Limiti di capacità del canale di Shannon e struttura della comunicazione semantica (Semantic Communication) basata sull'IA

La legge di Shannon

Le comunicazioni odierne si sono sviluppate sulla base della legge di Shannon (Shannon's Law). Si tratta di una teoria che determina il limite delle comunicazioni di rete, e i tentativi compiuti miravano ad aumentare il valore massimo della capacità del canale espressa dalla formula che segue. Ne sono un esempio tecnologie come MIMO (Multiple Input Multiple Output). Tali tecnologie rientrano negli sforzi volti a ottenere una capacità del canale più elevata sulla base della teoria di Shannon.

La legge di Shannon si esprime mediante la seguente formula per il calcolo della capacità del canale.

Questi simboli rappresentano rispettivamente la capacità del canale (Channel Capacity), la larghezza di banda (Bandwidth) e il rapporto segnale-rumore (Signal-to-Noise Ratio). Espresso in termini semplici, la velocità massima di comunicazione (C) si ottiene moltiplicando la quantità totale di risorse di frequenza fisiche utilizzabili dal sistema (B) per l'efficienza (log₂(1 + S/N)), che indica quanti bit di informazione possono essere trasmessi per ciascun 1 Hz di tale risorsa in funzione della qualità del segnale (S/N).

Con l'introduzione della legge che consente di calcolare la capacità del canale, il settore delle comunicazioni ha iniziato a impegnarsi per aumentarne la capacità. Per circa settant'anni, dunque, l'innovazione nelle comunicazioni si è concentrata in gran parte sul miglioramento della capacità del canale.

Tuttavia, nell'epoca attuale le risorse di elaborazione sono progredite in misura notevole. Le comunicazioni sono passate dalla trasmissione di testo alla trasmissione di vettori spaziali. Si è cominciato a riscontrare il limite di una trasmissione affidabile e frammentata di tutti questi dati. Ad esempio, i dati generati da un'automobile a guida autonoma possono raggiungere diversi terabyte al giorno, e sostenerli con le reti di comunicazione attuali è quasi impossibile. Semplicemente posare un numero maggiore di cavi e installare un numero maggiore di antenne comporta il raggiungimento di limiti economici e fisici.

Così, allontanandosi dal paradigma tradizionale che mira a trasmettere con precisione tutti i bit, ha cominciato a essere studiato un paradigma che, introducendo l'intelligenza nelle comunicazioni, mira alla sola trasmissione del contesto. (*Il concetto stesso esiste da decenni.) Questo cambiamento è conseguenza del recente forte sviluppo dei modelli di intelligenza artificiale e della crescente necessità di comunicare dati di dimensioni maggiori.

Questa si chiama comunicazione semantica, in quanto è una comunicazione che scambia significati.

Comunicazione semantica (Semantic communication)

La comunicazione semantica ha come obiettivo la trasmissione del solo significato essenziale, ossia del contesto, contenuto nei dati, mentre in precedenza si trasmetteva l'intero insieme dei dati.

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

1. Problema tecnico: con quanta accuratezza si può trasmettere il simbolo (Symbol)? (Questo è il campo centrale della mia teoria.)
2. Problema semantico: con quanta accuratezza il simbolo trasmesso trasmette il "significato" desiderato?
3. Problema di efficacia: con quale efficacia il significato trasmesso influisce sul comportamento del destinatario?

Finora lo sviluppo della comunicazione ha quasi risolto il problema tecnico, e ora si occupa del compito di affrontare i problemi semantico e di efficacia.

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

Una casa sta bruciando.

Nel paradigma attuale della comunicazione, questa scena viene digitalizzata minuziosamente e trasmessa sotto forma di fotografia.

Nella comunicazione semantica, invece di inviare tutti i dati come "dalla finestra escono fumo nero e fiamme", si trasmette solo il significato essenziale "incendio in corso, intervento immediato necessario". Ciò consiste nell'omettere con decisione le informazioni superflue e nel mirare a indurre il destinatario a compiere una determinata azione (l'intervento).

Se le due estremità della comunicazione possiedono la stessa base di conoscenza nella categoria dei vigili del fuoco, la quantità di dati necessaria per comprendere la situazione può essere ridotta in modo radicale.

La logica centrale di codifica/decodifica della comunicazione semantica è un paradigma di comunicazione, ma opera al di sopra del livello applicativo. Sul lato trasmittente, un codificatore semantico converte i dati forniti in dati semantici, mentre sul lato ricevente un decodificatore semantico li elabora in una forma utilizzabile dalla sorgente a valle. Entrambi assumeranno la forma di modelli inferenziali o simili che possiedono la stessa base di conoscenza, e in questo modo diventa possibile scambiare la semantica senza la trasmissione di dati di grandi dimensioni.

Naturalmente, ciò è garantito sulla base della completezza del paradigma di comunicazione tradizionale. Anzitutto è necessario essere in grado di trasmettere con precisione i simboli dal punto di vista tecnico, e tale livello di maturità è già stato raggiunto. Ora il principale compito è quanto bene i simboli trasmessi trasmettano e interpretino la semantica dell'informazione, e la ricerca in questo ambito è appena cominciata.

Tuttavia, i sistemi di comunicazione basati su questa semantica contestuale, a differenza dei tradizionali sistemi di comunicazione sintattica, fanno affidamento sull'IA per garantire l'affidabilità (reliability), per cui la probabilità che sorgano problemi è molto elevata. Anche con la stessa Knowledge Base, dalla zona a scatola nera del modello possono emergere interpretazioni diverse.

Conclusioni

Si afferma che nel 6G (sesta generazione di comunicazioni mobili) la comunicazione semantica sarà applicata e diventerà un sistema di internet intelligente, ma vi sono dubbi sul motivo per cui un paradigma che opera al di sopra del livello applicativo debba diventare un oggetto di ricerca degli operatori di telefonia mobile. Secondo la mia intuizione, il ruolo degli operatori è garantire il livello di maturità 1, in cui simboli e bit vengono trasmessi con precisione dal punto di vista tecnico, mentre il momento in cui opera la comunicazione semantica appartiene già al dominio delle applicazioni.

D'altra parte, esiste anche il dubbio se per le tecnologie di comunicazione, che devono poggiare sull'affidabilità come valore di base, possa emergere un nuovo paradigma. Anch'io nutro questo dubbio e, personalmente, ho una posizione piuttosto negativa.

Nonostante ciò, scrivo questo testo perché ritengo che il prossimo paradigma delle comunicazioni mobili si stia sviluppando in forme piuttosto interessanti. L'introduzione di Internet satellitare per l'espansione della capacità del canale è di fatto un dato acquisito, grazie all'avvento di progetti come Project Kuiper e Starlink, e il tentativo di superare in una nuova forma i limiti imposti dalla legge di Shannon è stato piuttosto sorprendente.