KR20230097360A - Link performance prediction apparatus based on machine learning of mimo system - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 MIMO 시스템에서 기계학습 기반의 링크 성능 추정 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 채널 행렬 및 전송 신호대 잡음비를 입력으로 하고 블록 오류율(BLER)을 출력으로 하는 기계학습모델을 훈련하고, 훈련된 기계학습모델로 입력된 채널 행렬 및 전송 신호대 잡음비에 대해 양자화된 블록 오류율의 인덱스를 예측함에 따라 링크 성능을 추정할 수 있도록 한 기술에 관한 것이다. The present invention relates to a machine learning-based link performance estimation apparatus in a MIMO system, and more particularly, trains a machine learning model that takes a channel matrix and a transmitted signal-to-noise ratio as inputs and outputs a block error rate (BLER), A technique for estimating link performance by predicting an index of a quantized block error rate for a channel matrix and a transmission signal-to-noise ratio input to a machine learning model.
무선 통신 시스템은 높은 데이터 전송률의 요구를 충족하기 위해 안테나 수에 선형적으로 증가하는 주파수 효율 성능을 달성할 수 있는 다중 입력 다중 출력(MIMO: Multi Input Multi Output) 기술이 널리 이용되고 있다.In wireless communication systems, multi-input multi-output (MIMO) technology is widely used to achieve frequency efficiency performance that increases linearly with the number of antennas in order to meet the needs of high data rates.
이러한 MIMO 시스템은 채널 코딩 기법이 적용되고 있으며 특히 반복 검출 및 디코딩이 결합된 터보 코딩 기법을 통해 MIMO 시스템에서 높은 주파수 효율로 데이터를 전송할 수 있다.Such a MIMO system applies a channel coding technique, and in particular, data can be transmitted with high frequency efficiency in a MIMO system through a turbo coding technique in which iterative detection and decoding are combined.
그러나, MIMO 시스템은 페이딩 채널에서 용량을 충족하기 위해 AMC(Adaptive Modulation and Coding)을 통합하는 LA(Link Adaptation) 기술을 적용하고, 이때 LA 기술은 채널 상태 정보를 기반으로 채널 코딩 속도 및/또는 변조 방식을 결정한다.However, the MIMO system applies LA (Link Adaptation) technology that integrates AMC (Adaptive Modulation and Coding) to meet capacity in a fading channel. At this time, the LA technology applies channel coding rate and/or modulation based on channel state information. decide the way
채널 코딩 속도 및 변조 방식을 최적 결정하기 위해, 블록 오류율(BLER: Block Error Rate) 등의 링크 성능의 정확한 추정이 요구되며, 이에 멀티 서브 채널에 대한 채널 상태 정보를 단일 유효 신호대 잡음비로 압축한 다음 압축된 유효 신호대 잡음비와 매핑된 블록 오류율로 링크 성능을 추정할 수 있다. 그러나, MIMO 시스템에서의 링크 성능 추정은 송신 안테나의 수가 많을수록 정확도가 떨어지는 문제점이 있다.In order to optimally determine the channel coding rate and modulation scheme, accurate estimation of link performance such as block error rate (BLER) is required. Accordingly, channel state information for multiple subchannels is compressed into a single effective signal-to-noise ratio, and then Link performance can be estimated from the compressed effective signal-to-noise ratio and the mapped block error rate. However, link performance estimation in a MIMO system has a problem in that accuracy decreases as the number of transmit antennas increases.
이에 본 출원인은 채널 행렬 및 전송 신호대 잡음비를 입력으로 하고 블록 오류율(BLER)을 출력으로 하는 기계학습모델을 훈련하되, 훈련과정에서 랜덤 포레스트(Random Forest) 분류기를 이용하여 양자화된 블록 오류율의 인덱스를 예측함에 따라, 링크 성능 추정에 대한 정확도를 근본적으로 향상시킬 수 있는 방안을 제안하고자 한다.Accordingly, the present applicant trains a machine learning model that takes a channel matrix and a transmission signal-to-noise ratio as inputs and a block error rate (BLER) as an output. According to the prediction, we propose a method that can fundamentally improve the accuracy of link performance estimation.
