Het Volgende Communicatieparadigma, Aangestuurd door AI-gebaseerde Semantische Communicatie

De Wet van Shannon

De hedendaagse communicatie is ontwikkeld op basis van de Wet van Shannon (Shannon's Law). Dit is een theorie die de grenzen van netwerkcommunicatie bepaalt, en het waren pogingen om de maximale kanaalcapaciteit van de hierna te beschrijven 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 door de volgende formule voor het berekenen van de kanaalcapaciteit:

$$C = B \cdot \log_{2}(1 + \frac{S}{N})$$ author: yoonhyunwoo

Deze staan respectievelijk voor Kanaalcapaciteit (Channel Capacity), Bandbreedte (Bandwidth) en Signaal-ruisverhouding (Signal-to-Noise Ratio). Om het eenvoudig in woorden uit te leggen: de Maximale Communicatiesnelheid (C) is het product van de totale hoeveelheid fysieke frequentieresources die het systeem kan gebruiken (B) en de **Efficiëntie ( $\log_{2}(1 + S/N)$ afe9fa2bfe0934a415fbc

Nadat deze wet voor het berekenen van de kanaalcapaciteit was geïntroduceerd, begon de communicatie-industrie zich in te zetten voor het vergroten van de kanaalcapaciteit. Gedurende ongeveer 70 jaar is de innovatie in communicatie grotendeels tot stand gekomen door verbetering van de kanaalcapaciteit.

Echter, in de huidige tijd zijn de processingsresources buitengewoon geëvolueerd. Communicatie is van het versturen van tekst geëvolueerd naar het versturen van ruimtelijke vectoren. Er beginnen zich grenzen voor te doen aan het betrouwbaar opdelen en verzenden van al deze data. De data die een zelfrijdende auto genereert, kan bijvoorbeeld oplopen tot meerdere terabytes per dag, en het is bijna onmogelijk voor het huidige communicatienetwerk om dit te verwerken. Het bereiken van een oplossing door simpelweg meer kabels te leggen en meer antennes te plaatsen, stuit op economische/fysieke beperkingen.

Zo is men begonnen met het onderzoeken van een paradigma dat afwijkt van het bestaande paradigma van het nauwkeurig verzenden van alle bits, waarbij men intelligentie in de communicatie introduceert om enkel de context te verzenden. (Het concept zelf bestaat al tientallen jaren.) En dit is een verandering die het gevolg is van de recente krachtige ontwikkeling van intelligente modellen en de behoefte aan communicatie van grotere hoeveelheden data.

Dit wordt Semantic Communication genoemd, aangezien het communicatie is die betekenis uitwisselt.

Semantische communicatie (Semantic communication)

Waar semantische communicatie in het verleden de gehele data verzond, richt het zich nu op het verzenden van uitsluitend de kernbetekenis, oftewel de context, die daarin is vervat.

Dit probleem is 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 hun theorie.)
2. Semantisch probleem: Hoe nauwkeurig brengt het verzonden symbool de gewenste 'betekenis' over?
3. Effectiviteitsprobleem: Hoe effectief beïnvloedt de overgebrachte betekenis het gedrag van de ontvanger?

De ontwikkeling van communicatie heeft het technische probleem tot op heden vrijwel opgelost, en nu wordt de taak uitgevoerd om het semantische en het effectiviteitsprobleem te vertalen.

Het verschil tussen volwassenheidsniveau 1 en de niveaus 2 en 3 (semantische communicatie) wordt doorgaans 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' overgebracht, zoals "brand uitgebroken, onmiddellijke uitruk noodzakelijk". Het doel hiervan is om onnodige informatie resoluut weg te laten en de ontvanger aan te zetten tot een specifieke actie (uitrukken).

Als de communicatie tussen de eindpunten dezelfde kennisbasis binnen de categorie brandbestrijding deelt, kan dit de hoeveelheid te verzenden data die nodig is om de situatie te begrijpen, aanzienlijk verminderen.

De kern van de Encoding/Decoding-logica van deze semantische communicatie is een communicatieparadigma, maar het werkt op de applicatielaag. Aan de zendzijde converteert de semantische encoder de gegeven data naar semantische data, en aan de ontvangstzijde verwerkt de semantische decoder deze zodanig dat de achterliggende bron het kan gebruiken. Beide zullen de vorm aannemen van een inferentiemodel met dezelfde kennisbasis, waardoor communicatie mogelijk wordt die semantiek uitwisselt zonder de noodzaak van enorme dataoverdracht.

Vanzelfsprekend wordt dit gewaarborgd 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. De hoofdtaak is nu hoe goed het verzonden symbool de semantiek van de informatie kan overbrengen en interpreteren, en dit onderzoek staat nog maar in de kinderschoenen.

Echter, in tegenstelling tot de bestaande syntactische communicatiesystemen, is de kans zeer groot dat er problemen ontstaan in een communicatiesysteem dat gebaseerd is op een dergelijke semantische context, omdat het voor de betrouwbaarheid (reliability) afhankelijk is van AI of vergelijkbare technologieën. Zelfs met dezelfde Knowledge Base, kunnen er verschillende interpretaties voortkomen uit het 'black box'-gebied van het model.

Nabetrachting

Er wordt gezegd dat in 6G (6e generatie) mobiele communicatie deze semantische communicatie zal worden toegepast om een intelligent internet ecosysteem te creëren. Er is echter een vraagteken bij waarom een paradigma dat op de applicatielaag werkt, een onderzoekstaak voor mobiele communicatiebedrijven zou zijn. 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 in werking treedt, al in het domein van de applicatiesoftware ligt.

Aan de andere kant bestaat ook de vraag of dit wel een nieuw paradigma kan zijn binnen communicatietechnologie die betrouwbaarheid als fundamentele waarde moet hanteren. Ook ik heb deze twijfels en ben persoonlijk enigszins negatief gestemd.

Toch schrijf ik dit artikel omdat ik denk dat het volgende paradigma van mobiele communicatie zich in een tamelijk interessante vorm ontvouwt. De introductie van satellietinternet voor de uitbreiding van de kanaalcapaciteit is feitelijk een voldongen feit met de komst van Project Kuiper, Starlink, enzovoort, en de poging om de beperkingen van de Wet van Shannon op een nieuwe manier te doorbreken, vond ik nogal fascinerend.