Neuroverkon inferenssi digitaalisessa signaalikäsittelyssä kovien reaaliaikavaatimusten alaisuudessa

The main objective of this thesis is to investigate how neural network inference can be efficiently implemented on a digital signal processor under hard real-time constraints from the execution speed point of view. Theories on digital signal processors and software optimization as well as neural networks are discussed. A neural network model for the specific use case is designed and a digital signal processor implementation is created based on the neural network model. A neural network model for the use case is created based on the data from the Matlab simulation model. The neural network model is trained and validated using the Python programming language with the Keras package. The neural network model is implemented on the CEVA-XC4500 digital signal processor. The digital signal processor implementation is written in C++ language with the processor specific vector-processing intrinsics. The neural network model is evaluated based on the model accuracy, precision, recall and f1-score. The model performance is compared to the conventional use case implementation by calculating 3GPP specified metrics of misdetection probability, false alarm rate and bit error rate. The execution speed of the digital signal processor implementation is evaluated with the CEVA integrated development environment profiling tool and also with the Lauterbach PowerTrace profiling module attached to the real base station product. Through this thesis, an optimized CEVA-XC4500 digital signal processor implementation was created for the specific neural network architecture. The optimized implementation showed to consume 88 percent less cycles than the conventional implementation. Also, the neural network model performance fulfills the 3GPP specification requirements.Tämän diplomityön tarkoituksena on tutkia miten neuroverkon inferenssi voidaan toteuttaa tehokkaasti digitaalisella signaaliprosessorilla suoritusnopeuden näkökulmasta, kun sovelluksella on kovat reaaliaikavaatimukset. Työssä käsitellään teoriaa digitaalisista signaaliprosessoreista, ohjelmistojen optimoinnista ja neuroverkoista. Työssä kehitetään neuroverkkomalli tiettyyn käyttötapaukseen, ja mallin pohjalta luodaan toteutus digitaaliselle signaaliprosessorille. Neuroverkkomalli luodaan Matlab-simulointimallin avulla kerätystä datasta. Neuroverkkomalli opetetaan ja varmennetaan Python-ohjelmointikiellellä ja Keras-paketilla. Neuroverkkomalli toteutetaan CEVA-XC4500 digitaaliselle signaaliprosessorille. Digitaalisen signaaliprosessorin toteutus kirjoitetaan C++-ohjelmointikielellä ja prosessorikohtaisilla vektorilaskentaoperaatioilla. Neuroverkkomalli varmennetaan mallin tarkkuuden, precision-arvon, recall-arvon ja f1-arvon perusteella. Mallin suorituskykyä verrataan käyttötapauksen tavanomaiseen toteutukseen laskemalla 3GPP-spesifikaation mukaiset mittarit virhehavaintotodennäköisyys, väärien hälytysten lukumäärä ja bittivirhemäärä. Suoritusnopeus määritetään sekä CEVA-ohjelmointiympäristön profilointityökalulla että tukiasematuotteeseen kytketyllä Lauterbach PowerTrace-yksiköllä. Työn tuloksena luotiin optimoitu CEVA-XC4500 digitaalinen signaaliprosessoritoteutus valitulle neuroverkkoarkkitehtuurille. Optimoitu toteutus kulutti 88% vähemmän laskentasyklejä kuin tavanomainen toteutus. Neuroverkkomalli täytti 3GPP-spesifikaation mukaiset vaatimukset