따라서, 본 발명은 채널 행렬 및 전송 신호대 잡음비를 입력으로 하고 블록 오류율(BLER)을 출력으로 하는 기계학습모델을 훈련하고, 훈련된 기계학습모델로 입력된 채널 행렬 및 전송 신호대 잡음비에 대해 양자화된 블록 오류율의 인덱스를 예측함에 따라 링크 성능 추정에 대한 정확도를 향상시키기 위한 것이다.Therefore, the present invention trains a machine learning model that takes a channel matrix and a transmitted signal-to-noise ratio as input and a block error rate (BLER) as an output, and trains a block quantized for the channel matrix and transmitted signal-to-noise ratio input to the trained machine learning model. This is to improve the accuracy of link performance estimation by predicting the index of the error rate.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the above-mentioned object, and other objects and advantages of the present invention not mentioned above can be understood by the following description and will be more clearly understood by the examples of the present invention. It will also be readily apparent that the objects and advantages of the present invention may be realized by means of the instrumentalities and combinations thereof set forth in the claims.
본 발명의 일 실시예에 따른 MIMO 시스템에서 기계학습 기반의 링크 성능 추정 장치는,An apparatus for estimating link performance based on machine learning in a MIMO system according to an embodiment of the present invention,
MIMO 시스템에 있어서,In the MIMO system,
채널행렬 및 전송 신호대 잡음비를 입력으로 하고 블록 오류율을 출력으로 하는 훈련데이터 세트로 기계학습모델을 훈련하고,Train a machine learning model with a training data set that has a channel matrix and a transmission signal-to-noise ratio as inputs and a block error rate as outputs;
훈련된 기계학습모델로 입력된 채널행렬 및 전송 신호대 잡음비에 대해 양자화된 블록 오류율의 인덱스를 예측하는 학습장치를 더 포함하는 것을 일 특징으로 한다. It is characterized in that it further comprises a learning device for predicting the index of the quantized block error rate for the channel matrix and the transmission signal-to-noise ratio input to the trained machine learning model.
바람직하게 상기 기계학습모델은 Preferably, the machine learning model is
랜덤 프레스트(Random Forest) 분류기를 포함하고,Includes a Random Forest classifier,
상기 기계학습모델의 훈련데이터 세트의 복수의 특징 중 V개의 특징을 무작위로 선택하고, 선택된 V개의 특징 중 가장 중요한 특징으로부터 결정 트리를 생성하며, Randomly selecting V features from among a plurality of features of the training data set of the machine learning model, and generating a decision tree from the most important features among the selected V features;
각 트리가 생성하는 클래스 레이블 중 과반수가 넘는 레이블을 도출하며, 상기 도출된 과반수가 넘는 클래스 레이블을 최종 클래스로 할당하도록 구비될 수 있다. It may be provided to derive labels of more than half of the class labels generated by each tree, and assign the derived class labels of more than the majority to the final class.
바람직하게 상기 학습장치는,Preferably, the learning device,
훈련된 기계학습모델의 랜덤 포레스트 분류기로 입력된 채널행렬 및 전송 신호대 잡음비를 입력으로 양자화된 블록 오류율을 예측하도록 구비될 수 있다.It may be provided to predict the quantized block error rate by inputting the channel matrix and the transmission signal-to-noise ratio input to the random forest classifier of the trained machine learning model.
바람직하게 상기 학습장치는,Preferably, the learning device,
예측된 양자화된 블록 오류율 은 다음 식 11로 정의될 수 있다.Predicted quantized block error rate can be defined by the following Equation 11.
[식 11][Equation 11]
여기서, 은 훈련데이터 세트의 출력으로 블록 오류율이고, 는 양자화 연산이다. here, is the block error rate as an output of the training data set, is the quantization operation.
바람직하게 상기 랜덤 프레스트 분류기는, Preferably, the random press classifier,
양자화된 블록 오류율 값의 인덱스를 다음 식 12의 해로 예측되도록 구비될 수 있다.The index of the quantized block error rate value may be predicted as a solution of Equation 12 below.
[식 12][Equation 12]
여기서, 은 양자화된 블록 오류율 값의 인덱스이고, Q는 양자화 비트이며, 는 송신 안테나의 수이고, 은 수신 안테나의 수이며, 은 입력 벡터이며, 는 실수 행렬 공간이다.here, is the index of the quantized block error rate value, Q is the quantization bit, is the number of transmit antennas, is the number of receiving antennas, is the input vector, is the real matrix space.
