Następny paradygmat komunikacji prowadzony przez semantyczną komunikację 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 poniższym wzorze. Przykładem są technologie takie jak MIMO (Multiple Input Multiple Output). Technologie te stanowią część wysiłków na rzecz uzyskania wyższej pojemności kanału w oparciu o teorię Shannona.

Prawo Shannona wyraża się poniższym wzorem służącym do obliczania pojemności kanału.

Oznaczają one odpowiednio Pojemność Kanału (Channel Capacity), Szerokość Pasma (Bandwidth) oraz Współczynnik Sygnału do Szumu (Signal-to-Noise Ratio). Ujmując to w prostych słowach, Maksymalna Prędkość Komunikacji (C) jest iloczynem całkowitej ilości fizycznych zasobów częstotliwości (B), które system może wykorzystać, 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).

Po pojawieniu się prawa obliczającego pojemność kanału, branża komunikacyjna zaczęła koncentrować się na jej zwiększaniu. Przez około 70 lat innowacje w telekomunikacji w większości polegały na poprawie pojemności kanału.

Jednakże w obecnej erze zasoby przetwarzania osiągnęły niezwykle wysoki poziom zaawansowania. 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 samochód autonomiczny mogą osiągać terabajty dziennie, a obecna sieć komunikacyjna jest niemal niezdolna do ich obsłużenia. Osiągnięte zostają ekonomiczne/fizyczne granice, uniemożliwiające rozwiązanie problemu poprzez zwykłe kładzenie większej liczby kabli i instalowanie większej liczby anten.

W ten sposób rozpoczęto badania nad paradygmatem, który odchodzi od dotychczasowego, mającego na celu dokładne przesyłanie wszystkich bitów, a zamiast tego wprowadza inteligencję do komunikacji, dążąc wyłącznie do transmisji kontekstu. (*Sama koncepcja istniała już od dziesięcioleci). Jest to zmiana wynikająca z niedawnego potężnego rozwoju modeli inteligentnych i potrzeby komunikacji z wykorzystaniem jeszcze większych zbiorów danych.

Ten rodzaj komunikacji, polegający na wymianie znaczeń, nazywany jest Komunikacją Semantyczną (Semantic Communication).

Komunikacja Semantyczna (Semantic communication)

Komunikacja semantyczna, w przeciwieństwie do tradycyjnego przesyłania całości danych, ma na celu przekazywanie jedynie kluczowego znaczenia, tj. kontekstu, zawartego w tych danych.

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

1. Problem techniczny: Jak dokładnie można przesłać Symbol? (To jest główny obszar mojej teorii.)
2. Problem semantyczny: Jak dokładnie przesłany Symbol przekazuje zamierzone „znaczenie”?
3. Problem efektywności: Jak skutecznie przekazane znaczenie wpływa na działania odbiorcy?

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

Do zilustrowania różnicy między pierwszym poziomem dojrzałości a poziomami 2 i 3 (komunikacja semantyczna) często używa się przykładu płonącego domu.

Jakiś dom płonie.

W obecnym paradygmacie komunikacji scena ta jest szczegółowo 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", przekazywane jest jedynie kluczowe „znaczenie”, np. „Pożar, natychmiastowa interwencja wymagana”. Ma to na celu pominięcie zbędnych informacji i skłonienie odbiorcy do podjęcia określonego działania (interwencji).

W przypadku komunikacji między końcami posiadającymi tę samą bazę wiedzy w kategorii straży pożarnej, może to radykalnie zmniejszyć ilość danych potrzebnych do zrozumienia sytuacji.

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

Oczywiście jest to zagwarantowane przez dojrzałość istniejącego paradygmatu komunikacyjnego. Najpierw konieczne jest techniczne zapewnienie dokładnego przesyłania symboli, a ten poziom dojrzałości został już osiągnięty. Obecnie głównym wyzwaniem jest to, jak dobrze przesłane symbole przekazują i interpretują semantykę informacji, a badania nad tym dopiero się rozpoczynają.

Jednakże system komunikacji oparty na kontekście semantycznym, w przeciwieństwie do istniejącego systemu komunikacji składniowej, jest wysoce podatny na problemy, ponieważ wiarygodność (reliability) jest uzależniona od AI itp. Nawet jeśli istnieje ta sama Baza Wiedzy (Knowledge Based), z obszaru czarnej skrzynki modelu mogą wypływać różne interpretacje.

Uwagi końcowe

Mówi się, że w sieci 6G (szóstej generacji) zostanie zastosowana komunikacja semantyczna, tworząc inteligentny system internetowy, ale pojawia się znak zapytania, dlaczego paradygmat działający na warstwie aplikacji staje się przedmiotem badań operatorów sieci komórkowych. Moja intuicja podpowiada, że operatorzy sieci komórkowych mają za zadanie technicznie zagwarantować poziom dojrzałości 1, w którym symbole i bity są przesyłane dokładnie, a moment, w którym komunikacja semantyczna zaczyna działać, należy już do sfery aplikacji.

Istnieje również wątpliwość, czy w technologii komunikacyjnej, która musi opierać się na wiarygodności jako podstawowej wartości, pojawi się ten nowy paradygmat. Ja również mam takie wątpliwości i osobiście jestem do tego nastawiony raczej negatywnie.

Niemniej jednak 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, co potwierdza pojawienie się Project Kuiper, Starlink itp., a próba przełamania ograniczeń związanych z prawem Shannona w nowej formie była dość zaskakująca.