Новая парадигма коммуникации, возглавляемая семантической связью на основе AI

Закон Шеннона

Современная связь развивалась на основе закона Шеннона (Shannon's Law). Это теория, определяющая пределы сетевой коммуникации, и попытки увеличить максимальную пропускную способность канала в формуле, которая будет описана ниже. Примерами являются такие технологии, как MIMO (Multiple Input Multiple Output). Эти технологии являются частью усилий по достижению более высокой пропускной способности канала на основе теории Шеннона.

Закон Шеннона выражается следующей формулой для расчета пропускной способности канала:

$C = B \cdot \log_{2}(1 + \frac{S}{N})$ author: yoonhyunwoo

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 объема физических частотных ресурсов, которые может использовать система (B), на Эффективность (log₂(1 + S/N)), которая показывает, сколько битов информации может быть передано на 1 Гц этих ресурсов в зависимости от качества сигнала (S/N).

С появлением этого закона для расчета пропускной способности канала, индустрия связи начала направлять усилия на ее увеличение. Таким образом, на протяжении примерно 70 лет большинство инноваций в области связи происходило за счет улучшения пропускной способности канала.

Однако в современную эпоху ресурсы обработки информации значительно развились. Связь перешла от отправки текста к передаче пространственных векторов. Возникли 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 ограничениями.

Таким образом, начались исследования парадигмы, которая отходит от существующей парадигмы точной передачи всех битов и стремится к передаче только контекста путем внедрения интеллекта в связь. (*Сама концепция существует уже несколько десятилетий). И это изменение обусловлено мощным развитием интеллектуальных моделей в последнее время и необходимостью передачи более крупных объемов данных.

Это называется Семантическая Коммуникация (Semantic Communication), поскольку она обменивается смыслами.

Семантическая коммуникация (Semantic communication)

Если традиционная связь передавала весь объем данных, то семантическая коммуникация стремится передавать только ключевой смысл, то есть контекст, содержащийся в них.

Эта проблема уже была поднята в модели связи Шеннона и Уивера, и они разделили зрелость связи на три уровня.

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

На сегодняшний день развитие связи почти решило техническую проблему, и теперь стоит задача перевода семантической проблемы и проблемы эффективности.

Типичным примером, используемым для демонстрации различия между уровнем зрелости 1 и уровнями 2 и 3 (семантическая связь), является пример горящего дома.

Какой-то дом горит.

В текущей парадигме связи эта сцена детально преобразуется в данные 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': "Пожар, требуется немедленный выезд". Цель состоит в том, чтобы решительно опустить ненужную информацию и побудить получателя к определенному действию (выезд).

Если связь между конечными точками имеет одинаковую базу знаний в категории "пожаротушение", это может значительно сократить объем передаваемых данных, необходимых для оценки ситуации.

Основная логика кодирования/декодирования этой семантической связи, хотя и является парадигмой связи, работает на уровне прикладного уровня. На стороне отправителя семантический кодировщик преобразует заданные данные в семантические данные, а на стороне получателя семантический декодер обрабатывает их в форму, которую может использовать нижележащий источник. Они будут иметь форму, например, модели логического вывода с одинаковой базой знаний, что позволит осуществлять связь, обменивающуюся семантикой, без передачи огромного объема данных.

Естественно, это гарантируется завершенностью существующей парадигмы связи. Сначала необходимо обеспечить точную техническую передачу символов, и этот уровень зрелости уже достигнут. Теперь основной задачей стало, насколько хорошо переданный символ передает и интерпретирует семантику информации, и исследования только начинаются.

Однако, в отличие от существующей синтаксической системы связи, эта система связи, основанная на семантическом контексте, имеет очень высокую вероятность возникновения проблем, поскольку ее надежность (reliability) зависит от AI и т. д. Даже при наличии одинаковой базы знаний (Knowledge Based) могут возникнуть различные интерпретации в области "черного ящика" модели.

Послесловие

Говорят, что в 6G (шестом поколении) мобильной связи будет применена семантическая связь, что приведет к интеллектуальной интернет-системе, но остается вопрос, почему парадигма, работающая на прикладном уровне, становится исследовательской задачей операторов мобильной связи. По моему интуитивному мнению, операторы связи отвечают за обеспечение уровня зрелости 1, где символы и биты передаются технически точно, а момент, когда начинает работать семантическая связь, уже является областью прикладных программ.

С другой стороны, существует также сомнение относительно того, может ли это стать новой парадигмой в технологии связи, для которой надежность является фундаментальной ценностью. Я также испытываю такие сомнения и лично занимаю несколько негативную позицию.

Тем не менее, причина, по которой я пишу эту статью, заключается в том, что следующая парадигма мобильной связи развивается в довольно интригующей форме. Внедрение спутникового интернета для расширения пропускной способности канала, по сути, является свершившимся фактом с появлением Project Kuiper, Starlink и т. д., и попытка преодолеть ограничения, налагаемые законом Шеннона, в новой форме показалась мне довольно удивительной.