일 실시 예에 따르면, 채널 행렬 및 전송 신호대 잡음비를 입력으로 하고 블록 오류율(BLER)을 출력으로 하는 기계학습모델을 훈련하고, 훈련된 기계학습모델로 입력된 채널 행렬 및 전송 신호대 잡음비에 대해 양자화된 블록 오류율의 인덱스를 예측함에 따라 기존의 PIC-ZF, MRC-MMSE, MMIB 방식을 이용한 링크 성능 예측 결과에 비해 링크 성능 예측에 대한 정확도를 향상시킬 수 있다.According to an embodiment, a machine learning model having a channel matrix and a transmission signal-to-noise ratio as input and a block error rate (BLER) as an output is trained, and the channel matrix and transmission signal-to-noise ratio input to the trained machine learning model are quantized. By predicting the index of the block error rate, the accuracy of link performance prediction can be improved compared to the link performance prediction results using the existing PIC-ZF, MRC-MMSE, and MMIB methods.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 일 실시예에 따른 MMIMO 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1의 랜덤 포레스트 분류기의 구성을 보인 도이다.
도 3은 도 1의 학습장치의 처리 알고리즘을 보인 도이다.
도 4는 도 1의 MIMO 시스템의 송신 안테나 및 수신안테나 수에 따른 양자화된 BLER을 보인 도들이다.
도 5 내지 도 7은 일 실시예에 따른 MIMO 시스템의 MSE(Mean-Square Error)를 보인 그래프이다.
도 8 내지 도 10은 일 실시예에 따른 MIMO 시스템의 BE(bias error)의 CDF(cumulative distribution function)를 보인 그래프이다.The following drawings attached to this specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and together with the detailed description of the present invention serve to further understand the technical idea of the present invention, the present invention is the details described in such drawings should not be construed as limited to
1 is a configuration diagram of an MMIMO system according to an embodiment.
2 is a diagram showing the configuration of the random forest classifier of FIG. 1;
3 is a diagram showing a processing algorithm of the learning device of FIG. 1;
4 is diagrams showing quantized BLER according to the number of transmit antennas and receive antennas of the MIMO system of FIG. 1;
5 to 7 are graphs showing Mean-Square Error (MSE) of a MIMO system according to an embodiment.
8 to 10 are graphs showing a cumulative distribution function (CDF) of a bias error (BE) of a MIMO system according to an embodiment.
실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 실시될 수 있다. 따라서, 실시예들은 특정한 개시형태로 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.Specific structural or functional descriptions of the embodiments are disclosed for illustrative purposes only, and may be modified and implemented in various forms. Therefore, the embodiments are not limited to the specific disclosed form, and the scope of the present specification includes changes, equivalents, or substitutes included in the technical spirit.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.Although terms such as first or second may be used to describe various components, such terms should only be construed for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.It should be understood that when an element is referred to as being “connected” to another element, it may be directly connected or connected to the other element, but other elements may exist in the middle.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that the described feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof exists, but one or more other features or numbers, It should be understood that the presence or addition of steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in this specification, it should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning. don't
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by describing preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings.
도 1은 일 실시예에 따른 MMIMO 시스템의 구성도이고, 도 2는 도 1의 랜덤 포레스트 분류기의 구성도이며, 도 3은 도 1의 학습장치의 처리 알고리즘을 보인 도이다.1 is a configuration diagram of an MMIMO system according to an embodiment, FIG. 2 is a configuration diagram of a random forest classifier of FIG. 1, and FIG. 3 is a diagram showing a processing algorithm of the learning device of FIG.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 MIMO 시스템은, 송신단(1)과 수신단(2)을 포함하고, 송신단(1)은 전송하고자 하는 데이터 스트림을 인코딩한 다음 인터리빙한 후 변조하여 페이딩 채널로 송신 안테나들을 통해 전송한다.1 to 3, the MIMO system according to an embodiment includes a transmitting
그리고, 수신단(2)은 반복 검출 및 디코딩(IDD: Iterative Detection and Decoding)을 수행한다.Then, the
즉, 수신안테나들을 통해 수신된 협대역 블록 페이딩(block fading) 채널의 수신신호 z는 다음 식 1로 나타낼 수 있다.That is, the reception signal z of the narrowband block fading channel received through the reception antennas can be expressed by
[식 1][Equation 1]
여기서, 은 벡터의 송신 안테나를 통해 전송된 데이터 심볼이고, 은 평균이 0이고 분산이 인 을 포함하는 벡터의 복소수 가우시안 잡음 신호이다. here, silver is a data symbol transmitted through the transmit antenna of the vector; has a mean of 0 and a variance of person containing The vector's complex Gaussian noise signal.
