Artificiële intelligentie als gids door de draadloze jungle

In koffiebars loopt de communicatie vaak stroef

Stel je een koffiebar voor waar je tussen twee afspraken in snel nog wat werk wilt verzetten. Valt dat even tegen … de wifi is er ellendig traag. Klinkt vertrouwd? 

Misschien moet de eigenaar zijn wifirouter upgraden naar het nieuwste model met een enorme capaciteit? Helaas, ook dat brengt geen zoden aan de dijk. Zoek de oorzaak eerder in de manier waarop het spectrum is georganiseerd. Wereldwijd loopt ongeveer de helft van al het internetverkeer over twee smalle frequentiebanden. Door onze alsmaar groeiende datahonger zitten die barstensvol.

Eigenlijk is er niet zoveel veranderd sinds Marconi in 1901 de eerste draadloze signalen naar de overkant van de oceaan stuurde. Twee toestellen moeten het nog altijd op voorhand eens zijn over een vaste frequentie waarover ze zullen communiceren vóór ze een draadloze verbinding kunnen opzetten.

Het hele radiospectrum is daarom opgesplitst in strikt afgebakende frequentiebanden, die elk door middel van licentieafspraken voor een bepaald type communicatie zijn voorbehouden. Er zijn maar een paar krap bemeten frequentiebanden vrij ter beschikking en die zijn ondertussen helemaal ingepalmd door wifi voor draadloos internet, Bluetooth-communicatie of IoT-verkeer. Het is er echt drummen, zo sterk zijn de uitgewisselde datahoeveelheden toegenomen. Terwijl heel wat frequentiebanden mét licentie zelden of nooit op hun volle capaciteit worden gebruikt. Denk aan frequenties die voorbehouden zijn voor noodoproepen of voor sporadisch verkeer afkomstig van satellieten.

Het USA Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) vond dat het gedaan moest zijn met deze situatie, die nog elke dag verslechtert. Om nieuwe strategieën voor het delen van het spectrum te ontwikkelen organiseerde DARPA de SC2-wedstrijd. Die bestaat uit drie fasen, met doelstellingen die steeds uitdagender worden.

Gaming als inspiratie voor innovatie

Ingrid Moerman: “In de SC2-wedstrijd treden teams tegen elkaar in het strijdperk met hun innovatieve communicatiesystemen. Die radio’s scannen voortdurend het spectrum af op zoek naar openingen. Door samen te werken, levert dat uiteindelijk meer zendcapaciteit en een betere kwaliteit op dan wat met een vaste spectrumtoewijzing mogelijk is. Uiteraard mag er daarbij geen interferentie optreden met radio’s die over de rechten beschikken om in een bepaalde frequentieband te communiceren.” 

“De wedstrijdorganisatoren confronteren de deelnemers met een aantal scenario’s. Een ervan is bijvoorbeeld een winkelgalerij met een koffiebar, een restaurant en diverse andere bedrijven. Voor elk scenario worden een groot aantal games gespeeld, telkens met een selectie van de deelnemende teams die samen de communicatie in het scenario zo goed mogelijk moeten laten verlopen.”

“In de eerste fase werden tien teams geselecteerd die mochten blijven deelnemen. Ons team veroverde de vijfde plaats en kreeg 750.000 dollar.”

“In de tweede wedstrijdfase werd het menens. Bij elke game moesten meer teams het tegen elkaar opnemen en zaten er in het speelveld ook meer communicatienodes. In de loop van het jaar hadden we al enkele scenario’s ontvangen om onze applicatie te testen, maar in de laatste ronden zaten er plots enkele nieuwe gamesituaties. Toch bleek juist dat het sterke punt van onze oplossing. In tegenstelling tot de systemen van sommige concurrenten was onze oplossing niet geoptimaliseerd of getraind voor specifieke scenario’s. Die meer algemene aanpak zorgt voor flexibiliteit en een vlotte aanpassing aan nieuwe situaties. Zo moesten wij in een van de meest uitdagende situaties een onberispelijke communicatie opzetten in een omgeving met onvoorspelbare stoorzenders. Onze radio bleek daar perfect mee om te gaan en zelfs als een van de beste van de wedstrijd te presteren. Dus ook die fase voltooiden wij met vlag en wimpel. En het resultaat leverde ons opnieuw 750.000 dollar op.”

Het is niet de eerste keer dat DARPA innovatie stimuleert met een wedstrijd. Heette het internet oorspronkelijk niet DarpaNet? Het bevatte in de kiem alle technologieën die uiteindelijk onze geconnecteerde wereld hebben voortgebracht. Zelfrijdende auto’s is een ander mooi voorbeeld van een technologie die DARPA op de kaart heeft gezet. Een aantal mensen die later de Google-auto zouden ontwikkelen, wonnen 10 jaar geleden een gelijkaardige wedstrijd. DARPA probeert telkens een golf van verandering op gang te brengen door een visionaire uitdaging te lanceren en talrijke teams tegen elkaar te laten uitkomen, op zoek naar oplossingen. Door de teams toepassingen te laten ontwikkelen die zo ruim mogelijk en op veel domeinen inzetbaar zijn, garanderen zij dat de technologie ook toekomstbestendig is.

