KR101992053B1 - SISO-OFDM channel estimation apparatus using deep neural network based on adaptive ensemble supervised learning and method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 적응적 앙상블 지도학습 기반의 딥 뉴럴 네트워크를 이용한 SISO-OFDM 채널 추정 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 딥 뉴럴 네트워크 및 앙상블 지도학습 방법을 이용하여 신호를 검출하기 위한 SISO-OFDM 채널 추정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for estimating an SISO-OFDM channel using a deep neural network based on adaptive ensemble learning learning, and more particularly, to a SISO-OFDM channel estimation apparatus and method using a deep neural network and an ensemble map learning method, OFDM channel estimation apparatus and method thereof.
무선 통신 시스템에서 신뢰성에 대한 성능은 계속하여 요구되고 있다. 또한 전송률을 개선하기 위해 MIMO(multiple input multiple output) 기술이 Wi-Fi (wireless-fidelity), LTE(long term evolution) 등의 통신 표준에서 사용되고 있다. Performance for reliability in wireless communication systems continues to be required. In addition, multiple input multiple output (MIMO) technology is used in communication standards such as wireless-fidelity (Wi-Fi) and long term evolution (LTE) to improve the transmission rate.
하지만, 송신단과 수신단 사이의 거리 등의 요인에 의해 채널 상태가 좋지 못할 경우에는 SISO(single input single output) 기술을 이용하여 신호를 송/수신 한다. 즉, MIMO는 통신 표준에서 선택적으로 구현하도록 명시되어 있지만, SISO는 필수적으로 구현하도록 명시되어 있다. SISO는 신뢰성을 보장하기 위해 주로 사용되지만, SISO에서의 채널 보상 방법은 MIMO에 비해 주로 연구되지 않고 있다. 따라서 SISO 채널 추정 및 보상 방법에 대한 개선 방법이 요구된다.However, when the channel state is not good due to factors such as the distance between the transmitting end and the receiving end, a signal is transmitted / received using a single input single output (SISO) technique. That is, although MIMO is specified to be selectively implemented in the communication standard, SISO is mandatory to be implemented. SISO is mainly used to guarantee reliability, but channel compensation method in SISO is not mainly studied compared to MIMO. Therefore, an improvement method for the SISO channel estimation and compensation method is required.
최근 이슈가 되고 있는 머신 러닝, 특히 딥 뉴럴 네트워크(Deep Neural Network)는 특정 업무를 수행하도록 엄격하게 프로그램된 기존의 방식에서 벗어나, 학습 데이터를 기반으로 학습된다. 딥 뉴럴 네트워크는 현재까지는 주로 음성 및 영상 인식, 자연어 처리와 같은 분야에서 주로 사용되고 있다. Machine learning, a recent issue, in particular the Deep Neural Network, is learned from learning data, away from existing methods that are rigorously programmed to perform specific tasks. Deep neural networks are mainly used mainly in areas such as voice and image recognition and natural language processing.
머신 러닝의 분야는 크게 지도 학습, 비지도 학습, 강화 학습 등으로 분류될 수 있다. 딥 뉴럴 네트워크는 입력 계층과 출력 계층, 그리고 그 사이에 1개 이상의 은닉 계층으로 구성된다. 은닉 계층에서 각 뉴런은 가중치, 바이어스 및 활성화 함수에 따라 결정된 출력을 그 다음의 계층으로 전달한다. The field of machine learning can be broadly categorized into instructional learning, non-intelligent learning, and reinforcement learning. Deep neural networks consist of an input layer and an output layer, and one or more hidden layers in between. Each neuron in the hidden layer delivers the output determined by the weight, bias, and activation function to the next layer.
지도 학습 기반의 딥 뉴럴 네트워크는 네트워크의 훈련 시에, 라벨링된 훈련 데이터를 입력 계층에 할당한다. 그리고, 초기 가중치 및 바이어스에 따라 연산된 출력 계층의 결과를, 미리 알고 있는 훈련 데이터의 라벨과 비교하여, 비용 함수를 계산한다. 여기서, 비용 함수에 영향을 미치는 가중치 및 바이어스에 대해 비용 함수를 편미분하고, 비용 함수가 감소되는 방향으로 반복적으로 가중치 및 바이어스를 조정하게 되며, 비용 함수가 기 설정된 문턱 값보다 낮을 경우에 반복을 중단한다. Deep neural networks based on map learning assign labeled data to the input layer during training of the network. Then, the cost function is calculated by comparing the result of the output layer calculated according to the initial weight and bias with the label of training data that is known in advance. Here, the cost function is partially differentiated with respect to the weight and bias that affect the cost function, and the weight and bias are adjusted repeatedly in the direction of decreasing the cost function. When the cost function is lower than the predetermined threshold value, do.
하지만, 딥 뉴럴 네트워크의 단점은 해당 네트워크가 학습에 사용된 데이터에 오버피팅 된다는 것이다. 오버피팅이란 학습에 사용된 데이터가 아닌, 다른 데이터에 대해서는 적합하지 않게 훈련되었다는 것을 의미한다. 따라서 딥 뉴럴 네트워크에서 오버피팅 문제를 해결할 수 있는 방안이 요구된다.However, the disadvantage of deep neural networks is that the network is over-fitting to the data used for learning. Overfitting means that it is not the data used for learning but that it is not suitable for other data. Therefore, there is a need for a solution to overfitting problems in deep neural networks.
본 발명의 배경이 되는 기술은 한국공개특허 제2007-0093557호(2007.09.19 공개)에 개시되어 있다.The technique to be a background of the present invention is disclosed in Korean Patent Publication No. 2007-0093557 (published on Sep. 19, 2007).
본 발명은, 딥 뉴럴 네트워크를 이용하여 채널을 추정 및 보상하고 적응적 앙상블 지도학습을 이용하여 딥 뉴럴 네트워크의 오버피팅 문제를 해결할 수 있는 적응적 앙상블 지도학습 기반의 딥 뉴럴 네트워크를 이용한 SISO-OFDM 채널 추정 장치 및 그 방법을 제공하는데 목적이 있다.The present invention relates to an adaptive ensemble map learning-based deep neural network-based SISO-OFDM system capable of solving the over-fitting problem of a deep neural network by estimating and compensating channels using a deep neural network and using adaptive ensemble map learning. And an object of the present invention is to provide a channel estimation apparatus and a method thereof.
