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A Photonics-Inspired Compact Network: Toward Real-Time AI Processing in Communication Systems

计算机科学 卷积神经网络 光子学 现场可编程门阵列 人工神经网络 信号处理 计算机硬件 人工智能 数字信号处理 光学 物理
作者
Hsuan-Tung Peng,Joshua C. Lederman,Lei Xu,Thomas Ferreira de Lima,Chaoran Huang,Bhavin J. Shastri,David Rosenbluth,Paul R. Prucnal
出处
期刊:IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics [IEEE Photonics Society]
卷期号:28 (4): 1-17 被引量:8
标识
DOI:10.1109/jstqe.2022.3195824
摘要

Machine learning methods are ubiquitous in communication systems and have proven powerful for applications including radio-frequency (RF) fingerprinting, automatic modulation classification, and signal recovery in communication systems. However, the high throughput requirement of a communication link makes AI models difficult to implement in real-time on edge devices. In this work, we address this issue by improving both the algorithm and hardware to target real-time AI processing in communication systems. For algorithm development, we propose the first compact deep network consisting of a silicon photonic recurrent neural network model in combination with a simplified convolutional neural network classifier to identify RF emitters by their random transmissions. Our model achieves 96.32% classification accuracy over a set of 30 identical ZigBee devices when using 50 times fewer training parameters than an existing state-of-the-art CNN classifier (Merchant et al., 2018). Thanks to the large reduction in network size, we emulate the system using a small-scale FPGA board, the PYNQ-Z1, and demonstrate real-time RF fingerprinting with 0.219 ms latency. In addition, for hardware implementation, we further demonstrate a fully-integrated silicon photonic neural network for fiber nonlinearity compensation (Huang et al., 2021), which improves the received signal by 0.60 dB.
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