CN114978259A - 一种深度学习的无蜂窝系统下行链路的功率分配方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及功率分配方法技术领域,具体为一种深度学习的无蜂窝系统下行链路的功率分配方法。
背景技术
传统的基于蒙特卡罗思想的算法涉及大量高维矩阵乘法运算,需要多项式或准多项式复杂度来求解,需要不断迭代更新,然而由于天线和用户数量非常大,在处理资源分配时,经典的二阶算法因计算复杂度高,难以应对,为此,我们提出一种深度学习的无蜂窝系统下行链路的功率分配方法。
发明内容
因此,本发明的目的是提供一种深度学习的无蜂窝系统下行链路的功率分配方法,使用M-MMSE预编码在大规模MIMO网络的下行链路中分配功率,首先采用具有全连接层的前馈神经网络,并且由输入层,隐藏层和输出层组成,产生最优功率分配矢量的估计值,使神经网络学习所有用户的估计值,以便满足功率约束并提高估计精度,大大提高了收敛速度,降低了运算量。
为解决上述技术问题,根据本发明的一个方面,本发明提供了如下技术方案:
一种深度学习的无蜂窝系统下行链路的功率分配方法,包括:
S1:考虑一个具有L个小区的大规模多输入多输出网络的下行链路,每个小区包括一个具有M个天线和K个用户的基站,采用具有全连接层的前馈神经网络,并且由2KL维输入层、N个隐藏层和K+1维输出层组成,用来拟合所有功率分配变量集合与传统算法的解的关系,并以训练的方式使其逐步迭代;
S3:神经网络使用的数据集由DeepMIMO数据集计算产生,最优功率分配通过用传统优化方法计算获得,使用80%的样本用于训练,10%用于验证,另外10%样本组成测试集,独立于训练集。
作为本发明所述的一种深度学习的无蜂窝系统下行链路的功率分配方法的一种优选方案,其中,所述S3步骤中,具体操作方法为:
a.首先读取功率分配变量集合的数据与传统算法的对应解,并进行维度转换;
b.初始化神经网络中所需的参数;
c.分层定义网络结构以及每一层神经元数量和激活函数参数,在模型层面,设计6层全连接网络模型;
d.在合并模型阶段,使用Adam优化器并在函数内设置初始学习率为0.01,选择了相对均方误差作为训练指标,并且加入早停法指定patience参数为50,即50个epoch内loss函数无明显下降则终止训练;
e.在训练阶段,依据以上的方法和参数对数据进行拟合。换用不同的学习率和训练集与验证集的比例进行训练,查看和参数来将学习率、批样本量和训练轮数等超参数则进行调整,并使用一个数据量较小的测试集进行预测,逐步调整参数以得出符合要求的训练结果。
作为本发明所述的一种深度学习的无蜂窝系统下行链路的功率分配方法的一种优选方案,其中,6层全连接网络模型中,前五层之间选用elu激活函数,表达式如下:x<0:ELU(x)=ex-1,x≥0:ELU(x)=x。
与现有技术相比,本发明具有的有益效果是:使用M-MMSE预编码在大规模MIMO网络的下行链路中分配功率,首先采用具有全连接层的前馈神经网络,并且由输入层,隐藏层和输出层组成,产生最优功率分配矢量的估计值,使神经网络学习所有用户的估计值,以便满足功率约束并提高估计精度,大大提高了收敛速度,降低了运算量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案,下面将将结合附图和详细实施方式对本发明进行详细说明,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。其中:
图1为本发明一种深度学习的无蜂窝系统下行链路的功率分配方法的深度全连接神经网络结构模型;
图2为本发明一种深度学习的无蜂窝系统下行链路的功率分配方法的无蜂窝大规模MIMO系统传输模型图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广,因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
其次,本发明结合示意图进行详细描述,在详述本发明实施方式时,为便于说明,表示器件结构的剖面图会不依一半比例作局部放大,而且示意图只是示例,其在此不应限制本发明保护的范围。此外,在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