본 발명은, SISO-OFDM 채널 추정 장치를 이용한 채널 추정 방법에 있어서, 송신단에서 변조하여 보낸 훈련 심볼에 대응하여, 복수의 경로 채널을 통해 각각 수신된 상기 훈련 심볼을 독립된 복수의 심층 신경망에 개별 입력시켜 상기 복수의 심층 신경망을 각각 학습시키는 단계와, 상기 복수의 경로 채널 별로 수신된 상기 훈련 심볼의 각 부반송파의 수신 전력을 기초로 소정 심볼의 각 부반송파에 각각 적용될 가중치를 상기 경로 채널 별로 연산하는 단계와, 송신단에서 변조하여 보낸 제1 심볼에 대응하여, 상기 복수의 경로 채널을 통해 각각 수신된 제1 심볼을 상기 학습된 복수의 심층 신경망에 개별 입력시켜 출력 값을 획득하고 상기 출력 값으로부터 상기 제1 심볼에 대한 검출 심볼을 도출하는 단계; 및 상기 복수의 심층 신경망에서 각각 도출된 검출 심볼을 부반송파 별로 결합하여 결합 신호를 획득한 후 해당 부반송파에 대응하는 상기 가중치를 상기 결합 신호에 적용하여 앙상블 학습하여, 상기 제1 심볼의 부반송파 별로 변조 심볼을 각각 검출하는 단계를 포함하는 SISO-OFDM 채널 추정 방법을 제공한다.The present invention relates to a channel estimation method using an SISO-OFDM channel estimation apparatus, comprising the steps of: inputting training symbols received through a plurality of path channels in correspondence with training symbols sent from a transmitter in a modulated manner, Calculating a weight to be applied to each subcarrier of a predetermined symbol on the basis of the received power of each subcarrier of the training symbol received for each of the plurality of path channels for each of the plurality of path channels; And a first symbol received through each of the plurality of path channels separately from the plurality of learned neural networks to obtain an output value corresponding to a first symbol transmitted from the transmitter, Deriving a detection symbol for one symbol; And combining the detection symbols derived from each of the plurality of NNs on a subcarrier-by-subcarrier basis to obtain a combined signal, applying the weight corresponding to the corresponding subcarrier to the combined signal and performing ensemble learning, And detecting the SISO-OFDM channel, respectively.
또한, 상기 심층 신경망 내 출력 계층의 각 뉴런에 대한 타겟은 상기 송신단에서 보낸 상기 훈련 심볼의 각 부반송파에 할당된 변조 심볼이며, 상기 심층 신경망을 학습시키는 단계는, 상기 수신된 훈련 심볼의 각 부반송파에 해당하는 신호를 입력 계층의 각 뉴런에 입력한 상태에서 상기 심층 신경망을 학습시켜, 상기 입력 계층과 상기 출력 계층 사이의 복수의 은닉 계층 별로 각각 적용되는 가중치와 바이어스 값을 최종 결정할 수 있다.Wherein the target for each neuron in the output layer in the neural network is a modulation symbol assigned to each subcarrier of the training symbol sent by the transmitter, and wherein learning the neural network comprises: The weight and bias value applied to each of the plurality of hidden layers between the input layer and the output layer can be finally determined by learning the neural network while inputting the corresponding signal to each neuron of the input layer.
또한, 상기 심층 신경망을 학습시키는 단계는, 상기 심층 신경망의 출력 계층의 각 뉴런에서 출력된 값()과 상기 각 뉴런에 대한 타겟 값() 간의 유클리디안 거리(Ed)인 아래 수학식의 값이 문턱치 이하가 될 때까지 학습시킬 수 있다.In addition, the step of learning the neural network may include calculating a value output from each neuron in the output layer of the neural network ) And a target value for each neuron ( ) It can be learned until the value of the equation is less than the threshold value below between the Euclidean distance (E d).
여기서, N은 훈련 심볼의 부반송파의 수를 나타낸다.Here, N represents the number of subcarriers of the training symbol.
또한, 상기 가중치를 상기 경로 채널 별로 연산하는 단계는, i번째 경로 채널을 통해 수신되는 제1 심볼의 j번째 부반송파에 각각 적용되는 가중치(Wi,j)를 아래의 수학식을 통해 연산할 수 있다.Also, the step of calculating the weights by the path channel may include calculating a weight (W i, j ) applied to the jth subcarrier of the first symbol received through the i-th path channel, using the following equation have.
여기서, i={1,2,…,L}, j={1,2,…,N}, L은 경로 채널의 수, N은 부반송파의 수, 는 i에 따른 L개의 중 최대값, , 는 i번째 경로 채널을 통해 수신된 훈련 심볼의 j번째 부반송파의 전력, 는 L개 경로 채널에 대한 를 모두 합산한 값을 나타낸다.Here, i = {1,2, ... , L}, j = {1,2, ... , N}, L is the number of path channels, N is the number of subcarriers, Lt; RTI ID = 0.0 > L & The maximum value, , Is the power of the jth subcarrier of the training symbol received on the i < th > path channel, Lt; RTI ID = 0.0 > Are added together.
또한, 상기 앙상블 학습하는 단계는, 상기 복수의 채널 경로에 대응하여 각각 도출된 상기 검출 심볼의 j번째 부반송파 신호 간을 성상도 인덱스를 기초로 결합하여, 상기 부반송파 별 상기 결합 신호인 N개의 행렬 Tj를 각각 생성하는 단계와, 상기 N개의 행렬 Tj 각각을 대상으로, 상기 j를 1부터 N까지 가변하면서, 상기 행렬 Tj와 상기 가중치 Wi,j 간의 곱을 각 채널 경로 별로 합산한 값을 최대로 하는 변수 j인 Jx(1≤Jx≤N)를 각각 도출하는 단계, 및 성상도 상의 CJx에 해당하는 심볼을 제1 심볼 내 j번째 부반송파에 대응하는 변조 심볼로 각각 검출하는 단계를 포함할 수 있다.In the ensemble learning step, the j th subcarrier signals of the detection symbols derived respectively corresponding to the plurality of channel paths are combined based on a constellation index, and the N matrices T generating a j, respectively, targeted to the N matrix T j, respectively, while varying the j ranging from 1 N, the values summed by the matrix T j and the weights W i, each channel path the product between the j deriving
또한, 상기 행렬 Tj를 생성하는 단계는, i번째 경로 채널에 대응하여 도출된 검출 심볼의 j번째 부반송파 신호의 성상도 인덱스 Cx를 기초로 상기 행렬 Tj의 i번째 행을 구성하되, 상기 i번째 행의 N개 열 중 x번째 열만 1을 할당하고 나머지 열은 0을 할당하는 방식으로 상기 행렬을 생성하며, 상기 행렬 Tj에 대하여, 각 행별 원소의 합은 1이고, 각 열별 원소의 합은 0과 L 사이의 범위를 가질 수 있다.Further, the step of generating the matrix T j is, i but on the basis of Fig index C x state of a j-th sub-carrier signal of the detected symbol derived in response to the second-path channel constituting the i-th row of the matrix T j, wherein 1) th column among the N columns of the i-th row and assigning 0 to the remaining columns, and the sum of the elements of each row is 1 for the matrix T j , The sum can have a range between 0 and L.
