Nästa kommunikationsparadigm lett av AI-baserad Semantisk Kommunikation

Shannons lag

Dagens kommunikation har utvecklats baserat på Shannon's Law. Detta är en teori som fastställer gränserna för nätverkskommunikation, och det har gjorts försök att öka det maximala kanalutrymmet i ekvationen som beskrivs nedan. 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:

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

Dessa representerar respektive Channel Capacity, Bandwidth och Signal-to-Noise Ratio. För att förklara det enkelt i ord: den maximala kommunikationshastigheten (C) är produkten av den totala mängden fysiska frekvensresurser som systemet kan använda (B) och **effektiviteten ( $\log_{2}(1 + S/N)$ afe9fa2bfe0934a415fbc

I och med uppkomsten av denna lag för beräkning av kanalutrymme började kommunikationsindustrin lägga ner stora ansträngningar på att öka kanalutrymmet. Således har de flesta innovationerna inom kommunikation under ungefär 70 år skett genom förbättringar av kanalutrymmet.

Men i dagens tid har resurserna för processing utvecklats enormt. Kommunikationen har gått från att skicka text till att nu skicka spatiala vektorer. Det har börjat uppstå begränsningar i att pålitligt 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 lägga ut fler kablar och sätta upp fler antenner stöter på ekonomiska/fysiska begränsningar.

Således har en ny paradigm börjat studeras, som går bortom det befintliga paradigmet att noggrant överföra alla bitar, och istället introducerar intelligens i kommunikationen för att endast överföra kontext. (Konceptet i sig har funnits i årtionden). Och detta är en förändring som drivs av den senaste tidens kraftfulla utveckling av intelligenta modeller och behovet av kommunikation av allt större datamängder.

Detta kallas Semantic Communication, eftersom det är kommunikation som utbyter mening.

Semantisk kommunikation (Semantic communication)

Semantisk kommunikation syftar till att endast överföra kärnbetydelsen, det vill säga kontexten, som finns i data, i stället för att överföra hela datamängden som i traditionell kommunikation.

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

Tekniskt problem: Hur exakt kan symbolen överföras? (Detta är kärnområdet i min teori.)
Semantiskt problem: Hur exakt förmedlar den överförda symbolen den önskade 'meningen'?
Effektivitetsproblem: Hur effektivt påverkar den förmedlade meningen mottagarens beteende?

Hittills har utvecklingen inom 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 typiskt med exemplet om ett brinnande hus.

Ett hus brinner.

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

I semantisk kommunikation, istället för att skicka all data, som "svart rök kommer ut genom fönstret och lågor syns", är metoden att endast överföra kärn-'meningen', "Brandutbrott, omedelbar utryckning krävs". Detta syftar till att drastiskt utelämna onödig information och få mottagaren att utföra en specifik handling (utryckning).

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

Kärnan i denna semantiska kommunikations logik för Encoding/Decoding är ett kommunikationsparadigm, men den fungerar ovanpå Application Layer. På sändarsidan omvandlar en semantisk encoder den givna datan till semantisk data, och på mottagarsidan bearbetar en semantisk decoder den till ett format som källan i bakänden kan använda. De två kommer att vara i form av en inferensmodell eller liknande som delar samma kunskapsbas, vilket möjliggör kommunikation som utbyter semantik utan att behöva överföra stora mängder data.

Detta garanteras naturligtvis av fullständigheten i det befintliga kommunikationsparadigmet. 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.

Emellertid, till skillnad från det befintliga syntaktiska kommunikationssystemet, är det mycket troligt att ett kommunikationssystem baserat på denna semantiska kontext kommer att stöta på problem eftersom det är beroende av AI eller liknande för reliability. Även om man har samma Knowledge Based kan olika tolkningar uppstå i modellens "svarta låda"-område.

Efterskrift

Det sägs att 6G (sjätte generationens) mobilkommunikation kommer att tillämpa denna semantiska kommunikation och bli ett intelligent internet-system, men det finns frågetecken kring varför ett paradigm som fungerar ovanpå Application Layer blir ett forskningsprojekt för mobiloperatörerna. Min intuition säger mig att mobiloperatörernas roll är att tekniskt garantera mognadsnivå 1, där symboler och bitar överförs exakt, och att tidpunkten då semantisk kommunikation fungerar redan ligger inom applikationsprogrammens domän.

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

Anledningen till att jag skriver denna text är dock att jag tycker att nästa paradigm inom mobilkommunikation utvecklas på ett ganska fascinerande sätt. Införandet av satellitinternet för att utöka kanalutrymmet är i princip ett faktum med framväxten av Project Kuiper, Starlink, etc., och försöket att bryta igenom de begränsningar som Shannons lag ställde i en ny form var ganska anmärkningsvärt.