KR20210133687A - Apparatus for transmitting data based on mimi-auto encoder - Google Patents
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Abstract
Description
본 개시는 MIMO 기반의 통신 기술에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 기계학습을 사용하여 MIMO 통신을 수행하는 방법 및 장치에 대한 것이다.The present disclosure relates to MIMO-based communication technology, and more particularly, to a method and apparatus for performing MIMO communication using machine learning.
통신 환경, 특히, 무선의 통신 환경에서의 전송 속도를 높이기 위해서는 전송 대역폭을 넓이거나, 높은 차수의 변조를 수행하는 방식이 사용된다. In order to increase the transmission speed in a communication environment, particularly, in a wireless communication environment, a method of widening a transmission bandwidth or performing high-order modulation is used.
전송 대역폭을 넓일 경우, 간단하게 전송 속도를 높일 수 있지만, 기존 방식과의 호환성 문제가 있고, 가용 채널수의 감소로 인한 네트워크 용량 감소가 발생할 수 있다. 반면, 높은 차수의 변조를 수행할 경우, 변조의 차수에 비례하여 전송 속도가 증가하지 않고, 차수가 증가할수록 구현상의 문제가 심해지며, 커버리지가 좁아지는 등의 문제가 발생될 수 있다.When the transmission bandwidth is widened, the transmission speed can be simply increased, but there is a compatibility problem with the existing method, and a decrease in network capacity may occur due to a decrease in the number of available channels. On the other hand, when high-order modulation is performed, the transmission rate does not increase in proportion to the modulation order, and as the order increases, problems in implementation become severe, and the coverage becomes narrow.
나아가, 전송률을 높이기 위한 기술로, 다중 안테나를 이용하여 공간 다중화 (SDM: Spatial Division Multiplexing)를 실현하기도 하지만, SDM 기술은 병렬 전송된 데이터를 분리하여 검출하는 동작의 복잡도가 높은 문제가 있다. Furthermore, although spatial division multiplexing (SDM) is realized using multiple antennas as a technique for increasing the data rate, the SDM technique has a problem in that the complexity of an operation of separating and detecting parallel transmitted data is high.
SDM 시스템에서, ML(maximum likelihood) 검출 방식이나, OSIC (Ordered Successive Interference Cancelation) 검출 방식이 사용되기는 하지만, ML 검출 방식이나, OSIC 검출 방식 역시 시스템 환경에 따라 복잡도가 증가하거나, 검출 효율 등에서 문제가 발생될 수 있다. In the SDM system, although the ML (maximum likelihood) detection method and the OSIC (Ordered Successive Interference Cancelation) detection method are used, the ML detection method and the OSIC detection method also increase in complexity depending on the system environment or have problems in detection efficiency, etc. can occur.
최근, 기계학습 기술의 보급이 활발해지면서, 무선 통신 시스템에 기계학습 기술을 적용하여 신호를 변도 또는 복조하는 시도가 이루어지고 있다. 그러나, 무선 통신 시스템에 적용되는 기술은 단순히 신호의 변조 또는 복조 방식에 기계학습을 적용하는 연구가 주를 이루고 있다. In recent years, as machine learning technology has become more popular, attempts have been made to transform or demodulate a signal by applying machine learning technology to a wireless communication system. However, in the technology applied to the wireless communication system, the study of simply applying machine learning to the modulation or demodulation method of the signal is mainly made.
그러나, 통신 시스템은 채널 부호화기(복호화기) 및 변조기(복조기)를 모두 고려하여 신호의 송수신이 이루어지므로, 단순히 변조(복조) 방식에만 기계학습 방식을 적용할 경우, 실제 채널의 최적화를 실현하기 어려운 문제가 있다. However, since the communication system transmits and receives signals in consideration of both the channel encoder (decoder) and the modulator (demodulator), it is difficult to realize the actual channel optimization when the machine learning method is applied only to the modulation (demodulation) method. there is a problem.
본 개시의 기술적 과제는 다중 신호 송수신이 가능한 기계학습 기반의 MIMO Auto Encoder를 적용하므로써, 단순한 시스템 변경만으로 최적의 성능을 실현할 수 있는 무선 통신 시스템 및 방법을 구축하는데 있다.The technical task of the present disclosure is to establish a wireless communication system and method that can realize optimal performance by simply changing the system by applying a machine learning-based MIMO Auto Encoder capable of transmitting and receiving multiple signals.
본 개시의 다른 기술적 과제는 MIMO Auto Encoder의 출력이 LDPC 복호화기에 적합하도록 비트 확율값을 변경하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다. Another technical object of the present disclosure is to provide a method and apparatus for changing a bit probability value so that an output of a MIMO Auto Encoder is suitable for an LDPC decoder.