또한, 상기 Jx 및 상기 변조 심볼은 다음의 수학식을 통해 획득될 수 있다.Further, the J x and the modulation symbol can be obtained by the following equations.
여기서, 는 성분별 곱셈(element-by-element multiplication)을 나타내고, 는 상기 j번째 부반송파에 대응하여 검출된 변조 심볼을 나타낸다.here, Represents an element-by-element multiplication, Represents a modulation symbol detected corresponding to the j-th subcarrier.
또한, 상기 송신단은 1개의 안테나를 사용하여 상기 훈련 심볼을 전송하고, 상기 채널 추정 장치가 포함된 수신단은 1개의 안테나를 사용하여 상기 복수의 경로 채널을 통해 상기 훈련 심볼을 수신할 수 있다.In addition, the transmitting end transmits the training symbols using one antenna, and the receiving end including the channel estimating device can receive the training symbols through the plurality of path channels using one antenna.
그리고, 본 발명은, 송신단에서 변조하여 보낸 훈련 심볼에 대응하여, 복수의 경로 채널을 통해 각각 수신된 상기 훈련 심볼을 독립된 복수의 심층 신경망에 개별 입력시켜 상기 복수의 심층 신경망을 각각 학습시키는 신경망 학습부와, 상기 복수의 경로 채널 별로 수신된 상기 훈련 심볼의 각 부반송파의 수신 전력을 기초로 소정 심볼의 각 부반송파에 각각 적용될 가중치를 상기 경로 채널 별로 연산하는 가중치 연산부와, 송신단에서 변조하여 보낸 제1 심볼에 대응하여, 상기 복수의 경로 채널을 통해 각각 수신된 제1 심볼을 상기 학습된 복수의 심층 신경망에 개별 입력시켜 출력 값을 획득하고 상기 출력 값으로부터 상기 제1 심볼에 대한 검출 심볼을 도출하는 초기 도출부, 및 상기 복수의 심층 신경망에서 각각 도출된 검출 심볼을 부반송파 별로 결합하여 결합 신호를 획득한 후 해당 부반송파에 대응하는 상기 가중치를 상기 결합 신호에 적용하여 앙상블 학습하여, 상기 제1 심볼의 부반송파 별로 변조 심볼을 각각 검출하는 최종 검출부를 포함하는 SISO-OFDM 채널 추정 장치를 제공한다.The present invention also provides a neural network learning method for individually inputting training symbols received through a plurality of path channels into a plurality of independent neural networks in correspondence with training symbols sent from a transmitting end, A weight calculator for calculating a weight to be applied to each subcarrier of a predetermined symbol on the basis of the received power of each subcarrier of the training symbol received for each of the plurality of path channels for each of the path channels; A first symbol received through each of the plurality of path channels is separately inputted to the learned plurality of neural networks to obtain an output value and a detected symbol for the first symbol is derived from the output value An initial derivation unit, and a detection symbol derived from each of the plurality of depth- An SISO-OFDM channel estimation apparatus comprising an end detector for detecting a modulation symbol for each subcarrier of the first symbol by performing ensemble learning by applying the weight corresponding to the subcarrier to the combined signal, Lt; / RTI >
본 발명에 따르면, SISO-OFDM 시스템의 수신단에 딥 뉴럴 네트워크를 적용하여 채널을 효과적으로 추정 및 보상할 수 있으며 적응적 앙상블 지도 학습을 이용하여 딥 뉴럴 네트워크의 오버피팅 문제를 해결할 수 있어 시스템의 신뢰도를 높일 수 있다.According to the present invention, it is possible to effectively estimate and compensate a channel by applying a deep neural network to a receiving end of a SISO-OFDM system, and over fitting problems of a deep neural network can be solved by using adaptive ensemble map learning, .
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 SISO-OFDM 통신 시스템 모델을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 SISO-OFDM 채널 추정 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 장치를 이용한 채널 추정 방법을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예를 위한 심층 신경망의 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 송신단에서 사용하는 변조 기법들에 대한 성상도를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 적응적 앙상블 학습 모델의 구조를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에서 다중 경로 채널 및 그에 따른 delay profile을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 방법과 기존 방법 간의 신호 검출의 신뢰성 성능을 비교하여 도시한 도표이다.1 is a diagram illustrating a SISO-OFDM communication system model according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating a configuration of an SISO-OFDM channel estimation apparatus according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram for explaining a channel estimation method using the apparatus of FIG.
4 is a diagram illustrating a structure of a depth-of-field network for an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating a constellation diagram for modulation schemes used in a transmitter.
6 is a diagram illustrating a structure of an adaptive ensemble learning model according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram illustrating a multipath channel and a delay profile according to an embodiment of the present invention.
8 is a chart comparing reliability performance of signal detection between a method according to an embodiment of the present invention and an existing method.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 SISO-OFDM 통신 시스템 모델을 도시한 도면이다. 도 1에서와 같이, SISO-OFDM(Single Input Single Output - Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 통신 시스템은, 송신단(Transmitter)과 수신단(Receiver)을 포함한다. 송신단은 1개의 안테나를 사용하여 신호를 전송하고, 수신단은 1개의 안테나를 사용하여 신호를 수신한다.1 is a diagram illustrating a SISO-OFDM communication system model according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the SISO-OFDM (Single Input Single Output) system includes a transmitter and a receiver. The transmitting end transmits a signal using one antenna, and the receiving end receives a signal using one antenna.
