Tulevaisuuden semanttinen viestintä

Semanttinen viestintä on kovasti tutkimusmaailman tapetilla tällä hetkellä. Aiheesta onkin julkaistu erilaisia rajallisiin yksityiskohtiin liittyviä tutkimussaavutuksia.

Mutta aiheen perustasta saanee jonkinlaise käsityksen Nokia Bell Labsin julkaisemasta tiedotteesta, joka liittyy aiheen yhteistyötutkimuksiin korealaisen KT tietoliikenneyhtiön kanssa. Kirjoittajina Jinfeng Du ja Harish Viswanathan.

Claude Shannon loi tietoliikenteen perusteet vuoden 1948 Bell System Technical -lehdessä julkaistussa artikkelissaan, joka synnytti informaatioteorian ja -koodauksen alan. Shannon loi myös viitekehyksen häviöttömälle ja häviölliselle tiedon pakkaukselle sekä kehitti entropian ja nopeus -vääristymäteorian käsitteet.

Työssään Shannon ja hänen yhteistyökumppaninsa ymmärsivät, että he käsittelivät tietoliikennettä teknisenä ongelmana, joka keskittyi symbolien optimaaliseen siirtämiseen lähteestä määränpäähän käsittelemättä näiden symbolien välittämää merkitystä.

Viime aikoina kiinnostus merkityksen suoraan välittämiseen on kuitenkin kasvanut merkittävästi. Tekoälyn ja tekoälyn sukupolven työkalujen kehitys pystyy oppimaan symboleista taustalla olevan merkityksen ja kontekstin, mitä voidaan hyödyntää myös kasvavalla semanttisen viestinnän alalla.

Nokia Bell Labs on tämän uuden alan eturintamassa ja teemme yhteistyötä yhden Aasian innovatiivisimman palveluntarjoajan kanssa edistääksemme tutkimusta kohti käytännön käyttöönottoa.

Nokia Bell Labs ja korealainen KT Corporation tekevät yhteistyötä semanttisen viestinnän käyttötapausten yhteisessä tutkimuksessa, suunnittelussa ja validoinnissa. Yhteistyöhön kuuluu teknisiä konseptitutkimuksia, arviointeja ja demonstraatioita, jotka voivat johtaa semanttisen viestinnän teknologioiden kehittämiseen.

Mitä on semanttinen viestintä?

Semanttinen viestintä käyttää tekoälyä ja koneoppimista määrittääkseen lähetettävän vähimmäisinformaation lähdedatan merkityksen ja sen merkityksen kohteen tavoitteelle sekä lähteen ja kohteen välillä aiemmin jaetun tiedon perusteella.

Sillä on potentiaalia parantaa merkittävästi viestinnän tehokkuutta keskittymällä lähetettävien bittien hyödyllisyyteen ja tehokkuuteen pelkän raakadatan sijaan.

Semanttisen viestinnän odotetaan parantavan käyttäjäkokemusta ja energiatehokkuutta, erityisesti tulevaisuuden integroituneiden fyysisten ja digitaalisten maailmojen immersiivisen viestinnän ja vuorovaikutuksen yhteydessä.

Lisäksi 6G-aikakautta määrittelevät sovellukset, kuten seuraavan sukupolven multimodaalinen sensorinen viestintä, erittäin korkearesoluutioiset reaaliaikaiset hologrammit, etäterveydenhuolto ja älykäs robotiikka, hyötyvät näistä edistysaskeleista. Tavoitteena on mahdollistaa intuitiivisempi ja rikkaampi käyttäjäkokemus 6G-aikakaudella.

Semanttisen viestinnän tutkimus kattaa useita osa-alueita.

Semanttinen pakkaus viittaa kuvien, videoiden tai muiden tietolähteiden pakkaamiseen tietyn tehtävän suorittamiseksi ottaen huomioon vastaanottajan käytettävissä olevan kontekstin, mutta ei itse viestintäkanavaa.

Sitä vastoin yhteinen lähde-kanavakoodaus (Joint Source-Channel Coding) sisältää pakkausmenetelmiä, jotka ottavat huomioon myös viestintäkanavan erityisominaisuudet ja pyrkivät saavuttamaan pienemmän latenssin tai tehostetun pakkauksen.

Kun verkko saa tiedonlähteen semantiikasta sovellusohjelmointirajapinnan (API) tai muun rajapinnan kautta, tätä pidetään semanttisena verkottumisena. Informaatioteoreettisia käsitteitä "semanttinen entropia" ja "semanttisen kanavan kapasiteetti" tutkitaan edelleen aktiivisesti, koska yleisesti hyväksyttyjä määritelmiä ei ole vielä vahvistettu. Alla esimerkkejä joistakin näistä tutkimussuunnista.

Semanttinen verkostoitumiskehys

JSCC yhdistää lähdekoodauksen kanavakoodaukseen ja yhdistää jokaisen lähdeviestin suoraan kanavakoodisanaan. JSCC on kuitenkin epäkäytännöllinen olemassa olevissa tietoliikenneverkoissa, kuten kuvassa 2 on esitetty. Näissä verkoissa sovellus- ja verkkopalveluntarjoajat ovat tyypillisesti erillisiä yksiköitä, jotka on yhdistetty yleiskäyttöisten TCP/IP-linkkien kautta, joissa paketit joko vastaanotetaan täydellisesti tai poistetaan. Koska lähteen ja kohteen välillä on useita langallisia ja langattomia hyppyjä, lähdekooderilla on rajallinen ja viivästetty tieto langattomasta kanavasta (yleensä pullonkaulasta), mikä vaikeuttaa JSCC:n tehokasta suorittamista.