본 개시에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems to be achieved in the present disclosure are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present disclosure belongs from the description below. will be able
본 개시의 일 양상에 따르면 MIMO-Auto Encoder 기반의 데이터 전송 장치가 제공될 수 있다. 상기 장치는 입력되는 신호를 LDPC(Low Density Parity Check) 방식에 기초하여 부호화하는 채널 부호화기와, LDPC 부호화된 비트신호를 One-hot 인코딩 처리하여 One-hot 벡터를 출력하는 One-Hot 인코더와, 상기 One-hot 벡터를 입력으로 하고 변조 신호를 출력으로 하는 전송신호 학습모델을 사용하여, 상기 One-hot 벡터에 대응되는 변조 신호를 출력하는 학습기반 변조기와, 상기 변조 신호를 복소수 포맷으로 맵핑하여 MIMO 기반의 전송 신호를 출력하는 복소수 맵핑부를 포함할 수 있다.According to an aspect of the present disclosure, a MIMO-Auto Encoder-based data transmission apparatus may be provided. The apparatus comprises: a channel encoder for encoding an input signal based on a low density parity check (LDPC) method; a one-hot encoder for outputting a one-hot vector by one-hot encoding the LDPC-encoded bit signal; A learning-based modulator that outputs a modulated signal corresponding to the one-hot vector using a transmission signal learning model with a one-hot vector as an input and a modulated signal as an output, and MIMO by mapping the modulated signal into a complex format It may include a complex number mapping unit for outputting a base transmission signal.
본 개시에 대하여 위에서 간략하게 요약된 특징들은 후술하는 본 개시의 상세한 설명의 예시적인 양상일 뿐이며, 본 개시의 범위를 제한하는 것은 아니다.The features briefly summarized above with respect to the present disclosure are merely exemplary aspects of the detailed description of the present disclosure that follows, and do not limit the scope of the present disclosure.
본 개시에 따르면, 다중 신호 송수신이 가능한 기계학습 기반의 MIMO Auto Encoder를 포함하는 무선 통신 시스템 및 방법이 제공될 수 있다.According to the present disclosure, a wireless communication system and method including a machine learning-based MIMO Auto Encoder capable of transmitting and receiving multiple signals may be provided.
또한, 본 개시에 따르면, MIMO Auto Encoder의 출력이 LDPC 복호화기에 적합하도록 비트 확율값을 변경하는 방법 및 장치가 제공될 수 있다.Also, according to the present disclosure, a method and apparatus for changing a bit probability value so that an output of a MIMO Auto Encoder is suitable for an LDPC decoder may be provided.
본 개시에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Effects obtainable in the present disclosure are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned may be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present disclosure belongs from the description below. will be.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 MIMO-Auto Encoder 기반의 통신 시스템의 구성을 예시하는 블록도이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 MIMO-Auto Encoder 기반의 통신 시스템에서 One-hot 인코딩 동작을 예시하는 도면이다. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a MIMO-Auto Encoder based communication system according to an embodiment of the present disclosure.
2 is a diagram illustrating a one-hot encoding operation in a MIMO-Auto Encoder-based communication system according to an embodiment of the present disclosure.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 개시의 실시 예에 대하여 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 개시는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art to which the present disclosure pertains can easily implement them. However, the present disclosure may be implemented in several different forms and is not limited to the embodiments described herein.
본 개시의 실시 예를 설명함에 있어서 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 그리고, 도면에서 본 개시에 대한 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.In describing an embodiment of the present disclosure, if it is determined that a detailed description of a well-known configuration or function may obscure the gist of the present disclosure, a detailed description thereof will be omitted. And, in the drawings, parts not related to the description of the present disclosure are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts.
본 개시에 있어서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소와 "연결", "결합" 또는 "접속"되어 있다고 할 때, 이는 직접적인 연결관계뿐만 아니라, 그 중간에 또 다른 구성요소가 존재하는 간접적인 연결관계도 포함할 수 있다. 또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소를 "포함한다" 또는 "가진다"고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 배제하는 것이 아니라 또 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In the present disclosure, when it is said that a component is "connected", "coupled" or "connected" with another component, it is not only a direct connection relationship, but also an indirect connection relationship in which another component exists in the middle. may also include. In addition, when a component is said to "include" or "have" another component, it means that another component may be further included without excluding other components unless otherwise stated. .
본 개시에 있어서, 서로 구별되는 구성요소들은 각각의 특징을 명확하게 설명하기 위함이며, 구성요소들이 반드시 분리되는 것을 의미하지는 않는다. 즉, 복수의 구성요소가 통합되어 하나의 하드웨어 또는 소프트웨어 단위로 이루어질 수도 있고, 하나의 구성요소가 분산되어 복수의 하드웨어 또는 소프트웨어 단위로 이루어질 수도 있다. 따라서, 별도로 언급하지 않더라도 이와 같이 통합된 또는 분산된 실시 예도 본 개시의 범위에 포함된다. In the present disclosure, components that are distinguished from each other are for clearly explaining each characteristic, and do not necessarily mean that the components are separated. That is, a plurality of components may be integrated to form one hardware or software unit, or one component may be distributed to form a plurality of hardware or software units. Accordingly, even if not specifically mentioned, such integrated or distributed embodiments are also included in the scope of the present disclosure.