송신단(Transmitter)은 전송하고자 하는 데이터 비트를 변조기(modulator)를 통해 변조 심볼로 변환하고 이를 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) 처리하여 시간축으로 변환한 후 CP(Cyclic Prefix)를 추가하는 과정을 통해 OFDM 심볼을 최종 생성한다. 생성한 OFDM 심볼은 송신단이 변조하여 보내는 심볼로 정의될 수 있다.Transmitter converts a data bit to be transmitted into a modulation symbol through a modulator, converts it into an inverse fast Fourier transform (IFFT), transforms it into a time axis, and adds a CP (Cyclic Prefix) . The generated OFDM symbol can be defined as a symbol transmitted by the transmitting end.
송신단(Transmitter)에서 변조하여 보낸 OFDM 심볼은 송신단과 수신단 사이의 다중 경로 채널(multi-path channel)을 통해 수신단(Receiver)에 수신된다. 수신단(Receiver)에 수신된 신호에는 잡음이 부가된다. 잡음이 부가되어 수신된 OFDM 심볼은 다음의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.An OFDM symbol transmitted from a transmitter is received by a receiver through a multi-path channel between the transmitter and the receiver. Noise is added to the signal received at the receiver. The received OFDM symbol with noise added can be expressed as Equation (1).
여기서, Y는 수신된 OFDM 심볼, H는 다중 경로 채널(Multi-path channel), X는 송신 신호, N은 백색 가우시안 잡음(Additive White Gaussian Noise; AWGN)을 나타낸다. 다중 경로 채널은 도 1과 같이 송신단과 수신단 사이에서 장애물 등에 의해 산란 또는 반사되어 형성되는 다중의 경로를 나타낸다.Here, Y denotes a received OFDM symbol, H denotes a multi-path channel, X denotes a transmission signal, and N denotes an Additive White Gaussian Noise (AWGN). The multipath channel represents multiple paths formed by scattering or reflecting by obstacles between the transmitting end and the receiving end as shown in FIG.
도 1에 나타낸 것과 같이, 수신단(Receiver)은 수신된 OFDM 심볼에서 CP를 제거한 후 FFT를 취하여 주파수축으로 변환한다. 수신된 OFDM 심볼에 FFT를 취한 후에는 신호 검출을 위해 채널을 보상한다. As shown in FIG. 1, a receiver removes a CP from a received OFDM symbol, and then takes an FFT to convert the CP to a frequency axis. After taking the FFT on the received OFDM symbol, the channel is compensated for signal detection.
기존의 SISO-OFDM 시스템의 경우 신호의 검출을 위해, 사전에 추정된 채널을 사용하여 채널을 보상한다. 기존의 SISO-OFDM 시스템에서의 채널 보상 과정은 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.In the conventional SISO-OFDM system, a channel is compensated using a previously estimated channel for signal detection. The channel compensation process in the conventional SISO-OFDM system can be expressed by Equation (2).
수학식 2에서 는 FFT를 통해 주파수축으로 변환된 OFDM 심볼을 나타내며, FFT를 통해 주파수축에서 채널과 송신 신호의 곱셈 연산의 형태로 신호가 변환된다. 는 주파수축에서 추정된 채널, 는 추정된 변조 심볼을 나타낸다. In
최종적으로 수신단(Receiver)에서는 추정된 변조 심볼 를 복조하여 데이터 비트를 검출한다. Finally, at the receiving end, To detect a data bit.
기존의 SISO-OFDM 시스템은 채널 추정 오차 및 채널 보상 과정에서 발생되는 수신 잡음의 증폭으로 인해, 채널 보상 과정에서 신뢰성 문제가 발생한다. 하지만, 본 발명의 실시예의 경우, 채널 추정 및 보상 시에 딥 뉴럴 네트워크(Deep Neural Network; DNN)를 사용하는 것을 통하여 상술한 문제점을 해결할 수 있다.In the conventional SISO-OFDM system, there is a reliability problem in the channel compensation process due to amplification of the reception noise generated in the channel estimation error and channel compensation process. However, in the embodiment of the present invention, the above problem can be solved by using a Deep Neural Network (DNN) in channel estimation and compensation.
본 실시예에 사용되는 딥 뉴럴 네트워크(이하, 심층 신경망)은 지도 학습(supervised learning)에 기반한다. 지도 학습은 입력에 대한 올바른 결과가 무엇인지를 알고리즘에 알려주는 형태의 학습을 의미한다. A deep neural network (hereinafter referred to as a deep neural network) used in this embodiment is based on supervised learning. Map learning implies learning that informs the algorithm what the correct result is for the input.
통신 시스템에서는 채널을 추정하기 위해, 송신단(Transmitter)과 수신단이 사전에 알고 있는 약속된 심볼을 사용한다. 따라서 지도 학습 기반의 심층 신경망에 사용되는 훈련 데이터 역시, 송신단과 수신단이 사전에 약속한 심볼을 사용한다. In a communication system, a channel is estimated using a promised symbol previously known to a transmitter and a receiver. Therefore, the training data used in the depth learning neural network based on the map learning also uses the symbol promised by the transmitter and receiver.
도 1에 도시된 것과 같이, 수신단(Receiver)은 송신단(Transmitter)에서 발생시킨 훈련 데이터용 OFDM 심볼(이하, 훈련 심볼)을 다중 경로 채널 즉, 복수의 경로 채널을 통해 수신한다. 각각의 다중 경로 채널을 통해 수신된 훈련 심볼들은 도 1과 같이, CP 제거 및 FFT 과정을 거친 다음, 각각의 독립적인 심층 신경망에 개별 입력되어 각각의 심층 신경망을 학습시키는데 사용된다.As shown in FIG. 1, a receiver receives an OFDM symbol (hereinafter referred to as a training symbol) for training data generated by a transmitter through a multipath channel, that is, a plurality of path channels. As shown in FIG. 1, the training symbols received through the respective multipath channels are subjected to CP elimination and FFT processes, and then input to respective independent deep neural networks to be used to learn each of the deep neural networks.
