Următorul Paradigma de Comunicație 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 comunicației în rețea și au existat încercări de a mări capacitatea maximă a canalului în formula descrisă mai jos. De exemplu, există tehnologii precum MIMO (Multiple Input Multiple Output). Aceste tehnologii fac parte dintr-un efort de a obține o capacitate de canal mai mare, bazat pe teoria lui Shannon.

Legea lui Shannon este exprimată printr-o formulă de mai jos 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). Exprimată în cuvinte pentru o înțelegere ușoară, Viteza Maximă de Comunicație (C) este obținută prin înmulțirea cantității totale de resurse de frecvență fizică 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 de calcul a capacității canalului, industria comunicațiilor a început să depună eforturi pentru a mări capacitatea canalului. Astfel, timp de aproximativ 70 de ani, inovația în comunicații a constat în mare parte în îmbunătățirea capacității canalului.

Totuși, în epoca actuală, resursele de procesare au evoluat enorm. Comunicațiile au ajuns de la transmiterea de text la transmiterea de vectori spațiali. Încep să apară limitări în transmiterea fiabilă a tuturor acestor date prin segmentare. De exemplu, datele generate de o mașină autonomă pot ajunge la câțiva tera pe zi, iar susținerea acestui volum prin rețeaua de comunicații actuală este aproape imposibilă. Doar instalarea mai multor cabluri și amplasarea mai multor antene nu mai pot rezolva problema din cauza limitelor economice/fizice.

Astfel, a început să fie cercetată o paradigmă care se abate de la cea existentă, care viza transmiterea 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 care survine ca urmare a dezvoltării puternice recente a modelelor inteligente și a necesității de a comunica volume mai mari de date.

Acest tip de comunicație, care presupune schimbul de semnificații, este denumit Comunicație Semantică (Semantic Communication).

Comunicația Semantică (Semantic communication)

Dacă comunicația semantică transmitea anterior datele în întregime, acum își propune să transmită doar semnificația esențială conținută 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:

Problema tehnică: Cât de precis poate fi transmis un simbol (Symbol)? (Acesta este domeniul central al teoriei mele.)
Problema semantică: Cât de precis transmite simbolul transmis 'semnificația' dorită?
Problema eficacității: Cât de eficient influențează semnificația transmisă acțiunile destinatarului?

Până în prezent, dezvoltarea comunicațiilor a rezolvat aproape în totalitate problemele tehnice, iar acum se ocupă de sarcina de a transpune problemele semantice și de eficacitate.

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

O casă arde.

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

În comunicația semantică, în loc să se transmită toate datele, cum ar fi „iese fum negru pe fereastră și se văd flăcări”, se transmite doar 'semnificația' esențială: „Incendiu, necesară intervenție imediată”. Aceasta omite în mod categoric informațiile inutile și urmărește ca destinatarul să întreprindă o acțiune specifică (intervenția).

Dacă este vorba de comunicație între terminale care posedă aceeași bază de cunoștințe în categoria pompierilor, aceasta poate reduce drastic volumul de date de transmisie necesar pentru înțelegerea situației.

Logica esențială de codare/decodare a acestei comunicații semantice este o paradigmă de comunicație, dar funcționează deasupra stratului de aplicație. La partea de emisie, un codificator semantic transformă datele furnizate în date semantice, iar la partea de recepție, un decodificator semantic le prelucrează într-o formă utilizabilă de către sursa din spate. Ambele vor fi sub forma unui model de inferență cu aceeași bază de cunoștințe, permițând astfel comunicația de schimb de semantică fără a fi nevoie de transmiterea unor volume uriașe de date.

Desigur, aceasta este garantată pe baza gradului de finalizare a paradigmei de comunicație existente. În primul rând, trebuie să fie posibilă transmiterea simbolică exactă din punct de vedere tehnic, iar acest nivel de maturitate a fost deja atins. Acum, sarcina principală este cât de bine simbolul transmis transmite și interpretează semantica informației, iar cercetarea abia începe.

Cu toate acestea, un sistem 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, printre altele, pentru fiabilitate (reliability). Chiar dacă se presupune că au aceeași Bază de Cunoștințe (Knowledge Based), pot apărea interpretări diferite din zona de „cutie neagră” a modelului.

Postfață

Se spune că în comunicațiile mobile de a 6-a generație (6G) se va aplica această comunicație semantică, transformând sistemul într-o rețea inteligentă, dar există semne de întrebare de ce o paradigmă care funcționează deasupra stratului de aplicație devine o temă de cercetare pentru operatorii de telefonie mobilă. Intuiția mea este că operatorii de telefonie mobilă au rolul de a garanta nivelul de maturitate 1, unde simbolurile și biții sunt transmiși exact din punct de vedere tehnic, iar momentul în care comunicația semantică devine operațională aparține deja domeniului aplicațiilor.

Pe de altă parte, există și îndoiala dacă aceasta poate fi o nouă paradigmă într-o tehnologie de comunicații care trebuie să aibă fiabilitatea ca valoare fundamentală. Și eu am aceste îndoieli și sunt personal oarecum sceptic.

Cu toate acestea, motivul pentru care scriu acest articol este că următoarea paradigmă a comunicațiilor mobile se desfășoară într-o formă destul de interesantă. Extinderea capacității canalului prin introducerea internetului prin satelit este un fapt practic stabilit odată cu apariția Project Kuiper, Starlink, etc., iar încercarea de a depăși limitele impuse de Legea lui Shannon într-o formă nouă mi s-a părut destul de inedită.