Paradigma următoare de comunicații condusă de comunicațiile semantice bazate pe AI

Legea lui Shannon

Comunicațiile din zilele noastre s-au dezvoltat pe baza Legii lui Shannon (Shannon's Law). Aceasta este o teorie care stabilește limitele comunicației în rețea și au existat încercări de a crește capacitatea maximă a canalului, așa cum este descrisă de formula care va fi menționată ulterior. De exemplu, există tehnologii precum MIMO (Multiple Input Multiple Output). Aceste tehnologii sunt parte a eforturilor de a obține o capacitate mai mare a canalului, bazate pe teoria lui Shannon.

Legea lui Shannon este exprimată prin următoarea formulă care calculează capacitatea canalului: $$C = B \cdot \log_{2}(1 + \frac{S}{N})$$ author: yoonhyunwoo

Acestea reprezintă, respectiv, Capacitatea Canalului (Channel Capacity), Lățimea de Bandă (Bandwidth) și Raportul Semnal-Zgomot (Signal-to-Noise Ratio). Exprimat în cuvinte simple, Viteza Maximă de Comunicație (C) este obținută prin înmulțirea cantității totale de resurse fizice de frecvență pe care sistemul le poate utiliza (B) cu Eficiența (log₂(1 + S/N)), care reprezintă câți biți de informație pot fi transportați pe 1 Hz din acea resursă, în funcție de calitatea semnalului (S/N).

Odată cu apariția acestei legi care calculează capacitatea canalului, industria comunicațiilor a început să depună eforturi pentru a crește capacitatea canalului. Astfel, timp de aproximativ 70 de ani, majoritatea inovațiilor în comunicații s-au realizat prin îmbunătățirea capacității canalului.

Totuși, în epoca actuală, resursele de procesare s-au dezvoltat enorm. Comunicațiile au evoluat de la transmiterea de text la transmiterea de vectori spațiali. Au început să apară limitări în ceea ce privește fragmentarea și transmiterea fiabilă a tuturor acestor date. De exemplu, datele generate de o mașină autonomă pot ajunge la câțiva tera pe zi, iar rețeaua de comunicații actuală este aproape incapabilă să gestioneze acest volum. Se ajunge la o limită economică/fizică dacă se încearcă rezolvarea problemei prin simpla instalare de mai multe cabluri și amplasarea de mai multe antene.

Astfel, a început să fie studiată o paradigmă care se abate de la cea existentă, de transmitere exactă a tuturor biților, și care urmărește doar transmiterea contextului prin introducerea inteligenței în comunicații. (Conceptul în sine există de zeci de ani). Aceasta este o schimbare determinată de dezvoltarea puternică recentă a modelelor inteligente și de necesitatea comunicării unor volume și mai mari de date.

Aceasta este numită Comunicare Semantică (Semantic Communication), deoarece implică schimbul de sens (意味).

Comunicarea Semantică (Semantic communication)

Dacă în comunicarea semantică se transmiteau anterior toate datele, acum se urmărește transmiterea doar a sensului esențial conținut în acestea, adică a contextului.

Această problemă a fost deja ridicată în modelul de comunicare al lui Shannon și Weaver, care au împărțit maturitatea comunicării în trei niveluri:

1. Problema tehnică: Cât de precis poate fi transmis Simbolul (Symbol)? (Acesta este domeniul central al teoriei mele.)
2. Problema semantică: Cât de precis transmite simbolul transmis 'sensul' dorit?
3. Problema eficacității: Cât de eficient influențează sensul transmis acțiunile receptorului?

Până în prezent, dezvoltarea comunicațiilor a rezolvat aproape în totalitate problema tehnică, iar acum se desfășoară sarcina de a traduce problemele semantice și de eficacitate.

Diferența dintre nivelul de maturitate 1 și nivelurile 2 și 3 (Comunicarea Semantică) este ilustrată tipic prin exemplul casei în flăcări.

O casă arde.

În paradigma actuală de comunicare, această scenă este transformată în date bit cu bit și transmisă ca imagine.

În comunicarea semantică, în loc să se trimită toate datele, cum ar fi „iese fum negru pe fereastră și se văd flăcări”, se transmite doar 'sensul' esențial, cum ar fi „Incendiu, necesar intervenție imediată”. Scopul este de a omite informațiile inutile și de a determina receptorul să întreprindă o acțiune specifică (intervenția).

Dacă este vorba de o comunicare între terminale care posedă aceeași bază de cunoștințe în categoria Pompieri, aceasta poate reduce semnificativ volumul de date transmise necesare pentru înțelegerea situației.

Logica esențială de codare/decodare a acestei comunicări semantice este o paradigmă de comunicație, dar funcționează deasupra stratului de aplicație. La partea de emisie, un codor semantic transformă datele furnizate în date semantice, iar la partea de recepție, un decodor semantic le prelucrează într-o formă utilizabilă de sursa din spatele acestuia. Cele două vor fi sub forma unui model de inferență care posedă aceeași bază de cunoștințe, iar prin aceasta devine posibilă o comunicare care schimbă semantica fără a fi nevoie de o transmitere masivă de date.

Evident, acest lucru este garantat de nivelul de completitudine al paradigmei de comunicare existente. În primul rând, simbolul trebuie să poată fi transmis cu precizie din punct de vedere tehnic, iar acest nivel de maturitate a fost deja atins. Acum, principala sarcină este cât de bine simbolul transmis poate transmite și interpreta semantica informației, iar cercetarea abia începe în acest domeniu.

Cu toate acestea, un sistem de comunicații bazat pe acest context semantic, spre deosebire de sistemul de comunicații sintactice existent, are o probabilitate foarte mare de a întâmpina probleme, deoarece depinde de AI și alte tehnologii pentru fiabilitate (reliability). Chiar dacă se presupune că se posedă aceeași Bază de Cunoștințe (Knowledge Based), pot apărea interpretări diferite din zona de „cutie neagră” a modelului.

Postfață

Se spune că în 6G (a șasea generație) de comunicații mobile se va aplica această comunicare semantică, rezultând un sistem de internet inteligent, dar există semne de întrebare cu privire la motivul pentru care o paradigmă care funcționează deasupra stratului de aplicație devine o temă de cercetare pentru operatorii de telefonie mobilă. Intuiția mea este că operatorii de telecomunicații au rolul de a garanta nivelul de maturitate 1, unde simbolul și bitul sunt transmise cu precizie din punct de vedere tehnic, iar momentul în care comunicarea semantică funcționează este deja domeniul aplicațiilor.

Pe de altă parte, există și îndoiala dacă o nouă paradigmă este posibilă în tehnologia de comunicații, unde fiabilitatea trebuie să fie o valoare fundamentală. Și eu am aceste îndoieli și, personal, am o poziție ușor negativă.

Totuși, motivul pentru care scriu acest articol este că următoarea paradigmă a comunicațiilor mobile se dezvoltă într-o formă destul de interesantă. Introducerea internetului prin satelit pentru extinderea capacității canalului este, de fapt, un fapt stabilit odată cu apariția Project Kuiper, Starlink, etc., iar încercarea de a depăși limitele impuse de Legea lui Shannon printr-o formă nouă mi s-a părut destul de neobișnuită.