본 발명의 실시예는 심층 신경망에서 발생되는 오버피팅(overfitting)을 방지하기 위해, 다중의 심층 신경망을 결합하는 앙상블 학습(ensemble learning) 기법을 추가적으로 적용한다. 또한, 앙상블 학습이 채널의 상태에 적응적으로 동작하도록 하기 위해, 복수의 경로 채널 별로 수신된 훈련 심볼의 부반송파별 수신 전력을 기초로 소정 심볼의 부반송파별 적용될 가중치 값을 경로 채널 별로 계산하는 과정을 가진다.The embodiment of the present invention additionally applies an ensemble learning technique for combining multiple neural networks to prevent overfitting occurring in the neural network. In order to make ensemble learning adaptive to the channel state, a weight value to be applied to each subcarrier of a predetermined symbol is calculated for each of the path channels based on the received power for each subcarrier of training symbols received for each of the plurality of path channels I have.
이후, 각각의 경로 채널을 통해 수신된 소정 심볼을 기 학습된 각각의 심층 신경망에 입력하여 도출된 결과를 상호 결합하여 결합 신호를 획득한 후, 결합 신호의 해당 부반송파에 각각 가중치를 반영함으로써, 적응적 상대다수 투표 방식의 앙상블 학습을 수행한다. 이를 통해 소정 심볼의 부반송파 별로 변조 심볼을 개별 검출할 수 있다.Thereafter, a predetermined symbol received through each path channel is input to each learned neural network, and the derived results are combined to obtain a combined signal. Then, the weights are reflected on the corresponding subcarriers of the combined signal, And performs ensemble learning of enemy relative multiple voting method. Thus, the modulation symbols can be individually detected for each subcarrier of the predetermined symbol.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 SISO-OFDM 채널 추정 장치의 구성을 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 SISO-OFDM 채널 추정 장치(100)는 신경망 학습부(110), 가중치 연산부(120), 초기 도출부(130), 최종 검출부(140)를 포함한다. 2 is a diagram illustrating a configuration of an SISO-OFDM channel estimation apparatus according to an embodiment of the present invention. 2, the SISO-OFDM
채널 추정 장치(100)는 도 1의 수신단(Receiver) 내에 포함되어, 채널을 추정 및 보상하고 신호를 검출하기 위하여 사용된다. 물론, 채널 추정 장치(100)는 CP 제거 및 FFT 처리가 완료된 신호를 이용하여 채널을 추정한다. 이하에서는 설명의 편의를 위해, 채널 추정 전의 CP 제거 및 FFT 처리는 생략하여 설명한다.The
신경망 학습부(110)는 송신단에서 변조하여 보낸 훈련 심볼에 대응하여, 복수의 경로 채널을 통해 각각 수신된 훈련 심볼을 독립된 복수의 심층 신경망에 개별 입력시켜, 복수의 심층 신경망을 각각 학습시킨다.The neural
가중치 연산부(120)는 복수의 경로 채널 별로 수신된 훈련 심볼의 각 부반송파의 수신 전력을 기초로 소정 심볼의 각 부반송파에 각각 적용될 가중치를 상기 경로 채널 별로 연산한다. 연산된 가중치는 추후 앙상블 학습 시에 사용된다.The
초기 도출부(130)는 송신단에서 변조하여 보낸 소정의 제1 심볼에 대응하여, 복수의 경로 채널을 통해 각각 수신된 제1 심볼을, 학습된 복수의 심층 신경망에 개별 입력시켜 출력 값을 획득하고, 출력 값으로부터 제1 심볼에 대한 검출 심볼을 도출한다.The
최종 검출부(140)는 복수의 심층 신경망에서 각각 도출된 검출 심볼을 부반송파 별로 결합하여 결합 신호를 획득한 후 해당 부반송파에 대응하는 가중치를 결합 신호에 적용하여 앙상블 학습하는 것을 통해, 제1 심볼의 부반송파 별로 변조 심볼을 각각 검출한다.The
이하에서는 도 3을 통해 채널 추정 방법을 상세히 설명한다. 도 3은 도 2의 장치를 이용한 채널 추정 방법을 설명하는 도면이다.Hereinafter, a channel estimation method will be described in detail with reference to FIG. 3 is a diagram for explaining a channel estimation method using the apparatus of FIG.
먼저, 수신단(Receiver)은 송신단에서 변조하여 보낸 훈련 심볼을 복수의 경로 채널(Multi-path channel)을 통해 수신한다(S310). First, a receiver receives a training symbol transmitted from a transmitting terminal through a plurality of path channels (S310).
그러면, 수신단 내 채널 추정 장치(100)의 신경망 학습부(110)는 복수의 경로 채널을 통해 각각 수신된 훈련 심볼을 독립된 복수의 심층 신경망에 개별 입력시켜 복수의 심층 신경망을 각각 학습시킨다(S320). Then, the neural
신경망 학습부(110)는 각각의 경로 채널을 통해 수신된 훈련 심볼을 독립된 개개의 심층 신경망에 입력시켜 각 심층 신경망을 학습시킨다. 따라서, N개의 경로 채널이 있는 경우에 N개의 심층 신경망을 필요로 하며 N개 각각의 심층 신경망을 이용하여 N개 각각의 경로 채널을 추정한다.The neural
송신단이 수신단으로 보낸 심볼은 하나이지만, 수신단에 수신되는 과정에서 N개의 서로 다른 채널 환경을 겪게 되므로, 각 경로 채널 별로 심층 신경망을 구성하여 학습시킨다. 추후, N개의 심층 신경망에 의한 N개의 추정 결과물은 상호 결합되어 앙상블 학습됨에 따라 신호 검출의 신뢰성을 높인다.There is one symbol sent from the transmitting end to the receiving end. However, since the receiving end receives N different channel environments in the receiving end, the neural network is configured and trained for each path channel. Thereafter, the N estimation results by the N depth-of-field neural networks are mutually combined and ensemble-learned, thereby enhancing the reliability of signal detection.
도 4는 본 발명의 실시예를 위한 심층 신경망의 구조를 도시한 도면이다. 4 is a diagram illustrating a structure of a depth-of-field network for an embodiment of the present invention.
심층 신경망은 입력 계층(input layer), 다중의 은닉 계층(hidden layer), 그리고 출력 계층(output layer)의 세 부분으로 구성될 수 있다. 각각의 계층은 다중의 뉴런(neuron)들을 포함할 수 있다. A deep neural network can consist of three parts: an input layer, multiple hidden layers, and an output layer. Each layer may contain multiple neurons.
