AI基盤のセマンティック通信が牽引する次世代通信パラダイム

シャノンの法則

今日における通信は、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、後述する数式におけるチャネル容量の最大値を高めるための試みが行われてきました。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き、より高いチャネル容量を達成する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伝送できるかを示す効率（log₂(1 + S/N)）**を乗じたものとなります。

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大させるために尽力し始めました。その結果、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。

しかしながら、現代に至り、プロセシングのリソースは極めて発展しました。通信はテキストを送信していた時代から、今や空間ベクトルを送信する段階にまで達しました。この全てのデータを信頼性をもって分割し転送すること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続けることは不可能に近いことです。単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、経済的および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で、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あります。

これは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、今や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。

この種の問題は、既にシャノンとウェーバーの通信モデルにおいて提起されており、彼らは通信の成熟度を三つのレベルに分類しました。

1. 技術的問題：シンボル（Symbol）をどれほど正確に転送できるか？（これが私の理論の核心領域です。）
2. 意味論的問題：転送されたシンボルは、意図された「意味」をどれほど正確に伝えるか？
3. 効果性問題：伝達された意味は、受信者の行動にどれほど効果的に影響を及ぼすか？

これまでの通信の発展は、技術的問題をほぼ解決し、今や意味論的、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）の違いを代表的に示す例として、火災の家の例が用いられます。

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「窓から黒煙が出ていて炎が見える」といったように、全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」のみを伝達する方式です。これは、不要な情報を大胆に省略し、受信者が特定の行動（出動）をとることを目的にしています。

消防というカテゴリー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となるエンコーディング/デコーディングロジックは、通信パラダイムでありながら、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を通じてこれを後続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となるでしょう。これにより、巨大なデータ転送なしでも、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、これは既存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既に達成されています。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し、解釈するかが主要な課題となっており、研究が始まったばかりの段階です。

しかし、このような意味論的文脈に基づいた通信体系は、既存の構文的通信体系とは異なり、**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くなります。同一のKnowledge Basedを有していたとしても、モデルのブラックボックス領域から異なる解釈が導出され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、なぜ移動体通信事業者の研究課題となるのかについては疑問符が残ります。私の直感では、移動体通信事業者は、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既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、信頼性を基本価値として保た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成立するのかという疑問も存在します。私もまた、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。

それにもかかわらず、このような文章を書くに至ったのは、移動通信のネクストパラダイムが、かなり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の事実となっており、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興味深く感じられました。

GOに関する内容がないため、gopherで締めくくります。