Shannon-féle csatornakapacitás-korlát és az MI-alapú szemantikus kommunikáció (Semantic Communication) felépítése

Shannon-törvény

A mai távközlés Shannon-törvényre (Shannon's Law) épülve fejlődött. Ez a hálózati kommunikáció határait meghatározó elmélet, és az alábbiakban ismertetendő képlet csatornakapacitásának maximumát igyekeztek növelni. Például olyan technológiák léteznek, mint a MIMO (Multiple Input Multiple Output). Ezek a technológiák Shannon elméletére támaszkodva, magasabb csatornakapacitás elérésére irányuló törekvések részét képezik.

A Shannon-törvényt a csatornakapacitást kiszámító alábbi képlettel fejezzük ki.

Ezek rendre a csatornakapacitást (Channel Capacity), a sávszélességet (Bandwidth) és a jel-zaj viszonyt (Signal-to-Noise Ratio) jelölik. Szavakba öntve, egyszerűen fogalmazva: a maximális átviteli sebesség (C) a rendszer által felhasználható fizikai frekvenciaforrások teljes mennyiségének (B) és annak a hatékonyságnak (log₂(1 + S/N)) a szorzata, amely megmutatja, hogy a jelminőség (S/N) függvényében az adott erőforrás 1 Hz-enként hány bit információt képes továbbítani.

A csatornakapacitás kiszámítására szolgáló törvény megjelenésével a távközlési ipar a csatornakapacitás növelésére kezdett összpontosítani. Így körülbelül 70 éven át a távközlés innovációja nagyrészt a csatornakapacitás javulásában valósult meg.

A jelenkorban azonban a feldolgozási erőforrások rendkívül nagy mértékben fejlődtek. A kommunikáció a szöveg küldésének korszakából mára odáig jutott, hogy térbeli vektorokat küld. Az összes ilyen adat megbízható, darabokra bontott átvitele kezd korlátokba ütközni. Például egy önvezető autó által generált adatmennyiség egy nap alatt elérheti a több terabájtot, amelyet a jelenlegi távközlési hálózatok szinte lehetetlen módon képesek kezelni. Pusztán több kábel lefektetésével és több antenna elhelyezésével a probléma megoldása gazdasági és fizikai korlátokba ütközik.

Ezért a hagyományos, a teljes bitfolyam pontos átvitelére irányuló paradigmától elmozdulva elkezdték kutatni azt a paradigmát, amely a kommunikáció közé intelligenciát iktatva csupán a kontextus átvitelét célozza. (*Maga a koncepció évtizedek óta létezik.) Ez a változás a közelmúlt erőteljes intelligens modellfejlesztéseinek és a nagyobb adatmennyiségek továbbításának szükségességének következménye.

Ezt jelentésátvitelen alapuló kommunikációnak nevezik, angolul Semantic Communication néven.

Szemantikus kommunikáció (Semantic communication)

A szemantikus kommunikáció célja, hogy míg korábban az adatok teljes egészét továbbították, most már csupán az azokban foglalt lényeges jelentést, azaz a kontextust küldjék át.

Ez a probléma már Shannon és Weaver kommunikációs modelljében is felvetődött, akik a kommunikáció érettségi szintjeit három szintre osztották.

1. Technikai probléma: Mennyire pontosan lehet a szimbólumokat (Symbol) továbbítani? (Ez az én elméletem fő területe.)
2. Jelentésbeli probléma: Mennyire pontosan adják át a továbbított szimbólumok a kívánt „jelentést”?
3. Hatékonysági probléma: Mennyire hatékonyan befolyásolja a közölt jelentés a címzett cselekedeteit?

Eddig a kommunikáció fejlődése nagyrészt megoldotta a technikai problémát, most pedig a jelentésbeli és a hatékonysági problémák megoldásán dolgozik.

Az 1. érettségi szint és a 2., 3. szint (szemantikus kommunikáció) közötti különbséget jellemzően a égő ház példája szemlélteti.

Egy ház ég.

A jelenlegi kommunikációs paradigmában ezt a jelenetet darabonként digitalizálják, majd fényképként továbbítják.

A szemantikus kommunikációban ahelyett, hogy minden adatot elküldenének, mint például: „az ablakból fekete füst jön és lángok látszanak”, csupán a lényegi jelentést közvetítik: „tűz van, azonnali kivonulás szükséges”. Ez a módszer szándékosan elhagyja a felesleges információkat, és arra törekszik, hogy a címzett egy meghatározott cselekedetet (a kivonulást) hajtson végre.

Ha a végpontok között azonos tudásbázis áll rendelkezésre a tűzoltás kategóriájában, ez jelentősen csökkentheti a helyzet megértéséhez szükséges átviteli adatmennyiséget.

A szemantikus kommunikáció alapvető kódolási/dekódolási logikája kommunikációs paradigma, mégis az alkalmazási réteg fölött működik. A küldő oldalon a szemantikus kódoló (encoder) a rendelkezésre álló adatokat jelentésalapú adatokká alakítja, a fogadó oldalon pedig a szemantikus dekódoló (decoder) ezeket olyan formára dolgozza fel, amelyet a mögöttes forrás felhasználhat. Mindkettő azonos tudásbázissal rendelkező következtető modell vagy hasonló formáció lesz, amely lehetővé teszi, hogy hatalmas adatmennyiség továbbítása nélkül is megtörténhessen a jelentés cseréje.

Természetesen mindez a hagyományos kommunikációs paradigma kiforrottsága alapján valósulhat meg. Először is a szimbólumokat technikailag pontosan kell tudni továbbítani, és ez az érettségi szint már elért állapot. Most az a fő feladat, hogy a továbbított szimbólumok mennyire jól adják át és értelmezik az információ jelentését, és ez a kutatás most kezdődik.

Ugyanakkor az ilyen jelentésalapú kontextusra épülő kommunikációs rendszerek a hagyományos szintaktikai rendszerektől eltérően a megbízhatóságot (reliability) mesterséges intelligenciára bízzák, ezért nagy valószínűséggel problémák merülhetnek fel. Még azonos Knowledge Based tudás esetén is eltérő értelmezések születhetnek a modell fekete doboz jellegű működésének következtében.

Utószó

A 6G (hatodik generációs) mobilkommunikációban ez a szemantikus kommunikáció várhatóan alkalmazásra kerül, és intelligens internetes rendszert eredményez, ám kérdéses, hogy miért válik a mobilszolgáltatók kutatási feladatává egy olyan paradigma, amely az alkalmazási réteg felett működik. Az én megítélésem szerint a mobilszolgáltatók feladata az, hogy technikailag biztosítsák a szimbólumok és bitek pontos átvitelét, vagyis az 1. érettségi szintet, a szemantikus kommunikáció működésének pillanata pedig már az alkalmazási programok területéhez tartozik.

Másrészt felmerül a kérdés is, hogy van-e egyáltalán új paradigma egy olyan távközlési technológiában, amelynek alapvető értéke a megbízhatóság. Én magam is ezzel a kétséggel élek, és személyesen kissé negatív álláspontot képviselek.

Mindazonáltal azért írom ezt a cikket, mert úgy vélem, hogy a mobilkommunikáció következő paradigmája igen érdekes formában bontakozik ki. A csatornakapacitás bővítését célzó műholdas internet bevezetése a Project Kuiper és a Starlink megjelenésével gyakorlatilag már tényként kezelhető, és az a törekvés, hogy a Shannon-törvény korlátait új módon törjék át, rendkívül újszerűnek tűnt számomra.