Granice pojemności kanału Shannona a struktura komunikacji semantycznej (Semantic Communication) opartej na sztucznej inteligencji

Prawo Shannona

Dzisiejsza komunikacja rozwijała się w oparciu o prawo Shannona (Shannon's Law). Jest to teoria wyznaczająca granice komunikacji sieciowej, a próby podnoszenia maksymalnej wartości pojemności kanału, opisanej poniższym wzorem, stanowiły odpowiedź na ten problem. Przykładem są techniki takie jak MIMO (Multiple Input Multiple Output). Technologie te są wynikiem wysiłków, których celem jest uzyskanie wyższej pojemności kanału na podstawie teorii Shannona.

Prawo Shannona wyraża się wzorem służącym do obliczania pojemności kanału, przedstawionym poniżej.

Symbole te oznaczają odpowiednio pojemność kanału (Channel Capacity), szerokość pasma (Bandwidth) oraz stosunek sygnału do szumu (Signal-to-Noise Ratio). Mówiąc prostym językiem, maksymalna szybkość transmisji (C) jest iloczynem całkowitej ilości fizycznych zasobów częstotliwościowych, jakimi dysponuje system (B), oraz sprawności (log₂(1 + S/N)), określającej, ile bitów informacji może zostać przeniesionych w ramach jednego herca tego zasobu, w zależności od jakości sygnału (S/N).

Wraz z pojawieniem się prawa obliczającego pojemność kanału branża telekomunikacyjna zaczęła dążyć do jej zwiększania. Przez około 70 lat innowacje w telekomunikacji dokonywały się w dużej mierze poprzez udoskonalanie pojemności kanału.

Jednak w obecnych czasach zasoby przetwarzania rozwinęły się w stopniu niezwykle wysokim. Komunikacja przeszła od przesyłania tekstu do przesyłania wektorów przestrzennych. Zaczęto napotykać ograniczenia w rzetelnym dzieleniu i przesyłaniu całości tych danych. Przykładowo dane generowane przez samochód autonomiczny mogą osiągać wielkość kilku terabajtów dziennie, a utrzymanie ich w obecnych sieciach komunikacyjnych jest niemal niemożliwe. Samo kładzenie coraz większej liczby przewodów i instalowanie coraz większej liczby anten prowadzi do osiągnięcia granic ekonomicznych i fizycznych.

Zaczęto zatem badać paradygmat, który odchodzi od dotychczasowego podejścia, polegającego na dokładnym przesyłaniu wszystkich bitów, i zamiast tego zmierza do przesyłania wyłącznie kontekstu, dzięki wprowadzeniu inteligencji w komunikacji między urządzeniami (*sama koncepcja istnieje od kilkudziesięciu lat). Jest to zmiana wynikająca z niedawnego, znaczącego rozwoju zaawansowanych modeli inteligentnych oraz z rosnącej potrzeby przesyłania znacznie większych zbiorów danych.

Nazywa się ją komunikacją semantyczną (Semantic Communication), ponieważ polega na wymianie znaczeń.

Komunikacja semantyczna (Semantic communication)

Komunikacja semantyczna, która dotychczas polegała na przesyłaniu całości danych, ma na celu przesyłanie jedynie ich kluczowego znaczenia, czyli kontekstu.

Problem ten został już postawiony w modelu komunikacji Shannona i Weavera, którzy podzielili dojrzałość komunikacji na trzy poziomy.

Problem techniczny: Z jaką dokładnością można przesłać symbol? (To jest główna dziedzina mojej teorii.)
Problem semantyczny: Z jaką dokładnością przesłany symbol przekazuje pożądane „znaczenie”?
Problem skuteczności: W jakim stopniu przekazane znaczenie skutecznie wpływa na zachowanie odbiorcy?

Dotychczasowy rozwój komunikacji w dużej mierze rozwiązał problem techniczny, a obecnie zadaniem jest rozwiązanie problemów semantycznego i skuteczności.

Różnicę między poziomem dojrzałości 1 a poziomami 2 i 3 (komunikacja semantyczna) najlepiej ilustruje przykład płonącego domu.

Pewien dom stoi w ogniu.

W obecnym paradygmacie komunikacji scenę tę przetwarza się cyfrowo, element po elemencie, i przesyła jako zdjęcie.

W komunikacji semantycznej zamiast wysyłać wszystkie dane, w rodzaju „z okna unosi się czarny dym i widać płomienie”, przekazuje się wyłącznie kluczowe znaczenie: „Pożar, konieczna natychmiastowa interwencja”. Taki sposób pomija informacje zbędne i ma na celu skłonienie odbiorcy do określonego działania (wyjazdu na miejsce zdarzenia).

Jeśli nadawca i odbiorca należą do tej samej kategorii, np. straży pożarnej, i dysponują tą samą bazą wiedzy, komunikacja typu end-to-end może znacząco ograniczyć ilość danych potrzebnych do oceny sytuacji.

Podstawowa logika kodowania i dekodowania komunikacji semantycznej jest paradygmatem komunikacyjnym, lecz działa na warstwie aplikacji. Po stronie nadawcy koder semantyczny przekształca dane wejściowe w dane semantyczne, a po stronie odbiorcy dekoder semantyczny przetwarza je do postaci, którą może wykorzystać źródło działające dalej w łańcuchu. Oba elementy będą miały postać modeli wnioskujących, opartych na tej samej bazie wiedzy, dzięki czemu możliwa będzie wymiana znaczeń bez przesyłania ogromnych ilości danych.

Oczywiście opiera się to na dojrzałości dotychczasowego paradygmatu komunikacji. Najpierw symbole muszą być technicznie przesyłane z dokładnością, a ten poziom dojrzałości został już osiągnięty. Obecnie kluczowym zagadnieniem stało się to, jak dobrze przesyłane symbole przekazują i interpretują znaczenie informacji, a badania w tym obszarze dopiero się zaczynają.

Jednak systemy komunikacji oparte na tym kontekście semantycznym, w odróżnieniu od tradycyjnych systemów składniowych, opierają niezawodność (reliability) na sztucznej inteligencji, co sprawia, że ryzyko problemów jest bardzo wysokie. Nawet przy tej samej bazie wiedzy (Knowledge Based) w obszarze czarnej skrzynki modelu mogą powstawać różne interpretacje.

Podsumowanie

Mówi się, że w 6G (szóstej generacji sieci mobilnych) komunikacja semantyczna zostanie zastosowana, tworząc inteligentny system internetowy. Jednak to, dlaczego paradygmat działający na warstwie aplikacji stał się przedmiotem badań operatorów sieci komórkowych, budzi wątpliwości. Moim zdaniem rola operatorów polega na zapewnieniu technicznym poziomu dojrzałości 1, w którym symbole i bity są przesyłane dokładnie, a moment działania komunikacji semantycznej należy już do obszaru aplikacji.

Z drugiej strony pojawia się wątpliwość, czy w technologii komunikacyjnej, w której niezawodność stanowi podstawową wartość, może powstać nowy paradygmat. Sam mam podobne wątpliwości i osobiście zajmuję nieco negatywne stanowisko.

Mimo to piszę ten tekst, ponieważ uważam, że kolejny paradygmat w komunikacji mobilnej rozwija się w bardzo interesującej formie. Wprowadzenie internetu satelitarnego w celu rozszerzenia pojemności kanału stało się już faktem dokonanym wraz z pojawieniem się projektów Project Kuiper i Starlink, a próba przełamania ograniczeń wyznaczonych przez prawo Shannona w nowej formie była dla mnie bardzo zaskakująca.