無線系統(tǒng)復(fù)雜性增加，AI 成克服挑戰(zhàn)的關(guān)鍵

本文作者：我在思考中

2022-10-24 10:06

導(dǎo)語：AI 在無線系統(tǒng)中的優(yōu)勢和應(yīng)用、及實(shí)施過程中的最佳實(shí)踐。

作者 | Houman Zarrinkoub

編譯 | 黃楠

編輯 | 陳彩嫻

伴隨著移動無線技術(shù)向 5G 躍進(jìn)，無線系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性正在不斷增加。

當(dāng)前，由于擴(kuò)大用戶群的需求增加，要加強(qiáng)對寶貴資源優(yōu)化共享，也加大了無線網(wǎng)絡(luò)的管理難度，這些調(diào)整正迫使工程師們突破傳統(tǒng)基于規(guī)則的方法、尋找新的解決方案。AI 成為他們應(yīng)對現(xiàn)代系統(tǒng)挑戰(zhàn)的首選解決方案。

近日，MathWorks 首席產(chǎn)品經(jīng)理 Houman Zarrinkoub 在文章“The key to overcoming complexity in modern wireless systems design”中指出，從管理自動駕駛汽車間的通信、到優(yōu)化移動通話資源分配，AI 為現(xiàn)代無線應(yīng)用發(fā)展帶來了必要的復(fù)雜性。

在今天，隨著連接到網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備數(shù)量和范圍逐漸擴(kuò)大，AI 在無線領(lǐng)域的重要性也大大增加。工程師必須準(zhǔn)備好將 AI 引入日益復(fù)雜的系統(tǒng)，了解 AI 在無線系統(tǒng)中的優(yōu)勢和應(yīng)用、及實(shí)施過程中的最佳實(shí)踐， Houman Zarrinkoub 表示，這將是無線系統(tǒng)技術(shù)未來成功的關(guān)鍵。

AI 對無線系統(tǒng)帶來的好處

向5G的過渡帶來了移動寬帶網(wǎng)絡(luò)速度和質(zhì)量的優(yōu)化，以及對工業(yè)4.0設(shè)備之間在時(shí)間上敏感連接的超可靠低速率和大規(guī)模機(jī)器通信的需求——這是現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)中三種不同的用例，以及驅(qū)動工程師采用AI的競爭力。

隨著設(shè)備對網(wǎng)絡(luò)資源的競爭，無線系統(tǒng)的用戶和應(yīng)用程序數(shù)量持續(xù)增加，曾經(jīng)被基于人類的規(guī)則所理解的線性設(shè)計(jì)模式不足。但是，通過自動有效地提取任意模式，人工智能可以更好地解決非線性問題，這超出了基于人的方法的能力。

在這種情況下，人工智能是指那些用于識別連接設(shè)備、人員通信渠道模式中的機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)通過給該鏈接的資源進(jìn)行優(yōu)化來提高性能。簡而言之，在不利用 AI 方法的情況下為這些不同的用例運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)，是幾乎不可能完成的任務(wù)。

除此之外，人工智能對項(xiàng)目管理也有幫助。通過估計(jì)源環(huán)境的行為，將模擬環(huán)境整合到算法模型中，使工程師能用最少的計(jì)算資源更快地研究系統(tǒng)的主要影響，從而為探索設(shè)計(jì)和后續(xù)迭代留下了更多時(shí)間，降低了成本和開發(fā)的時(shí)間。

無線系統(tǒng)復(fù)雜性增加，AI 成克服挑戰(zhàn)的關(guān)鍵

圖注：AI for Wireless 的工作流程——數(shù)據(jù)生成、AI 訓(xùn)練、驗(yàn)證和測試以及硬件上的部署

在無線系統(tǒng)中應(yīng)用 AI 的最佳實(shí)踐

進(jìn)入應(yīng)用階段，數(shù)據(jù)大小和質(zhì)量對 AI 模型的有效部署起到至關(guān)重要的作用。

為了處理一系列現(xiàn)實(shí)世界中的場景，這些模型需要使用廣泛的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練。通過基于基元合成新數(shù)據(jù)，或從無線信號中提取，無線系統(tǒng)應(yīng)用程序也會為 5G 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員提供穩(wěn)健訓(xùn)練 AI 所需要的數(shù)據(jù)變化。如果沒有大型訓(xùn)練數(shù)據(jù)集、并在此基礎(chǔ)上對不同的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)迭代，可能會導(dǎo)致最終效果是狹窄的局部優(yōu)化，而不是對整體實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化。