심층 신경망을 학습한다는 것은 입력 계층 내 각 뉴련의 입력 값과 출력 계층 내 각 뉴런의 출력 값을 정해두고, 각 계층 사이의 가중치 및 바이어스를 최적으로 조정함으로써, 심층 신경망 모델이 입력과 출력 사이의 관계를 잘 표현할 수 있도록 하는 것이다.Learning of the deep neural network means that the input values of each neuron in the input layer and the output values of each neuron in the output layer are determined and the weights and the bias between the layers are optimized, To be able to express well.
본 발명의 실시예는 채널을 통과하여 수신된 심볼을 입력 계층에 할당하고 송신단이 실제 변조하여 보낸 심볼을 출력 계층에 할당하여 심층 신경망을 학습시키게 되며, 이러한 학습 과정은 송신단과 수신단 간의 채널 추정에 대응되는 과정이라 볼 수 있다. In the embodiment of the present invention, a symbol received through a channel is allocated to an input layer, a symbol sent from the transmitting terminal is actually modulated and allocated to an output layer, thereby learning a neural network. This is a corresponding process.
구체적으로, 도 4에 도시된 심층 신경망의 입력 계층에는 수신단을 통해 수신한 훈련 심볼의 각 부반송파에 해당하는 신호가 입력된다. 여기서 물론, 입력 계층에는 CP 제거 후 FFT를 취한 신호가 할당된다.Specifically, a signal corresponding to each subcarrier of the training symbol received through the receiver is input to the input layer of the neural network shown in FIG. Here, of course, a signal obtained by removing the CP and taking an FFT is assigned to the input layer.
입력 계층은 N개의 뉴런으로 구성된다. N은 OFDM 심볼 내 부반송파 개수를 나타낸다. 즉, 입력 계층의 각 뉴런에는 수신된 훈련 심볼의 각 부반송파에 해당하는 신호가 할당된다. The input layer consists of N neurons. N denotes the number of subcarriers in the OFDM symbol. That is, each neuron of the input layer is assigned a signal corresponding to each subcarrier of the received training symbol.
신경망 학습 이전에, 각 계층의 뉴런 사이에 적용되는 가중치 및 바이어스 값은 랜덤하게 정해진다. 즉, 초기 설정된 가중치 및 바이어스 값은 신경망 학습을 통해서 최적의 값으로 조정 및 제어된다. Prior to neural network learning, the weights and bias values applied between neurons in each layer are randomly determined. That is, the initial weight values and the bias values are adjusted and controlled to an optimal value through neural network learning.
활성화 함수로는 시그모이드(sigmoid) 함수, 계단(step) 함수, ReLU(rectified linear unit) 함수, tanh(hyperbolic tangent) 함수 등을 사용할 수 있지만, 시뮬레이션 결과, ERReLU(extended randomized leaky ReLU) 함수가 가장 좋은 성능을 나타냈기 때문에, 본 발명의 실시예에서 심층 신경망의 활성화 함수는 ERReLU 함수를 사용한다.As the activation function, sigmoid function, step function, ReLU (rectilinear linear unit) function and tanh (hyperbolic tangent) function can be used, but simulation results show that ERReLU (extended randomized leaky ReLU) Since the best performance is shown, in the embodiment of the present invention, the activation function of the depth neural network uses the ERReLU function.
심층 신경망 내 출력 계층의 각 뉴런에 대한 타겟은 송신단에서 만든 훈련 심볼의 각 부반송파에 할당된 변조 심볼에 해당된다. 이때, 변조 심볼 값은 복소수의 형태로 이루어져 있기 때문에, 시그모이드 함수와 tanh 함수 등과 같이, 입력 값에 따라 출력이 0 또는 1에 수렴하는 형태의 비선형 함수와, 입력 값이 음수인 경우 출력을 0으로 하는 ReLU 함수 등은 적합하지 않다. 따라서, 특정 복소수 값을 출력으로 가짐과 동시에 다수의 은닉 계층을 사용함으로써 얻을 수 있는 이득을 위해, 활성화 함수로서 ERReLU를 사용한다.The target for each neuron in the output layer in the neural network corresponds to the modulation symbol assigned to each subcarrier of the training symbol generated by the transmitter. In this case, since the modulation symbol value is in the form of a complex number, a nonlinear function such that the output converges to 0 or 1 according to the input value, such as the sigmoid function and the tanh function, and the output when the input value is negative ReLU functions such as 0 are not suitable. Therefore, ERReLU is used as an activation function for gains that can be achieved by having a specific complex number output and simultaneously using multiple hidden layers.
이와 같이, 신경망 학습부(110)는 출력 계층의 각 뉴런에 대한 타겟(약속된 훈련 심볼의 각 부반송파에 할당된 변조 심볼)을 정해둔 다음, 경로 채널을 통해 실제로 수신된 훈련 심볼의 각 부반송파의 신호를 심층 신경망의 입력 계층의 각 뉴런 부분에 입력하고 이를 통해 심층 신경망을 반복 학습시켜서, 다중의 은닉 계층 각각 적용되는 가중치(W; 곱셈 가중치)와 바이어스 값(b; 덧셈 가중치)을 최종적으로 결정할 수 있다. In this manner, the neural
심층 신경망의 반복 학습의 경우, 기 설정 횟수만큼 수행하거나, 심층 신경망의 출력 값과 타겟 값 간 오차가 기 설정된 값 이내로 들어올 때까지 수행한다. In the case of the iterative learning of the neural network, it is performed until the preset number of times or the error between the output value of the neural network and the target value is within the predetermined value.
다음은 활성화 함수를 상세히 설명한다. 우선, 도 4의 심층 신경망에서, 는 입력 계층에 입력되는 입력 값, 는 출력 계층을 통해 출력되는 출력 값을 나타낸다. 심층 신경망은 1개의 입력 계층, M-2개의 은닉 계층, 1개의 출력 계층을 포함하여, 총 M개의 레이어로 구성된다.The following describes the activation function in detail. First, in the dense neural network of Fig. 4, Is an input value input to the input layer, Represents an output value output through the output layer. The depth neural network consists of a total of M layers including one input layer, M-2 hidden layers, and one output layer.
복수의 은닉 계층 중에서 제1 은닉 계층은 입력 계층과 다이렉트로 연결되어 있다. 제1 은닉 계층의 뉴런들은 수학식 3의 활성화 함수를 통해 연산된 결과 값을 입력받는다.Of the plurality of hidden layers, the first hidden layer is directly connected to the input layer. The neurons of the first hidden layer receive the result values calculated through the activation function of Equation (3).