본 개시에 있어서, 다양한 실시 예에서 설명하는 구성요소들이 반드시 필수적인 구성요소들은 의미하는 것은 아니며, 일부는 선택적인 구성요소일 수 있다. 따라서, 일 실시 예에서 설명하는 구성요소들의 부분집합으로 구성되는 실시 예도 본 개시의 범위에 포함된다. 또한, 다양한 실시 예에서 설명하는 구성요소들에 추가적으로 다른 구성요소를 포함하는 실시 예도 본 개시의 범위에 포함된다. In the present disclosure, components described in various embodiments do not necessarily mean essential components, and some may be optional components. Accordingly, an embodiment composed of a subset of components described in an embodiment is also included in the scope of the present disclosure. In addition, embodiments including other components in addition to components described in various embodiments are also included in the scope of the present disclosure.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 개시의 실시 예들에 대해서 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 MIMO-Auto Encoder 기반의 통신 시스템의 구성을 예시하는 블록도이다. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a MIMO-Auto Encoder based communication system according to an embodiment of the present disclosure.
도 1을 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 MIMO-Auto Encoder 기반의 통신 시스템은, LDPC부호화기가 적용된 Auto Encoder를 사용하여 다중신호 생성 및 매핑 기능을 수행하는 전송장치(110)와, 다중 채널을 통해 수신된 신호를 검출 및 복조하는 수신장치(150)를 포함할 수 있다. 나아가, 전송장치(110)와 수신장치(150) 사이에는 다중 송수신 채널이 존재할 수 있으며, T개의 전송 안테나와 R개의 수신 안테나를 포함하는 MIMO 환경에서 신호의 송수신이 처리될 수 있다. Referring to FIG. 1 , a MIMO-Auto Encoder-based communication system according to an embodiment of the present disclosure uses an Auto Encoder to which an LDPC encoder is applied to perform a multi-signal generation and mapping function. It may include a
이하, 전송장치(110)와 수신장치(150)의 상세 구성을 설명한다.Hereinafter, detailed configurations of the
우선, 전송장치(110)는 채널 부호화기(111), One-Hot 인코더(112), 학습기반 변조기(113), 및 복소수 맵핑부(114)를 포함할 수 있다.First, the
채널 부호화기(111)는 입력되는 신호를 LDPC(Low Density Parity Check) 방식에 기초하여 부호화하여, LDPC 부호화된 비트 신호를 출력할 수 있다. 이때, LDPC 부호화된 비트 신호는 2진 비트 포맷으로 구성될 수 있다.The channel encoder 111 may encode an input signal based on a Low Density Parity Check (LDPC) method to output an LDPC-encoded bit signal. In this case, the LDPC-encoded bit signal may be configured in a binary bit format.
One-Hot 인코더(112)는, LDPC 부호화된 비트신호를 One-hot 인코딩 처리하여, One-hot 벡터로 변경된 결과를 출력할 수 있다. One-hot 인코딩 처리의 구체적인 동작은 하기의 도 2를 동해 상세히 설명한다.The one-hot encoder 112 may perform one-hot encoding processing on the LDPC-encoded bit signal, and output a changed result into a one-hot vector. A specific operation of the one-hot encoding process will be described in detail with reference to FIG. 2 below.
학습기반 변조기(113)는 전송신호 학습모델을 포함할 수 있으며, 전송신호 학습모델은 DNN(Deep Neural Network) 기능을 포함하는 Fully Connected Network와 비선형의 Activation 함수를 포함하여 구성될 수 있다. 이때, Activation 함수는 비선형 함수를 포함할 수 있다. 예컨대, Activation 함수는 ReLU, tanh, sigmoid 등을 포함할 수 있다. 나아가, 학습기반 변조기(113)는 크기의 벡터를 출력할 수 있다. The learning-based
