Shannons kanalkapacitetsgräns och strukturen för AI-baserad semantisk kommunikation (Semantic Communication)

Shannons lag

Dagens kommunikation har utvecklats utifrån Shannons lag (Shannon's Law). Detta är en teori som fastställer gränserna för nätverkskommunikation, och de försök som gjorts har syftat till att höja den maximala kanalkapaciteten i den formel som presenteras nedan. Till exempel finns tekniker som MIMO (Multiple Input Multiple Output). Dessa tekniker är ett led i strävan efter högre kanalkapacitet, grundad på Shannons teori.

Shannons lag uttrycks med följande formel för beräkning av kanalkapacitet.

Dessa representerar kanalkapacitet (Channel Capacity), bandbredd (Bandwidth) respektive signal-till-brusförhållande (Signal-to-Noise Ratio). Uttryckt på ett lättfattligt sätt innebär detta att maximal överföringshastighet (C) erhålls genom att multiplicera den totala mängden fysiska frekvensresurser som systemet kan använda (B) med effektiviteten (log₂(1 + S/N)), som anger hur många bitar information som kan överföras per hertz av dessa resurser beroende på signalkvaliteten (S/N).

I och med att lagen för beräkning av kanalkapacitet framträdde började kommunikationsbranschen satsa stora resurser på att öka kanalkapaciteten. Under ungefär 70 år har därför kommunikationens innovationer till största delen skett genom förbättringar av kanalkapaciteten.

Under den nuvarande epoken har dock processorresurserna utvecklats i så hög grad att kommunikationen gått från att överföra text till att överföra rumsliga vektorer. Det har börjat uppstå gränser för att på ett tillförlitligt sätt dela upp och överföra all denna data. Exempelvis kan den data som en självkörande bil genererar uppgå till flera terabyte per dag, och det är nästan omöjligt att hantera detta med dagens kommunikationsnät. Att enbart lägga fler kablar och installera fler antenner för att lösa problemet skulle medföra att man når ekonomiska och fysiska gränser.

Mot denna bakgrund har ett paradigm börjat undersökas, där man lämnar det traditionella paradigmet att exakt överföra alla bitar i ett meddelande och i stället, genom att införa intelligens i kommunikationen, eftersträvar överföring av kontext. (*Konceptet i sig har funnits sedan flera decennier.) Detta är en förändring som följer av de senaste årens starka utveckling av intelligenta modeller och det ökade behovet av att kommunicera större datamängder.

Detta kallas kommunikation av mening och benämns därför Semantic Communication.

Semantisk kommunikation (Semantic communication)

Semantisk kommunikation har som mål att, där man tidigare överförde hela datamängden, endast överföra den centrala betydelsen, det vill säga kontexten, som finns i denna.

Detta problem har redan formulerats i Shannon och Weavers kommunikationsmodell, där de delade upp kommunikationens mognadsgrad i tre nivåer.

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

Hittills har utvecklingen inom kommunikation i huvudsak löst det tekniska problemet, och nu har uppgiften blivit att översätta de semantiska och effektivitetsrelaterade problemen.

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

Ett hus brinner.

I dagens kommunikationsparadigm digitaliseras denna scen bit för bit och skickas som ett fotografi.

I semantisk kommunikation, i stället för att skicka alla data, till exempel "svart rök syns från fönstret och lågor är synliga", förmedlas endast den centrala "betydelsen": "Brand, omedelbar utryckning krävs". Detta syftar till att utelämna onödig information och få mottagaren att vidta en viss handling (utryckning).

Om avsändare och mottagare delar samma kunskapsbas inom kategorin brandkår, kan den mängd data som krävs för att förstå situationen i en end-to-end-kommunikation minskas avsevärt.

Kärnan i semantisk kommunikations kodnings- och avkodningslogik är en kommunikationsparadigm, men den fungerar ovanpå applikationslagret. På sändarsidan omvandlar en semantisk kodare givna data till semantisk data, och på mottagarsidan bearbetar en semantisk avkodare dessa till en form som källan längre fram kan använda. Båda kommer sannolikt att ta formen av inferensmodeller eller liknande som innehar samma kunskapsbas, och genom detta blir det möjligt att utbyta semantik utan överföring av stora datamängder.

Naturligtvis vilar detta på fullbordandet av det befintliga kommunikationsparadigmet. Först måste symbolen kunna överföras tekniskt korrekt, och denna mognadsnivå är redan uppnådd. Nu har den viktigaste uppgiften blivit hur väl den överförda symbolen förmedlar och tolkar informationens semantik, och forskningen har just börjat.

Dock är ett kommunikationssystem som bygger på denna semantiska kontext, till skillnad från traditionella syntaktiska kommunikationssystem, mycket benäget att få problem, eftersom det förlitar sig på AI och liknande för tillförlitlighet (reliability). Även med samma kunskapsbas kan olika tolkningar uppstå inom modellens svarta låda.

Efterord

Man säger att 6G (sjätte generationens mobilkommunikation) kommer att använda sig av denna semantiska kommunikation och bli ett intelligent internetsystem, men jag har frågetecken kring varför ett paradigm som verkar ovanpå applikationslagret blir ett forskningsämne för mobiloperatörerna. Enligt min intuition är operatörens roll tekniskt sett att garantera mognadsnivå 1, där symboler och bitar överförs korrekt, och att den tidpunkt då semantisk kommunikation fungerar redan tillhör applikationsområdet.

Samtidigt finns en fråga om huruvida det över huvud taget kan finnas ett nytt paradigm inom kommunikationsteknik, där tillförlitlighet måste vara det grundläggande värdet. Även jag har dessa frågor och har personligen en något negativ inställning.

Trots detta skriver jag denna text eftersom jag anser att mobilkommunikationens nästa paradigm utvecklas på ett ganska intressant sätt. Att införa satellitinternet för att utöka kanalkapaciteten är i praktiken redan ett faktum genom lanseringen av Project Kuiper, Starlink och liknande, och försöken att på ett nytt sätt bryta de gränser som Shannons lag satte var ganska fascinerande.