Nästa kommunikationsparadigm lett av AI-baserad semantisk kommunikation

Shannons lag

Dagens kommunikation har utvecklats baserat på Shannons lag (Shannon's Law). Denna lag är en teori som definierar gränserna för nätverkskommunikation, och det har gjorts försök att öka det maximala kanalutrymmet i den ekvation som kommer att beskrivas senare. Exempelvis finns tekniker som MIMO (Multiple Input Multiple Output). Dessa tekniker är en del av ansträngningarna att uppnå högre kanalutrymme baserat på Shannons teori.

Shannons lag uttrycks genom följande ekvation för beräkning av kanalutrymme: $$C = B \cdot \log_{2}(1 + \frac{S}{N})$$

Dessa representerar respektive Kanalutrymme (Channel Capacity), Bandbredd (Bandwidth) och Signal-till-brus-förhållande (Signal-to-Noise Ratio). För att förklara det i enkla termer: den maximala kommunikationshastigheten (C) är produkten av den totala mängden fysiska frekvensresurser som systemet kan använda (B) och effektiviteten ( $\log_{2}(1 + S/N)$ ), vilken anger hur många bitar information som kan bäras per 1 Hz av dessa resurser, beroende på signalkvaliteten (S/N).

När denna lag för beräkning av kanalutrymme introducerades, började telekommunikationsindustrin fokusera på att öka kanalutrymmet. Således har de flesta innovationer inom kommunikation under de senaste cirka 70 åren skett genom förbättringar av kanalutrymmet.

Men i dagens tid har processorns resurser utvecklats enormt. Kommunikationen har gått från att skicka text till att skicka spatiala vektorer. 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 att hantera detta med nuvarande kommunikationsnätverk. Att helt enkelt installera fler kablar och placera ut fler antenner stöter på ekonomiska/fysiska begränsningar.

Därför har ett nytt paradigm börjat forskas, vilket innebär att man frångår det befintliga paradigmet att överföra alla bitar exakt och istället introducerar intelligens i kommunikationen för att endast överföra kontext. (Konceptet i sig har funnits i årtionden). Detta är en förändring som drivs av den senaste tidens kraftfulla utveckling av intelligenta modeller och behovet av kommunikation av större datamängder.

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

Semantisk kommunikation (Semantic communication)

Till skillnad från traditionell kommunikation där hela datamängden överfördes, syftar semantisk kommunikation till att endast överföra kärnmeningen, det vill säga kontexten, som finns i datan.

Dessa problem har redan tagits upp i Shannons och Weavers kommunikationsmodell, och de delade in kommunikationens mognadsgrad i tre nivåer.

1. Tekniskt problem: Hur exakt kan symbolen (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?

Hittills har utvecklingen av kommunikation nästan löst det tekniska problemet, och nu utförs uppgiften att översätta de semantiska och effektivitetsproblemen.

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

Ett hus brinner.

I det nuvarande kommunikationsparadigmet databehandlas denna scen bit för bit och överförs som en bild.

I semantisk kommunikation överförs inte all data, som "svart rök kommer ut från fönstret och lågor syns", utan istället överförs endast kärn-'meningen', såsom "Brand utbruten, omedelbar utryckning krävs". Syftet är att modigt utelämna onödig information och få mottagaren att vidta en specifik åtgärd (utryckning).

Om kommunikationen sker mellan ändpunkter som har samma kunskapsbas inom kategorin brandbekämpning, kan detta drastiskt minska mängden överförd data som krävs för att bedöma situationen.

Kärnlogiken för inkodning/avkodning i denna semantiska kommunikation är ett kommunikationsparadigm, men det fungerar ovanpå applikationslagret. På sändarsidan omvandlar den semantiska kodaren den givna datan till semantisk data, och på mottagarsidan bearbetar den semantiska avkodaren denna data till ett format som kan användas av den bakomliggande källan. De två kommer att anta formen av en inferensmodell eller liknande med samma kunskapsbas, vilket möjliggör kommunikation som utbyter semantik utan att överföra enorma mängder data.

Självklart garanteras detta på toppen av fullständigheten i det befintliga kommunikationsparadigmet. Först måste symboler kunna överföras tekniskt korrekt, och denna mognadsnivå har redan uppnåtts. Nu har huvuduppgiften blivit hur väl den överförda symbolen förmedlar och tolkar informationens semantik, och forskningen har precis börjat.

Emellertid, i ett kommunikationssystem baserat på ett sådant semantiskt sammanhang, finns det en mycket stor risk för problem eftersom tillförlitligheten (reliability) är beroende av AI, till skillnad från traditionella syntaktiska kommunikationssystem. Även om man har 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 och leda till ett intelligent internet-system. Dock finns det frågetecken kring varför ett paradigm som fungerar ovanpå applikationslagret blir ett forskningsämne för mobiloperatörer. Min intuition är att mobiloperatörerna har rollen att tekniskt garantera mognadsnivå 1, där symboler och bitar överförs korrekt, och att den punkt då semantisk kommunikation fungerar redan tillhör applikationsprogrammets domän.

Å andra sidan finns det också tvivel om huruvida detta kommer att bli ett nytt paradigm inom kommunikationsteknik, där tillförlitlighet måste vara ett grundläggande värde. Jag hyser också dessa tvivel och är personligen något negativt inställd.

Anledningen till att jag skriver denna text är dock att jag tycker att mobilkommunikationens nästa paradigm utvecklas på ett ganska intressant sätt. Införandet av satellitinternet för att utöka kanalutrymmet är i praktiken ett fastställt faktum genom framväxten av Project Kuiper, Starlink, etc., och försöket att bryta igenom begränsningarna som styrdes av Shannons lag på ett nytt sätt var ganska fascinerande.

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