GoSuda

AI 기반语义通信所主导的下一代通信范式

By yoonhyunwoo
views ...

섀넌의 법칙 (Shannon's Law)

오늘날의 통신은 섀넌의 법칙(Shannon's Law)을 기반으로 발전해왔습니다. 当今的通信是基于香农定律(Shannon's Law)发展而来的。

이는 네트워크 통신의 한계를 구하는 이론이며, 후술할 수식의 채널 용량 최대치를 높이기 위한 시도들이었습니다. 该理论旨在确定网络通信的极限,并且人们一直致力于提高下述公式中信道容量的最大值。

이를테면 MIMO(Multiple Input Multiple Output)와 같은 기술들이 있습니다. 例如,存在诸如 MIMO(Multiple Input Multiple Output,多输入多输出)之类的技术。

이러한 기술들은 섀넌의 이론에 기반하여 더 높은 채널 용량을 지니기 위한 노력의 일환입니다. 这些技术是基于香农理论,为获得更高信道容量而努力的一部分。

섀넌의 법칙은 채널 용량을 계산하는 아래와 같은 수식으로 표현합니다. 香农定律用以下公式来表示信道容量的计算: C = B log 2 ( 1 + S N ) C = B \cdot \log_{2}(1 + \frac{S}{N})

이들은 각각 채널 용량(Channel Capacity), 대역폭(Bandwidth) , 신호 대 잡음비(Signal-to-Noise Ratio) 를 의미합니다. 它们分别代表信道容量(Channel Capacity)、带宽(Bandwidth)和信噪比(Signal-to-Noise Ratio)。

알기 쉽게 말로 풀어내보면 최대 통신 속도(C) 는, 시스템이 사용할 수 있는 물리적인 주파수 자원의 총량(B)에, 신호 품질(S/N)에 따라 그 자원 1Hz당 몇 비트의 정보를 실어 나를 수 있는지에 대한 효율(log₂(1 + S/N)) 을 곱하는 것입니다. 简而言之,最大通信速率(C) 等于系统可用的物理频率资源总量(B),乘以根据信号质量(S/N)决定每1Hz资源可以承载多少比特信息的效率 ( log 2 ( 1 + S / N ) \log_{2}(1 + S/N) )。

이렇게 채널 용량을 계산하는 법칙이 등장하고, 통신 업계는 채널 용량을 늘리기 위해 힘을 쏟기 시작했습니다. 随着这种计算信道容量的定律出现,通信行业开始集中力量增加信道容量。

그렇게 대략 70여 년간 통신의 혁신은 대부분 채널 용량의 개선에서 이루어져 왔습니다. 因此,在大约七十年的时间里,通信的创新主要集中在信道容量的改进上。

그러나 현시대에 이르러서 프로세싱의 리소스는 너무나 발전했습니다. 然而,到了当今时代,处理资源(Processing Resource)已经得到了极大的发展。

통신은 텍스트를 보내던 시절에서 이제 공간 벡터를 보내는 지경에 이르렀습니다. 通信已经从发送文本的时代发展到发送空间向量(Space Vector)的程度。

이 모든 데이터를 신뢰성 있게 쪼개서 전송하기엔 한계가 생기기 시작했습니다. 可靠地分割和传输所有这些数据开始出现局限性。

예를들어 자율주행 자동차가 만들어내는 데이터는 하루에도 수 테라에 달할 수 있으며, 이를 현재의 통신망으로 버텨내기란 불可能에 가깝습니다. 例如,自动驾驶汽车一天内产生的数据可能高达数 TB,而依靠当前的通信网络来承受这些数据几乎是不可能的。

단순히 더 많은 선을 포설하고 더 많은 안테나를 두며 해결하기엔 경제적/물리적 한계에 달하게 됩니다. 仅仅通过铺设更多的线路和设置更多的天线来解决问题,将达到经济和物理上的极限。

이렇게 기존의 전체 비트를 정확하게 전송하기 위한 패러다임에서 벗어나 통신간의 지능을 도입함으로써 컨텍스트의 전송만을 꾀하는 패러다임이 연구되기 시작했습니다. 因此,人们开始研究一种新的范式:它摆脱了现有精确传输所有比特的范式,通过在通信中引入智能(Intelligence),只追求上下文(Context)的传输。(*该概念本身已存在数十年)

