Het volgende communicatieparadigma, geleid door AI-gebaseerde Semantische Communicatie

De Wet van Shannon

De hedendaagse telecommunicatie is ontwikkeld op basis van de Wet van Shannon (Shannon's Law). Dit is de theorie die de grenzen van netwerkcommunicatie bepaalt, en er zijn pogingen ondernomen om de maximale kanaalcapaciteit van de hierna te bespreken formule te verhogen. Voorbeelden hiervan zijn technologieën zoals MIMO (Multiple Input Multiple Output). Deze technologieën zijn een onderdeel van de inspanningen om een hogere kanaalcapaciteit te bereiken, gebaseerd op de theorie van Shannon.

De Wet van Shannon wordt uitgedrukt in de volgende formule voor het berekenen van de kanaalcapaciteit: $$C = B \cdot \log_{2}(1 + \frac{S}{N})$$

Deze staan respectievelijk voor Kanaalcapaciteit (Channel Capacity), Bandbreedte (Bandwidth) en Signaal-ruisverhouding (Signal-to-Noise Ratio). Eenvoudig gezegd, is de maximale communicatiesnelheid (C) het product van de totale hoeveelheid fysieke frequentiebronnen die het systeem kan gebruiken (B) vermenigvuldigd met de efficiëntie ( $\log_{2}(1 + S/N)$ ), die aangeeft hoeveel bits aan informatie per 1 Hz van die bron kunnen worden overgedragen, afhankelijk van de signaalkwaliteit (S/N).

Nadat deze wet voor het berekenen van de kanaalcapaciteit was geïntroduceerd, begon de communicatie-industrie zich te richten op het vergroten van de kanaalcapaciteit. Gedurende ongeveer 70 jaar zijn de meeste innovaties in de telecommunicatie gerealiseerd door verbetering van de kanaalcapaciteit.

Echter, in de huidige tijd zijn de verwerkingsbronnen (processing resources) enorm geëvolueerd. Communicatie is van het verzenden van tekst geëvolueerd naar het verzenden van ruimtelijke vectoren. Er beginnen grenzen te ontstaan aan het betrouwbaar opsplitsen en verzenden van al deze gegevens. Zo kan een autonoom rijdende auto dagelijks enkele terabytes aan data genereren, en het is bijna onmogelijk om dit met de huidige communicatienetwerken te verwerken. Het simpelweg aanleggen van meer kabels en het plaatsen van meer antennes stuit op economische en fysieke grenzen.

Zo is men begonnen met onderzoek naar een paradigmaverschuiving, waarbij wordt afgestapt van het traditionele paradigma van het nauwkeurig verzenden van alle bits, en waarbij intelligentie in de communicatie wordt geïntroduceerd om enkel de context over te dragen. (Het concept zelf bestaat al decennia) Dit is een verandering die voortkomt uit de krachtige ontwikkeling van recente intelligente modellen en de noodzaak voor de communicatie van steeds grotere hoeveelheden data.

Dit type communicatie, waarbij betekenis (意味) wordt uitgewisseld, wordt Semantic Communication genoemd.

Semantische communicatie (Semantic communication)

Waar traditionele communicatie de gehele data verzond, heeft semantische communicatie tot doel om alleen de kernbetekenis, oftewel de context, die in die data besloten ligt, over te dragen.

Dit probleem werd reeds aangekaart in het communicatiemodel van Shannon en Weaver, die de volwassenheid van communicatie in drie niveaus verdeelden:

1. Technisch probleem: Hoe nauwkeurig kunnen symbolen (Symbol) worden verzonden? (Dit is het kerngebied van mijn theorie.)
2. Semantisch probleem: Hoe nauwkeurig geeft het verzonden symbool de gewenste 'betekenis' over?
3. Effectiviteitsprobleem: Hoe effectief beïnvloedt de overgedragen betekenis de acties van de ontvanger?

De ontwikkeling van communicatie heeft het technische probleem bijna opgelost, en nu is de taak om de semantische en effectiviteitsproblemen te vertalen.

