Batas Kapasitas Kanal Shannon dan Arsitektur Semantic Communication Berbasis AI

Hukum Shannon

Komunikasi saat ini telah berkembang berdasarkan Hukum Shannon (Shannon's Law). Hukum ini merupakan teori yang menentukan batas komunikasi jaringan, dan berbagai upaya telah dilakukan untuk meningkatkan kapasitas kanal maksimum pada rumus yang akan dijelaskan kemudian. Misalnya, terdapat teknologi seperti MIMO (Multiple Input Multiple Output). Teknologi-teknologi ini merupakan bagian dari upaya untuk memperoleh kapasitas kanal yang lebih tinggi berdasarkan teori Shannon.

Hukum Shannon dinyatakan dengan rumus berikut untuk menghitung kapasitas kanal.

Masing-masing menyatakan Kapasitas Kanal (Channel Capacity), Lebar Pita (Bandwidth), dan Rasio Sinyal terhadap Derau (Signal-to-Noise Ratio). Jika diuraikan secara sederhana, kecepatan komunikasi maksimum (C) adalah hasil perkalian antara jumlah total sumber daya frekuensi fisik yang dapat digunakan sistem (B) dan efisiensi (log₂(1 + S/N)) yang menunjukkan berapa bit informasi yang dapat dibawa per 1 Hz sumber daya tersebut, bergantung pada kualitas sinyal (S/N).

Sejak hukum untuk menghitung kapasitas kanal ini muncul, industri komunikasi mulai mencurahkan tenaga untuk meningkatkan kapasitas kanal. Dengan demikian, selama sekitar 70 tahun, inovasi komunikasi sebagian besar terjadi melalui peningkatan kapasitas kanal.

Namun, pada era sekarang sumber daya pemrosesan telah berkembang sangat pesat. Komunikasi yang dahulu hanya mengirimkan teks kini telah sampai pada tahap mengirimkan vektor spasial. Mulai muncul keterbatasan dalam mentransmisikan semua data ini secara andal dengan cara memecahnya. Sebagai contoh, data yang dihasilkan oleh mobil otonom dapat mencapai beberapa terabyte per hari, dan hampir mustahil untuk menopang hal tersebut dengan jaringan komunikasi saat ini. Hanya dengan memasang lebih banyak kabel dan menambah lebih banyak antena, pada akhirnya akan tercapai batas ekonomi dan fisik.

Dengan demikian, mulai diteliti paradigma yang meninggalkan paradigma lama, yaitu mentransmisikan seluruh bit secara akurat, dan sebaliknya hanya berupaya mentransmisikan konteks dengan memasukkan kecerdasan ke dalam komunikasi. (*Konsep ini sendiri telah ada sejak puluhan tahun lalu.) Hal ini merupakan perubahan yang dipicu oleh perkembangan pesat model kecerdasan belakangan ini serta kebutuhan untuk mengomunikasikan data yang jauh lebih besar.

Hal ini disebut komunikasi semantik (Semantic Communication) karena merupakan komunikasi yang mempertukarkan makna.

Komunikasi Semantik (Semantic communication)

Pada komunikasi semantik, yang sebelumnya mentransmisikan keseluruhan data, kini tujuannya adalah hanya mentransmisikan inti makna yang terkandung di dalamnya, yaitu konteks.

Permasalahan ini sebenarnya telah diajukan dalam model komunikasi Shannon dan Weaver, yang membagi tingkat kematangan komunikasi ke dalam tiga level.

1. Masalah teknis: Seberapa akurat simbol (Symbol) dapat ditransmisikan? (Ini adalah wilayah inti dari teori saya.)
2. Masalah semantik: Seberapa akurat simbol yang ditransmisikan menyampaikan 'makna' yang diinginkan?
3. Masalah efektivitas: Seberapa efektif makna yang tersampaikan memengaruhi tindakan penerima?

Sejauh ini, perkembangan komunikasi hampir telah menyelesaikan masalah teknis, dan kini bertugas menangani masalah semantik serta efektivitas.

Perbedaan antara tingkat kematangan 1 dan tingkat 2 serta 3 (komunikasi semantik) biasanya dijelaskan dengan contoh rumah yang terbakar.

Sebuah rumah sedang terbakar.

Dalam paradigma komunikasi saat ini, adegan ini didigitalkan piksel demi piksel, lalu dikirimkan sebagai foto.

Dalam komunikasi semantik, alih-alih mengirim semua data seperti "dari jendela tampak asap hitam dan api", yang dikirim hanyalah makna inti "Terjadi kebakaran, perlu segera dikirim petugas". Pendekatan ini dengan sengaja menghilangkan informasi yang tidak diperlukan dan bertujuan agar penerima melakukan tindakan tertentu (pengiriman petugas).

Jika komunikasi dilakukan secara ujung ke ujung dengan basis pengetahuan yang sama dalam kategori pemadam kebakaran, maka jumlah data yang dibutuhkan untuk memahami situasi dapat dikurangi secara drastis.

Logika inti pengodean/pengodean ulang komunikasi semantik ini merupakan paradigma komunikasi, tetapi beroperasi di atas lapisan aplikasi. Di sisi pengirim, data yang diberikan diubah menjadi data semantik melalui encoder semantik, dan di sisi penerima, data tersebut diolah melalui decoder semantik menjadi bentuk yang dapat digunakan oleh sumber di bagian hilir. Keduanya kemungkinan berbentuk model inferensi yang memiliki basis pengetahuan yang sama, dan melalui hal ini, pertukaran semantik menjadi mungkin tanpa transmisi data berukuran besar.

Tentu saja, hal ini dijamin di atas kematangan paradigma komunikasi yang telah ada. Pertama, simbol harus dapat ditransmisikan secara akurat secara teknis, dan tingkat kematangan ini telah tercapai. Kini, masalah utamanya adalah seberapa baik simbol yang ditransmisikan menyampaikan dan menafsirkan semantik informasi, dan penelitian ini baru saja dimulai.

Namun, sistem komunikasi yang berlandaskan konteks semantik ini, berbeda dengan sistem komunikasi sintaksis yang ada, bergantung pada AI untuk keandalan (reliability), sehingga sangat besar kemungkinan timbulnya masalah. Meskipun memiliki basis pengetahuan (Knowledge Based) yang sama, dari wilayah kotak hitam (black box) model dapat muncul interpretasi yang berbeda.

Catatan Akhir

Konon, pada komunikasi seluler 6G (generasi keenam), komunikasi semantik ini akan diterapkan dan menjadi sistem internet cerdas, tetapi masih ada tanda tanya mengenai alasan paradigma yang beroperasi di atas lapisan aplikasi menjadi topik penelitian operator seluler. Menurut intuisi saya, peran operator seluler adalah menjamin tingkat kematangan 1, yaitu simbol dan bit ditransmisikan secara akurat secara teknis, sedangkan saat komunikasi semantik berfungsi sudah berada di ranah aplikasi.

Di sisi lain, muncul pula keraguan apakah dalam teknologi komunikasi yang harus menjadikan keandalan sebagai nilai dasar ini dapat tercipta paradigma baru. Saya pun memiliki keraguan yang sama dan secara pribadi cenderung sedikit pesimis.

Meski demikian, saya menulis tulisan ini karena menurut saya paradigma berikutnya dalam komunikasi seluler berkembang dengan cara yang cukup menarik. Adanya internet satelit untuk memperluas kapasitas kanal sudah hampir pasti dengan kemunculan Project Kuiper, Starlink, dan lainnya, dan upaya untuk menembus batas yang selama ini dibatasi oleh Hukum Shannon dengan cara baru sangat menarik perhatian saya.