(*개념 자체는 수십년전부터 존재했습니다) 그리고 이는 최근 지능 모델의 강력한 발전과 더 거대한 데이터의 통신이 필요해짐의 따른 변화입니다. (*该概念本身已存在数十年)而这也是随着近年来智能模型的强大发展以及对更大数据通信的需求所带来的变化。

이것은 의미(意味)를 주고받는 통신이라고 하여 Semantic Communication으로 불립니다. 这种通信被称为 Semantic Communication(语义通信),因为它传递的是意义(Meaning)。

시맨틱 통신(Semantic communication)

语义通信(Semantic communication)

시맨틱 통신은 기존에 데이터 전체를 전송했다면, 이제는 그 안에 담긴 핵심 의미, 즉 맥락만 전송하는 것을 목표로 합니다.语义通信的目标是:如果说传统通信是传输整个数据,那么现在它只传输其中包含的核心意义,即上下文(Context)。

이러한 문제는 이미 섀넌과 위버의 통신모델에서 제기된 문제이며, 그들은 통신의 성숙도를 세개의 레벨로 분리했습니다. 这个问题在香农和维弗的通信模型中已被提出,他们将通信的成熟度分为三个级别。

  1. 기술적 문제: 심벌(Symbol)을 얼마나 정확하게 전송할 수 있는가? (이것이 제 이론의 핵심 영역입니다.)

  2. 技术问题符号(Symbol)能够被多么准确地传输?(这是我理论的核心领域。)

  3. 의미론적 문제: 전송된 심벌은 원하는 '의미'를 얼마나 정확하게 전달하는가?

  4. 语义学问题:被传输的符号能够多么准确地传达所需的“意义”?

  5. 효과성 문제: 전달된 의미는 수신자의 행동에 얼마나 효과적으로 영향을 미치는가?

  6. 有效性问题:所传达的意义能够对接收者的行为产生多么有效的影响

지금까지 통신의 발전은 기술적 문제를 거의 해결하였고, 이젠 의미론적, 효과성 문제를 번역하는 과업을 수행합니다. 迄今为止,通信的发展几乎解决了技术问题,现在正进行着将语义学和有效性问题进行“翻译”(解决)的任务。

성숙도 1단계와, 2,3단계(시멘틱 통신)에서의 차이는 대표적으로 불타는 집 예시가 쓰입니다. 代表性地,成熟度第1阶段与第2、3阶段(语义通信)的区别,常用房屋着火的例子来说明。

어떤 집이 불타고있습니다. 一栋房子正在燃烧。

현재의 통신 패러다임에서는 이 장면을 한땀한땀 데이터화하고, 이를 사진으로 전송합니다. 在当前的通信范式中,这个场景被逐一数据化,并以照片的形式传输。

시멘틱 통신에서는 이를 창문에서 검은 연기가 나고 불꽃이 보인다"처럼 모든 데이터를 보내는 대신, "화재 발생, 즉시 출동 필요"라는 핵심 '의미'만 전달하는 방식입니다. 在语义通信中,它不是发送所有数据,如“窗户冒出黑烟,看到火焰”,而是只传达核心“意义”——“发生火灾,需要立即出动”。

이는 불필요한 정보는 과감히 생략하고, 수신자가 특정 행동(출동)을 하도록 하는 데 목적을 둡니다. 这旨在果断省略不必要的信息,并使接收者采取特定的行动(出动)。

소방이라는 카테고리의 동일한 지식 베이스를 지니고 있는 종단간의 통신이라면 이는 사태 파악에 필요한 전송 데이터량을 획기적으로 줄일 수 있습니다. 如果是在消防(Firefighting)这一类别中,具备相同知识基础(Knowledge Base)的端到端通信,这将能够大幅减少掌握事态所需的传输数据量。

이러한 시멘틱 통신의 핵심 인코딩/디코딩 로직은 통신 패러다임이지만 응용 레이어 위에서 동작합니다. 这种语义通信的核心编码/解码逻辑(Encoding/Decoding Logic)虽然属于通信范式,但它工作在应用层(Application Layer)之上。

송신 측에서는 시멘틱 인코더를 통해 주어진 데이터를 의미론적 데이터로 변환하고, 수신측에서는 시멘틱 디코더를 통해 이를 뒷단의 소스가 사용할 수 있는 형태로 가공합니다. 在发送端,通过语义编码器(Semantic Encoder)将给定数据转换为语义数据;在接收端,通过语义解码器(Semantic Decoder)将其加工成后端源可用的形式。

