Następny paradygmat komunikacji napędzany przez komunikację semantyczną opartą na AI

Prawo Shannona

Współczesna telekomunikacja rozwijała się w oparciu o Prawo Shannona (Shannon's Law). Jest to teoria określająca granice komunikacji sieciowej, a próby te polegały na zwiększeniu maksymalnej pojemności kanału w formułach, które zostaną przedstawione poniżej. Przykładami są technologie takie jak MIMO (Multiple Input Multiple Output). Technologie te, oparte na teorii Shannona, są częścią wysiłków mających na celu osiągnięcie wyższej pojemności kanału.

Prawo Shannona wyraża się za pomocą poniższej formuły do obliczania 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 sposób łatwy do zrozumienia, Maksymalna Prędkość Komunikacji (C) jest iloczynem całkowitej ilości fizycznych zasobów częstotliwości dostępnych dla systemu (B) 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 telekomunikacyjna zaczęła koncentrować się na jej zwiększaniu. W ten sposób przez około 70 lat innowacje w komunikacji w dużej mierze polegały na poprawie pojemności kanału.

Jednakże, w dzisiejszych czasach zasoby przetwarzania uległy znacznemu rozwojowi. Komunikacja, która kiedyś polegała na wysyłaniu tekstu, osiągnęła etap przesyłania wektorów przestrzennych. Zaczęły pojawiać się ograniczenia w wiarygodnym dzieleniu i przesyłaniu wszystkich tych danych. Na przykład, dane generowane przez samochody autonomiczne mogą wynosić nawet kilka terabajtów dziennie, a sprostanie temu przy użyciu obecnych sieci komunikacyjnych jest niemal niemożliwe. Osiągnięcie granicy ekonomicznej i fizycznej następuje, gdy próbuje się rozwiązać ten problem poprzez proste położenie większej liczby kabli i zainstalowanie większej liczby anten.

W ten sposób rozpoczęto badania nad paradygmatem, który odchodzi od dotychczasowego paradygmatu dokładnego przesyłania wszystkich bitów, wprowadzając inteligencję do komunikacji i dążąc do przesyłania jedynie kontekstu. (Sama koncepcja istniała od dziesięcioleci). Jest to zmiana spowodowana niedawnym potężnym rozwojem modeli inteligentnych i potrzebą komunikacji z wykorzystaniem większych zbiorów danych.

Nazywa się to Komunikacją Semantyczną (Semantic Communication), ponieważ jest to komunikacja, która wymienia znaczenie.

Komunikacja Semantyczna (Semantic communication)

Komunikacja semantyczna, w przeciwieństwie do tradycyjnego przesyłania całego zbioru danych, dąży do przesłania jedynie kluczowego znaczenia, czyli kontekstu, zawartego w tych danych.

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

Problem techniczny: Jak dokładnie można przesłać symbol? (Jest to kluczowy obszar mojej teorii.)
Problem semantyczny: Jak dokładnie przesłany symbol przekazuje pożądane 'znaczenie'?
Problem efektywności: Jak skutecznie przekazane znaczenie wpływa na działanie odbiorcy?

Dotychczasowy rozwój komunikacji niemal całkowicie rozwiązał problem techniczny, a teraz podejmuje się zadania tłumaczenia problemów semantycznych i efektywności.

Różnica między pierwszym poziomem dojrzałości a poziomami 2 i 3 (komunikacja semantyczna) jest najczęściej ilustrowana przykładem płonącego domu.

Jakiś dom płonie.

W obecnym paradygmacie komunikacji scena ta jest piksel po pikselu przetwarzana na dane i przesyłana jako zdjęcie.

W komunikacji semantycznej, zamiast przesyłać wszystkie dane, takie jak "z okna wydobywa się czarny dym i widać płomienie", przekazuje się 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 typu end-to-end z tą samą bazą wiedzy w kategorii straży pożarnej, może to radykalnie zmniejszyć ilość danych przesyłanych, które są niezbędne do oceny sytuacji.

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

Oczywiście, jest to gwarantowane na podstawie kompletności istniejącego paradygmatu komunikacji. Po pierwsze, symbol musi być technicznie przesłany dokładnie, a ten poziom dojrzałości został już osiągnięty. Obecnie głównym wyzwaniem jest to, jak dobrze przesłany symbol przekazuje i interpretuje semantykę informacji, a badania nad tym dopiero się rozpoczynają.

Jednakże, w systemie komunikacji opartym na takim kontekście semantycznym, istnieje duże prawdopodobieństwo wystąpienia problemów, ponieważ wiarygodność (reliability), w przeciwieństwie do istniejącego syntaktycznego systemu komunikacji, zależy od AI. Nawet jeśli posiadają tę samą Bazę Wiedzy, w obszarze czarnej skrzynki modelu mogą pojawić się różne interpretacje.

Posłowie

Mówi się, że w mobilnej komunikacji 6G (szóstej generacji) zostanie zastosowana taka komunikacja semantyczna, tworząc inteligentny system internetowy, jednak pojawiają się znaki zapytania co do tego, dlaczego paradygmat działający na warstwie aplikacji staje się przedmiotem badań operatorów sieci komórkowych. Moja intuicja podpowiada, że operatorzy sieci komórkowych odpowiadają za zapewnienie poziomu dojrzałości 1, w którym symbole i bity są technicznie przesyłane dokładnie, a moment, w którym działa komunikacja semantyczna, jest już domeną aplikacji.

Z drugiej strony, istnieje również wątpliwość, czy w technologii komunikacyjnej, która musi opierać się na niezawodności jako podstawowej wartości, będzie miejsce na ten nowy paradygmat. Ja również mam te wątpliwości i osobiście jestem nieco sceptyczny.

Niemniej jednak, powodem, dla którego piszę ten artykuł, jest to, że następny paradygmat komunikacji mobilnej rozwija się w dość intrygujący sposób. Wprowadzenie internetu satelitarnego w celu zwiększenia pojemności kanału jest faktem dokonanym, co potwierdza pojawienie się Project Kuiper, Starlink i innych, a próba przełamania ograniczeń związanych z prawem Shannona w nowej formie była dość fascynująca.