技術名稱 應用深度強化學習於提高Wi-Fi網路效能:以商用802.11ac裝置為例
計畫單位 國立交通大學
計畫主持人 李奇育
技術簡介
隨著Wi-Fi無線網路標準的演進,提升Wi-Fi速度效能的新技術不斷產生,從傳統Wi-Fi標準(如IEEE 802.11a/b/g)只有調變方法(MCS)的技術,到現在流行的IEEE 802.11ac標準包含了三個提升速度效能的主要技術,除了MCS以外,還有頻寬(bandwidth)調整和多輸入多輸出(MIMO)的技術,MIMO使得多個數據流可以在同一個頻道上同時傳送,速度效能因而可以倍數成長,這些技術使得11ac的速度可達千兆比特每秒(Gbps)以上。而各項技術有多個選項,使用於不同的無線通道狀況,無線網卡驅動程式中的速率調適演算法即是用於,在當前通道狀況下選擇一個可以達到最高速率的技術選項組合,因通道狀況瞬息萬變,可於數十毫秒間變化,若無法即時動態變換至最好的組合,將會造成Wi-Fi網路效能低落。然而,所有技術選項組合的數目可以從將近一百個到數百個,對速率調適演算法的設計帶來挑戰,例如:對於一張普遍的IEEE 802.11ac兩根天線的網路卡,三個技術選項的不同組合數目可達80個。
本團隊對於兩個廣泛用於商用Wi-Fi網卡的速率調適演算法進行研究,分別是Linux預設演算法Minstrel和Intel網卡所使用的Iwlwifi,確實發現大量的技術選項組合突顯它們的演算法缺乏擴展性,在動態和干擾的狀況下,無法即時找到最佳的組合,而可能無法達到最高可達速率的一半。為了解決在大量選項中,在數十毫秒間快速找到最佳的組合,本團隊根據每個Wi-Fi裝置都有經常被使用在同一種模式和環境的概念,使用深度強化學習的演算法,使得每個Wi-Fi網卡的驅動程式都可以根據習慣的模式和環境,產生出最適合的速率調適方法,如手機的Wi-Fi網卡常常在快速移動的模式中,速率調適必須很快地調整且考慮移動的影響。本團隊因而提出了一個基於深度強化學習(Deep Reinforcement Learning)的速率調適(Rate Adaptation)演算法(DRL-RA),且利用Google Tensorflow實作出一個適合將深度學習應用於Wi-Fi效能的非同步之使用者和內核空間運作架構,此架構亦可適用於其它基於深度學習的無線網路應用。最後,使用商用的Intel網卡進行評估,DRL-RA的速率效能可勝過Minstrel和Iwlwifi分別達約242.8%和821.4%。
科學突破性
本團隊開發出一個將深度學習應用於Wi-Fi效能的非同步之使用者和內核空間運作架構,並且於此架構,設計出一個基於深度強化學習且具實用性的速率調適演算法,藉由自動學習在常用環境中的經驗,產生出最適合的調適方法。且將它實作於商用網卡的驅動程式,其效能超越當前兩個流行的速率調適演算法,最高可達821.4%。
產業應用性
本技術適合應用於網通產業,主要包含兩個項目,第一個是深度學習應用於內核模組架構,可使得廠商對於網路系統開發智能服務,應用AI技術針對不同使用者優化產品效能;第二個是基於深度強化學習且具實用性的速率調適方法,可使Wi-Fi晶片商和設備商提高產品的效能,且也可應用相同之架構設計於其它不同效能或特定功能。
關鍵字 深度學習 無線區域網路 強化學習 無線網路 無線頻寬 驅動程式 商用裝置 無線基地台 網路效能 機器學習
備註
附件一為相關技術的會議論文,發表於全國電信年會2020,獲得最佳論文獎。
附件二為相關機器學習應用於無線傳輸的期刊論文,已被國際期刊IEEE TVT所接受。
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  • 李奇育
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