무선 통신의 인공 지능

오늘날 우리는 다음과 같은 다섯 가지 핵심 기능으로 정의되는 범주인 약한 AI의 시대에 살고 있습니다.

1. 논리적 추론(예: AlphaGo)
2. 인식(예: 얼굴 인식)
3. 지식 표현(예: IBM의 Watson for Oncology)
4. 언어 처리(예: Apple’s Siri, Amazon’s Alexa)
5. 계획 및 내비게이션(예: 자율주행 차)

강력한 AI를 사용하는 머신은 사람의 지능과 같거나 능가하는 역량을 개발할 수 있습니다(예: 지능 로봇). AI의 하위 범주인 ML(머신 러닝)도 관련 요소입니다. 예를 들어, 프로그래밍된 명령이 아닌 데이터 세트에서 학습하는 시스템을 구축하는 데 사용할 수 있어 인공의 멀티레이어 신경망을 기반으로 하는 학습 프로세스를 구현할 수 있습니다. 이제 AI 네이티브 에어 인터페이스와 함께 구현될 미래의 무선 네트워크를 상상해보십시오. 전파가 학습된 신경망을 기반으로 환경으로부터 학습하거나 전파들이 서로서로 학습할 수 있게 될 것입니다.

신경망은 머신 러닝의 하위 범주에 속하며 아래 세 가지 신경망의 예와 같이 무선 통신과 관련되어 있습니다.

1. RNN(Recurrent Neural Network): 이전 단계의 출력이 현재 단계의 입력이 됩니다(예: 텍스트 처리). RNN은 ML 모델을 기반으로 하는 디지털 전치 및 후치 왜곡 알고리즘을 통해 시계열 예측("메모리 효과"), 아날로그 RF 프론트엔드 선형분석 및 안테나 서브시스템에 유용합니다.

2. CNN(Convolutional Neural Network): 최대 30 계층의 피드 포워드(feed-forward) 신경망. CNN은 체계적인 데이터 배열(예: 원래 이미지 처리를 위해 설계된)을 처리하며 현재 뉴럴 리시버(Neural Recevier)를 실현하기 위한 한 가지 방법입니다.

3. 오토인코더 개념: 효율적 데이터 코딩을 자율적으로 학습하는 것을 돕는 인공 신경망의 특수 유형. 목표는 네트워크가 중요하지 않은 데이터를 무시하도록 훈련하는 것입니다. 예를 들어 변환기 형태의 오토인코더는 다운링크의 측정에서 수집하여 업링크 방향으로 재전송하는 채널 상태 정보 피드백을 압축하는 기능에 대한 연구가 진행되고 있습니다.

6G 인공 지능(AI) 및 머신 러닝(ML)

인공 지능은 6G의 10가지 주요 연구 영역 중 하나이지만, 독립적인 연구 영역은 아닙니다. 하지만 인공 지능은 Cell-free massive MIMO, Full-duplex 통신, IRS(Intelligent Reflecting Surfaces)와 같은 다른 영역과도 모두 관련되어 있습니다. 각 예제는 6G 네트워크에서 데이터가 주도하는 학습 시스템으로 성능을 개선하여 에너지 효율성을 높이고 그에 따라 지속가능성도 동시에 개선할 수 있습니다. 학습된 머신 러닝 모델을 사용하여 채널 추정, 등화(Equalization), 디매핑(Demapping)과 같은 신호 처리 작업을 수행할 경우 기존 4G LTE, 5G NR 네트워크에 비해 에어 인터페이스를 더욱 최적화할 수 있습니다.

로데슈바르즈는 유럽, 아시아, 미국에서 연구 활동을 후원하고 있으며, 6G-ANNA(6G-Access, Network of Networks, Automation & Simplification) 라이트하우스 프로젝트 등의 프로젝트에서 파트너로 참여하고 있습니다. 이 프로젝트의 목표는 end-to-end 아키텍처를 포함하는 6G 설계를 개발하고 사람의 움직임을 탐지하는 새로운 센서와 알고리즘을 사용해 사람, 기술, 환경 간 상호작용을 간소화하는 것입니다.

웹세미나: Will AI/ML revolutionize 6G?

온디맨드 웹세미나

Will AI/ML revolutionize 6G?

웹세미나에서 다루는 내용은 다음과 같습니다.

  • 에어 인터페이스용 AI/ML에 대한 3GPP Release 18 연구 항목의 최신 상태
  • 미래 6G 무선 통신 표준의 AI 네이티브 에어 인터페이스에 대한 지속적 기초 연구 요약
  • 뉴럴 리시버의 개념 및 뉴럴 리시버가 오늘날 4G 및 5G 네트워크에서 사용되는 기존 신호 처리 방식보다 우수한 성능을 제공하는 이유

6G 네트워크에서 AI의 과제

6G 네트워크를 위한 AI 네이티브 에어 인터페이스를 구축하는 것은 물리적 계층에서 신호 처리 체인의 블록을 학습된 머신 러닝 모델로 교체하는 것을 의미합니다. 이 프로세스의 첫 단계에서는 개별 처리 블록을 교체하는 것이지만, 궁극적으로는 논리적으로 동일한 작업을 하나의 학습된 머신 러닝 모델로 결합합니다. 이러한 작업이 채널 추정, 채널 등화(Equalization), 디매핑(Demapping)입니다. 이러한 작업을 결합한 다음 뉴럴 리시버(Neural Receiver)라고 하는 하나의 학습된 ML 모델로 교체할 수 있습니다.