특히, 학습기반 변조기(113)는 전송신호 학습모델에 대한 학습을 수행할 수 있는데, 전송신호 학습모델의 입력을 One-hot 벡터로 설정하고, 레이블 데이터로서 변조 신호를 설정할 수 있다. 학습기반 변조기(113)는 전송신호 학습모델을 통해 추정되는 변조신호 추정값과 상기 레이블 데이터(변조 신호) 사이의 차이값이 최소화되도록 학습모델의 학습을 제어할 수 있다.In particular, the learning-based
복소수 맵핑부(114)는 학습기반 변조기(113)에서 출력되는 크기의 벡터를 입력받고, 이를 무선 통신시스템의 송신 신호에 적합한 I/Q 데이터로 변환할 수 있다. 이때, 복소수 맵핑부(114)는 이웃하는 2개의 입력값을 이용하여 I/Q 데이터를 구성할 수 있다. 예를 들어, 복소수 맵핑부(114)에는 크기의 벡터가 입력될 수 있는데, 복소수 맵핑부(114)는 제1 및 제2벡터의 입력 데이터를 사용하여 제1출력 데이터를 구성할 수 있다. 이와 같은 방법을 통해, 복소수 맵핑부(114)는 차원의 실수 형태 입력 데이터를 차원의 복소수 데이터로 변환하여 출력할 수 있다. The complex
나아가, 복소수 맵핑부(114)는 차원의 복소수 데이터를 정규화(Normalization)하여 출력할 수 있다. 즉, 복소수 맵핑부(114)는 전송 신호의 파워가 1이 되도록 하거나, 특정 무선통신 시스템이 전송하고자 하는 송신 전력을 기준으로 입력 신호의 전력을 제어할 수 있다. 이렇게 Power Normalization이 수행된 신호는 MIMO 채널을 거쳐 R개의 수신 안테나에 전달될 수 있다. Furthermore, the complex
전술한 전송장치(110)에서 출력되는 신호는 무선 통신망(130)을 통해 수신장치(150)로 전달될 수 있다. The signal output from the above-described
한편, 수신장치(150)는, I/Q분리부(151), 학습기반 복조기(152), 분류기(Classification)(153), One-Hot기반 LLR(Log Likelihood Ratio) 처리부(154), 및 채널 복호화기(155)를 포함할 수 있다. On the other hand, the
I/Q분리부(151)는 학습기반 복조기(152)의 구조에 맞도록 I/Q 분리 동작을 수행할 수 있다. I/Q분리 동작은 하나의 복소수를 두 개의 실수로 분리하는 동작일 수 있다. 일반적으로 기계학습 기반의 함수들은 복소수 처리가 어려우므로, 복소수형태의 데이터를 실수 형태로 변환힐 필요가 있다. 따라서, I/Q분리부(151)는 각각의 복소수 데이터 입력에 대응하여 두개의 실수로 변환된 데이터를 출력할 수 있으며, 이에 따라, R개의 수신 안테나를 통해 입력된 R개의 복소수를 2R개의 실수벡터로 변환하여 출력할 수 있다. The I/Q separation unit 151 may perform an I/Q separation operation to fit the structure of the learning-based
학습기반 복조기(152)는 전송장치(110)의 학습기반 변조기(113)에 대응되는 구성부로서, 수신신호 학습모델을 구비할 수 있다. 이때, 수신신호 학습모델은 Fully Connected Network로 구성된 다수개의 Neural Network와, Activation 함수를 포함하여 구성될 수 있다. The learning-based
나아가, 학습기반 복조기(152)는 수신신호 학습모델의 학습을 제어할 수 있다. 즉, 학습기반 복조기(152)는 수신신호 학습모델의 Fully Connected Network가, 전송장치(110)에서 전송된 신호와 수신장치(150)에서 복조한 신호와의 차이를 줄일 수 있도록 학습될 수 있다. 이때, 두 신호(전송된 신호 및 복조한 신호) 사이의 차이값은 분류기(153)에 의해 산출될 수 있으며, 예컨대, Cross-Entropy 연산에 기초하여 계산될 수 있다. 이때, Cross-Entropy 연산은 하기의 수학식 1과 같이 예시할 수 있다.Furthermore, the learning-based
위의 식에서 는 수신장치(150)의 기계학습 함수를 나타내며 는 수신장치(150) 기계학습 함수의 계수를 나타낸다. 분류기(153)는, 수학식 1에서와 같이 Negative Log-Likelihood 기반의 Cross-Entropy 값이 점차 줄어들 수 있도록 기계학습 함수의 계수를 최적화하여 학습기반 복조기(152)에 구비되는 학습모델, 예컨대, Fully Connected Network에 대한 학습을 수행할 수 있다. in the above expression represents the machine learning function of the
수신장치(150)를 통해 출력되는 데이터는, 전송장치(110)의 One-Hot 인코더(112)에서 구성한 One-hot 벡터와 동일한 길이의 Softmax 출력으로 구성될 수 있다. 이를 고려하여, One-Hot기반 LLR 처리부(154)는, 분류기(153)에서 제공되는 데이터를, 채널 복호화기(155)의 입력에 적합하도록 Log-Likelihood Ratio 변환 처리할 수 있다. Data output through the
채널 복호화기(155)는 LDPC 디코딩하여 최종적으로 채널 복호화된 비트의 데이터를 출력할 수 있다. The channel decoder 155 may perform LDPC decoding and finally output channel-decoded bit data.
이하, 전술한 MIMO-Auto Encoder 기반의 통신 시스템의 세부 동작을 연산 처리 동작을 중심으로 설명한다.Hereinafter, detailed operations of the above-described MIMO-Auto Encoder-based communication system will be described with a focus on the operation processing operation.
