6G 네트워크를 위한 AI 및 ML

6G 네트워크를 위한 AI 및 ML

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: Apple의 Siri, Amazon의 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)estimation, 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.

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 단계는 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, XR 등)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®SMW200AVector Signal Generator 또는 특정 파형에 대한 진폭 및 위상을 샘플 단위로 반복 수정할 수 있는(Direct DPD라고도 함) R&S®FSW Signal and Spectrum Analyzer와 같은 테스트 및 계측 솔루션을 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 Explorer마이크로 서비스가 포함된 R&S 서버 기반 테스트 프레임워크를 호스팅합니다. 여기서 신호 동기화와 함께 FFT(고속 푸리에 변환) 및 주기적 전치 부호 제거가 수행되며, 그 전에는 Nvidia에서 설계한 뉴럴 리시버가 SIONNATM 프레임워크를 사용해 사전 처리된 데이터를 처리합니다.

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

AI 및 ML 애플리케이션을 위한 6G 테스트 솔루션

6G AI 및 ML 관련 소식

AI 및 ML 관련 특집 콘텐츠

Towards 6G: AI-native interface – neural receiver

Video: Towards 6G: AI-native interface – neural receiver

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머신 러닝(ML)은 이미지 및 영상 인식과 자연 언어 처리에서 매우 성공적이었습니다. 이 동영상을 시청하고 연구원들이 6G에서 신호를 처리하는 데 머신 러닝을 적용하는 것에 대해 어떤 관심을 가지고 있는지 알아보십시오.

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이 웹세미나를 시청하고 미래 6G 무선 통신 표준의 AI-네이티브 에어 인터페이스에 대해 진행 중인 기초 연구에 대해 간략히 알아보십시오.

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Towards 6G: AI/ML-based neural receiver

동영상: Towards 6G - AI/ML-based neural receiver

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웹세미나: The role of AI/ML in future wireless communication

이 웹세미나를 시청하고 AI/ML이 오늘날 5G 이동통신에 어떻게 사용되고 있는가에 알아보고 6G의 AI-네이티브 에어 인터페이스에 대한 기초 연구의 현황 등에 대해 들어보십시오.

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Think Six - Is it time for wireless communication to get smart(er) with AI/ML? Part 1.

동영상: Is it time for wireless communication to get smart(er) with AI/ML? 1부

이 동영상은 AI 및 ML의 배경 이론과 용어를 소개하고 모바일 전파 테스트에서 인공 지능의 잠재적 역할에 대해 설명합니다.

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#Think Six - Is it time for wireless communication to get smart(er) with AI/ML? Part 2.

동영상: Is it time for wireless communication to get smart(er) with AI/ML? 2부

이 동영상에서는 먼저 세 가지 특수 사용 사례를 살펴보고, 업계 전문가들이 머신 러닝으로 큰 이점을 얻을 수 있는가에 대한 문제를 연구하기 시작한 3GPP Release 18(5G-Advanced)를 살펴봅니다.

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#Think Six - Is it time for wireless communication to get smart(er) with AI/ML? Part 3.

동영상: Is it time for wireless communication to get smart(er) with AI/ML? 3부

AI 기반 에어 인터페이스를 어떻게 실현할 수 있을까요? 이 동영상에서는 6G 표준용 에어 인터페이스의 실현 가능성을 알아보기 위해 미래를 예측해봅니다.

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#ThinkSix - Validating a Machine-Learning Based Neural Receiver with 5G NR Multiple MIMO Signals

동영상: Validating a Machine-Learning Based Neural Receiver with 5G NR Multiple MIMO Signals

인공 지능으로 구현한 머신 러닝(ML)을 이용해 무선 통신의 신호 처리 작업을 수행하는 것이 이론에서 실무로 움직이기 시작했습니다. 이 동영상을 시청하고 자가 학습 뉴럴 리시버의 성능을 검증하는 방법을 확인해 보십시오.

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6G 인공 지능(AI) 및 머신 러닝(ML) FAQ

6G에서의 인공 지능이란 무엇입니까?

6G 기술 프레임워크 내에서 AI는 구현하는 역할만 하는 것이 아니라 미래 네트워크의 핵심이 됩니다. AI는 6G의 다양한 연구 영역에 활용될 새로운 파형의 설계와 네트워크를 최적화하는 방법입니다. 또한, 분산 학습과 같이 연결된 지능을 구현할 수 있습니다.

6G에서의 머신 학습이란 무엇입니까?

머신 러닝을 통해 서로서로 학습하고 환경으로부터 학습할 수 있는 6G 네트워크 전파를 구현하여 완전한 지능형 무선 네트워크와 관리를 실현할 수 있습니다.

AI-네이티브 에어 인터페이스의 이점은 어떤 것이 있습니까?

6G AI 인터페이스를 구현할 경우 전파가 동적으로 학습하여 가용 스펙트럼을 효율적으로 이용하는 파형과 신호를 셋업하므로 성능 개선을 달성할 수 있습니다. 이에 따라 에너지 효율성도 최적화됩니다. AI-네이티브 에어 인터페이스를 사용할 경우 사용자 정의 송신 체계를 갖춘 서비스 요구사항에 따라 적응을 자동화할 수도 있습니다. 또한, 모든 타겟 플랫폼에 맞게 에어 인터페이스를 적응할 수 있습니다.

AI-네이티브 인터페이스가 기존 구현과 다른 점은 무엇입니까?

기존 알고리즘(예: 채널 추정)은 수동으로 개발하는 방식이며, 엔지니어가 무선 채널 전파 특성과 같은 간단한 수학 모델을 기반으로 최적화합니다. 하지만 이러한 모델은 실제 상황을 추정하는 방식에 불과합니다. 반면, AI/ML 모델은 데이터에서 학습합니다. 이 모델은 개발자가 특성과 알고리즘을 설명하거나 명시적으로 프로그래밍하지 않고도 특성과 알고리즘을 학습할 수 있습니다. 실제 데이터를 학습한 AI/ML 모델은 물리적 특성을 정확히 학습할 수 있으며 간단한 수학 모델을 기반으로 수동으로 구현한 알고리즘보다 뛰어난 성능을 발휘하는 경우가 많습니다.

에어 인터페이스의 AI/ML은 6G와만 관련되어 있습니까? 5G는 어떻습니까?

6G AI 또는 ML 에어 인터페이스는 단 하루만에 구현되지 않습니다. 대신 5G에서 6G로 전환하는 과정이 지속될 것입니다. 그러한 측면에서 사용자 기기와 기지국에서 AI 또는 ML 모델의 원활한 상호작용을 지정하는 방법을 학습해야만 표준화를 완성할 수 있습니다. 3GPP 5G NR Release-18(최초의 5G-Advanced 릴리스)에서 이러한 학습을 시작했으며, 세 가지 Use Case, 즉 CSI-RS 피드백 압축, 빔 관리, 포지셔닝을 기준으로 AI-네이티브 에어 인터페이스를 연구하고 있습니다.

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