此外，在現(xiàn)場測試 AI 模型的穩(wěn)健方法也很關(guān)鍵。

測試 AI 技術(shù)所需的信號變化是其中的一個(gè)問題，在狹窄的局部地理環(huán)境中捕獲的信號，可能會對工程師優(yōu)化設(shè)計(jì)質(zhì)量的方式產(chǎn)生不利影響。如果沒有現(xiàn)場迭代，個(gè)別案例的參數(shù)也將無法用于針對特定位置優(yōu)化 AI，從而對呼叫性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

無線世界里 AI 的主要應(yīng)用領(lǐng)域

在電信和汽車等領(lǐng)域的數(shù)字化轉(zhuǎn)型也需要 AI 的參與，AI 也是這些應(yīng)用的主要驅(qū)動力。

隨著智能城市、電信網(wǎng)絡(luò)和自動駕駛汽車 (AV) 等應(yīng)用程序的連接，如果將電子通信放置在曾經(jīng)以機(jī)械為導(dǎo)向的區(qū)域中時(shí)，雖然能夠產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，但加入的網(wǎng)絡(luò)資源也會變得捉襟見肘。

在電信領(lǐng)域，人工智能部署在兩個(gè)層面——物理層 (PHY) 和 PHY 之上，其中，用于提高連接兩個(gè)用戶線路性能的 AI 應(yīng)用稱為在 PHY 操作。AI 技術(shù)在物理層的應(yīng)用包括有數(shù)字預(yù)失真、信道估計(jì)和信道資源優(yōu)化，以及在呼叫期間自動調(diào)整收發(fā)器參數(shù)，也可以稱為自動編碼器設(shè)計(jì)。

信道優(yōu)化是指增強(qiáng)兩個(gè)設(shè)備之間的連接，特別是網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和用戶設(shè)備之間的連接。通常，這也意味著使用 AI 通過指紋識別和通道狀態(tài)信息壓縮等技術(shù)，來克服局部環(huán)境中的信號變異性。

通過指紋識別，AI 可將干擾映射到室內(nèi)環(huán)境中的傳播模式（由個(gè)人進(jìn)入引起）來優(yōu)化無線網(wǎng)絡(luò)的定位，AI 會根據(jù)這些個(gè)性化的 5G 信號變化來估計(jì)用戶的位置。同時(shí)，信道狀態(tài)信息壓縮能通過 AI 壓縮從用戶設(shè)備到基站的反饋數(shù)據(jù)，確保通知基站試圖改善通話性能的反饋回路不超過可用帶寬，從而導(dǎo)致通話中斷。

Above-PHY 主要用于網(wǎng)絡(luò)管理和資源分配，如調(diào)度、波束管理和頻譜分配等應(yīng)用，是指管理和優(yōu)化核心系統(tǒng)資源的功能，可用于網(wǎng)絡(luò)中相互競爭的用戶和用例。隨著網(wǎng)絡(luò)用戶和用例數(shù)量的增加，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者已經(jīng)轉(zhuǎn)向人工智能技術(shù)，以便實(shí)時(shí)響應(yīng)分配需求。

在汽車領(lǐng)域中，使用 AI 進(jìn)行無線連接讓安全自動駕駛成為可能。自動駕駛汽車 (AV) 依靠來自多個(gè)來源的數(shù)據(jù)，包括激光雷達(dá)、雷達(dá)和無線傳感器等來解釋它們所處的環(huán)境。自動駕駛汽車中的硬件需要處理眾多競爭信號的數(shù)據(jù)，而通過 AI 就可以實(shí)現(xiàn)傳感器融合來融合競爭信號，使車輛軟件能夠理解其位置，確定自身同環(huán)境的交互方式。

隨著無線技術(shù)用例的擴(kuò)展，在這些系統(tǒng)中應(yīng)用人工智能的需求也隨之增加。沒有 AI，那么如 5G、自動駕駛汽車和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等系統(tǒng)也將不具備有效運(yùn)行所需的復(fù)雜性。盡管近年來 AI 在工程，特別是無線系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的地位一直在增加，但隨著用例和網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)量的增長，也可以預(yù)期其地位將會以更快的速度繼續(xù)上升。

原文鏈接：

https://spectrum.ieee.org/ai-for-wireless

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