우선, 채널 부호화기(111)는 입력되는 신호를 LDPC(Low Density Parity Check) 방식에 기초하여 부호화한 후, LDPC 부호화된 이진 비트로 출력한다. 이렇게 출력된 이진 비트는 One-Hot 인코더(112)로 입력된다. One-Hot 인코더(112)는 이진 비트를 T개의 전송 안테나를 통해 전송할 수 있는 정보를 가진 One-Hot 벡터로 변환한다. 예를 들어, QPSK 변조를 사용하는 2개의 전송 안테나를 갖는 전송 시스템과 동일한 전송효율을 고려하면, One-Hot 벡터의 길이는 로 설정될 수 있다. 각 안테나에서 이진 비트에 해당하는 신호를 전송하므로, 2개의 전송 안테나를 갖는 MIMO 시스템의 전송을 위한 one-hot 벡터는 도 2와 같이 예시할 수 있다. First, the channel encoder 111 encodes an input signal based on a Low Density Parity Check (LDPC) method, and then outputs it as an LDPC-encoded binary bit. The binary bits output in this way are input to the One-Hot encoder 112 . One-Hot encoder 112 converts binary bits into One-Hot vectors with information that can be transmitted through T transmit antennas. For example, considering the same transmission efficiency as a transmission system having two transmit antennas using QPSK modulation, the length of the One-Hot vector is can be set to Since each antenna transmits a signal corresponding to a binary bit, a one-hot vector for transmission of a MIMO system having two transmit antennas may be exemplified as shown in FIG. 2 .
one-hot 벡터는 학습기반 변조기(113)에 입력될 수 있으며, 학습기반 변조기(113)는 Fully Connected Neural Network와 Activation 함수를 포함할 수 있으며, 하기의 수학식 2에 예시되는 포맷의 데이터를 출력할 수 있다.The one-hot vector may be input to the learning-based
여기서, 는 간략하게 표현된 기계학습 기반의 딥러닝 함수이고 이때 사용되는 함수의 계수는 로 나타낼 수 있다. 또한, 은 학습기반 변조기(113)의 출력 신호를 나타내며, 개의 원소를 구비하는 신호 벡터의 형태로 구성될 수 있다.here, is a simplified machine learning-based deep learning function, and the coefficients of the function used in this case are can be expressed as In addition, represents the output signal of the learning-based
학습기반 변조기(113)에서 출력되는 신호, 예컨대, 개의 원소를 구비하는 신호 벡터는 복소수 맵핑부(114)에 입력될 수 있으며, 복소수 맵핑부(114)는 입력된 데이터 중에서 이웃하는 두개의 값을 조합하여 I/Q 데이터(real term, imaginary term)로 mapping 처리할 수 있다. 복소수 맵핑부(114)는 하기의 수학식 3의 연산을 I/Q 데이터의 매핑을 수행할 수 있다.A signal output from the learning-based
여기서, 는 t번째 매핑 처리된 결과를 나타내며, 입력값인 과 가 I/Q 형태로 매핑된 결과를 로 구성할 수 있다. here, represents the t- th mapping process, and the input value class is mapped to the I/Q form. can be configured as
나아가, 복소수 맵핑부(114)는 매핑 처리된 결과를 정규화하여(Normalization), 기저대역 (Baseband)에서 전송 심볼의 파워를 제어할 수 있다. 전송 심볼의 파워 제어는 하기의 수학식 4의 연산을 통해 수행할 수 있다.Furthermore, the complex
본 개시의 일 실시예에서, 복소수 맵핑부(114)가 수학식 4의 연산을 통해 전송 심볼의 파워를 제어하는 것을 예시하였으나, 본 개시가 이를 한정하는 것은 아니며, 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양하게 변경될 수 있다.In an embodiment of the present disclosure, it has been exemplified that the complex
복소수 맵핑부(114)를 통해 출력되는 신호는 MIMO 채널 및 AWGN 채널을 통해 수신장치(150)에 전달될 수 있는데, 이때, 수신장치(150)는 R개의 수신 안테나를 구비함을 예시하고, T개의 전송심볼이 전술한 채널들을 통해 R개의 수신단에 입력될 수 있다. 전술한 환경에서 수신장치(150)에 전달되는 신호는 하기의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.Signal output from the
여기서, 는 t번째 전송 안테나로부터 r번째 수신 안테나까지의 채널을 나타내며, 은 r번째 수신 안테나의 가우시안 잡음(AWGN: Additive White Gaussian Noise)을 나타낸다. here, denotes the channel from the t- th transmit antenna to the r- th receive antenna, is Gaussian noise (AWGN) of the r-th receiving antenna.
수신장치(150)가 수신한 신호, 즉, 는 기계학습 기반의 Neural Network 구조에 맞도록 특정한 규칙으로 정규화된 신호이므로, 전술한 기계학습 기반의 Neural Network 구조에 맞춰 복원할 필요가 있다. 그러나, 전술한 기계학습 기반의 Neural Network는 복소수 데이터 처리에 적합하지 않으므로, 수신된 신호를 real값과 imaginary값으로 분리할 필요가 있다. 전술한 바를 고려하여, I/Q분리부(151)는 수신된 신호를 real값과 imaginary값으로 분리할 수 있으며, 이를 하기의 수학식 6의 연산을 통해 수행할 수 있다. The signal received by the receiving
수학식 6에서 는 r번쩨 수신된 신호 의 real값이고, 는 imaginary 값을 나타낸다. Ny는 I/Q분리부(151)가 출력하는 데이터 포맷을 나타낸다.in Equation 6 is the rth received signal is the real value of represents an imaginary value. N y represents a data format output by the I/Q separator 151 .