여기서, , 이고, P T 는 데이터 심볼에 대한 평균 전송 전력이며, 전송 신호대 잡음비 SNR은 로 정의하면, 전송 데이터 심볼 s의 각 원소는 P 포인트의 복소수 콘스텔레이션(Constellation) 로부터 독립적으로 생성된다.here, , , P T is the average transmission power for data symbols, and the transmission signal-to-noise ratio SNR is If defined as, each element of the transmission data symbol s is a complex constellation of P points generated independently from
여기서, 는 송수신 간의 채널 행렬로 j번째 송신 안테나와 i번째 수신 안테나 간의 복소수 채널 이득은 h i,j 이다.here, is a channel matrix between transmission and reception, and the complex channel gain between the j -th transmit antenna and the i -th receive antenna is h i,j .
수신단(2)은 전송 신호의 전체 구(sphere)에서 수신 신호까지의 유클리드 거리가 가장 작은 격자점인 최대유도 ML(maximum-likelihood) 해를 검출하는 구복호기(21)을 포함한다. The receiving
즉, 구복호기(21)는 ML(maximum-likelihood)해를 찾기 위하여 하기 식 2로 정의된 구(sphere) 내의 각 포인트들을 검색한다. 여기서, ML 해는 전송신호의 전체 구에서 수신신호 까지의 유클리드 거리가 가장 작은 격자점이다.That is, the
[식 2][Equation 2]
여기서, 는 구(sphere)의 중심이며, r은 검색 반경이다. here, is the center of the sphere and r is the search radius.
구복호기(21)는 구(sphere) 내부의 데이터 심볼 s에 대한 Nc 후보 목록을 제공하기 위해 선행문헌 1에 개시된 LSD(List Sphere Decoder)로 수정한다.The
LSD에서 구의 중심은 으로 정의되고, 초기 반지름 r은 하기 식 3에 의거 선택된다.In LSD, the center of the sphere is , and the initial radius r is selected based on
[식 3][Equation 3]
여기서, 는 실제 데이터 심볼 s을 높은 확률로 추출할 수 있도록 선택된다. here, is selected so that the actual data symbol s can be extracted with high probability.
그리고 수신단(2)은 도출된 구복화 해를 기반으로 디인터리밍(deinterleaving 22) 및 채널 디코딩(channel decoding 23)을 수행한 다음 채널 디코딩 결과에 대해 인터리밍(interleaving 24)을 수행한다. 이에 수신단(2)은 반복 검출 및 디코딩(IDD: Iterative Detection and Decoding) 구조로 구현된다.In addition, the receiving
한편, 수신단(2)은 기계학습모델의 랜덤 포레스트 분류기를 이용하여 양자화된 블록 오류율의 인덱스를 예측하는 학습장치(100)를 더 포함한다. On the other hand, the receiving
학습장치(100)는 채널 행렬 및 전송 신호대 잡음비 SNR를 입력으로 하고 블록 오류율(BLER)을 출력으로 하는 기계학습모델의 랜덤 포레스트(Random Forest) 분류기를 훈련하고 훈련된 기계학습모델로 입력된 채널 행렬 및 전송 신호대 잡음비에 대한 양자화된 블록 오류율의 인덱스를 예측하도록 구비되고, 출력된 양자화된 블록 오류율의 인덱스로 링크 성능은 추정될 수 있다. The
링크 성능 추정 결과에 따라 송신단(1)의 변조 및 코딩 방식(MCS: modulation and coding scheme) 레벨은 최적 상태로 결정될 수 있다. Depending on the link performance estimation result, a modulation and coding scheme (MCS) level of the
여기서, 기계학습모델의 랜덤 포레스트(RF: Random Forest 이하 RF로 약칭함) 분류기는 트리 기반 기계학습 알고리즘으로 다수의 기계학습 알고리즘의 예측 결과를 결합하여 정확한 예측 결과를 도출할 수 있다. 여기서, 트리 기반 기계학습 알고리즘의 각 결정 트리는 전체 훈련데이터 세트 중 무작위로 선택된 서브세트에 의해 훈련된다. Here, the random forest (RF) classifier of the machine learning model is a tree-based machine learning algorithm and can derive accurate prediction results by combining prediction results of multiple machine learning algorithms. Here, each decision tree of the tree-based machine learning algorithm is trained by a randomly selected subset of the entire training data set.