Het verschil tussen volwassenheidsniveau 1 en niveaus 2 en 3 (semantische communicatie) wordt typisch geïllustreerd met het voorbeeld van een brandend huis.

Er staat een huis in brand.

In het huidige communicatieparadigma wordt deze scène zorgvuldig gedigitaliseerd en als een foto verzonden.

Bij semantische communicatie wordt niet alle data verzonden, zoals "er komt zwarte rook uit het raam en er zijn vlammen zichtbaar", maar wordt enkel de kern'betekenis' overgedragen: "Brand uitgebroken, onmiddellijke uitruk noodzakelijk". Dit systeem laat onnodige informatie achterwege en richt zich erop de ontvanger tot een specifieke actie (uitrukken) aan te zetten.

Als het gaat om end-to-end communicatie waarbij de partijen dezelfde kennisbasis hebben binnen de categorie brandbestrijding, kan dit de hoeveelheid over te dragen data die nodig is om de situatie te begrijpen, drastisch verminderen.

De kern van de encoding/decoding logica van deze semantische communicatie opereert op de applicatielaag, hoewel het een communicatieparadigma is. Aan de zendzijde wordt de gegeven data door een semantische encoder omgezet in semantische data, en aan de ontvangstzijde verwerkt een semantische decoder deze in een vorm die door de achterliggende bron kan worden gebruikt. Beide zullen de vorm aannemen van een inferentiemodel met dezelfde kennisbasis, waardoor communicatie mogelijk wordt waarbij de semantiek wordt uitgewisseld zonder de noodzaak van enorme gegevensoverdracht.

Vanzelfsprekend wordt dit gegarandeerd op basis van de voltooiing van het bestaande communicatieparadigma. Ten eerste moet het technisch mogelijk zijn om symbolen nauwkeurig te verzenden, en dit volwassenheidsniveau is reeds bereikt. Nu is de belangrijkste uitdaging hoe goed het verzonden symbool de semantiek van de informatie overdraagt en interpreteert, en het onderzoek hiernaar is net begonnen.

Echter, in tegenstelling tot de bestaande syntactische communicatiesystemen, is de kans zeer groot dat problemen zullen ontstaan in dit communicatiesysteem op basis van semantische context, omdat het voor de betrouwbaarheid (reliability) afhankelijk is van AI of dergelijke. Zelfs als men over dezelfde Knowledge Base beschikt, kunnen verschillende interpretaties voortkomen uit het 'black box'-gebied van het model.

Nagedachtenis

Er wordt gezegd dat in 6G (zesde generatie) mobiele communicatie deze semantische communicatie zal worden toegepast, wat zal leiden tot een intelligent internetsysteem. Er is echter een vraagteken bij waarom een paradigma dat op de applicatielaag werkt, een onderzoekstaak wordt voor mobiele communicatiebedrijven. Mijn intuïtie is dat de mobiele operators de rol hebben om het volwassenheidsniveau 1 te garanderen, waarbij symbolen en bits technisch nauwkeurig worden verzonden, en dat het moment waarop semantische communicatie operationeel wordt, al tot het domein van de applicaties behoort.

Tevens bestaat de vraag of dit een nieuw paradigma zal zijn in een communicatietechnologie die betrouwbaarheid als fundamentele waarde moet hanteren. Ook ik heb deze twijfels en ben persoonlijk enigszins negatief.

De reden dat ik desondanks dit stuk schrijf, is dat ik de ontwikkeling van het volgende paradigma in mobiele communicatie als een vrij intrigerende vorm beschouw. De introductie van satellietinternet om de kanaalcapaciteit uit te breiden is feitelijk een voldongen feit met de opkomst van Project Kuiper, Starlink en dergelijke, en de poging om de beperkingen van de Wet van Shannon op een nieuwe manier te doorbreken, vond ik opmerkelijk.

Aangezien er geen inhoud is over GO, sluit ik af met een gopher.