학습기반 복조기(152)는 I/Q분리부(151)가 출력하는 데이터를 입력 데이터로 사용하여 기계학습 기반의 복조를 수행한다. 이때, 각 Neuron에 해당하는 연산은 Fully Connected(FC) 함수로 표현 가능하며 Neuron출력을 비선형 함수로 처리하기 위해 Activation 함수 연산을 수행한다. Activation 함수는 기존의 다양한 함수를 사용하는 것이 가능하다. 예를 들어, Activation 함수를 위해 ReLU, tanh, sigmoid 등의 기존 함수의 사용이 가능하다. 이와 같은 절차는 하기의 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.The learning-based
는 간략하게 표현된 딥러닝 함수이고 이때 사용되는 함수의 계수는 로 표현된다. 또한, 출력신호인 은 기계학습 과정을 통해 추정된 신호이다. 수신 신호가 다중 채널을 통과하여 수신된 경우, 또는 시간/주파수 옵셋이 발생한 경우에는 이전에 전송된 심볼이 이후 전송된 심볼에 지속적으로 영향을 주게 된다. 이로 인해, 하나의 시점에서 수신된 신호를 통해 전송된 신호를 추정하게 되면 정확도가 감소하게 된다. 따라서, 다수개의 수신신호를 사용하여 하나의 전송된 신호를 검출하는 연산이 필요하며, 하나의 신호 검출을 위해 다수개의 수신 신호를 사용하는 것이 용이하도록 CNN(Convolutional Neural Network) 및 RNN(Recurrent Neural Network) 등의 수신신호 학습모델을 구성할 수 있다. is a simplified deep learning function, and the coefficients of the function used in this case are is expressed as Also, the output signal is the signal estimated through the machine learning process. When a received signal is received through multiple channels, or when a time/frequency offset occurs, the previously transmitted symbol continuously affects the subsequently transmitted symbol. For this reason, when estimating the signal transmitted through the signal received at one point in time, the accuracy is reduced. Therefore, an operation of detecting one transmitted signal using a plurality of received signals is required, and a Convolutional Neural Network (CNN) and a Recurrent Neural Network (RNN) to facilitate using a plurality of received signals for detecting one signal is required. ), etc., can be configured as a received signal learning model.
전술한 바를 고려하여, 학습기반 복조기(152)는 수신신호 학습모델을 통해, one-hot 벡터를 추정한다. 수신신호 학습모델의 학습과정에서는, 추정된 학습모델을 통해 출력값 과 전송된 값을 비교하여 차이값이 점차 줄어드는 방향으로 학습을 수행할 수 있다. 일반적으로 이러한 차이값을 훈련에 따른 cost 또는 cost function이라고 하는데, cost function 계산을 위해서는 MSE(Mean Square Error) 방식 또는 Cross Entropy 방식이 사용될 수 있다. In consideration of the above, the learning-based
Auto Encoder기반 다중송수신 시스템에서는 계산된 cost를 줄이는 방향으로 기계학습 함수의 계수인 와 값을 업데이트할 수 있다. 계수를 업데이트 하는 방법은 일반적인 SGD(Stochastic Gradient Decent) 방식 또는 Adam optimization 방식 등이 사용될 수 있다. 본 개시의 일 실시예에서, 계산된 차이값을 기반으로 송신단 및 수신단을 모두 학습하므로 주어진 무선 MIMO 채널에 적합한 신호 변조 뿐만 아니라 복조까지 시스템 전반을 모두 효과적으로 학습하는 것이 가능하다. 따라서, 본 개시의 일 실시예에 따른 통신 시스템은 송신단 및 수신단의 학습모델을 채널 특성에 맞도록 함께 업데이트하는 방식이므로 채널 환경에 적합한 형태로 전송신호가 생성되고 그에 따라 다중수신 신호의 검출 및 복조가 용이한 방향으로 수신단이 구축될 수 있다. 기계학습 함수의 계수인 및 값은 특정 반복횟수만큼 반복학습이 수행된 후 update가 완료되거나, 특정 기준값 이하의 에러값이 도출되면 학습을 중단하고, 학습을 통해 구축된 학습모델을 사용하여 신호의 변조 및 복조를 수행할 수 있다. In the Auto Encoder-based multiplexing/receiving system, the coefficient of the machine learning function is Wow You can update the value. As a method of updating the coefficients, a general SGD (Stochastic Gradient Decent) method or an Adam optimization method may be used. In an embodiment of the present disclosure, since both the transmitting end and the receiving end are learned based on the calculated difference value, it is possible to effectively learn the entire system from signal modulation to demodulation as well as signal modulation suitable for a given wireless MIMO channel. Therefore, in the communication system according to an embodiment of the present disclosure, since the learning models of the transmitting end and the receiving end are updated together to match the channel characteristics, the transmission signal is generated in a form suitable for the channel environment, and accordingly, the detection and demodulation of the multiple reception signal The receiving end can be built in a direction that is easy to use. Coefficients of machine learning functions and The value is updated after repeated learning is performed for a certain number of repetitions, or when an error value below a certain reference value is derived, learning is stopped, and signal modulation and demodulation can be performed using the learning model built through learning. have.
