Il Prossimo Paradigma delle Comunicazioni Guidato dalle Comunicazioni Semantiche basate sull'AI

Legge di Shannon

La comunicazione odierna si è sviluppata sulla base della Legge di Shannon (Shannon's Law). Questa è una teoria che definisce i limiti della comunicazione di rete, e gli sforzi sono stati volti ad aumentare la capacità massima del canale della formula che verrà discussa di seguito. Ad esempio, ci sono tecnologie come MIMO (Multiple Input Multiple Output). Queste tecnologie sono parte di uno sforzo per ottenere una maggiore capacità di canale basata sulla teoria di Shannon.

La Legge di Shannon è espressa dalla seguente formula che calcola la capacità del canale: $$C = B \cdot \log_{2}(1 + \frac{S}{N})$$

Questi termini significano rispettivamente Capacità del Canale (Channel Capacity), Larghezza di Banda (Bandwidth) e Rapporto Segnale-Rumore (Signal-to-Noise Ratio). In parole semplici, la Velocità Massima di Comunicazione (C) è il risultato della moltiplicazione della quantità totale di risorse fisiche di frequenza che il sistema può utilizzare (B) per l'Efficienza (log₂(1 + S/N)) che indica quanti bit di informazione possono essere trasmessi per ogni 1Hz di risorsa, a seconda della qualità del segnale (S/N).

Con l'introduzione di questa legge che calcola la capacità del canale, l'industria delle comunicazioni ha iniziato a concentrare i propri sforzi sull'aumento della capacità del canale. Così, per circa 70 anni, la maggior parte dell'innovazione nelle comunicazioni si è realizzata attraverso il miglioramento della capacità del canale.

Tuttavia, nell'era attuale, le risorse di elaborazione si sono evolute notevolmente. La comunicazione è passata dall'inviare testo all'inviare vettori spaziali. Sono emersi dei limiti nella possibilità di suddividere e trasmettere in modo affidabile tutti questi dati. Ad esempio, i dati generati da un'automobile a guida autonoma possono ammontare a diversi Terabyte al giorno, ed è quasi impossibile per l'attuale rete di comunicazione gestirli. Il semplice fatto di installare più cavi e disporre più antenne porta a limiti economici e fisici.

È così che ha iniziato a essere studiato un paradigma che si allontana dal paradigma esistente che mira a trasmettere accuratamente l'intero bit, introducendo l'intelligenza nella comunicazione per mirare solo alla trasmissione del contesto. (*Il concetto stesso esiste da decenni) E questo è un cambiamento dovuto al potente sviluppo recente dei modelli di intelligenza e alla necessità di comunicare dati più grandi.

Questa viene chiamata Comunicazione Semantica (Semantic Communication) in quanto è una comunicazione che scambia il significato (意味).

Comunicazione Semantica (Semantic communication)

Se la comunicazione semantica in precedenza trasmetteva l'intero dato, ora mira a trasmettere solo il significato centrale, ovvero il contesto, in esso contenuto.

Questo problema è già stato sollevato nel modello di comunicazione di Shannon e Weaver, i quali hanno suddiviso la maturità della comunicazione in tre livelli.

1. Problema Tecnico: Con quale precisione un simbolo (Symbol) può essere trasmesso? (Questo è il campo centrale della mia teoria.)
2. Problema Semantico: Il simbolo trasmesso trasmette in modo accurato il 'significato' desiderato?
3. Problema di Efficacia: Il significato trasmesso influenza in modo efficace il comportamento del ricevente?

Finora, lo sviluppo della comunicazione ha quasi risolto il problema tecnico, e ora si concentra sul compito di tradurre i problemi semantici e di efficacia.

La differenza tra il livello di maturità 1 e i livelli 2 e 3 (Comunicazione Semantica) viene tipicamente illustrata con l'esempio della casa in fiamme.

Una casa sta bruciando.

Nel paradigma di comunicazione attuale, questa scena viene meticolosamente trasformata in dati e trasmessa come foto.

Nella comunicazione semantica, invece di inviare tutti i dati come "si vede fumo nero uscire dalla finestra e fiamme", il metodo consiste nel trasmettere solo il 'significato' centrale, come "Incendio in corso, necessario intervento immediato". Questo mira a omettere drasticamente le informazioni non necessarie e a indurre il ricevente a compiere un'azione specifica (l'intervento).

Se si tratta di una comunicazione end-to-end che possiede la stessa base di conoscenza nella categoria dei pompieri, ciò può ridurre in modo significativo la quantità di dati di trasmissione necessari per comprendere la situazione.

La logica centrale di codifica/decodifica di questa comunicazione semantica è un paradigma di comunicazione, ma opera sopra il layer applicativo. Sul lato trasmittente, un codificatore semantico converte i dati forniti in dati semantici, e sul lato ricevente, un decodificatore semantico elabora questi dati in una forma che la sorgente a valle può utilizzare. Entrambi saranno sotto forma di un modello di inferenza con la stessa base di conoscenza, e attraverso questo, sarà possibile una comunicazione che scambia la semantica senza la trasmissione di dati massivi.

Naturalmente, questo è garantito sulla base della completezza del paradigma di comunicazione esistente. In primo luogo, deve essere possibile trasmettere accuratamente i simboli a livello tecnico, e questo livello di maturità è già stato raggiunto. Ora, la questione principale è quanto bene il simbolo trasmesso veicoli e interpreti la semantica dell'informazione, e la ricerca è appena agli inizi.

Tuttavia, un sistema di comunicazione basato su questo contesto semantico, a differenza del sistema di comunicazione sintattico esistente, ha un'alta probabilità di problemi poiché la affidabilità (reliability) dipende dall'IA e simili. Anche se si possiede la stessa Knowledge Based, interpretazioni diverse possono emergere dalla zona "black box" del modello.

Postfazione

Si dice che nella comunicazione mobile 6G (sesta generazione), questa comunicazione semantica verrà applicata, portando a un sistema internet intelligente, ma ci sono punti interrogativi sul perché un paradigma che opera sopra il livello applicativo diventi un progetto di ricerca per gli operatori di telefonia mobile. La mia intuizione è che gli operatori di telefonia mobile hanno il ruolo di garantire il livello di maturità 1, in cui i simboli e i bit vengono trasmessi accuratamente a livello tecnico, e il momento in cui la comunicazione semantica opera è già il dominio delle applicazioni.

D'altra parte, esiste anche il dubbio se un tale nuovo paradigma possa esistere in una tecnologia di comunicazione che deve avere l'affidabilità come valore fondamentale. Anch'io nutro questo dubbio e personalmente sono un po' scettico.

Nonostante ciò, la ragione per cui scrivo questo articolo è che ritengo che il prossimo paradigma della comunicazione mobile si stia sviluppando in una forma piuttosto interessante. L'introduzione dell'internet satellitare per espandere la capacità del canale è un fatto quasi assodato con l'emergere di Project Kuiper, Starlink e altri, e il tentativo di superare i limiti vincolati dalla legge di Shannon in una nuova forma è stato piuttosto affascinante.

Dato che non c'è contenuto su GO, concludo con un gopher.