Det nästa kommunikationsparadigmet drivet av AI-baserad semantisk kommunikation

Shannons lag

Dagens kommunikation har utvecklats baserat på Shannons lag (Shannon's Law). Denna lag är en teori som fastställer gränserna för nätverkskommunikation, och det har gjorts försök att maximera kanalens kapacitet i den ekvation som beskrivs nedan. Exempel på sådana tekniker är MIMO (Multiple Input Multiple Output). Dessa tekniker är en del av strävandena att uppnå högre kanalkapacitet baserat på Shannons teori.

Shannons lag uttrycks med följande ekvation för att beräkna kanalkapaciteten:

Dessa termer representerar respektive Kanalkapacitet (Channel Capacity), Bandbredd (Bandwidth) och Signal-brusförhållande (Signal-to-Noise Ratio). För att uttrycka det på ett enklare sätt betyder 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)), vilken indikerar hur många bitar information som kan bäras per 1 Hz av den resursen, beroende på signalkvaliteten (S/N).

Efter att denna lag för beräkning av kanalkapacitet introducerades, började telekommunikationsindustrin fokusera på att öka kanalkapaciteten. Under de senaste cirka 70 åren har de flesta innovationer inom kommunikation skett genom förbättringar av kanalkapaciteten.

Emellertid har processorkraftens resurser utvecklats enormt i dagens samhälle. Kommunikationen har gått från att skicka text till att nu skicka rumsliga vektorer. En gräns har börjat uppstå när det gäller att på ett tillförlitligt sätt dela upp och överföra all denna data. Exempelvis kan data som genereras av självkörande fordon uppgå till flera terabyte per dag, och det är nästintill omöjligt att hantera detta med nuvarande kommunikationsnätverk. Att helt enkelt installera fler kablar och sätta upp fler antenner stöter på ekonomiska och fysiska begränsningar.

Således har en ny paradigm börjat studeras, som går bort från 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 kraftfulla utvecklingen av intelligenta modeller och behovet av att kommunicera ännu större datamängder.

Detta kallas Semantic Communication, då det handlar om kommunikation som utbyter mening.

Semantisk kommunikation (Semantic communication)

Semantisk kommunikation syftar till att, istället för att överföra hela datamängden som tidigare, nu endast överföra den centrala innebörden, det vill säga kontexten, som finns i datan.

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

1. Tekniskt problem: Hur exakt kan symboler (Symbol) överföras? (Detta är kärnområdet i min teori.)
2. Semantiskt problem: Hur exakt förmedlar de överförda symbolerna den önskade 'meningen'?
3. Effektivitetsproblem: Hur effektivt påverkar den förmedlade meningen mottagarens handlingar?

Utvecklingen inom kommunikation har hittills nästan löst det tekniska problemet, och nu utförs uppgiften att översätta de semantiska och effektivitetsrelaterade problemen.

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

Ett hus brinner.

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

Inom semantisk kommunikation, istället för att skicka all data som "svart rök kommer ut genom fönstret och lågor syns", överförs endast kärn-'meningen', såsom "Brand utbruten, omedelbar utryckning krävs". Syftet är att drastiskt utelämna onödig information och att få mottagaren att utföra en specifik handling (utryckning).

Om kommunikationen sker mellan ändpunkter som delar samma kunskapsbas inom kategorin brandbekämpning, kan detta avsevärt minska mängden överförd data som krävs för att förstå situationen.

Kärnlogiken för inkodning/avkodning i semantisk kommunikation är ett kommunikationsparadigm men opererar ovanpå applikationslagret. På sändarsidan omvandlar en semantisk inkodare den givna datan till semantisk data, och på mottagarsidan bearbetar en semantisk avkodare den till ett format som kan användas av den bakomliggande källan. Dessa två kommer att ha formen av en inferensmodell eller liknande som delar samma kunskapsbas, vilket möjliggör kommunikation som utbyter semantik utan att behöva överföra enorma mängder data.

Detta garanteras naturligtvis av fullständigheten i det befintliga kommunikationsparadigmet. Först måste symboler kunna överföras exakt på en teknisk nivå, och denna mognadsnivå är redan uppnådd. Nu är huvuduppgiften hur väl den överförda symbolen förmedlar och tolkar informationens semantik, och forskningen har precis börjat.

Emellertid är det mycket troligt att problem kommer att uppstå i ett kommunikationssystem baserat på denna semantiska kontext, eftersom det till skillnad från det befintliga syntaktiska kommunikationssystemet förlitar sig på AI och liknande för tillförlitlighet (reliability). Även om de delar samma Knowledge Based, kan olika tolkningar uppstå från modellens "svarta låda"-område.

Efterord

Det sägs att 6G (sjätte generationens) mobilkommunikation kommer att tillämpa denna semantiska kommunikation och bli ett intelligent internetsystem, men det finns frågetecken kring varför ett paradigm som opererar ovanpå applikationslagret blir ett forskningsprojekt för mobiloperatörer. Min intuition är att mobiloperatörernas roll är att tekniskt garantera mognadsnivå 1, där symboler och bitar överförs exakt, och att tidpunkten då semantisk kommunikation fungerar redan tillhör applikationsprogrammets område.

Å andra sidan finns det också tvivel om huruvida detta kan 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 trots detta är att jag tycker att nästa paradigm inom mobilkommunikation utvecklas på ett ganska intressant sätt. Utbyggnaden av satellitinternet för att utöka kanalkapaciteten är ett faktum som i princip är fastställt genom framväxten av Project Kuiper, Starlink, etc., och försöket att bryta igenom de begränsningar som Shannons lag ställde i en ny form var ganska fascinerande.