입력 계층의 입력 값에 가중치를 곱한 후 바이어스 값을 더하여 이루어진다. 나머지 은닉 계층에서도 이와 유사한 원리가 적용된다The input value of the input layer is multiplied by a weight and then the bias value is added. Similar principles apply to the remaining hidden layers
즉, 다음의 각 은닉 계층의 뉴런들은 수학식 4에 의해 연산된 결과 값을 입력받을 수 있다.That is, the neurons of the following hidden layers can receive the result calculated by Equation (4).
마지막으로, 출력 계층에서의 뉴런들은 수학식 5에 의해 연산된 결과 값을 입력받을 수 있다.Finally, neurons in the output layer can receive the result computed by Equation (5).
상술한 수학식 3 내지 수학식 5의 ERReLU 함수는 다음의 수학식 6과 같다.The ERReLU function of Equations (3) to (5) is expressed by Equation (6).
수학식 3 내지 수학식 5에 의해 연산된 출력 계층의 뉴런값들에 대한 타겟은, 앞서 상술한 바와 같이, 송신단에서 전송한 훈련 심볼의 각 부반송파에 할당되어 있는 변조 심볼에 해당한다. 가중치 및 바이어스 값을 훈련하기 위해 사용되는 비용 함수(cost function)는 출력 계층의 뉴런값과 타겟과의 유클리디안 거리(Euclidean distance)를 사용하여 연산된다. The target for the neuron values of the output layer computed by Equations (3) to (5) corresponds to the modulation symbol allocated to each subcarrier of the training symbol transmitted by the transmitting end, as described above. The cost function used to train the weights and bias values is calculated using the Euclidean distance between the neuron value of the output layer and the target.
심층 신경망의 출력 계층의 각 뉴런에서 출력된 값()과 각 뉴런에 대한 타겟 값() 간의 차이를 각 뉴런에 대해 합산하여 유클리디안 거리를 구할 수 있다.The values output from each neuron in the output layer of the neural network ( ) And the target value for each neuron ( ) Can be summed for each neuron to determine the Euclidean distance.
유클리디안 거리(Ed)는 다음의 수학식 7에 의해 연산될 수 있다.The Euclidean distance E d can be calculated by the following equation (7).
수학식 7에서 는 심층 신경망의 출력 계층을 통해 출력되는 출력 값이고, 는 약속된 신호 즉, 이미 알고 있는 타겟 값이다. 수학식 7을 통해 심층 신경망의 출력 값과 기 설정된 타겟 값 간 오차(유클리디안 거리)를 구할 수 있으며 오차가 문턱 값 이하가 될 때까지 학습을 반복할 수 있다.In Equation (7) Is an output value output through the output layer of the neural network, Is a promised signal, i.e., a target value that is already known. The error (Euclidean distance) between the output value of the in-depth neural network and the preset target value can be obtained through Equation (7), and the learning can be repeated until the error becomes less than the threshold value.
본 발명의 실시예는 수학식 7의 연산 결과를 비용 함수로 사용하고, 비용 최소화 알고리즘인 경사 하강법(gradient descent algorithm)을 적용하여, 가중치 및 바이어스를 최적화시킨다. 가중치 및 바이어스의 최적화는 반복적으로 수행되며, 비용 함수가 사전에 결정한 문턱 값(threshold value) 이하가 되거나 최대 반복 횟수에 도달할 경우에 학습이 중단된다.The embodiment of the present invention optimizes the weight and bias by using the calculation result of Equation (7) as a cost function and applying a gradient descent algorithm which is a cost minimization algorithm. Optimization of weights and biases is performed repetitively, and learning stops when the cost function is below a predetermined threshold value or reaches the maximum number of iterations.
본 발명의 실시예에서 비용 함수에 대한 문턱 값은 을 사용하고, 가중치와 바이어스의 조정에 대한 최대 반복 횟수는 5,000번으로 결정하여 사용했다. 또한 학습률(learning rate)은 0.01을 사용했다.In an embodiment of the present invention, the threshold for the cost function is , And the maximum number of iterations for adjustment of the weight and the bias was determined to be 5,000. The learning rate was 0.01.
상술한 방법을 사용하여, 복수의 경로 채널마다 각각의 심층 신경망의 학습(최적화)을 완료한다. Using the above-described method, learning (optimization) of each of the deep-network neural networks is completed for each of the plurality of path channels.
심층 신경망의 최적화가 완료된 이후에는, 추후 송신단에서 전송한 소정 심볼에 대응하여 수신한 신볼에 대한 각 부반송파의 신호를 심층 신경망의 입력 계층의 각 뉴런에 입력함으로써 출력 계층의 각 뉴런에서 출력되는 값들을 확인할 수 있다. After the optimization of the neural network is completed, the subcarrier signals for the new symbols received corresponding to the predetermined symbols transmitted by the transmitting terminal are input to the respective neurons of the input layer of the neural network, Can be confirmed.
출력 계층의 각 뉴런을 통해 출력된 값들은 변조 기법에 대응되는 복조 과정을 거쳐 데이터 비트로 검출될 수 있다. 이때, 성상도 상에서 가까운 값으로 조정되어 검출될 수 있다. 예를 들어, BPSK 변조 기법을 가정하여, 출력 계층의 제1 뉴런에서 출력된 값이 [0.2, 1.1]인 경우, 해당 신호는 성상도 상에서 가장 가까운 [0, 1]의 신호로 검출될 수 있다.The values output through each neuron in the output layer may be detected as data bits through a demodulation process corresponding to the modulation technique. At this time, it can be adjusted and detected at a close value on the constellation. For example, assuming a BPSK modulation scheme, if the value output from the first neuron of the output layer is [0.2, 1.1], the signal can be detected as a signal of the closest [0, 1] on the constellation .
도 5는 송신단에서 사용하는 변조 기법들에 대한 성상도를 도시한 도면이다. 5 is a diagram illustrating a constellation diagram for modulation schemes used in a transmitter.
송신단에서 사용되는 변조 기법으로는 BPSK(biphase shift keying). QPSK(quadrature phase shift keying), 16QAM(quadrature amplitude modulation), 64QAM 등이 있다.BPSK (biphase shift keying) is the modulation technique used in the transmitter. Quadrature phase shift keying (QPSK), quadrature amplitude modulation (16QAM), and 64QAM.
