Paradigma următoare de comunicații condusă de comunicațiile semantice bazate pe AI

Legea lui Shannon

Comunicațiile de astăzi s-au dezvoltat pe baza Legii lui Shannon (Shannon's Law). Aceasta este o teorie care determină limitele comunicațiilor de rețea, iar încercările au vizat creșterea capacității maxime a canalului în formula descrisă ulterior. De exemplu, există tehnologii precum MIMO (Multiple Input Multiple Output). Aceste tehnologii fac parte din efortul de a obține o capacitate de canal mai mare, bazându-se pe teoria lui Shannon.

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

Acestea reprezintă, respectiv, Capacitatea Canalului (Channel Capacity), Lățimea de Bandă (Bandwidth) și Raportul Semnal/Zgomot (Signal-to-Noise Ratio). Exprimată în termeni simpli, Viteza Maximă de Comunicație (C) este înmulțirea resurselor fizice totale de frecvență pe care sistemul le poate utiliza (B) cu Eficiența (log₂(1 + S/N)) cu care se poate transporta un anumit număr de biți de informație per 1Hz de 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 această capacitate. Astfel, timp de aproximativ 70 de ani, majoritatea inovațiilor în comunicații s-au realizat prin îmbunătățirea capacității canalului.

Cu toate acestea, în epoca actuală, resursele de procesare au evoluat enorm. Comunicațiile au trecut de la simpla trimitere de text la trimiterea de vectori spațiali. Încep să apară limitări în transmiterea fiabilă a tuturor acestor date, împărțindu-le în fragmente. De exemplu, datele generate de o mașină autonomă pot ajunge la câteva tera pe zi, iar rețelele de comunicații actuale nu pot face față acestui volum. Simpla instalare de mai multe cabluri și amplasarea de mai multe antene ajunge la o limită economică/fizică.

Astfel, a început să fie cercetată o paradigmă care se abate de la cea tradițională de transmitere exactă a întregului bit 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 de inteligență 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 anterior comunicarea transmitea întregul set de date, Comunicarea Semantică își propune acum să transmită doar sensul esențial conținut în acestea, adică contextul.

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

1. Problema Tehnică: Cât de precis poate fi transmis un Simbol (Symbol)? (Acesta este domeniul central al teoriei mele.)
2. Problema Semantică: Cât de precis transmite simbolul transmis 'sensul' dorit?
3. Problema Efectivității: Cât de eficient influențează sensul transmis acțiunile receptorului?

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

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 comunicație, această scenă este transformată bit cu bit în date și transmisă ca o imagine.

În Comunicarea Semantică, în loc să trimită toate datele, cum ar fi „se vede fum negru la fereastră și flăcări”, se transmite doar 'sensul' esențial: „Incendiu, necesită intervenție imediată”. Aceasta presupune omiterea drastică a informațiilor inutile și vizează determinarea receptorului să întreprindă o anumită acțiune (intervenția).

Dacă este vorba de o comunicație end-to-end care deține aceeași bază de cunoștințe în categoria Pompieri, aceasta poate reduce semnificativ volumul de date transmise necesare pentru evaluarea situației.

Logica centrală de Incode/Decode a acestei Comunicări Semantice este o paradigmă de comunicație, dar operează la nivelul aplicației (Application Layer). La emițător, datele sunt transformate în date semantice printr-un Semantic Encoder, iar la receptor, acestea sunt prelucrate printr-un Semantic Decoder într-un format utilizabil de către sursa din spate. Ambele vor fi sub forma unor modele de inferență care dețin aceeași bază de cunoștințe, permițând astfel o comunicare care schimbă semantica fără a fi nevoie de transmiterea unor volume masive de date.

Bineînțeles, acest lucru este garantat de nivelul de maturitate al paradigmei de comunicație 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 transmite și interpretează semantica informației, iar cercetările abia încep.

Cu toate acestea, un sistem de comunicație bazat pe acest context semantic, spre deosebire de sistemul de comunicație sintactic existent, are un risc foarte mare de apariție a problemelor, deoarece fiabilitatea (reliability) depinde de AI și de alte mecanisme. Chiar dacă se deține aceeași Bază de Cunoștințe (Knowledge Based), pot apărea interpretări diferite din zona "cutiei negre" a modelului.

Postfață

Se preconizează că 6G (a 6-a generație) de comunicații mobile va adopta această Comunicare Semantică și va deveni un sistem de internet inteligent, dar există un semn de întrebare cu privire la motivul pentru care o paradigmă care operează deasupra stratului de aplicație devine un subiect de cercetare pentru operatorii de telecomunicații mobile. Intuiția mea este că operatorii de telecomunicații mobile au rolul de a garanta nivelul de maturitate 1, în care simbolul și bitul sunt transmise cu precizie din punct de vedere tehnic, iar momentul în care funcționează comunicarea semantică este deja domeniul aplicațiilor.

Pe de altă parte, există și întrebarea dacă o nouă paradigmă poate exista într-o tehnologie de comunicații care trebuie să aibă fiabilitatea ca valoare fundamentală. Și eu am aceste îndoieli și, personal, am o poziție ușor negativă.

Cu toate acestea, motivul pentru care scriu acest articol este că mi se pare că următoarea paradigmă a comunicațiilor mobile se desfășoară într-un mod destul de interesant. Introducerea internetului prin satelit pentru extinderea capacității canalului este deja un fapt stabilit prin apariția Project Kuiper, Starlink etc., iar încercarea de a depăși limitele impuse de Legea lui Shannon printr-o nouă abordare mi s-a părut destul de fascinantă.

Deoarece nu există conținut despre GO, închei cu gopher.