Następny Paradygmat Komunikacyjny Kształtowany przez Komunikację Semantyczną Opartą na AI

Prawo Shannona

Współczesna komunikacja rozwijała się w oparciu o Prawo Shannona (Shannon's Law). Jest to teoria określająca granice komunikacji sieciowej, a wszelkie próby miały na celu zwiększenie maksymalnej pojemności kanału w poniższym wzorze. Przykładem są technologie takie jak MIMO (Multiple Input Multiple Output). Technologie te stanowią część wysiłków na rzecz osiągnięcia wyższej pojemności kanału w oparciu o teorię Shannona.

Prawo Shannona jest wyrażane za pomocą poniższego wzoru do obliczenia pojemności kanału: $$C = B \cdot \log_{2}(1 + \frac{S}{N})$$ author: yoonhyunwoo

Oznaczają one odpowiednio Pojemność Kanału (Channel Capacity), Szerokość Pasma (Bandwidth) oraz Stosunek Sygnału do Szumu (Signal-to-Noise Ratio). Ujmując to w prostych słowach, Maksymalna prędkość komunikacji (C) to iloczyn całkowitej ilości fizycznych zasobów częstotliwości (B), z których system może korzystać, oraz Efektywności (log₂(1 + S/N)), która określa, ile bitów informacji można przesłać na 1 Hz tych zasobów, w zależności od jakości sygnału (S/N).

Wraz z pojawieniem się tego prawa obliczania pojemności kanału, branża komunikacyjna zaczęła koncentrować się na jej zwiększaniu. W ten sposób, przez około 70 lat, innowacje w komunikacji w większości polegały na poprawie pojemności kanału.

Jednak w obecnych czasach zasoby przetwarzania rozwinęły się w ogromnym stopniu. Komunikacja, która kiedyś przesyłała tekst, osiągnęła etap przesyłania wektorów przestrzennych. Zaczęły pojawiać się ograniczenia w niezawodnym dzieleniu i przesyłaniu wszystkich tych danych. Na przykład, dane generowane przez samochody autonomiczne mogą wynosić wiele terabajtów dziennie, a obecne sieci komunikacyjne są bliskie niemożliwości obsłużenia tego. Osiągnięcie granicy ekonomicznej/fizycznej staje się nieuniknione, jeśli problem ma być rozwiązany przez proste położenie większej liczby kabli i zainstalowanie większej liczby anten.

W ten sposób rozpoczęto badania nad paradygmatem, który odchodzi od istniejącego paradygmatu dokładnego przesyłania wszystkich bitów i dąży do przesyłania jedynie kontekstu poprzez wprowadzenie inteligencji do komunikacji. (*Sama koncepcja istnieje od dziesięcioleci). Jest to zmiana spowodowana silnym rozwojem modeli inteligentnych i rosnącą potrzebą komunikacji większych ilości danych.

Nazywa się to Komunikacją Semantyczną (Semantic Communication), ponieważ polega na wymianie znaczenia (意味).

Komunikacja semantyczna (Semantic communication)

Komunikacja semantyczna ma na celu przesyłanie tylko kluczowego znaczenia, czyli kontekstu, zawartego w danych, w przeciwieństwie do tradycyjnego przesyłania całych danych.

Kwestia ta została już podniesiona w modelu komunikacji Shannona i Weavera, którzy podzielili dojrzałość komunikacji na trzy poziomy:

1. Problem techniczny: Jak dokładnie można przesłać symbol (Symbol)? (To jest kluczowy obszar mojej teorii.)
2. Problem semantyczny: Jak dokładnie przesłany symbol przekazuje pożądane 'znaczenie'?
3. Problem efektywności: Jak skutecznie przekazane znaczenie wpływa na zachowanie odbiorcy?

Dotychczasowy rozwój komunikacji niemal rozwiązał problem techniczny, a obecnie zadaniem jest przetłumaczenie problemów semantycznych i efektywności.

Różnica między pierwszym etapem dojrzałości a etapami 2 i 3 (komunikacja semantyczna) jest typowo ilustrowana przykładem płonącego domu.

Pewien dom płonie.

W obecnym paradygmacie komunikacyjnym scena ta jest przekształcana w dane bit po bicie i przesyłana jako zdjęcie.

W komunikacji semantycznej, zamiast przesyłać wszystkie dane, takie jak "z okna wydobywa się czarny dym i widać płomienie", przesyłane jest tylko kluczowe 'znaczenie', takie jak "pożar, konieczna natychmiastowa interwencja". Ma to na celu radykalne pominięcie niepotrzebnych informacji i skłonienie odbiorcy do podjęcia określonego działania (interwencji).

Jeśli jest to komunikacja między punktami końcowymi o tej samej bazie wiedzy w kategorii pożarnictwa, może to radykalnie zmniejszyć ilość danych przesyłanych, które są niezbędne do zrozumienia sytuacji.

Kluczowa logika kodowania/dekodowania w tej komunikacji semantycznej jest paradygmatem komunikacyjnym, ale działa na warstwie aplikacji. Po stronie nadawczej, koder semantyczny przekształca dane wejściowe w dane semantyczne, a po stronie odbiorczej, dekoder semantyczny przetwarza je do postaci, którą może wykorzystać źródło końcowe. Oba będą miały postać modelu wnioskowania opartego na tej samej bazie wiedzy, co umożliwi komunikację semantyczną bez konieczności przesyłania ogromnych ilości danych.

Oczywiście, jest to gwarantowane przez kompletność istniejącego paradygmatu komunikacyjnego. Po pierwsze, symbole muszą być przesyłane dokładnie z technicznego punktu widzenia, a ten poziom dojrzałości został już osiągnięty. Obecnie głównym wyzwaniem stało się to, jak dobrze przesłany symbol przekazuje i interpretuje semantykę informacji, a badania nad tym dopiero się rozpoczynają.

Jednakże, system komunikacyjny oparty na takim kontekście semantycznym, w przeciwieństwie do istniejącego systemu komunikacji syntaktycznej, ma bardzo duże prawdopodobieństwo wystąpienia problemów, ponieważ jego niezawodność (reliability) jest zależna od AI itp. Nawet jeśli istnieje ta sama Baza Wiedzy (Knowledge Based), z czarnej skrzynki modelu mogą wypłynąć różne interpretacje.

Posłowie

Mówi się, że w komunikacji mobilnej 6G (szóstej generacji) zostanie zastosowana komunikacja semantyczna, co przekształci ją w inteligentny system internetowy, ale pojawiają się wątpliwości, dlaczego paradygmat działający na warstwie aplikacji staje się przedmiotem badań operatorów sieci komórkowych. Moja intuicja podpowiada, że operatorzy sieci komórkowych powinni odgrywać rolę gwarantowania poziomu dojrzałości 1, w którym symbole i bity są przesyłane dokładnie pod względem technicznym, a moment, w którym działa komunikacja semantyczna, jest już domeną aplikacji.

Z drugiej strony, istnieje również pytanie, czy w technologii komunikacyjnej, która musi opierać się na niezawodności jako podstawowej wartości, znajdzie się miejsce dla tego nowego paradygmatu. Ja również mam takie wątpliwości i osobiście jestem nieco sceptyczny.

Mimo to, piszę ten artykuł, ponieważ uważam, że następny paradygmat komunikacji mobilnej rozwija się w dość intrygujący sposób. Wprowadzenie Internetu satelitarnego w celu rozszerzenia pojemności kanału jest faktem dokonanym z pojawieniem się Project Kuiper, Starlink itp., a próba przełamania ograniczeń związanych z prawem Shannona w nowej formie była dość zaskakująca.