즉, 도 2를 참조하면, RF 분류기의 트리 Tree-1, ... Tree-N는 병렬로 실행되고 각 병렬로 수행된 트리 Tree-1, ... Tree-N는 클래스 Class A, Class B에 투표하고, 결정(Decision) 트리에서 과반수를 득표한 최종 클래스(Final Class)가 결정된다. RF 분류기의 트리 수가 많으면 많을수록 연산 복잡도는 증가하는 대신 더 정확하고 안정적인 예측 결과를 출력할 수 있다.That is, referring to FIG. 2, the trees Tree-1, ... Tree-N of the RF classifier are executed in parallel, and the parallelly performed trees Tree-1, ... Tree-N are classes Class A, Class B is voted on, and the final class with the majority of votes in the decision tree is determined. As the number of RF classifier trees increases, computational complexity increases, but more accurate and stable prediction results can be output.
학습장치(100)의 기계학습모델은 M개의 훈련데이터 를 포함한다. 여기서, 기계학습모델의 입력 은 L개의 특징으로 구성된 벡터이고 출력 y m 은 m번째 학습 데이터 세트의 클래스 레이블로 1부터 K 값이다. The machine learning model of the
RF 분류기는 총 L 개의 특징 중 V 특징들, 즉 를 무작위로 선택하고, 여기서 이고, 으로 일반화된다. The RF classifier selects V features out of a total of L features, i.e. is randomly selected, where ego, generalized to
또한, RF 분류기는 결정 트리를 생성하여야 하며, 트리의 최상의 분할을 위한 가장 중요한 특징을 얻기 위해 분류 시 지니(Gini) 인덱스를 분할 기준으로 사용한다. 이때 낮은 값의 지니 인덱스는 학습 데이터를 분할하는데 더 중요한 역할을 함을 의미한다.In addition, the RF classifier must generate a decision tree, and uses the Gini index as a split criterion during classification to obtain the most important features for the best split of the tree. At this time, a low value of the Gini index means that it plays a more important role in dividing the training data.
이 후 RF 분류기는 가장 중요한 특징 을 결정한 다음 무작위로 만들어진 트리가 V 특징에 대해 클래스 레이블이 완전히 생성될 때까지 반복된다.After this, the RF classifier has the most important features After determining , the randomized tree is iterated until class labels are completely generated for V features.
즉, RF 분류기는 N개의 분류 트리 Tree-1, ... Tree-N와 N개의 분류 트리에 대해 클래스 레이블 Class A, Class B, ... Class N을 출력으로 각 트리를 생성한 다음 N개의 예측된 클래스 레이블 Class A, Class B, ... Class N에서 과반수를 얻은(Majority Voting) 클래스 레이블에 최종 클래스(Final Class)를 할당한다.That is, the RF classifier generates each tree with class labels Class A, Class B, ... Class N as output for N classification trees, Tree-1, ... Tree-N, and N classification trees. Predicted class labels Class A, Class B, ... Class N are assigned a final class to the class labels that obtain a majority (Majority Voting).
이하 훈련된 기계학습모델의 RF 분류기로 MIMO 시스템의 링크 성능을 추정하는 일련의 과정을 도 3을 참조하여 설명한다.Hereinafter, a series of processes of estimating the link performance of a MIMO system with the RF classifier of the trained machine learning model will be described with reference to FIG. 3 .
일 실시예가 적용되는 MIMO 시스템은 채널 행렬과 전송 신호대 잡음비 SNR을 입력으로 하고 블록 오류율 BLER 값을 출력으로 하는 훈련된 기계학습모델의 훈련데이터 세트에 의거 양자화된 블록 오류율의 인덱스를 추정한다.A MIMO system to which an embodiment is applied The index of the quantized block error rate is estimated based on the training data set of the trained machine learning model that takes the channel matrix and the transmitted signal-to-noise ratio SNR as input and the block error rate BLER value as output.
예를 들어 M개의 채널 행렬 및 전송 신호대 잡음비 SNR m=1, 2, … M 은 무작위로 훈련데이터 세트를 생성되고, 생성된 훈련데이터 세트는 다음 식 4로 나타낼 수 있다.For example M channel matrices and transmit signal-to-noise ratio SNR m=1, 2, … M randomly generates a training data set, and the generated training data set can be represented by
[식 4][Equation 4]
여기서, 입력 과 출력 ym은 입력 xm에 대응되는 실제 블록 오류율 BLER 값이다. 여기서, 와 는 복소수의 실수부와 허수부이고, 총 개의 특징의 입력 xm의 특징 의 크기는 이다.here, enter and the output y m is the actual block error rate BLER value corresponding to the input x m . here, and is the real and imaginary parts of the complex number, and the total Features of input x m of features the size of am.
또한 실제 BLER 값 벡터 는 시뮬레이션을 통해 얻을 수 있다.Also a vector of actual BLER values can be obtained through simulation.
