Shannonin kanavakapasiteettirajat ja tekoälypohjainen semanttinen viestintä (Semantic Communication) -rakenne

Shannonin laki

Nykyaikainen tietoliikenne on kehittynyt Shannonin lain (Shannon's Law) pohjalta. Se on teoria, joka määrittää verkkoliikenteen rajat, ja siihen liittyvät pyrkimykset ovat olleet jäljempänä esitettävän kaavan kanavakapasiteetin maksimiarvon kasvattamista. Esimerkiksi on olemassa teknologioita kuten MIMO (Multiple Input Multiple Output). Nämä teknologiat ovat osa pyrkimystä saavuttaa suurempi kanavakapasiteetti Shannonin teorian pohjalta.

Shannonin laki ilmaistaan alla olevalla kaavalla, jolla lasketaan kanavakapasiteetti.

Nämä tarkoittavat vastaavasti kanavakapasiteettia (Channel Capacity), kaistanleveyttä (Bandwidth) ja signaali-kohinasuhdetta (Signal-to-Noise Ratio). Sanoiksi muotoiltuna enimmäistiedonsiirtonopeus (C) on järjestelmän käytettävissä olevien fyysisten taajuusresurssien kokonaismäärä (B) kerrottuna tehokkuudella (log₂(1 + S/N)), joka kertoo, kuinka monta bittiä tietoa kyseinen resurssi yhtä hertsiä kohti voi kuljettaa signaalin laadun (S/N) mukaan.

Kun tämä kanavakapasiteetin laskentalaki syntyi, tietoliikennealan toimijat alkoivat panostaa kanavakapasiteetin kasvattamiseen. Näin tietoliikenteen innovaatiot ovat noin 70 vuoden ajan pääosin toteutuneet kanavakapasiteetin parantamisen kautta.

Nykyaikana laskentaresurssit ovat kuitenkin kehittyneet niin paljon, että tietoliikenne on siirtynyt tekstin lähettämisestä avaruusvektorien lähettämiseen. Kaiken tämän datan luotettava pilkkominen ja siirtäminen on alkanut muodostua rajoitteeksi. Esimerkiksi itseajavien autojen tuottama data voi olla päivittäin useita teratavuja, eikä nykyisillä tietoliikenneverkoilla ole käytännössä mahdollista selviytyä siitä. Pelkkä lisäkaapelointi ja lisää antenneja eivät riitä ratkaisuksi, sillä taloudelliset ja fyysiset rajat tulevat vastaan.

Näin ollen siirryttiin pois perinteisestä paradigmasta, jossa kaikki bitit pyrittiin lähettämään tarkasti, ja alettiin tutkia paradigmaa, jossa tietoliikenteeseen tuodaan älykkyyttä ja pyritään siirtämään pelkkä konteksti. (*Konsepti itsessään on ollut olemassa jo kymmeniä vuosia.) Tämä muutos johtuu viimeaikaisesta älykkäiden mallien voimakkaasta kehityksestä sekä tarpeesta siirtää entistä suurempia datamääriä.

Tätä kutsutaan semanttiseksi viestinnäksi (Semantic Communication), koska siinä vaihdetaan merkityksiä.

Semanttinen viestintä (Semantic communication)

Semanttisessa viestinnässä, kun aiemmin lähetettiin koko data, tavoitteena on nyt lähettää ainoastaan sen sisältämä ydinmerkitys eli konteksti.

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

1. Tekninen ongelma: Kuinka tarkasti symboli (Symbol) voidaan lähettää? (Tämä on minun teoriani ydinalue.)
2. Semanttinen ongelma: Kuinka tarkasti lähetetty symboli välittää halutun "merkityksen"?
3. Tehokkuusongelma: Kuinka tehokkaasti välitetty merkitys vaikuttaa vastaanottajan toimintaan?

Tähän asti tietoliikenteen kehitys on lähes ratkaissut teknisen ongelman, ja nyt sen tehtävänä on ratkaista semanttinen ja tehokkuuteen liittyvä ongelma.

Tasojen 1 ja 2, 3 (semanttinen viestintä) välistä eroa kuvataan tyypillisesti palavan talon esimerkillä.

Talo palaa.

Nykyisessä tietoliikennepradigmassa tämä tilanne digitoidaan kohta kohdalta ja lähetetään valokuvana.

Semanttisessa viestinnässä ei lähetetä kaikkea dataa, kuten "ikkunasta nousee mustaa savua ja näkyy liekkejä", vaan lähetetään ainoastaan ydinmerkitys "palo syttynyt, välitön hälytys tarvitaan". Tämän tarkoituksena on jättää tarpeeton informaatio pois ja saada vastaanottaja toimimaan tietyllä tavalla (hälyttämään apua).

Jos päätelaitteilla on sama tietopohja samasta kategoriasta, eli palontorjunnasta, päästä päähän -viestinnässä tilanteen hahmottamiseen tarvittavan datan määrä voidaan vähentää merkittävästi.

Semanttisen viestinnän keskeinen koodaus- ja dekoodauslogiikka on viestintäparadigma, mutta se toimii sovelluskerroksen päällä. Lähettävässä päässä semanttinen enkooderi muuntaa annetun datan semanttiseksi dataksi, ja vastaanottavassa päässä semanttinen dekoodaeri käsittelee sen muotoon, jota jatkokäsittelyn lähde voi hyödyntää. Molemmat ovat todennäköisesti päättelymalleja tai vastaavia, joilla on sama tietopohja, ja niiden avulla semantiikan vaihtaminen on mahdollista ilman suurta datansiirtoa.

Tietenkin tämä perustuu perinteisen tietoliikennepradigman täydellisyyteen. Ensin symbolien on oltava tekniikan puolesta tarkasti siirrettävissä, ja tämä kypsyystaso on jo saavutettu. Nyt pääasiallinen haaste on se, kuinka hyvin lähetetyt symbolit välittävät ja tulkitsevat tiedon semantiikan, ja tämä tutkimus on juuri alkamassa.

Semanttiseen kontekstiin perustuvat tietoliikennejärjestelmät ovat kuitenkin perinteisiin syntaktisiin järjestelmiin verrattuna erittäin alttiita ongelmille, koska ne nojaavat luotettavuudessa (reliability) tekoälyyn. Vaikka tietopohja olisi sama, mallin mustan laatikon sisällä voi syntyä erilaisia tulkintoja.

Jälkisanat

6G (kuudennen sukupolven) matkaviestinnässä semanttisen viestinnän on sanottu tuovan älykkään internet-järjestelmän, mutta on epäselvää, miksi sovelluskerroksen päällä toimiva paradigma on matkaviestinoperaattorien tutkimuskohde. Oman käsitykseni mukaan operaattorin tehtävänä on taata tekninen kypsyystaso 1, jossa symbolit ja bitit siirtyvät tarkasti, ja semanttisen viestinnän toiminta kuuluu jo sovellusten alueelle.

Toisaalta on myös kysymys siitä, voiko tietoliikennetekniikassa, jonka perusarvona on luotettavuus, syntyä uusi paradigma. Minullakin on tämä epäily, ja henkilökohtaisesti suhtaudun siihen hieman kielteisesti.

Kirjoitan tämän kuitenkin, koska mielestäni matkaviestinnän seuraava paradigma kehittyy erittäin mielenkiintoisella tavalla. Satelliittiinternetin käyttöönotto kanavakapasiteetin laajentamiseksi on Project Kuiperin ja Starlinkin myötä käytännössä jo itsestään selvyys, ja yritys murtaa Shannonin lain asettamat rajoitukset uudella tavalla on ollut varsin kiinnostavaa.