하지만 6G 에어 인터페이스의 신호 처리는 ML을 통해 이점을 얻을 수 있는 한 분야에 불과합니다. 오늘날의 모바일 기기와 기지국에서 사용하는 전체 RF 프론트엔드 또는 전력 증폭기를 선형화는 분야도 있습니다. AI 또는 ML은 여러 단계를 거치는 동안 에어 인터페이스RF 프론트엔드를 위한 6G에 적용할 수 있습니다.

1단계: 가장 먼저, ML은 전력 증폭기를 위한 오늘날의 결정적 소프트웨어 알고리즘 기반 선형화 모델을 ML로 대체할 수 있습니다. 기본적으로 대학의 주도 하에 2020년 이 분야에 대한 연구가 이미 시작되었습니다. 핵심 업계 관계자도 이 분야에 대한 연구를 수행했습니다. 이 프로세스는 전체 RF 프론트엔드(=안테나 시스템 및 트랜시버)에도 적용됩니다.

6G의 인공 지능에서는 데이터 접근성의 문제를 해결해야 합니다. 신경망을 훈련하기 위해 데이터 세트에 액세스해야 하기 때문입니다. RF 프론트엔드는 일반적으로 한 공급업체가 설계합니다. 즉, 신경망을 훈련하는 데 필요한 모든 데이터를 한 공급업체에서 관리하므로 이 단계를 쉽게 실현할 수 있습니다.

2단계: 이 단계에서는 주로 수신기 측면을 다루며, 채널 추정, 채널 등화, 디매핑과 같은 신호 처리 블록을 학습된 ML 모델로 교체하여 뉴럴 리시버의 개념을 적용합니다.

3단계: 이 단계에서는 E2E(end-to-end) 최적화를 적용합니다. ML을 사용해 TX, RX, Baseband 처리를 함께 최적화합니다. 이 단계의 궁극적 목적은 ML 설계를 6G PHY/MAC 자체의 일부로 하여 기본 애플리케이션(음성 통화, 웹 검색, XR등)과 송신 채널 임팩트의 구축 시나리오에 맞게 송신을 적응시키는 것입니다. E2E 학습의 첫 단계는 변조 매퍼를 송신기, 수신기의 불완전성과 무선 채널의 임팩트에 따라 완벽히 적응하는 맞춤형, 학습형 성상으로 대체하는 것입니다. 맞춤 변조를 사용함으로써 파일럿 없는 송신이 가능하므로 전반적 시스템의 성능을 더욱 개선할 수 있습니다.

6G를 위한 AI 네이티브 에어 인터페이스로 전환

이와 같이 적응성이 높은 물리적 계층 구현은 현장에 구축하기 전 포괄적 검증이 필요합니다. 이 검증을 수행할 때에는 현장에서 흔치 않은 조건이 관찰되는 경우에도 모델이 안정적으로 작동해야 합니다. 하지만, 학습된 AI/ ML 모델은 학습에 사용된 학습 데이터 수준만큼의 성능만 제시합니다. 이 경우 사용자 기기와 기지국/네트워크 간 빈번한 협업이 예상되므로 AI/ML 모델 라이프사이클 관리(예: 모델 학습, 선택, 교환, 활성화, 모니터링)가 효과적일 수 있습니다. 테스트 및 계측은 각 공급업체에서 제공하는 구성요소 간 원활한 상호호환성을 검증해야 합니다.

6G와 AI 또는 ML: 로데슈바르즈 솔루션 및 이점

테스트 및 계측 솔루션은 어떻게 더 나은 통찰력을 제공하고 ML 기반 DPD 모델을 개선하는 데 도움이 될까요?

기본 하드웨어를 특성분석하는 R&S®SMW200A Vector Signal Generator 또는 특정 파형에 대한 진폭 및 위상을 샘플 단위로 반복 수정할 수 있는 R&S®FSW Signal and Spectrum Analyzer와 같은 테스트 및 계측 솔루션(Direct DPD라고도 함)을 사용하면 반복하는 기존 접근방식에 따라 레퍼런스 모델을 만들 수 있습니다. 이러한 절차는 양호한 기준을 제공합니다.

로데슈바르즈는 또한 Brooklyn 6G Summit 2023에서 맞춤형 성상과 함께 AI/ML 기반 뉴럴 리시버 셋업을 선보였습니다. 이 셋업은 R&S®SMW200A Vector Signal Generator를 사용하여 2x4 MIMO 송신 방식을 적용하는 단일 사용자를 에뮬레이션합니다. 신호 발생기는 송신에 페이딩과 노이즈를 추가해 실제 시나리오를 에뮬레이션하는 데에도 사용됩니다. 그런 다음 R&S MSR4 Multi-purpose Satellite Receiver의 4개 수신 채널을 사용하여 신호를 캡처하고 디지타이징한 다음 서버로 스트리밍합니다. 이 서버는 R&S®VSE Vector Signal Explorer 마이크로 서비스가 포함된 R&S 서버 기반 테스트 프레임워크를 호스팅합니다. 여기에서 신호에 대한 동기화와 함께 고속 푸리에 변환(FFT), 순환 전치 제거가 수행된 후 6G 연구의 오픈 소스 라이브러리인 NVIDIA Sionna™를 이용하여 NVIDIA에서 설계한 뉴럴 리시버를 통해 이러한 사전 처리 데이터를 처리합니다.

로데슈바르즈의 전문 담당자와 함께 귀사에 필요한 AI/ML Test Case에 대해 논의해 보시겠습니까?

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