또한, 최종 도출된 결과는 입력 One-Hot 벡터와 길이가 동일한 Softmax 함수의 출력값이다. Softmax 함수의 출력값은 하기의 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.In addition, the final derived result is the output value of the Softmax function having the same length as the input One-Hot vector. The output value of the Softmax function can be expressed as Equation 8 below.
는 Softmax 함수의 k번째 입력이며 M은 One-Hot벡터의 길이와 동일하다. 따라서, Softmax의 출력값은 One-Hot 벡터의 각 비트들이 1이 될 확률을 나타낸다. 그러므로, One-Hot 기반 LLR 처리부(154)는 상기 값을 이용하여 LLR값을 계산할 수 있으며, 예컨대, 하기의 수학식 9의 연산을 통해 LLR값을 계산할 수 있다. is the kth input of the Softmax function, and M is equal to the length of the One-Hot vector. Therefore, the output value of Softmax represents the probability that each bit of the One-Hot vector becomes 1. Therefore, the One-Hot-based LLR processing unit 154 may calculate the LLR value by using the value, for example, may calculate the LLR value through the operation of Equation 9 below.
는 전송 심볼 x의 i번째 비트를 나타낸다. 본 개시의 일 실시예에서, Auto Encoder 기반 송수신 시스템의 출력은 채널 등화가 완료된 Softmax값이다. 따라서, 제안된 Auto Encoder 기반의 시스템을 위한 LLR 출력은 하기의 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다. denotes the i-th bit of the transmission symbol x. In an embodiment of the present disclosure, the output of the Auto Encoder-based transmission/reception system is a Softmax value on which channel equalization is completed. Accordingly, the LLR output for the proposed Auto Encoder-based system can be expressed as
Softmax 출력값이 네거티브 Log-Likelihood 값이므로, One-Hot기반 LLR 처리부(154)는 Softmax 출력값을 그대로 활용하여 하기의 수학식 11의 연산을 통해 LLR값을 상출할 수도 있다.Since the Softmax output value is a negative Log-Likelihood value, the One-Hot-based LLR processing unit 154 may use the Softmax output value as it is to generate the LLR value through the operation of Equation 11 below.
이후, 채널 복호화기(155)는 LDPC 디코딩하여 최종적으로 채널 복호화된 비트의 데이터를 출력할 수 있다. Thereafter, the channel decoder 155 may perform LDPC decoding to finally output channel-decoded bit data.
본 명세서에 개시된 실시예들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계는 프로세서에 의해 실행되는 하드웨어, 소프트웨어 모듈, 또는 그 2 개의 결합으로 직접 구현될 수 있다. 소프트웨어 모듈은 RAM 메모리, 플래시 메모리, ROM 메모리, EPROM 메모리, EEPROM 메모리, 레지스터, 하드 디스크, 착탈형 디스크, CD-ROM과 같은 저장 매체(즉, 메모리 및/또는 스토리지)에 상주할 수도 있다. 예시적인 저장 매체는 프로세서에 커플링되며, 그 프로세서는 저장 매체로부터 정보를 판독할 수 있고 저장 매체에 정보를 기입할 수 있다. 다른 방법으로, 저장 매체는 프로세서와 일체형일 수도 있다. 프로세서 및 저장 매체는 주문형 집적회로(ASIC) 내에 상주할 수도 있다. ASIC는 사용자 단말기 내에 상주할 수도 있다. 다른 방법으로, 프로세서 및 저장 매체는 사용자 단말기 내에 개별 컴포넌트로서 상주할 수도 있다.The steps of a method or algorithm described in connection with the embodiments disclosed herein may be directly implemented in hardware, a software module executed by a processor, or a combination of the two. A software module may reside in a storage medium (ie, memory and/or storage) such as RAM memory, flash memory, ROM memory, EPROM memory, EEPROM memory, registers, hard disk, a removable disk, a CD-ROM. An exemplary storage medium is coupled to the processor, the processor capable of reading information from, and writing information to, the storage medium. Alternatively, the storage medium may be integral with the processor. The processor and storage medium may reside within an application specific integrated circuit (ASIC). The ASIC may reside within the user terminal. Alternatively, the processor and storage medium may reside as separate components within the user terminal.
