Следующая парадигма коммуникации, возглавляемая AI-основанной семантической связью

Закон Шеннона

Современные системы связи развивались на основе Закона Шеннона (Shannon's Law). Он представляет собой теорию, определяющую пределы сетевой связи, и попытки максимизировать пропускную способность канала в формуле, которая будет описана ниже. Примерами таких технологий являются MIMO (Multiple Input Multiple Output). Эти технологии являются частью усилий, направленных на достижение более высокой пропускной способности канала на основе теории Шеннона.

Закон Шеннона выражается следующей формулой для расчета пропускной способности канала: $$C = B \cdot \log_{2}(1 + \frac{S}{N})$$

Они означают соответственно Пропускную способность канала (Channel Capacity), Полосу пропускания (Bandwidth) и Отношение сигнала к шуму (Signal-to-Noise Ratio). Проще говоря, максимальная скорость связи (C) - это произведение общего количества физических частотных ресурсов, которые может использовать система (B), на эффективность ( $\log_{2}(1 + S/N)$ ), которая показывает, сколько битов информации может быть передано на 1 Гц этих ресурсов в зависимости от качества сигнала (S/N).

После появления закона, который позволяет рассчитывать пропускную способность канала, телекоммуникационная отрасль начала прилагать усилия для ее увеличения. Таким образом, на протяжении примерно 70 лет инновации в области связи в основном заключались в улучшении пропускной способности канала.

Однако в современную эпоху ресурсы процессинга значительно развились. Связь прошла путь от передачи текста до передачи пространственных векторов. Появились ограничения на надежное разделение и передачу всех этих данных. Например, данные, генерируемые беспилотным автомобилем, могут достигать нескольких терабайт в день, и выдержать это с помощью текущей сети связи практически невозможно. Простое прокладывание большего количества кабелей и установка большего количества антенн сталкивается с экономическими/физическими пределами.

Таким образом, начались исследования парадигмы, которая отходит от существующей парадигмы точной передачи всего битового потока и стремится передавать только контекст путем внедрения интеллекта в связь. (*Сама концепция существует уже несколько десятилетий), и это изменение вызвано мощным развитием интеллектуальных моделей и необходимостью в обмене все большими объемами данных.

Эта связь, которая обменивается смыслом (意味), называется Семантической связью (Semantic Communication).

Семантическая связь (Semantic communication)

Если традиционная связь передавала все данные, то семантическая связь нацелена на передачу только ключевого смысла, заключенного в них, то есть контекста.

Эта проблема уже поднималась в модели связи Шеннона и Уивера, которые разделили зрелость связи на три уровня:

1. Техническая проблема: Насколько точно можно передать символ (Symbol)? (Это основная область моей теории.)
2. Семантическая проблема: Насколько точно переданный символ передает желаемый «смысл»?
3. Проблема эффективности: Насколько эффективно переданный смысл влияет на действия получателя?

Развитие связи к настоящему времени почти решило техническую проблему, и теперь задача состоит в том, чтобы решить семантическую проблему и проблему эффективности.

Разница между 1-м уровнем зрелости и 2-м и 3-м уровнями (семантическая связь) часто иллюстрируется примером горящего дома.

Какой-то дом горит.

В текущей парадигме связи эта сцена преобразуется в данные пошагово и передается в виде фотографии.

В семантической связи вместо отправки всех данных, например, "из окна идет черный дым и видны языки пламени", передается только ключевой "смысл": "Произошел пожар, требуется немедленный выезд". Цель состоит в том, чтобы решительно опустить ненужную информацию и побудить получателя к определенному действию (выезду).

Если связь осуществляется между конечными точками, обладающими одинаковой базой знаний в категории пожаротушения, это может радикально сократить объем передаваемых данных, необходимых для оценки ситуации.

Ключевая логика кодирования/декодирования этой семантической связи является парадигмой связи, но работает на уровне приложений. На стороне отправителя семантический кодер преобразует заданные данные в семантические данные, а на стороне получателя семантический декодер обрабатывает их в форму, которую может использовать нижележащий источник. Они будут представлять собой форму модели вывода, обладающей одинаковой базой знаний, что позволит осуществлять связь, обменивающуюся семантикой, без передачи огромных объемов данных.

Естественно, это гарантируется завершенностью существующей парадигмы связи. Во-первых, должна быть обеспечена технически точная передача символов, и этот уровень зрелости уже достигнут. Теперь основной задачей стало то, насколько хорошо переданный символ передает и интерпретирует семантику информации, и исследования в этой области только начинаются.

Однако в системе связи, основанной на таком семантическом контексте, в отличие от существующей синтаксической системы связи, существует очень большая вероятность возникновения проблем из-за того, что надежность (reliability) зависит от AI и т. п. Даже при наличии одинаковой базы знаний (Knowledge Based) в области "черного ящика" модели могут возникать различные интерпретации.

Заключение

Говорят, что в 6G (шестом поколении) мобильной связи будет применяться семантическая связь, что приведет к созданию интеллектуальной интернет-системы, но возникает вопрос, почему парадигма, работающая на уровне приложений, становится исследовательской задачей для операторов мобильной связи. По моей интуиции, операторы связи обеспечивают 1-й уровень зрелости, где технически точно передаются символы и биты, а момент работы семантической связи относится к области прикладных программ.

С другой стороны, существует также сомнение в том, что в технологии связи, которая должна основываться на надежности, появится новая парадигма. Я также задаюсь этим вопросом и лично занимаю несколько негативную позицию.

Тем не менее, я пишу эту статью, потому что считаю, что следующая парадигма мобильной связи развивается в довольно интересной форме. Внедрение спутникового интернета для расширения пропускной способности канала уже фактически является свершившимся фактом с появлением Project Kuiper, Starlink и т. п., и попытка преодолеть ограничения, наложенные законом Шеннона, новым способом показалась мне весьма удивительной.

Поскольку нет содержания о GO, завершаю гофером.