Paradigma viitoare a comunicațiilor 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 stabilește limitele comunicațiilor de rețea și au existat încercări de a crește capacitatea maximă a canalului în formula descrisă mai jos. De exemplu, există tehnologii precum MIMO (Multiple Input Multiple Output). Aceste tehnologii fac parte din eforturile de a obține o capacitate de canal mai mare, bazate pe teoria lui Shannon.

Legea lui Shannon este exprimată printr-o formulă care calculează capacitatea canalului, după cum urmează:

Acestea reprezintă, respectiv, Capacitatea Canalului (Channel Capacity), Lățimea de Bandă (Bandwidth) și Raportul Semnal/Zgomot (Signal-to-Noise Ratio). Explicat în termeni simpli, Viteza Maximă de Comunicare (C) este obținută prin înmulțirea cantității totale de resurse fizice de frecvență (B) pe care sistemul le poate utiliza cu Eficiența (log₂(1 + S/N)) care reprezintă câți biți de informație pot fi transportați per 1Hz 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, inovația în comunicații a fost realizată în mare parte prin îmbunătățirea capacității canalului.

Totuși, în epoca actuală, resursele de processing au avansat enorm. Comunicațiile au evoluat de la trimiterea de text la trimiterea de vectori spațiali. A început să apară o limită în fragmentarea și transmiterea fiabilă a tuturor acestor date. De exemplu, datele generate de o mașină autonomă pot ajunge la câteva tera pe zi, iar rețeaua de comunicații actuală este aproape incapabilă să gestioneze acest volum. Simplul fapt de a instala mai multe cabluri și de a amplasa mai multe antene ajunge la o limită economică/fizică.

Astfel, a început să fie cercetată o paradigmă care se abate de la cea existentă, axată pe transmiterea precisă 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 nevoia de a comunica date din ce în ce mai mari.

Acest tip de comunicare, care schimbă semnificații, este denumit Semantic Communication.

Comunicația Semantică (Semantic communication)

Dacă în cazul comunicației anterioare se transmiteau toate datele, comunicația semantică își propune acum să transmită doar semnificația esențială, adică contextul, conținut în acestea.

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 „semnificația” dorită?
3. Problema eficacității: Cât de eficient influențează semnificația transmisă acțiunile destinatarului?

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 eficacitate.

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

O casă arde.

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

În comunicația semantică, în loc să se trimită toate datele, cum ar fi „iese fum negru pe fereastră și se văd flăcări”, se transmite doar „semnificația” esențială: „Incendiu, necesită intervenție imediată”. Scopul este de a omite informațiile inutile și de a determina destinatarul să întreprindă o acțiune specifică (intervenția).

Dacă este vorba de o comunicare între endpoint-uri care posedă aceeași bază de cunoștințe în categoria pompierilor, acest lucru poate reduce drastic cantitatea de date transmisă necesară pentru evaluarea situației.

Logica esențială de encoding/decoding a acestei comunicații semantice funcționează pe layer-ul de aplicație, deși este o paradigmă de comunicație. La partea de emisie, un semantic encoder transformă datele furnizate în date semantice, iar la partea de recepție, un semantic decoder le prelucrează într-un format pe care sursa din spate îl poate utiliza. Cele două vor fi sub forma unui model de inferență cu aceeași bază de cunoștințe, permițând astfel comunicarea prin schimbul de semantică fără a fi necesară transmiterea unui volum uriaș de date.

Desigur, acest lucru este garantat pe baza gradului de completitudine al paradigmei de comunicație existente. În primul rând, simbolurile trebuie să poată fi transmise 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 cercetarea abia începe.

Cu toate acestea, sistemul de comunicație bazat pe acest context semantic, spre deosebire de sistemul de comunicație sintactic existent, are o probabilitate foarte mare de a întâmpina probleme deoarece depinde de AI sau similare pentru fiabilitate (reliability). Chiar dacă se deține aceeași Knowledge Based, pot apărea interpretări diferite din zona de black box a modelului.

Postfață

Se spune că în 6G (a șasea generație) de comunicații mobile, această comunicație semantică va fi aplicată, rezultând un sistem de internet inteligent. Totuși, există un semn de întrebare cu privire la motivul pentru care o paradigmă care funcționează deasupra aplicației layer devine un subiect de cercetare pentru operatorii de telefonie mobilă. Intuiția mea este că operatorii de telecomunicații au rolul de a garanta nivelul de maturitate 1, unde simbolurile și biții sunt transmiși cu precizie tehnică, iar momentul în care comunicația semantică funcționează este deja domeniul aplicațiilor.

Pe de altă parte, există și întrebarea dacă o astfel de nouă paradigmă își va găsi locul în tehnologia de comunicații, care trebuie să aibă fiabilitatea ca valoare fundamentală. Și eu am aceste îndoieli și sunt personal într-o poziție ușor negativă.

Cu toate acestea, motivul pentru care scriu acest text este că next paradigm-ul comunicațiilor mobile se desfășoară într-o formă destul de fascinantă. Introducerea internetului prin satelit pentru extinderea capacității canalului este practic un fapt stabilit, odată cu apariția Project Kuiper, Starlink și altele, iar încercarea de a sparge limitele impuse de Legea lui Shannon într-o formă nouă a fost destul de interesantă.