AI 기반シマンティック通信が牽引するネクスト通信パラダイム

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まいりました。これは、ネットワーク通信の限界を究明する理論であり、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確保するための努力の一環であります。

シャノンの法則は、チャネル容量を計算する以下の数式として表現されます。

$C = B \cdot \log_{2}(1 + \frac{S}{N})$ 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) を意味しております。分かりやすく言葉で説明しますと、最大通信速度 (C) は、システムが利用できる物理的な周波数リソースの総量 (B) に、信号品質 (S/N) に応じて、そのリソース 1Hz あたり何ビットの情報を載せて運ぶことができるかを示す**効率 ( $\log_{2}(1 + S/N)$ afe9fa2bfe0934a415fbc

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成し遂げられてきました。

しかしながら、現代に至り、プロセシングのリソースは非常に高度に発展しました。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至っています。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、一日あたり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状況です。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しようとすると、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、コンテクストの転送のみを目指すパラダイムの研究が開始されました。（*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ことから、Semantic Communication（シマンティック通信）と呼ばれています。

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、すなわち文脈のみを転送することを目標としています。

この問題は、すでにシャノンとウィ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。

技術的問題: シンボル (Symbol) をどれほど正確に転送できるか？（これが彼らの理論の核心領域であります。）
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を遂行しています。

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、「燃えている家」の例が用いられます。

ある家が燃えているとします。

現在の通信パラダイムでは、この光景を細部にわたりデータ化し、それを写真として転送します。

シマンティック通信では、「窓から黒い煙が出ており、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、即時出動が必要」という核心的な「意味」のみを伝達する方式です。これは、不必要な情報を大胆に省略し、受信者が特定の行動（出動）を取ることを目的としています。

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、これを後段のソースが利用できる形式に加工します。両者は、同一の知識ベースを持つ推論モデルのような形態となることで、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なっており、研究が始まったばかりの段階です。

しかしながら、このような意味論的な文脈に基づいた通信体系は、既存の構文的な通信体系と異なり、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）移動通信においては、このようなシマンティック通信が適用され、知能型インターネット体系になるであ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となるのかについては、疑問符が付きます。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、既に応用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の導入は、Project KuiperやStarlinkなどの登場により事実上既成事実化されていることであり、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、非常に興味深く感じられました。