AI 기반 시맨틱 통신이 이끄는 넥스트 통신 패러다임

シャノンの法則

今日の通信は、シャノンの法則（Shannon's Law）を基盤として発展してきました。これはネットワーク通信の限界を求める理論であり、後述する数式のチャネル容量の最大値を高めるための試みがなされてきました。例えば、MIMO（Multiple Input Multiple Output）のような技術が存在します。これらの技術は、シャノンの理論に基づいて、より高いチャネル容量を持つための努力の一環です。

シャノンの法則は、チャネル容量を計算する以下の数式で表現されます。 $C = B \cdot \log_{2}(1 + \frac{S}{N})$ author: yoonhyunwoo

これらはそれぞれ、チャネル容量（Channel Capacity）、帯域幅（Bandwidth）、信号対雑音比（Signal-to-Noise Ratio） を意味します。分かりやすく言葉で説明すると、最大通信速度（C） は、システムが使用できる物理的な周波数資源の総量（B）に、信号品質（S/N）に応じてその資源1Hzあたり何ビットの情報を載せて運ぶことができるかという効率（log₂(1 + S/N)） を乗じたものです。

このようにチャネル容量を計算する法則が登場し、通信業界はチャネル容量を増やすために力を注ぎ始めました。そうして、およそ70年間にわたる通信の革新は、そのほとんどがチャネル容量の改善によって実現されてきました。

しかし、現代に至り、プロセシングのリソースは非常に発展しました。通信はテキストを送っていた時代から、今や空間ベクトルを送る段階にまで達しました。このすべてのデータを信頼性をもって細かく分割して転送するには、限界が生じ始めています。例えば、自動運転車が生み出すデータは、一日に数テラに達する可能性があり、これを現在の通信網で支えきることは不可能に近いです。単純により多くのケーブルを敷設し、より多くのアンテナを設置することで解決するには、経済的・物理的な限界に達します。

このように、従来の全ビットを正確に転送するためのパラダイムから脱却し、通信に知能を導入することによって、コンテキストの転送のみを図るパラダイムが研究され始めました。（*概念自体は数十年前から存在していました）そして、これは近年の知能モデルの強力な発展と、より巨大なデータの通信が必要になったことに伴う変化です。

これは意味（意味）をやり取りする通信であるとして、Semantic Communicationと呼ばれます。

シマンティック通信（Semantic communication）

シマンティック通信は、従来データ全体を転送していたのに対し、今後はその中に含まれる核心的な意味、すなわち文脈（コンテキスト） のみを転送することを目標とします。

このような問題は、すでにシャノンとウィーバーの通信モデルで提起された問題であり、彼らは通信の成熟度を三つのレベルに分類しました。

技術的問題：シンボル（Symbol）をどれだけ正確に転送できるか？（これが私の理論の核心領域です。）
意味論的問題：転送されたシンボルは、求める「意味」をどれだけ正確に伝達するか？
効果性の問題：伝達された意味は、受信者の行動にどれだけ効果的に影響を与えるか？

今日まで、通信の発展は技術的な問題をほぼ解決し、今は意味論的、効果性の問題を翻訳する課題に取り組んでいます。

成熟度レベル1と、レベル2、3（シマンティック通信）の違いは、代表的に火事の家の事例が用いられます。

ある家が燃えています。

現在の通信パラダイムでは、この場面を一コマ一コマデータ化し、これを写真として転送します。

シマンティック通信では、これを「窓から黒い煙が出て炎が見える」のようにすべてのデータを送る代わりに、「火災発生、直ちに出動が必要」という核心的な「意味」だけを伝達する方式です。これは、不必要な情報は大胆に省略し、受信者が特定の行動（出動）をとるようにすることを目的としています。

消防というカテゴリの同一の知識ベースを持つエンドツーエンドの通信であれば、これは事態把握に必要な転送データ量を画期的に削減することができます。

このようなシマンティック通信の核心的なエンコーディング/デコーディングロジックは、通信パラダイムではありますが、応用レイヤーの上で動作します。送信側では、シマンティックエンコーダーを通じて与えられたデータを意味論的データに変換し、受信側では、シマンティックデコーダーを通じてこれをバックエンドのソースが使用できる形式に加工します。両者は同じ知識ベースを持つ推論モデルのような形態になるであろうし、これを通じて巨大なデータ転送なしにそのシマンティックをやり取りする通信が可能になります。

当然ながら、これは従来の通信パラダイムの完成度の上で保証されます。まず、技術的にシンボルを正確に転送できる必要があり、このような成熟度レベルはすでに達成された状態です。今や、転送されたシンボルが情報のシマンティックをどれだけうまく伝達および解釈するかが主要な課題として位置づけられ、まだ研究が始まったばかりの状態です。

しかし、このような意味論的な文脈に基づいた通信体系は、従来の構文的通信体系と異なり、信頼性（reliability） をAIなどに依存するため、問題が発生する可能性が非常に高いです。同一のKnowledge Basedを持っていたとしても、モデルのブラックボックス領域で異なる解釈が噴出する可能性があります。

後記

6G（第6世代）移動通信では、このようなシマンティック通信が適用され、インテリジェントなインターネット体系になるだろうと言われていますが、応用階層の上で動作するパラダイムがなぜ移動通信会社の研究課題になるのかについては疑問符があります。私の直感では、移動通信会社は技術的にシンボルとビットが正確に転送されるレベル1の成熟度を保証する役割であり、意味論的通信が動作する時点は、すでにアプリケーションプログラムの領域であると考えられます。

一方では、信頼性を基本価値として据えなければならない通信技術において、これが新規パラダイムとして存在するのかという疑問もまた存在します。私もやはりこのような疑問を抱いており、個人的にはやや否定的な立場です。

それでもこのような記事を書くに至った理由は、移動通信のネクストパラダイムが非常に興味深い形で展開されていると考えているからです。チャネル容量の拡張のための衛星インターネット導入は、Project Kuiper、Starlinkなどの登場により事実上既定路線となっている事実であり、シャノンの法則に束縛されていた限界を新しい形で突破しようとする試みは、非常に新鮮でした。