De uitdrukkelijke doelstelling van SC2 – de Spectrum Collaboration Challenge – luidde: ontwikkel baanbrekende communicatiecapaciteiten door te steunen op de meest recente evoluties in artificiële intelligentie en machine learning. Onderzoekers in academische instellingen en bedrijven werden uitgedaagd om doorbraken in collaboratieve AI te verwezenlijken. Hiermee moesten ze dan een nieuw spectrumparadigma opstellen dat de kiemen zou bevatten voor een nieuw draadloos tijdperk zonder knellende spectrumbeperkingen.

Robuust genoeg voor Industry 4.0

Ingrid Moerman: “Onze radio steunt op deep learning en gedistribueerde intelligentie. Hij is in elk opzicht flexibel en heeft geen vaste infrastructuur nodig zoals de cellulaire technologieën van vandaag. Prioritair in onze aanpak was bovendien een stabiele, gegarandeerde Quality of Service.”

“Veel bedrijven prijzen hun draadloze producten nog altijd aan met het argument van een groot debiet. Maar hoe zinvol is dat voor een modern toestel als je niet eens de hele tijd een lager, maar wel stabiel datadebiet kunt garanderen?”

“De geconnecteerde applicaties van vandaag hebben immers vooral behoefte aan een stabiel debiet, gegarandeerde antwoordtijden en hoge verbindingsbetrouwbaarheid. Dat zijn bvb. de basisvereisten voor het beheren en aansturen van moderne productieprocessen of de verkeersinfrastructuur van de volgende generatie, om maar die twee te noemen. Veel geavanceerde productieomgevingen zijn nog altijd afhankelijk van complexe bekabeling voor hun communicatie en procesbeheer. Al die duizenden kabels aanleggen en onderhouden wordt binnenkort onbetaalbaar. Gek genoeg vinden mensen een draadverbinding nog altijd de beste garantie voor betrouwbare communicatie. Maar de gevolgen van een kabelbreuk of foute bedrading kunnen ernstig zijn en herstellingen vragen heel veel tijd. Met draadloze systemen heb je daar geen last van.”

“Toegegeven, tot voor kort was de draadloze technologie nog niet klaar voor Industry 4.0. Maar ons systeem wel, omdat Quality of Service en gegarandeerde antwoordtijden bij ons voorrang krijgen. Bovendien past het zich soepel aan de meest veeleisende omgevingen aan en is het opgewassen tegen herconfiguraties, concurrerende draadloze bronnen, ruis, interferenties en zelfs elektronische stoorzenders.”

De laatste fase wenkt

Het team van Ingrid Moerman is samengesteld uit onderzoekers en ingenieurs van haar eigen IDLab in Gent, het IDLab onder leiding van Steven Latré in Antwerpen (ook een imec-onderzoeksgroep) en een groep van Rutgers University (New Jersey, VSA).

“Wat ons onderscheidt van de andere teams is volgens mij in de eerste plaats de enorme diversiteit aan disciplines in ons team. Die veelheid aan standpunten waarmee wij naar de uitdaging kijken, levert nieuwe inzichten op die wij vervolgens verder kunnen ontwikkelen en inbouwen in onze radio.”

“Nu is het dus zover: ons team mag deelnemen aan de volgende en laatste wedstrijdfase. Als we die winnen, halen we het bedrag van maar liefst twee miljoen dollar binnen! Maar nu moeten we nog intenser samenwerken met de concurrerende teams, niet alleen om de beschikbare frequentieslots te delen, maar ook om ze te helpen hun data te verzenden. Een robuuste Quality of Service wordt daarom nog belangrijker dan in de eerdere fasen en dus zitten we in een goede startpositie. Maar ik herhaal het: het aantal teams en nodes zal in elke game alleen maar stijgen en samenwerking wordt daardoor exponentieel moeilijker.”

“Of wij een kans maken? Ik denk het wel. Inzake aanpasbaarheid en Quality of Service scoort ons systeem zeker bij de beste. En zolang de wedstrijd nog duurt, kunnen wij het blijven verbeteren. Dat komt ons goed uit, want we hebben nog een aantal interessante ideeën.”

Meer weten?

• Lees meer over de DARPA-wedstrijd op de website van de Spectrum Collaboration Challenge.
• Dit is de visie van imec op artificiële intelligentie, uit ons jaaroverzicht 2018.
• Lees het persbericht van imec voor meer informatie over de deelname van imec aan de eerste fase van de DARPA CS2 Challenge.