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

Legge di Shannon

Le comunicazioni odierne si sono sviluppate basandosi sulla Legge di Shannon (Shannon's Law). Questa è la teoria che definisce i limiti della comunicazione di rete, e i tentativi di innalzare il massimo della capacità di canale della formula che sarà descritta di seguito. Ci sono, ad esempio, tecnologie come il MIMO (Multiple Input Multiple Output). Tali 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 di canale.

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

Dopo l'introduzione di questa legge per il calcolo della capacità di canale, l'industria delle comunicazioni ha iniziato a concentrare gli sforzi per incrementare tale capacità. Così, per circa 70 anni, l'innovazione nelle comunicazioni si è realizzata principalmente nel miglioramento della capacità di canale.

Tuttavia, nell'era attuale, le risorse di elaborazione si sono evolute notevolmente. Le comunicazioni sono passate dall'invio di testo all'invio di vettori spaziali. Ha iniziato a manifestarsi un limite 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 Tera al giorno, e sostenere questo con le attuali reti di comunicazione è quasi impossibile. Raggiungerebbe un limite economico/fisico il semplice posare più cavi e installare più antenne per risolvere il problema.

Così, ha iniziato a essere studiato un paradigma che si discosta dal precedente, volto a trasmettere con precisione ogni bit, introducendo l'intelligenza nella comunicazione e mirando alla sola trasmissione del contesto. (Il concetto stesso esisteva da decenni). E questo è un cambiamento dovuto al recente e potente sviluppo dei modelli di intelligenza e alla crescente necessità di comunicare dati più massivi.

Questo è chiamato Comunicazione Semantica (Semantic Communication), in quanto è una comunicazione che scambia significati.

Comunicazione Semantica (Semantic communication)

La comunicazione semantica mira a trasmettere solo il significato centrale, ovvero il contesto, contenuto nei dati, a differenza di prima dove veniva trasmesso l'intero dato.

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

1. Problema tecnico: Con quale precisione un simbolo (Symbol) può essere trasmesso? (Questa è l'area centrale della mia teoria.)
2. Problema semantico: Il simbolo trasmesso veicola l'esatto 'significato' desiderato?
3. Problema di efficacia: Il significato trasmesso influenza in modo efficace l'azione del ricevente?

Finora, lo sviluppo delle comunicazioni ha quasi risolto il problema tecnico, e ora si sta affrontando il 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) è emblematicamente illustrata dall'esempio della casa in fiamme.

Una casa sta bruciando.

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

Nella comunicazione semantica, invece di inviare tutti i dati come "fumo nero esce dalle finestre e si vedono le fiamme", si trasmette solo il 'significato' centrale: "Incendio in corso, necessario intervento immediato". L'obiettivo è quello di omettere drasticamente le informazioni non necessarie e indurre il ricevente a compiere un'azione specifica (l'intervento).

Se la comunicazione avviene tra terminali che possiedono la stessa base di conoscenza nella categoria dei servizi antincendio, ciò può ridurre in modo significativo la quantità di dati di trasmissione necessari per comprendere la situazione.

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, e sul lato ricevente, un decodificatore semantico li elabora in una forma utilizzabile dalla sorgente a valle. Entrambi saranno probabilmente nella forma di un modello inferenziale con la stessa base di conoscenza, e questo rende possibile una comunicazione che scambia la semantica senza la trasmissione di dati massivi.

Naturalmente, ciò è garantito dalla completezza del paradigma di comunicazione esistente. Prima di tutto, deve essere possibile trasmettere il simbolo con precisione a livello tecnico, e questo livello di maturità è già stato raggiunto. Ora, il compito principale è diventato 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 tale contesto semantico, a differenza del sistema di comunicazione sintattico esistente, ha un'alta probabilità di insorgenza di problemi poiché si affida all'AI, ecc., per la affidabilità (reliability). Anche se si possiede la stessa Knowledge Based, possono emergere interpretazioni diverse dall'area "black box" del modello.

Postfazione

Si dice che nella 6G (sesta generazione) di comunicazione mobile verrà applicata questa comunicazione semantica per creare un sistema Internet intelligente, ma sussiste un punto interrogativo sul perché un paradigma che opera al di sopra del livello applicativo diventi un tema di ricerca per gli operatori di telefonia mobile. La mia intuizione è che gli operatori di telefonia mobile abbiano il ruolo di garantire il livello di maturità 1, dove i simboli e i bit vengono trasmessi con precisione a livello tecnico, e che il momento in cui la comunicazione semantica entra in funzione sia già di competenza dell'applicazione.

D'altra parte, esiste anche il dubbio se una tale nuova paradigma possa esistere nella tecnologia di comunicazione, che deve avere l'affidabilità come valore fondamentale. Anch'io nutro questo dubbio e personalmente ho una posizione leggermente negativa.

Nonostante ciò, la ragione per cui scrivo questo testo è che ritengo che il prossimo paradigma della comunicazione mobile si stia sviluppando in una forma piuttosto interessante. L'introduzione di Internet satellitare per l'espansione della capacità di canale è un fatto ormai assodato con l'emergere di Project Kuiper, Starlink, ecc., e il tentativo di superare i limiti vincolati dalla Legge di Shannon in una forma nuova è stato piuttosto sorprendente.