本发明提供一种深度学习的无蜂窝系统下行链路的功率分配方法,使用M-MMSE预编码在大规模MIMO网络的下行链路中分配功率,首先采用具有全连接层的前馈神经网络,并且由输入层,隐藏层和输出层组成,产生最优功率分配矢量的估计值,使神经网络学习所有用户的估计值,以便满足功率约束并提高估计精度,大大提高了收敛速度,降低了运算量。
图1-2示出的是本发明一种深度学习的无蜂窝系统下行链路的功率分配方法一实施方式的整体结构示意图,请参阅图1-2。
1.神经网络模型
S1:首先考虑一个具有L个小区的大规模多输入多输出网络的下行链路,每个小区包括一个具有M个天线和K个用户的基站,采用具有全连接层的前馈神经网络,并且由2KL维输入层、N个隐藏层和K+1维输出层组成,用来拟合所有功率分配变量集合与传统算法的解的关系,并以训练的方式使其逐步迭代;
S3:神经网络使用的数据集由DeepMIMO数据集计算产生,最优功率分配通过用传统优化方法计算获得,使用80%的样本用于训练,10%用于验证,另外10%样本组成测试集,独立于训练集,具体训练步骤为:
a.首先读取功率分配变量集合的数据与传统算法的对应解,并进行维度转换;
b.初始化神经网络中所需的参数,具体如下表格:、
c.分层定义网络结构以及每一层神经元数量和激活函数参数,在模型层面,设计6层全连接网络模型,具体网络结构如下:
d.在合并模型阶段,使用Adam优化器并在函数内设置初始学习率为0.01,选择了相对均方误差作为训练指标,并且加入早停法指定patience参数为50,即50个epoch内loss函数无明显下降则终止训练;
e.在训练阶段,依据以上的方法和参数对数据进行拟合。换用不同的学习率和训练集与验证集的比例进行训练,查看和参数来将学习率、批样本量和训练轮数等超参数则进行调整,并使用一个数据量较小的测试集进行预测,逐步调整参数以得出符合要求的训练结果。
2.系统模型
无蜂窝大规模MIMO突破以小区为中心的电波覆盖、信号处理和资源管理的传统设计,引入以用户为中心的先进网络结构设计,这样使用户与部分AP之间的距离较近,可以降低大尺度衰落影响,带来宏分集增益,在全区域提供均匀、稳定、可靠的用户服务质量,无蜂窝网络架构能够避免频繁蜂窝小区切换,减少控制信令开销,能够节省宝贵的无线资源;
AP成本较低,能够灵活部署,且由于每个AP的天线数量有限,其尺寸可以做得很小,灵活部署于空间受限的场景,如路灯、井盖、货架;
无蜂窝大规模MIMO系统的功耗模型包括两个部分:AP功耗和回程功耗。第n个AP的功耗可以被建模为可被另写为其中,其中,V为所有功率分配变量集合,K为所有的用户数,G为所有多播组数,En∈RN×N除了[En]n,n=1外,其他元素均为零,ξn表示第n个接入点的功率放大器的效率,表示第n个接入点的电路功率消耗;
用于在接入点和CPU之间传输数据的回传功率消耗与可实现的总数据速率成正比,由公式PBH,n(V)=pbh,nRsum(V)+p0,n-式2给出,其中,其中,为所有服务的和速率,p0,n是每个回程的恒定功率消耗,与流量无关的功耗,而pbh,n是与流量有关的功耗;
通过动态分配AP的发射功率,使无蜂窝大规模MIMO系统的能量效率最大化,根据能量效率的定义和式1a—式1c和式3,该问题可以表述为:s.t. 其中,其中和分别为多播和单播服务的可达速率,rm,g和ru,k分别是第g组的多播服务和第k个UE的单播服务的最小数据速率要求,符号pn,max表示第n个接入点的允许的总发射功率预算;
由此得出,由于目标函数和约束条件的非光滑性和非凸性,导致式6给出的优化问题既不光滑也不凸。
结合图1-图2,本实施方式的一种深度学习的无蜂窝系统下行链路的功率分配方法,具体使用时,首先考虑一个具有L个小区的大规模多输入多输出网络的下行链路,每个小区包括一个具有M个天线和K个用户的基站,采用具有全连接层的前馈神经网络,并且由2KL维输入层、N个隐藏层和K+1维输出层组成,用来拟合所有功率分配变量集合与传统算法的解的关系,并以训练的方式使其逐步迭代,构建全连接神经网络结构模型,将功率分配变量集合与传统算法的解之间的问题转化为训练神经网络的权值W和偏置项b之间的问题,目的是将损失函数,最小化,神经网络使用的数据集由DeepMIMO数据集计算产生,最优功率分配通过用传统优化方法计算获得,使用80%的样本用于训练,10%用于验证,另外10%样本组成测试集,独立于训练集,具体操作方法为:首先读取功率分配变量集合的数据与传统算法的对应解,并进行维度转换,初始化神经网络中所需的参数,分层定义网络结构以及每一层神经元数量和激活函数参数,在模型层面,设计6层全连接网络模型,在合并模型阶段,使用Adam优化器并在函数内设置初始学习率为0.01,选择了相对均方误差作为训练指标,并且加入早停法指定patience参数为50,即50个epoch内loss函数无明显下降则终止训练,在训练阶段,依据以上的方法和参数对数据进行拟合,换用不同的学习率和训练集与验证集的比例进行训练,查看和参数来将学习率、批样本量和训练轮数等超参数则进行调整,并使用一个数据量较小的测试集进行预测,逐步调整参数以得出符合要求的训练结果。
