Limites de capacidade do canal de Shannon e estrutura de comunicação semântica (Semantic Communication) baseada em IA

A Lei de Shannon

As comunicações atuais evoluíram com base na Lei de Shannon (Shannon's Law). Trata-se de uma teoria que determina os limites da comunicação em rede, e as tentativas de elevar o valor máximo da capacidade do canal, expressa na fórmula apresentada a seguir, foram realizadas em torno dela. Por exemplo, existem tecnologias como o MIMO (Multiple Input Multiple Output). Essas tecnologias são um esforço para obter maior capacidade de canal com base na teoria de Shannon.

A Lei de Shannon é expressa pela seguinte fórmula para calcular a capacidade do canal.

Esses elementos representam, respectivamente, a capacidade do canal (Channel Capacity), a largura de banda (Bandwidth) e a relação sinal-ruído (Signal-to-Noise Ratio). Explicando de forma simples, a velocidade máxima de comunicação (C) é o produto do volume total de recursos de frequência físicos que o sistema pode utilizar (B) pela eficiência (log₂(1 + S/N)), que indica quantos bits de informação podem ser transportados por 1 Hz desses recursos conforme a qualidade do sinal (S/N).

Com o surgimento da lei que calcula a capacidade do canal, o setor de comunicações passou a se empenhar em aumentá-la. Assim, durante cerca de 70 anos, a inovação nas comunicações ocorreu, em grande parte, por meio da melhoria da capacidade do canal.

No entanto, na era atual, os recursos de processamento evoluíram de forma extraordinária. A comunicação passou da época em que se enviavam textos para o estágio em que se enviam vetores espaciais. Começou a surgir uma limitação quanto à possibilidade de transmitir todos esses dados de forma confiável, dividindo-os em partes. Por exemplo, os dados gerados por um carro autônomo podem chegar a vários terabytes por dia, e é quase impossível suportar isso com as redes de comunicação atuais. Simplesmente instalar mais cabos e dispor de mais antenas esbarra em limites econômicos e físicos.

Assim, afastando-se do paradigma tradicional de transmitir com exatidão todos os bits, passou-se a pesquisar um paradigma que visa apenas à transmissão de contexto, introduzindo inteligência na comunicação entre os agentes. (*O conceito em si existe há várias décadas.) E essa mudança decorre do forte avanço recente dos modelos de inteligência e da necessidade de comunicar dados ainda maiores.

Esta forma de comunicação, que troca significado, é denominada Semantic Communication.

Comunicação semântica (Semantic communication)

Na comunicação semântica, enquanto antes se transmitia o conjunto completo dos dados, agora o objetivo é transmitir somente o significado central contido neles, ou seja, o contexto.

Esse problema já foi levantado no modelo de comunicação de Shannon e Weaver, que dividiu a maturidade da comunicação em três níveis.

1. Problema técnico: com que precisão é possível transmitir os símbolos (Symbol)? (Este é o domínio central da minha teoria.)
2. Problema semântico: com que precisão os símbolos transmitidos transmitem o "significado" desejado?
3. Problema de efetividade: com que eficácia o significado transmitido influencia o comportamento do receptor?

Até agora, o desenvolvimento das comunicações resolveu quase completamente o problema técnico, e agora se ocupa da tarefa de tratar os problemas semântico e de efetividade.

A diferença entre o nível de maturidade 1 e os níveis 2 e 3 (comunicação semântica) é ilustrada, de forma representativa, pelo exemplo da casa em chamas.

Uma casa está pegando fogo.

No paradigma atual de comunicação, essa cena é digitalizada detalhe por detalhe e enviada como fotografia.

Na comunicação semântica, em vez de enviar todos os dados como "há fumaça preta saindo da janela e chamas visíveis", transmite-se apenas o significado central: "Incêndio, necessária saída imediata da equipe". Trata-se de um método que omite com determinação as informações desnecessárias e tem como objetivo levar o receptor a executar uma ação específica (o deslocamento da equipe).

Se houver comunicação ponta a ponta com a mesma base de conhecimento na categoria de combate a incêndio, a quantidade de dados necessária para compreender a situação pode ser drasticamente reduzida.

A lógica central de codificação/decodificação dessa comunicação semântica é um paradigma de comunicação, porém opera sobre a camada de aplicação. No lado do emissor, um codificador semântico converte os dados dados em dados semânticos; no lado do receptor, um decodificador semântico os processa em uma forma que possa ser utilizada pela fonte a jusante. Ambos tenderão a assumir a forma de modelos de inferência que possuem a mesma base de conhecimento, e, por meio disso, torna-se possível trocar essa semântica sem a transmissão de grandes volumes de dados.

Naturalmente, isso se sustenta sobre a completude do paradigma de comunicação existente. Primeiro, é necessário transmitir os símbolos com precisão do ponto de vista técnico, e esse nível de maturidade já foi alcançado. Agora, a principal tarefa passou a ser o quão bem os símbolos transmitidos conseguem transmitir e interpretar a semântica da informação, e a pesquisa nessa área acaba de começar.

No entanto, sistemas de comunicação baseados nesse contexto semântico, diferentemente dos sistemas sintáticos tradicionais, dependem de IA etc. para a confiabilidade (reliability), de modo que a probabilidade de surgirem problemas é muito grande. Mesmo que possuam a mesma Knowledge Base, interpretações diferentes podem surgir da área de caixa-preta do modelo.

Posfácio

Afirma-se que, no 6G (sexta geração de comunicação móvel), a comunicação semântica será aplicada e resultará em um sistema de internet inteligente, mas há dúvidas quanto ao motivo pelo qual um paradigma que opera sobre a camada de aplicação se tornaria objeto de pesquisa das operadoras de telecomunicações. Na minha intuição, o papel das operadoras é garantir o nível de maturidade 1, em que símbolos e bits são transmitidos com precisão do ponto de vista técnico, e o momento em que a comunicação semântica opera já pertence, a meu ver, ao domínio dos aplicativos.

Por outro lado, existe também a dúvida sobre se haverá um novo paradigma em tecnologias de comunicação que precisam tomar a confiabilidade como valor fundamental. Eu também nutro essa dúvida, e pessoalmente tenho uma posição um tanto negativa.

Ainda assim, escrevo este texto porque acredito que o próximo paradigma das comunicações móveis está se desenvolvendo de forma bastante interessante. A introdução da internet por satélite para expandir a capacidade do canal é, com o surgimento de Project Kuiper, Starlink e outros, praticamente um fato consumado, e a tentativa de superar, por uma nova forma, a limitação imposta pela Lei de Shannon foi bastante surpreendente.