人工智能在5G和6G網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

人工智能（AI）革命已經(jīng)到來。 隨著ChatGPT等應(yīng)用的公開發(fā)布，人們得以利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和機器學(xué)習(xí)（ML）的力量和潛力獲得親身體驗。ChatGPT是一個語言模型，該模型使用來自互聯(lián)網(wǎng)和書籍的海量文本數(shù)據(jù)進(jìn)行了訓(xùn)練，能夠生成類似真人撰寫的文本。 這種類型的應(yīng)用完美體現(xiàn)出了人工智能的優(yōu)勢。它可以通過大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)不斷優(yōu)化在復(fù)雜場景下的輸出。

無線網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是復(fù)雜的，會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，并且隨著每一代新技術(shù)的引入，其復(fù)雜性也在不斷增加。這些特性使得人工智能成為優(yōu)化無線網(wǎng)絡(luò)的理想工具。

AI在5G網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

隨著5G技術(shù)的成熟，AI和ML已經(jīng)被3GPP（第三代合作伙伴計劃）引入研究，3GPP是制定蜂窩技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的國際化標(biāo)準(zhǔn)組織。目前正在考慮運用人工智能對空中接口進(jìn)行改進(jìn)，包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)能、負(fù)載均衡和移動性優(yōu)化等。由于空中接口的潛在用例非常多，所以在即將發(fā)布的3GPP R18中只選擇了其中一個小的子集進(jìn)行研究，涵蓋信道狀態(tài)信息（CSI）反饋、波束管理和定位等。需要注意的是，3GPP并沒有開發(fā)人工智能/機器學(xué)習(xí)模型。相反，它試圖創(chuàng)建通用的框架和評估方法，以便將人工智能/機器學(xué)習(xí)模型部署到空中接口的不同功能中^[1]。

除了3GPP和空中接口之外，O-RAN 聯(lián)盟正在探索如何利用人工智能/機器學(xué)習(xí)來改善網(wǎng)絡(luò)編排和管理。例如，O-RAN 聯(lián)盟的架構(gòu)有一個獨特功能，該架構(gòu)被稱為RAN 智能控制器 (RIC) ，主要用于輔助人工智能和機器學(xué)習(xí)優(yōu)化不同的使用場景。RIC既可以管理近實時應(yīng)用（xApps），也能管理非實時應(yīng)用（rApps）。用于提高頻譜效率和能源效率的xApps以及利用人工智能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編排和管理的rApps目前已經(jīng)存在。隨著O-RAN生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展和成熟，將有更多xApps/rApps以及利用基于RIC的人工智能和機器學(xué)習(xí)優(yōu)化的應(yīng)用將會出現(xiàn)。

圖1：ORAN網(wǎng)絡(luò) 

6G 網(wǎng)絡(luò)原生AI技術(shù)

6G雖然處于起步階段，但能夠確定的是，人工智能/機器學(xué)習(xí)將成為未來無線通信系統(tǒng)各個方面的基本組成部分。在網(wǎng)絡(luò)層面，盡管沒有正式定義，但 “AI原生 ”這一術(shù)語已經(jīng)在業(yè)內(nèi)被廣泛使用。觀察這些AI原生網(wǎng)絡(luò)的方式之一是根據(jù)RAN（無線接入網(wǎng)）當(dāng)前的虛擬化技術(shù)和解聚趨勢來推斷上圖（圖1）。網(wǎng)絡(luò)中的每個區(qū)塊都可能包含人工智能/機器學(xué)習(xí)模型，這些模型在不同的供應(yīng)商和應(yīng)用之間可能會有所差異（圖2）。 

圖2：ORAN 6G網(wǎng)絡(luò) 

AI原生網(wǎng)絡(luò)也可以用來指稱為運行原生人工智能/機器學(xué)習(xí)模型而構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)。請參考下面的設(shè)計流程（圖3）。在傳統(tǒng)的5G網(wǎng)絡(luò)中，空中接口是由不同的部分組成的，每個部分均由人類進(jìn)行設(shè)計。在5G-Advanced網(wǎng)絡(luò)中，每個部分都將利用機器學(xué)習(xí)技術(shù)來優(yōu)化特定的功能。在6G網(wǎng)絡(luò)中，可能會由人工智能使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計整個空中接口。 

圖3：從與AI結(jié)合到 AI原生網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展^[2] 

人工智能/機器學(xué)習(xí)優(yōu)化

借鑒人工智能 / 機器學(xué)習(xí)可用于改善網(wǎng)絡(luò)編排和管理的想法，6G寄希望于利用人工智能和機器學(xué)習(xí)來解決優(yōu)化挑戰(zhàn)。例如，人工智能可以根據(jù)實時運行情況打開和關(guān)閉組件，以降低整個網(wǎng)絡(luò)的功耗。如今，xApps和rApps通過開啟和關(guān)閉處于非工作狀態(tài)的功率放大器等高耗能組件在基站層面實現(xiàn)了這一目標(biāo)。然而，人工智能快速解決具有挑戰(zhàn)性的計算問題和分析海量數(shù)據(jù)的能力，為我們在更大范圍內(nèi)乃至全市或者全國范圍內(nèi)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能提供了可能。可以在使用頻率比較低的時間段關(guān)閉整個基站，也可以對小區(qū)進(jìn)行重新配置，以綠色低碳、節(jié)能環(huán)保的方式使用盡可能少的資源來滿足用戶的實時需求。目前還無法以這種方式重新配置基站和整個城市的網(wǎng)絡(luò)，重新配置和測試對網(wǎng)絡(luò)配置的任何更改通常需要幾天或幾周的時間。盡管如此，不同人工智能技術(shù)的發(fā)展前景十分廣闊，它們?nèi)匀皇腔A(chǔ)設(shè)施提供商的首要考量因素。

總結(jié)

人工智能在無線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用不會等到6G網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)時才開始。整個生態(tài)系統(tǒng)正在進(jìn)行積極的研究，以開發(fā)新的模型，并將這些模型集成到現(xiàn)存的和未來的無線通信系統(tǒng)中。然而，這些模型仍然是新推出的，需要對其嚴(yán)謹(jǐn)性和可靠性進(jìn)行評估。 在不同的數(shù)據(jù)集上適當(dāng)?shù)赜?xùn)練人工智能模型，量化它們對傳統(tǒng)技術(shù)的改進(jìn)，并為人工智能驅(qū)動的模塊定義新的測試方法，這些都是隨著新技術(shù)的采用而必須采取的關(guān)鍵步驟。隨著人工智能模型和測試方法與技術(shù)的成熟，毫無疑問，人工智能將在未來5-10年內(nèi)徹底改變無線通信行業(yè)。

參考資料

[1] https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/2201/2201.01358.pdf

[2] [Hoy21] J. Hoydis et al, “Toward a 6G AINative Air Interface”, IEEE Comm. Magazine, May 2021.