Limitele capacității canalului Shannon și arhitectura comunicării semantice (Semantic Communication) bazate pe inteligență artificială

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 în rețea, iar eforturile ulterioare, descrise prin formula de mai jos, au urmărit creșterea valorii maxime a capacității canalului. De exemplu, există tehnologii precum MIMO (Multiple Input Multiple Output). Aceste tehnologii fac parte din eforturile de a obține o capacitate mai mare a canalului, pe baza teoriei lui Shannon.

Legea lui Shannon se exprimă prin următoarea formulă, care calculează capacitatea canalului.

Acestea reprezintă, respectiv, capacitatea canalului (Channel Capacity), lățimea de bandă (Bandwidth) și raportul semnal-zgomot (Signal-to-Noise Ratio). Explicat pe înțelesul tuturor, viteza maximă de comunicare (C) se obține înmulțind cantitatea totală de resurse de frecvență fizică (B) pe care o poate utiliza sistemul cu eficiența (log₂(1 + S/N)), care indică câți biți de informație pot fi transmiși pe fiecare 1 Hz de resursă, în funcție de calitatea semnalului (S/N).

Odată cu apariția legii care calculează capacitatea canalului, industria comunicațiilor a început să depună eforturi pentru creșterea acesteia. Timp de aproximativ 70 de ani, inovațiile din comunicații au constat în mare parte în îmbunătățirea capacității canalului.

Cu toate acestea, în epoca actuală, resursele de procesare s-au dezvoltat foarte mult. Comunicațiile au evoluat de la transmiterea textului până la transmiterea vectorilor spațiali. Transmiterea tuturor acestor date în mod fiabil, prin fragmentare, a început să întâmpine limitări. De exemplu, datele generate de un autovehicul autonom pot ajunge la câțiva terabyte pe zi, iar a face față acestora cu rețelele de comunicații actuale este aproape imposibil. Simpla extindere a numărului de cabluri instalate și a numărului de antene nu mai poate rezolva problema, deoarece se ajunge la limite economice și fizice.

Astfel, s-a început cercetarea unui paradigm diferit de cel tradițional, care urmărește transmiterea exactă a tuturor biților, și anume un paradigm care introduce inteligența în comunicații și vizează transmiterea doar a contextului. (*Conceptul în sine există de zeci de ani.) Această schimbare este consecința progresului recent al modelelor de inteligență și a necesității de a comunica volume de date tot mai mari.

Acesta se numește comunicare semantică (Semantic Communication), deoarece este o comunicare în care se fac schimb de sensuri.

Comunicarea semantică (Semantic communication)

Comunicarea semantică își propune ca, în loc să transmită întregul set de date, ca până acum, să transmită doar esența semnificației conținute în acesta, adică contextul.

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 lor.)
2. Problema semantică: Cât de precis transmit simbolurile transmise „sensul” dorit?
3. Problema eficacității: Cât de eficient influențează sensul transmis comportamentul destinatarului?

Până în prezent, dezvoltarea comunicațiilor a rezolvat în mare parte problema tehnică, iar acum își propune să rezolve problemele semantică și de eficacitate.

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

O casă arde.

În paradigma actuală a comunicațiilor, această scenă este digitizată pas cu pas și transmisă sub formă de fotografie.

În comunicarea semantică, în loc să se trimită toate datele, de exemplu „din fereastră se văd fum negru și flăcări”, se transmite doar sensul esențial: „Incendiu, necesară intervenție imediată”. Această metodă omite cu hotărâre informațiile inutile și urmărește ca destinatarul să întreprindă o acțiune concretă (intervenția).

Dacă expeditorul și destinatarul au aceeași bază de cunoștințe din domeniul pompierilor, comunicarea de la un capăt la altul poate reduce în mod considerabil volumul de date necesar pentru a înțelege situația.

Nucleul codificării/decodificării în comunicarea semantică reprezintă o paradigmă de comunicare, dar funcționează la nivelul aplicației. Pe partea de emisie, un codificator semantic transformă datele date în date semantice, iar pe partea de recepție, un decodificator semantic le prelucrează într-o formă utilizabilă de sursa din aval. Cei doi vor fi probabil modele de inferență sau forme similare, care dețin aceeași bază de cunoștințe, permițând astfel schimbul de semantică fără transferul unor volume mari de date.

Desigur, acest lucru se bazează pe completitudinea paradigmei tradiționale a comunicațiilor. Mai întâi, simbolurile trebuie transmise cu precizie din punct de vedere tehnic, iar acest nivel de maturitate a fost deja atins. Acum, principala provocare este cât de bine transmit și interpretează simbolurile transmise semnificația informației, iar cercetarea abia începe.

Totuși, sistemele de comunicare bazate pe acest context semantic depind de IA și de alte tehnologii pentru asigurarea fiabilității (reliability), spre deosebire de sistemele sintactice tradiționale, ceea ce face ca probabilitatea apariției de probleme să fie foarte mare. Chiar și atunci când dețin aceeași bază de cunoștințe, din zona opacă a modelului pot apărea interpretări diferite.

Concluzii

Se spune că în 6G (a 6-a generație de comunicații mobile) comunicarea semantică va fi aplicată pentru a crea un sistem de internet inteligent, însă rămân întrebări cu privire la motivul pentru care un paradigm care funcționează la nivelul stratului de aplicație devine un subiect de cercetare pentru operatorii de telefonie mobilă. Din intuiția mea, rolul operatorilor este să garanteze nivelul de maturitate 1, adică transmiterea corectă a simbolurilor și biților, iar momentul în care funcționează comunicarea semantică ține deja de domeniul aplicațiilor.

Pe de altă parte, există și îndoiala dacă, într-o tehnologie de comunicații care trebuie să aibă fiabilitatea ca valoare de bază, poate exista un paradigm nou. Și eu am această îndoială și, personal, am o poziție oarecum sceptică.

Cu toate acestea, scriu acest text deoarece consider că următorul paradigm al comunicațiilor mobile se dezvoltă într-o formă destul de interesantă. Extinderea capacității canalului prin introducerea internetului satelitar, odată cu apariția Project Kuiper și Starlink, este practic un fapt deja stabilit, iar încercarea de a depăși, într-o formă nouă, limitele impuse de legea lui Shannon a fost destul de surprinzătoare.