja se on ollut yritys nostaa jäljempänä esitettävän kaavan kanavakapasiteetin maksimiarvoa. Tällaisia tekniikoita ovat esimerkiksi MIMO (Multiple Input Multiple Output). Nämä tekniikat ovat osa pyrkimystä saavuttaa korkeampi kanavakapasiteetti Shannonin teoriaan perustuen.

Shannonin laki ilmaistaan alla olevalla kaavalla, jolla lasketaan kanavakapasiteetti:

$$C = B \cdot \log_{2}(1 + \frac{S}{N})$$ author: yoonhyunwoo

Nämä tarkoittavat vastaavasti kanavakapasiteettia (Channel Capacity), kaistanleveyttä (Bandwidth) ja signaali-kohinasuhdetta (Signal-to-Noise Ratio). Helposti sanallisesti selitettynä maksimitietoliikennenopeus (C) on järjestelmän käytettävissä olevien fyysisten taajuusresurssien kokonaismäärä (B) kerrottuna **tehokkuudella ( $\log_{2}(1 + S/N)$ afe9fa2bfe0934a415fbc

Kun tämä kanavakapasiteetin laskemisen laki ilmestyi, tietoliikenneala alkoi keskittyä kanavakapasiteetin kasvattamiseen. Näin ollen noin 70 vuoden ajan tietoliikenteen innovaatiot ovat suurelta osin tapahtuneet kanavakapasiteetin parantamisen kautta.

Kuitenkin nykyaikana prosessointiresurssit ovat kehittyneet huomattavasti. Tietoliikenne on siirtynyt tekstin lähettämisen aikakaudesta nyt spatiaalisten vektorien lähettämisen tasolle. Rajat alkoivat tulla vastaan, kun kaikkea tätä dataa yritettiin jakaa ja siirtää luotettavasti. Esimerkiksi itseohjautuvan auton tuottama data voi nousta jopa useisiin teratavuihin päivässä, ja nykyisellä tietoliikenneverkolla sen käsitteleminen on lähes mahdotonta. Pelkästään useampien johtojen asentaminen ja useampien antennien sijoittaminen johtaa taloudellisiin ja fyysisiin rajoituksiin.

Näin ollen on alettu tutkia paradigmoja, jotka siirtyvät pois perinteisestä koko bittimäärän tarkan lähettämisen paradigmasta ja pyrkivät siirtämään vain kontekstin tuomalla älykkyyttä viestintään. (*Itse käsite on ollut olemassa jo vuosikymmeniä) Ja tämä on muutos, joka johtuu älykkäiden mallien viimeaikaisesta voimakkaasta kehityksestä ja tarpeesta siirtää yhä suurempia datamääriä.

Tätä kutsutaan semanttiseksi viestinnäksi (Semantic Communication), koska se koskee merkityksen vaihtoa.

Semanttinen viestintä (Semantic communication)

Siinä missä perinteinen viestintä siirsi koko datan, semanttinen viestintä pyrkii siirtämään vain sen sisältämän ydinmerkityksen, eli kontekstin.

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?

Tähän mennessä tietoliikenteen kehitys on lähes ratkaissut teknisen ongelman, ja nyt suoritetaan tehtävää, jossa käsitellään semanttisia ja tehokkuusongelmia.

Esimerkkinä erosta kypsyystason 1 ja tasojen 2 ja 3 (semanttinen viestintä) välillä käytetään tyypillisesti palavan talon esimerkkiä.

Eräs talo palaa.

Nykyisessä tietoliikenneparadigmassa tämä kohtaus muutetaan dataksi yksityiskohtaisesti, ja se lähetetään kuvana.

Semanttisessa viestinnässä sen sijaan, että lähetettäisiin kaikki data, kuten "ikkunasta nousee mustaa savua ja näkyy liekkejä", lähetetään vain ydin 'merkitys': "Tulipalo, välitön lähtö tarpeen". Tässä mallissa tarpeeton tieto jätetään tietoisesti pois, ja tavoitteena on saada vastaanottaja suorittamaan tietty toimenpide (lähtö).

Jos kyseessä on päätepisteiden välinen viestintä, joilla on sama tietopohja palokunnan kategoriassa, tämä voi vähentää merkittävästi tilanteen ymmärtämiseen tarvittavan lähetettävän datan määrää.

Tämän semanttisen viestinnän ydin, eli koodaus-/dekoodauslogiikka, on osa tietoliikenneparadigmaa, mutta se toimii sovelluskerroksen päällä. Lähettäjäpuolella semanttinen enkooderi muuntaa annetun datan semanttiseksi dataksi, ja vastaanottajapuolella semanttinen dekooderi käsittelee sen muotoon, jota taustajärjestelmän lähde voi käyttää. Nämä kaksi ovat todennäköisesti samalla tietopohjalla toimivia päättelymallin kaltaisia muotoja, ja niiden avulla on mahdollista vaihtaa semantiikkaa ilman valtavaa datansiirtoa.

Luonnollisesti tämä on taattu 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 semantiikan, ja tutkimus on vasta aluillaan.

Kuitenkin tällaisessa merkitykselliseen kontekstiin perustuvassa viestintäjärjestelmässä, toisin kuin perinteisessä syntaktisessa viestintäjärjestelmässä, luotettavuus (reliability) on riippuvainen tekoälystä (AI) ja vastaavista, minkä vuoksi ongelmien syntyminen on erittäin todennäköistä. Vaikka tietopohja (Knowledge Based) olisi sama, mallin mustan laatikon alueella voi syntyä erilaisia tulkintoja.

Jälkikirjoitus

6G (kuudennen sukupolven) mobiiliviestinnän sanotaan soveltavan tällaista semanttista viestintää älykkään internet-järjestelmän luomiseksi, mutta herää kysymys siitä, miksi sovelluskerroksen päällä toimiva paradigma on mobiilioperaattoreiden tutkimusaihe. Minun intuitiossani mobiilioperaattoreilla on rooli teknisesti symbolien ja bittien tarkan siirron (kypsyystaso 1) varmistamisessa, ja semanttisen viestinnän toimintakohta on jo sovellusohjelman alueella.

Toisaalta on myös epäilys siitä, onko tällaisella tekniikalla, jonka tulisi perustua luotettavuuteen perusarvona, uutta paradigmaa. Minullakin on tällaisia epäilyksiä, ja olen henkilökohtaisesti hieman negatiivisella kannalla.

Siitä huolimatta kirjoitan tämän tekstin, koska mobiiliviestinnän seuraava paradigma etenee mielestäni melko mielenkiintoisessa muodossa. Satelliitti-internetin käyttöönotto kanavakapasiteetin laajentamiseksi on käytännössä tosiasia Project Kuiperin ja Starlinkin kaltaisten toimijoiden myötä, ja yritys murtautua Shannonin lain asettamista rajoituksista uudella tavalla oli melko kiehtovaa.