Yhteentoimivuuden haasteen ratkaisemiseksi ehdotamme semanttisen verkostoitumisen viitekehystä, joka välittää viestin taustalla olevan semantiikan implisiittisen rajapinnan kautta lähteestä verkkoon ja hyödyntää samalla verkon kautta vastaanotettuja, vain osittain oikeita viestejä.

Tarkemmin sanottuna ehdotamme erillistä lähde- ja kanavakoodauksen suunnittelua abstraktoidun binäärirajapinnan kautta, kuten kuvassa 3 on esitetty.

Tässä suunnittelussa bittien sijainti määrittää niiden suhteellisen tärkeyden, ja virheelliset paketit välitetään fyysisestä kerroksesta sovelluskerrokseen. Lisäksi verkon sisäinen bittien lävistysmenetelmä yhdessä nopeudettoman lähdekartoituksen kanssa voi mukauttaa lähetyksen sulavasti vaihtelevaan kanavan laatuun.

Tämän semanttisen verkostoitumisen viitekehyksen avulla on mahdollista saavuttaa pienempi latenssi kertaluonteisella lähetyksellä jopa kohinan ja häiriöiden läsnä ollessa.

Tämä johtaa pienempään päästä päähän -säröön ja sulavaan laadun heikkenemiseen kanavaolosuhteiden mukaan ilman, että sovellus- ja verkkoyksiköiden on oltava yhteisomistuksessa.

Tämä lähestymistapa sopii erityisesti tilanteisiin, jotka vaativat lyhyttä latenssia ja tehokasta kuva-/videolähetystä, erityisesti pitkän matkan tai satelliittiverkoissa.

Verkon sisäinen semanttinen pakkaus

Esimerkki langattomille verkoille erittäin merkityksellisestä semanttisen pakkauksen käyttötapauksesta on verkon sisäinen efektiivisen kanavan tilatiedon (CSI) takaisinkytkentä massiiviselle MIMO-esikoodaukselle.

Perinteiset MIMO-järjestelmät vaativat laajaa CSI-palautetta laskevan siirtotien esikoodauksen optimoimiseksi, johon kuuluu operaatioketju, jossa on useita kaskadoituja tehtäviä, kuten kuvassa 4 on esitetty.

Näillä tehtävillä on välivaatimuksensa, jotka eivät välttämättä ole välttämättömiä laskevan siirtotien esikoodauksen optimoinnin lopputavoitteen saavuttamiseksi, mikä johtaa merkittävään lisäkustannuksiin.

Käyttämällä semanttista viestintää järjestelmä voi kuitenkin johtaa CSI-palautetta, joka on räätälöity erityisesti laskevan siirtotien summanopeuden maksimointia varten.

Tämä menetelmä vähentää merkittävästi takaisinkytkentäkuormitusta säilyttäen samalla korkean suorituskyvyn. Syviä neuroverkkoja (DNN) käytetään sekä käyttäjälaitteessa (UE) että tukiasemassa (BS) vastaanotettujen pilottien kartoittamiseen takaisinkytkentäbiteiksi ja takaisinkytkentäbittien esikoodausvektoreiksi.

Tämä päästä päähän -koulutus, jossa on viritettävät häviöfunktiot, mahdollistaa hallitun kompromissin ja vapauttaa massiivisten MIMO-järjestelmien täyden potentiaalin.

Ohjain-verkkoliitäntä langattomaan teollisuusohjaukseen

Teollisuusympäristöissä semanttisen verkostoitumisen viitekehyksen mahdollistama semanttinen viestintä voi parantaa merkittävästi langattomien ohjausjärjestelmien tehokkuutta ja luotettavuutta.

Uuden ohjain-verkko-rajapinnan kautta, kuten kuvassa 5 on esitetty, ohjaussemantiikkaa voidaan välittää verkkoon, jolloin kaistanleveys pienenee yli 60 % ja samalla palvelun saatavuus ja vakaus säilyvät.

Tämä on erityisen tärkeää kauko-ohjattavissa roboteissa ja muissa teollisissa sovelluksissa, joissa oikea-aikainen ja tarkka viestintä on kriittistä.

Semanttisen viestinnän integrointi mahdollistaa resurssien paremman kohdentamisen ja varmistaa, että olennaisimmat tiedot lähetetään luotettavasti juuri oikeaan aikaan, mikä parantaa järjestelmän kokonaissuorituskykyä.

Tie edessä

Yhteenvetona voidaan todeta, että semanttinen viestintä tarjoaa mullistavan lähestymistavan langattomaan viestintään ja mahdollistaa laajan valikoiman edistyneitä sovelluksia verkon sisäisestä CSI-palautteesta teollisuuden ohjausjärjestelmiin.

Semanttisen viestinnän toteuttamiseksi on kuitenkin ratkaistava monia haasteita. Esimerkiksi skaalautuvan semanttisen metriikan kehittäminen viestien tehokkuuden kvantifioimiseksi on välttämätöntä tarkkuuden ja monimutkaisuuden tasapainottamiseksi.

Semanttisen rajapinnan ja signaloinnin standardointi on ratkaisevan tärkeää yhteentoimivuuden varmistamiseksi. Lisäksi algoritmien monimutkaisuuden, skaalautuvuuden ja kestävyyden huomioiminen on avainasemassa onnistuneen toteutuksen kannalta.

Tämä kumppanuus KT:n kanssa on ensimmäinen julkisesti tiedossa oleva toimittajan ja operaattorin välinen yhteistyö semanttisen viestinnän alalla, jonka tavoitteena on validoida teknologian toteutettavuutta ja avata uusia käyttötapauksia.

Tämä aloite testaa erilaisia käyttötapauksia realistisissa ympäristöissä ja luo pohjan uudelle viestintäparadigmalle hyperkytkettyä aikakautta varten.

Syyskuu 2025