본 개시의 예시적인 방법들은 설명의 명확성을 위해서 동작의 시리즈로 표현되어 있지만, 이는 단계가 수행되는 순서를 제한하기 위한 것은 아니며, 필요한 경우에는 각각의 단계가 동시에 또는 상이한 순서로 수행될 수도 있다. 본 개시에 따른 방법을 구현하기 위해서, 예시하는 단계에 추가적으로 다른 단계를 포함하거나, 일부의 단계를 제외하고 나머지 단계를 포함하거나, 또는 일부의 단계를 제외하고 추가적인 다른 단계를 포함할 수도 있다.Example methods of the present disclosure are expressed as a series of operations for clarity of description, but this is not intended to limit the order in which the steps are performed, and if necessary, each step may be performed simultaneously or in a different order. In order to implement the method according to the present disclosure, other steps may be included in addition to the illustrated steps, steps may be excluded from some steps, and/or other steps may be included except for some steps.
본 개시의 다양한 실시 예는 모든 가능한 조합을 나열한 것이 아니고 본 개시의 대표적인 양상을 설명하기 위한 것이며, 다양한 실시 예에서 설명하는 사항들은 독립적으로 적용되거나 또는 둘 이상의 조합으로 적용될 수도 있다.Various embodiments of the present disclosure do not list all possible combinations, but are intended to describe representative aspects of the present disclosure, and the details described in various embodiments may be applied independently or in combination of two or more.
또한, 본 개시의 다양한 실시 예는 하드웨어, 펌웨어(firmware), 소프트웨어, 또는 그들의 결합 등에 의해 구현될 수 있다. 하드웨어에 의한 구현의 경우, 하나 또는 그 이상의 ASICs(Application Specific Integrated Circuits), DSPs(Digital Signal Processors), DSPDs(Digital Signal Processing Devices), PLDs(Programmable Logic Devices), FPGAs(Field Programmable Gate Arrays), 범용 프로세서(general processor), 컨트롤러, 마이크로 컨트롤러, 마이크로 프로세서 등에 의해 구현될 수 있다. In addition, various embodiments of the present disclosure may be implemented by hardware, firmware, software, or a combination thereof. For implementation by hardware, one or more Application Specific Integrated Circuits (ASICs), Digital Signal Processors (DSPs), Digital Signal Processing Devices (DSPDs), Programmable Logic Devices (PLDs), Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), general purpose It may be implemented by a processor (general processor), a controller, a microcontroller, a microprocessor, and the like.
본 개시의 범위는 다양한 실시 예의 방법에 따른 동작이 장치 또는 컴퓨터 상에서 실행되도록 하는 소프트웨어 또는 머신-실행가능한 명령들(예를 들어, 운영체제, 애플리케이션, 펌웨어(firmware), 프로그램 등), 및 이러한 소프트웨어 또는 명령 등이 저장되어 장치 또는 컴퓨터 상에서 실행 가능한 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체(non-transitory computer-readable medium)를 포함한다. The scope of the present disclosure includes software or machine-executable instructions (eg, operating system, application, firmware, program, etc.) that cause an operation according to the method of various embodiments to be executed on a device or computer, and such software or and non-transitory computer-readable media in which instructions and the like are stored and executed on a device or computer.
Claims (1)
입력되는 신호를 LDPC(Low Density Parity Check) 방식에 기초하여 부호화하는 채널 부호화기와,
LDPC 부호화된 비트신호를 One-hot 인코딩 처리하여 One-hot 벡터를 출력하는 One-Hot 인코더와,
상기 One-hot 벡터를 입력으로 하고 변조 신호를 출력으로 하는 전송신호 학습모델을 사용하여, 상기 One-hot 벡터에 대응되는 변조 신호를 출력하는 학습기반 변조기와,
상기 변조 신호를 복소수 포맷으로 맵핑하여 MIMO 기반의 전송 신호를 출력하는 복소수 맵핑부를 포함하는 MIMO-Auto Encoder 기반의 데이터 전송 장치.In the MIMO-based data transmission device,
A channel encoder for encoding an input signal based on a Low Density Parity Check (LDPC) method;
One-hot encoder that outputs one-hot vector by one-hot encoding processing of LDPC-encoded bit signal;
a learning-based modulator for outputting a modulated signal corresponding to the one-hot vector by using a transmission signal learning model with the one-hot vector as an input and a modulated signal as an output;
and a complex number mapping unit that maps the modulated signal to a complex format and outputs a MIMO-based transmission signal.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200052621A KR20210133687A (en) | 2020-04-29 | 2020-04-29 | Apparatus for transmitting data based on mimi-auto encoder |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200052621A KR20210133687A (en) | 2020-04-29 | 2020-04-29 | Apparatus for transmitting data based on mimi-auto encoder |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20210133687A true KR20210133687A (en) | 2021-11-08 |
Family
ID=78485770
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020200052621A Withdrawn KR20210133687A (en) | 2020-04-29 | 2020-04-29 | Apparatus for transmitting data based on mimi-auto encoder |
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| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20210133687A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN119814223A (en) * | 2024-11-27 | 2025-04-11 | 北京邮电大学 | Wireless communication secure transmission method, device and equipment based on deep learning |
-
2020
- 2020-04-29 KR KR1020200052621A patent/KR20210133687A/en not_active Withdrawn
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