훈련데이터 세트를 RF 분류기에 적용하기 위해, BLER 를 Q 비트로 양자화한다. 여기서, BLER 은 로그함수에 의해 양자화되며, 이에 양자화된 BLER값 은 하기 식 5에 의해 얻을 수 있다.To apply the training data set to the RF classifier, BLER is quantized with Q bits. Here, BLER is quantized by the logarithmic function, and the quantized BLER value can be obtained by the following
[식 5][Equation 5]
여기서, 는 양자화 연산기이다. here, is a quantization operator.
또한 범위 의 BLER 값을 고려하면, 양자화된 BLER 값 은 이다.Also range Considering the BLER value of , the quantized BLER value silver am.
훈련데이터 세트에서 양자화된 BLER 값 의 인덱스 m은 RF 분류기에 의해 추정될 수 있다.Quantized BLER values in the training data set The index m of can be estimated by the RF classifier.
즉, 입력 xm에 대해, RF 분류기에 의해 얻어진 해는 다음 식 6과 같이 공식화될 수 있다.That is, for input x m , the solution obtained by the RF classifier can be formulated as in
[식 6] [Equation 6]
여기서 은 양자화된 BLER 값의 인덱스이고 양자화된 BLER 값 은 으로 나타낼 수 있다.here is the index of the quantized BLER value and is the quantized BLER value silver can be expressed as
도 4는 예측된 블록 오류율 BLER와 AWGN(Additive White Gaussian Noise)에서의 실제 BLER를 도시된 그래프로서, 도 4를 참조하면, 기계학습모델의 RF 분류기를 이용한 훈련을 통해 예측된 BLER은 실제 BLER에 근접됨을 확인할 수 있고, 이에 일 실시예에 의거한 기계학습 기반의 링크 성능 예측의 정확도가 기존의 링크 성능 예측 결과 보다 높다는 것을 알 수 있다.4 is a graph showing the predicted block error rate BLER and the actual BLER in Additive White Gaussian Noise (AWGN). Referring to FIG. 4, the BLER predicted through training using the RF classifier of the machine learning model corresponds to the actual BLER It can be confirmed that it is close, and it can be seen that the accuracy of the link performance prediction based on machine learning according to an embodiment is higher than the existing link performance prediction result.
또한 도 5 내지 도 7 각각은 2X 2, 3 X 3, 및 4 X 4 MIMO 시스템 각각의 실제 BLER 대비 일 실시예에 의거한 MSE(mean-square error)와 기존의 PIC-ZF(Perfect Interference Cancellation and Zero-Forcing), MRC-MMSE(Maximum Ratio Combining and Minimum Mean-Square Error), MMIB(Mean Mutual Information per Bit) 방식의 MSE를 보인 그래프로서, 도 4를 참조하면, 크기가 Step Size가 0.5인 에 대해 [-2, 0]의 SNR 범위에서 PIC-ZF, MRC-MMSE 및 MMIB 방식의 평균 MSE는 2 Х 2 MIMO의 경우 각각 0.160, 0.215, 0.262인 반면, 일 실시예에 의거한 MSE는 양자화 비트 Q = 4, 6 및 8 각각에 대해 각각 0.130, 0.119 및 0.107임을 알 수 있으며, 이에 도 5 및 도 6를 참조하면, 일 실시예에 의거한 2 Х 2 및 3 Х 3 MIMO 시스템의 경우 전체 BLER 범위에서 MSE는 기존 방식의 MSE와 비교하여 우수하거나 유사 성능이 달성됨을 확인할 수 있다.In addition, each of FIGS. 5 to 7 shows the mean-square error (MSE) based on an embodiment and the existing PIC-ZF (Perfect Interference Cancellation and Zero-Forcing), MRC-MMSE (Maximum Ratio Combining and Minimum Mean-Square Error), MMIB (Mean Mutual Information per Bit) method. Referring to FIG. 4, the size is a step size of 0.5. In the SNR range of [-2, 0], the average MSEs of PIC-ZF, MRC-MMSE, and MMIB schemes are 0.160, 0.215, and 0.262, respectively, in the case of 2
또한, 도 7을 참조하면, PIC-ZF, MRC-MMSE, MMIB의 경우 평균 MSE는 0.173, 0.237, 0.292인 반면, 일 실시예에 의거한 양자화 비트 Q = 4, 6, 8 각각에 대해 0.0986, 0.0769, 0.0650임을 알 수 있고, 이에 4Х4 MIMO 시스템에서 일 실시예에 의거한 MSE와 기존 방식의 MSE의 차가 점차 증가함을 볼 수 있다.In addition, referring to FIG. 7, in the case of PIC-ZF, MRC-MMSE, and MMIB, average MSEs are 0.173, 0.237, and 0.292, whereas quantization bits Q = 0.0986 for each of 4, 6, and 8 according to an embodiment, It can be seen that they are 0.0769 and 0.0650, and thus it can be seen that the difference between the MSE according to an embodiment and the MSE of the conventional method gradually increases in the 4Х4 MIMO system.