虽然在上文中已经参考实施方式对本发明进行了描述,然而在不脱离本发明的范围的情况下,可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是,只要不存在结构冲突,本发明所披露的实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用,在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此,本发明并不局限于文中公开的特定实施方式,而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (3)
1.一种深度学习的无蜂窝系统下行链路的功率分配方法,其特征在于,包括:
S1:首先考虑一个具有L个小区的大规模多输入多输出网络的下行链路,每个小区包括一个具有M个天线和K个用户的基站,采用具有全连接层的前馈神经网络,并且由2KL维输入层、N个隐藏层和K+1维输出层组成,用来拟合所有功率分配变量集合与传统算法的解的关系,并以训练的方式使其逐步迭代;
S3:神经网络使用的数据集由DeepMIMO数据集计算产生,最优功率分配通过用传统优化方法计算获得,使用80%的样本用于训练,10%用于验证,另外10%样本组成测试集,独立于训练集。
2.根据权利要求1所述的一种深度学习的无蜂窝系统下行链路的功率分配方法,其特征在于,所述S3步骤中,具体操作方法为:
a.首先读取功率分配变量集合的数据与传统算法的对应解,并进行维度转换;
b.初始化神经网络中所需的参数;
c.分层定义网络结构以及每一层神经元数量和激活函数参数,在模型层面,设计6层全连接网络模型;
d.在合并模型阶段,使用Adam优化器并在函数内设置初始学习率为0.01,选择了相对均方误差作为训练指标,并且加入早停法指定patience参数为50,即50个epoch内loss函数无明显下降则终止训练;
e.在训练阶段,依据以上的方法和参数对数据进行拟合,换用不同的学习率和训练集与验证集的比例进行训练,查看和参数来将学习率、批样本量和训练轮数等超参数则进行调整,并使用一个数据量较小的测试集进行预测,逐步调整参数以得出符合要求的训练结果。
3.根据权利要求2所述的一种深度学习的无蜂窝系统下行链路的功率分配方法,其特征在于,6层全连接网络模型中,前五层之间选用elu激活函数,表达式如下:x<0:ELU(x)=ex-1,x≥0:ELU(x)=x。
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CN202210344205.6A CN114978259A (zh) | 2022-03-31 | 2022-03-31 | 一种深度学习的无蜂窝系统下行链路的功率分配方法 |
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CN117560043A (zh) * | 2024-01-11 | 2024-02-13 | 大连海事大学 | 一种基于图神经网络的无蜂窝网络功率控制方法 |
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2022
- 2022-03-31 CN CN202210344205.6A patent/CN114978259A/zh active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN117560043A (zh) * | 2024-01-11 | 2024-02-13 | 大连海事大学 | 一种基于图神经网络的无蜂窝网络功率控制方法 |
CN117560043B (zh) * | 2024-01-11 | 2024-03-19 | 大连海事大学 | 一种基于图神经网络的无蜂窝网络功率控制方法 |
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