Nästa kommunikationsparadigm lett av AI-baserad semantisk kommunikation

Shannons lag

Dagens kommunikation har utvecklats baserat på Shannons lag (Shannon's Law). Detta är en teori som bestämmer gränserna för nätverkskommunikation, och det har funnits försök att höja maximikapaciteten för kanalkapaciteten i den formel som beskrivs nedan. Exempelvis finns tekniker som MIMO (Multiple Input Multiple Output). Dessa tekniker är en del av ansträngningarna att uppnå högre kanalkapacitet baserat på Shannons teori.

Shannons lag uttrycks med följande formel för att beräkna kanalkapaciteten: $$C = B \cdot \log_{2}(1 + \frac{S}{N})$$ author: yoonhyunwoo

Dessa representerar respektive Kanalkapacitet (Channel Capacity), Bandbredd (Bandwidth) och Signal-brusförhållande (Signal-to-Noise Ratio). För att uttrycka det på ett lättförståeligt sätt, innebär det att den maximala kommunikationshastigheten (C) är produkten av den totala mängden fysiska frekvensresurser som systemet kan använda (B) och effektiviteten (log₂(1 + S/N)) av hur många bitar av information som kan överföras per 1 Hz av den resursen, beroende på signalkvaliteten (S/N).

När denna lag för beräkning av kanalkapacitet uppstod, började kommunikationsindustrin anstränga sig för att öka kanalkapaciteten. Således har innovationen inom kommunikation under de senaste cirka 70 åren till stor del skett genom förbättringar av kanalkapaciteten.

Men i modern tid har processorns resurser utvecklats enormt. Kommunikation har nått den punkt där man nu skickar spatiala vektorer istället för text. Gränser har börjat uppstå för att på ett tillförlitligt sätt dela upp och överföra all denna data. Till exempel kan data som genereras av en självkörande bil uppgå till flera terabyte per dag, och det är nästan omöjligt för det nuvarande kommunikationsnätverket att hantera detta. Att lösa det genom att helt enkelt lägga fler kablar och sätta upp fler antenner når ekonomiska/fysiska gränser.

Forskning har således inletts kring ett paradigm som avviker från det befintliga paradigmet att noggrant överföra hela bitar, och istället introducerar intelligens i kommunikationen för att enbart överföra kontexten. (*Konceptet i sig har funnits i årtionden) Och detta är en förändring som beror på den kraftfulla utvecklingen av intelligenta modeller nyligen och behovet av kommunikation av större datamängder.

Detta kallas Semantic Communication, då det är kommunikation som utbyter mening (意味).

Semantisk kommunikation (Semantic communication)

Om semantisk kommunikation i befintlig kommunikation överförde hela datamängden, syftar den nu till att endast överföra kärnbetydelsen, det vill säga kontexten, som finns i den.

Detta problem lyftes redan i Shannons och Weavers kommunikationsmodell, där de delade in kommunikationens mognadsgrad i tre nivåer.

1. Tekniskt problem: Hur exakt kan en symbol (Symbol) överföras? (Detta är kärnområdet i deras teori.)
2. Semantiskt problem: Hur exakt förmedlar den överförda symbolen den önskade "meningen"?
3. Effektivitetsproblem: Hur effektivt påverkar den förmedlade meningen mottagarens handlingar?

Utvecklingen av kommunikation har hittills nästan löst det tekniska problemet, och nu utförs uppgiften att översätta det semantiska och effektivitetsproblemet.

Skillnaden mellan mognadsnivå 1 och nivå 2 och 3 (semantisk kommunikation) illustreras typiskt med exemplet med ett brinnande hus.

Ett hus brinner.

I det nuvarande kommunikationsparadigmet omvandlas denna scen till data bit för bit och överförs som en bild.

Inom semantisk kommunikation, istället för att skicka all data som "svart rök kommer ut från fönstret och lågor syns", är metoden att endast överföra kärnbetydelsen "Brand har brutit ut, omedelbar utryckning krävs". Detta syftar till att drastiskt utelämna onödig information och få mottagaren att vidta en specifik åtgärd (utryckning).

Om det är kommunikation mellan ändpunkter som har samma kunskapsbas inom kategorin brandbekämpning, kan detta avsevärt minska mängden överförd data som krävs för att bedöma situationen.

Kärninkodnings-/avkodningslogiken i denna semantiska kommunikation är ett kommunikationsparadigm men fungerar på applikationsskiktet. På sändarsidan omvandlar en semantisk enkoder den givna datan till semantisk data, och på mottagarsidan bearbetar en semantisk dekoder denna till ett format som källan i bakänden kan använda. Båda kommer att vara i form av en inferensmodell eller liknande som delar samma kunskapsbas, vilket möjliggör kommunikation som utbyter semantik utan överföring av stora datamängder.

Självklart garanteras detta på grundval av det befintliga kommunikationsparadigmets fullständighet. Först måste symboler kunna överföras exakt tekniskt sett, och denna mognadsnivå är redan uppnådd. Nu har huvuduppgiften blivit hur väl den överförda symbolen förmedlar och tolkar informationens semantik, och forskningen har precis börjat.

Men ett kommunikationssystem baserat på denna semantiska kontext skiljer sig från det befintliga syntaktiska kommunikationssystemet genom att det förlitar sig på AI och liknande för tillförlitlighet (reliability), vilket gör att risken för problem är mycket stor. Även om de delar samma Knowledge Based, kan olika tolkningar uppstå i modellens black box-område.

Efterord

Inom 6G (sjätte generationens) mobilkommunikation sägs det att denna semantiska kommunikation kommer att tillämpas för att skapa ett intelligent internet system, men det finns frågetecken kring varför ett paradigm som fungerar på applikationsskiktet blir ett forskningsämne för mobiloperatörerna. Min intuition är att mobiloperatörerna har rollen att tekniskt garantera mognadsnivå 1, där symboler och bitar överförs exakt, och att tidpunkten då semantisk kommunikation fungerar redan tillhör applikationsprogrammets domän.

Å andra sidan finns det också tvivel om huruvida detta är ett nytt paradigm inom kommunikationsteknik, som måste ha tillförlitlighet som ett grundläggande värde. Jag har också dessa tvivel och är personligen något negativt inställd.

Ändå är anledningen till att jag skriver denna text att jag tycker att nästa paradigm inom mobilkommunikation utvecklas på ett ganska intressant sätt. Att införa satellitinternet för att expandera kanalkapaciteten är ett faktum som i princip är fastställt med framväxten av Project Kuiper, Starlink, etc., och försöket att bryta igenom gränserna som Shannons lag var bunden till på ett nytt sätt var ganska fascinerande.

Eftersom det inte finns något innehåll om GO, avslutar jag med en gopher.