둘은 같은 지식베이스를 가지고있는 추론모델따위의 형태가 될 것이며, 이를 통해 거대한 데이터 전송 없이도 그 시멘틱을 주고받는 통신이 가능해집니다. 两者将是具备相同知识基础推理模型(Inference Model)之类的形式,通过这种方式,即使没有巨大的数据传输,也能够进行语义的交流。

당연하게도 이는 기존의 통신 패러다임의 완성도 위에서 보장됩니다. 理所当然地,这要以现有通信范式的完善度为前提来保障。

먼저 기술적으로 심벌을 정확하게 전송할 수 있어야하고, 이러한 성숙도 레벨은 이미 달성된 상태입니다. 首先,技术上必须能够准确传输符号,而这种成熟度级别(Maturity Level)已经达到。

이젠 전송된 심벌이 정보의 시멘틱을 얼마나 잘 전달 및 해석하냐가 주요 과제로 자리잡았고, 이제 막 연구가 시작되는 상태입니다. 现在,传输的符号如何良好地传达和解释信息的语义已成为主要课题,并且研究才刚刚开始。

그러나 이러한 의미론적 맥락을 기반으로 하는 통신체계는 기존의 구문적 통신체계와 달리 신뢰성(reliability) 를 AI등에 의존하기 때문에 문제가 발생할 가능성이 매우 큽니다. 然而,这种基于语义学上下文的通信体系与现有的句法(Syntactic)通信体系不同,它将可靠性(Reliability)依赖于 AI 等,因此发生问题的可能性非常大。

동일한 Knowledge Based를 지녔다고 해도 모델의 블랙박스 영역에서 다른 해석이 쏟아져나올 수 있습니다. 即使拥有相同的 Knowledge Based(知识基础),在模型的黑箱区域(Black Box Area)中也可能产生不同的解释。

후기

后记

6G(6세대) 이동통신에서는 이러한 시멘틱 통신이 적용되어 지능형 인터넷 체계가 될거라고 하는데, 응용계층 위에서 동작하는 패러다임이 왜 이동통신사의 연구과제가 되는지에 대해서는 의문부호가 있습니다. 在 6G(第六代)移动通信中,据说将应用这种语义通信,形成智能互联网体系(Intelligent Internet System),但对于一个在应用层之上运行的范式,为何会成为移动通信公司的研究课题,我抱有疑问。

저의 직관에서는 이통사에서는 기술적으로 심벌과 비트가 정확하게 전송되는 1단계의 성숙도 레벨을 보장하는 역할이고, 의미론적 통신이 동작하는 시점은 이미 응용 프로그램의 영역이라고 생각됩니다. 根据我的直觉,我认为移动通信公司扮演的角色是保障技术上符号和比特能够准确传输的第1阶段成熟度级别,而语义通信运行的时点已经是应用程序(Application Program)的领域。

한편으로는 신뢰성을 기본가치로 깔고가야하는 통신기술에서 이것이 신규 패러다임이 있을지에 대한 의문또한 존재합니다. 另一方面,对于必须将可靠性作为基本价值的通信技术来说,是否存在这种新范式也存在疑问。

저도 역시 이러한 의문을 품고있으며 개인적으로는 조금 부정적인 입장입니다. 我个人也抱有这样的疑问,并且立场稍微偏向否定

그럼에도 이러한 글을 쓰게되는 이유는 이동통신의 넥스트 패러다임이 꽤나 흥미로운 형태로 전개되고있다고 생각합니다. 尽管如此,我之所以写下这篇文章,是因为我认为移动通信的下一代范式(Next Paradigm)正以一种相当有趣的形式展开。

채널 용량의 확장을 위한 위성인터넷 도입이야 Project Kuiper, Starlink등의 등장으로 사실상 기정사실화되어있는 사실이고 섀넌의 법칙에 구애받던 한계를 새로운 형태로 돌파하려는 시도는 꽤나 신기했습니다. 为了扩大信道容量而引入卫星互联网(Satellite Internet),随着 Project KuiperStarlink 等的出现,这已是既成事实;而这种试图以新形式突破受限于香农定律的尝试,是相当新颖的。

GO에 대한 내용이 없어 gopher로 마무리합니다. 由于没有关于 GO 的内容,以 gopher 结尾。Gopher1