도 8 내지 도 10은 2 Х 2, 3 Х 3 및 4 Х 4 각각의 MIMO 시스템에서 에 의해 연산된 BE(bias error)의 CDF(cumulative distribution function)를 기존의 PIC-ZF, MRC-MMSE, MMIB 방식에 대핸 보인 그래프로서, 도 7에 도시된 PIC-ZF 및 MRC-MMSE 방식의 CDF에 따르면, 실제 BLER 값과 예측 값 간의 차이의 약 78%가 BE 범위 [-0.2, 0.2]에 있는 반면 일 실시예에 의거한 CDF에 따르면, 실제 BLER 값과 예측 값 간의 차이의 82%가 BE 범위 [-0.2, 0.2]내에 있음을 확인할 수 있다.8 to 10 are 2
도 10을 참조하면, 동일한 BE 범위에서 PIC-ZF와 MRC-MMSE 방식의 실제 BLER 값과 예측 값 간의 차이의 약 80%가 있는 반면 일 실시예에 의거한 실제 BLER 값과 예측 값 간의 차이는 약 90%가 존재함을 알 수 있다.Referring to FIG. 10, while there is about 80% of the difference between the actual BLER value and the predicted value of the PIC-ZF and MRC-MMSE schemes in the same BE range, the difference between the actual BLER value and the predicted value according to an embodiment is about It can be seen that 90% are present.
이에 일 실시예는 채널 행렬 및 전송 신호대 잡음비를 입력으로 하고 블록 오류율을 출력으로 하는 훈련데이터 세트로 구축된 기계학습모델의 RF 분류기를 훈련하여 입력된 채널 행렬 및 전송 신호대 잡음비에 대해 양자화된 블록 오류율의 인덱스값을 예측함에 따라 기존의 링크 성능 예측 결과에 비해 링크 성능 예측에 대한 정확도를 향상시킬 수 있다.Accordingly, an embodiment trains an RF classifier of a machine learning model built with a training data set having a channel matrix and a transmitted signal-to-noise ratio as input and a block error rate as an output, and a block error rate quantized for the input channel matrix and transmitted signal-to-noise ratio. By predicting the index value of , it is possible to improve the accuracy of link performance prediction compared to the existing link performance prediction result.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with limited drawings, those skilled in the art can apply various technical modifications and variations based on the above. For example, the described techniques may be performed in an order different from the method described, and/or components of the described system, structure, device, circuit, etc. may be combined or combined in a different form than the method described, or other components may be used. Or even if it is replaced or substituted by equivalents, appropriate results can be achieved.
채널 행렬 및 전송 신호대 잡음비를 입력으로 하고 블록 오류율을 출력으로 하는 훈련데이터 세트로 구축된 기계학습모델의 RF 분류기를 훈련하여 입력된 채널 행렬 및 전송 신호대 잡음비에 대해 양자화된 블록 오류율의 인덱스값을 예측함에 따라 링크 성능 예측에 대한 정확도를 향상시킬 수 있는 MIMO 시스템에서 기계학습 기반의 링크 성능 추정 장치에 대한 운용의 정확성 및 신뢰도 측면, 더 나아가 성능 효율 면에 매우 큰 진보를 가져올 수 있으며, 다양한 분야에서의 적용할 수 있고, MIMO 시스템의 핵심 기술을 확보함에 따라 관련 산업분야의 환경 모니터링을 적극적으로 활용할 수 있고, 무선통신 시스템의 시판 또는 영업의 가능성이 충분할 뿐만 아니라 현실적으로 명백하게 실시할 수 있는 정도이므로 산업상 이용가능성이 있는 발명이다.Predict the index value of the quantized block error rate for the input channel matrix and transmitted SNR by training the RF classifier of the machine learning model built with the training data set with the channel matrix and transmitted SNR as input and the block error rate as output. As a result, in MIMO systems that can improve the accuracy of link performance prediction, it can bring about great progress in terms of operational accuracy and reliability, and furthermore, performance efficiency for machine learning-based link performance estimation devices. can be applied, and as the core technology of the MIMO system is secured, environmental monitoring in related industries can be actively utilized, and the possibility of commercialization or business of the wireless communication system is sufficient and it can be clearly implemented in reality. It is an invention with potential for use.
1: 송신단
2: 수신단
21 : 구복호기
22 : 학습장치1: transmitting end
2: receiving end
21: Old Bok Unit
22: learning device
Claims (5)
채널행렬 및 전송 신호대 잡음비를 입력으로 하고 블록 오류율을 출력으로 하는 훈련데이터 세트로 기계학습모델을 훈련하고,
훈련된 기계학습모델로 입력된 채널행렬 및 전송 신호대 잡음비에 대해 양자화된 블록 오류율의 인덱스를 예측하는 학습장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 MIMO 시스템에서 기계학습 기반의 링크 성능 추정 장치.In the MIMO system,
Train a machine learning model with a training data set that has a channel matrix and a transmission signal-to-noise ratio as inputs and a block error rate as outputs;
A machine learning-based link performance estimation apparatus in a MIMO system, further comprising a learning apparatus for predicting an index of a quantized block error rate for a channel matrix and a transmission signal-to-noise ratio input to the trained machine learning model.
랜덤 프레스트 분류기를 포함하고,
상기 기계학습모델의 훈련데이터 세트의 복수의 특징 중 V개의 특징을 무작위로 선택하고, 선택된 V개의 특징 중 가장 중요한 특징으로부터 결정 트리를 생성하며,
각 트리가 생성하는 클래스 레이블 중 과반수가 넘는 레이블을 도출하고, 상기 도출된 과반수가 넘는 클래스 레이블을 최종 클래스로 할당하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 MIMO 시스템에서 기계학습 기반의 링크 성능 추정 장치.The method of claim 1, wherein the machine learning model
Include a random prest classifier,
Randomly selecting V features from among a plurality of features of the training data set of the machine learning model, and generating a decision tree from the most important features among the selected V features;
An apparatus for estimating link performance based on machine learning in a MIMO system, characterized in that it is provided to derive labels of more than half of the class labels generated by each tree, and assign the class labels of more than the majority of the derived class labels to the final class.
훈련된 기계학습모델의 랜덤 프레스트 분류기로 입력된 채널행렬 및 전송 신호대 잡음비를 입력으로 양자화된 블록 오류율을 예측하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 MIMO 시스템에서 기계학습 기반의 링크 성능 추정 장치.The method of claim 2, wherein the learning device,
A machine learning-based link performance estimation device in a MIMO system, characterized in that it is provided to predict a quantized block error rate with a channel matrix and a transmission signal-to-noise ratio input to a random prest classifier of a trained machine learning model.
예측된 양자화된 블록 오류율 은 다음 식 11로 정의되는 것을 특징으로 하는 MIMO 시스템에서 기계학습 기반의 링크 성능 추정 장치.
[식 11]
여기서, 은 훈련데이터 세트의 출력인 블럭 오류율이고, 는 양자화 연산이다. The method of claim 3, wherein the learning device,
Predicted quantized block error rate Is a machine learning-based link performance estimator in a MIMO system, characterized in that defined by the following Equation 11.
[Equation 11]
here, is the block error rate, which is the output of the training data set, is the quantization operation.
양자화된 블록 오류율 값의 인덱스를 다음 식 12의 해로 도출되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 MIMO 시스템에서 기계학습 기반의 링크 성능 추정 장치.
[식 12]
여기서, 은 양자화된 블록 오류율 값의 인덱스이고, Q는 양자화 비트이며, 는 송신 안테나의 수이고, 은 수신 안테나의 수이며, 은 입력 벡터이며, 는 실수 행렬 공간이다.
The method of claim 4, wherein the random forest classifier,
An apparatus for estimating link performance based on machine learning in a MIMO system, characterized in that it is provided to derive the index of the quantized block error rate value as a solution of Equation 12 below.
[Equation 12]
here, is the index of the quantized block error rate value, Q is the quantization bit, is the number of transmit antennas, is the number of receiving antennas, is the input vector, is the real matrix space.
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Non-Patent Citations (2)
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|---|
| Bertrand M. Hochwald et al., 'Achieving near-capacity on a multiple-antenna channel', IEEE Trans. Comm. vol.51, no.3, pp.389~399, 2003 * |
| 선행문헌 1: B. M. Hochwald and S. ten Brink, "Achieving near-capacity on a multiple-antenna channel," IEEE Trans. Commun. vol. 51, no. 3, pp. 389-399, 2003. |
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