도 5의 상단은 각 변조 기법(BPSK, 16-QAM, QPSK, 64-QAM)에 사용되는 정규화 인수(normalization factor)를 나타내며, 하단의 (a)~(d) 그림은 각각 BPSK, 16-QAM, QPSK, 64-QAM에 대한 성상도(constellation)를 나타낸다.The upper part of FIG. 5 shows the normalization factor used for each modulation scheme (BPSK, 16-QAM, QPSK, 64-QAM) , QPSK, and 64-QAM, respectively.
고차 변조일수록 하나의 심볼이 전송하는 데이터의 양이 증가되어 전송률이 증가되지만, 각 성상도 포인트 사이의 거리가 작아지기 때문에, 잡음에 취약한 단점을 가진다. 송신단의 전송 전력은 동일하기 때문에 도 5의 각 변조 기법에 대한 성상도는 도 5에 기재된 Cm에 따라 정규화된다.Higher-order modulation increases the amount of data transmitted by one symbol and increases the data rate. However, since the distance between each constellation point is small, it is vulnerable to noise. Since the transmission power of the transmitter is the same, the constellation for each modulation scheme of FIG. 5 is normalized according to Cm shown in FIG.
심층 신경망의 학습은 패킷 단위로 수행되며, 학습에 필요한 훈련 데이터용 OFDM 심볼(훈련 심볼)은 패킷 당 1개를 사용한다. 패킷 내의 각 OFDM 심볼들은 동일한 채널을 통과하더라도 잡음은 임의로 발생되어 수신 신호에 더해진다. Learning of the neural network is performed on a packet basis, and one OFDM symbol (training symbol) for training data required for learning is used per packet. Although each OFDM symbol in the packet passes through the same channel, noise is randomly generated and added to the received signal.
따라서, 비용 함수가 문턱 값 이하로 계산되어 심층 신경망의 훈련이 완료되었더라도, 수신 잡음에 의하여 심층 신경망의 입력 계층의 뉴런에 할당되는 신호는 변동될 수 있고, 최적화된 가중치 및 바이어스에 따라 연산되는 출력 계층의 뉴런 값은 타겟과 크게 다를 수 있다. Therefore, even if the cost function is calculated to be less than or equal to the threshold value and the training of the deep neural network is completed, the signal assigned to the neuron of the input layer of the neural network by the reception noise can be varied and the output layer, which is calculated according to the optimized weight and bias, The neuron value of the target may be significantly different from the target.
이러한 오버피팅 문제를 해결하기 위해, 추가적으로 본 발명의 실시예는 다중 경로를 통해 수신된 훈련 심볼로부터 수신 전력에 대한 가중치를 계산하고, 추후 소정 심볼에 대한 신호 검출 시에 그 가중치를 이용하는 앙상블 학습을 적용한다. To overcome this overfitting problem, an embodiment of the present invention further includes an ensemble learning method for calculating a weight for received power from a training symbol received through a multipath, and using the weight at the time of detecting a signal for a predetermined symbol To be applied.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 앙상블 학습 모델의 구조를 도시한 도면이다. 6 is a diagram showing a structure of an ensemble learning model according to an embodiment of the present invention.
여기서, 송신단은 64QAM의 변조 기법을 사용하고, OFDM 심볼은 N개의 부반송파로 구성되며, 송수신단 사이에 4개의 다중 경로 채널이 있다고 가정한다.Here, it is assumed that the transmitter uses a 64QAM modulation scheme, the OFDM symbol is composed of N subcarriers, and there are four multipath channels between the transmitter and receiver.
이러한 도 6은 4개 경로 채널에 대응하는 4개의 독립적인 심층 신경망 모델(1st 네트워크, 2nd 네트워크, 3rd 네트워크, 4th 네트워크)과, 앙상블 가중치(Ensemble weight; W1,j, W2,j, W3,j, W3,j)에 기반한 앙상블 학습 모델을 도시한 것이다. 여기서, j는 부반송파 인덱스를 나타낸다. 도 6에 언급된 4개의 심층 신경망은 앞서 S320 단계를 통해 학습 및 최적화된 상태를 나타낸다.These 6 is four independent depth neural network model, corresponding to the four-path channel (1 st network, 2 nd network, 3 rd network, 4 th network) and, ensemble weight (Ensemble weight; W 1, j ,
또한, 도 6의 앙상블 학습 모델을 이용한 신호 검출 과정은 도 3의 S340~S350 단계에 해당하는 것으로, 앞서 상술한 훈련 심볼이 아닌, 실제 수신단에서 검출해야 하는 미지의 수신 심볼(제1 심볼)을 대상으로 수행된다. 물론, 도 6에서 앙상블 학습시 사용된 가중치(Wi,j)의 경우, S340 단계 이전에 훈련 심볼을 이용하여 획득된 값으로, 이는 추후 S330 단계에서 상세히 설명할 것이다.The signal detection process using the ensemble learning model of FIG. 6 corresponds to the steps S340 to S350 of FIG. 3. It is assumed that an unknown received symbol (first symbol) to be detected by the actual receiving terminal, not the training symbol, . Of course, in the case of the weight (W i, j ) used in the ensemble learning in FIG. 6, the value obtained using the training symbol before step S340, which will be described later in detail in step S330.
도 6에서 Cx는 64QAM 기법의 성상도(도 5의 (d) 참조) 내 64개의 성상도 포인트 중 x번째 성상도 포인트를 나타낸다. 물론, Cx는 학습된 심층 신경망에 대한 출력 계층의 뉴런 값으로부터 가장 가까운 성상도 포인트로 조정된 값을 의미한다. 성상도 상에서 첫줄부터 마지막 줄까지 C1~C64으로 매겨질 수 있다. 예를 들어, C1=000100, C64=100000이다.In Figure 6 C x is a constellation of the 64QAM scheme (see (d) in Fig. 5) represents the x-th of the constellation points within the 64 constellation points. Of course, C x means a value adjusted to the closest constellation point from the neuron value of the output layer to the learned neural network. From the first line to the last line on the constellation diagram, it can be assigned as C 1 ~ C 64 . For example, C 1 = 000100 and C 64 = 100000.
도 6에서 각각의 독립된 심층 신경망은 각 부반송파에 대해, 신호 대 잡음비(signal to noise ratio: SNR)에 따라 모두 동일한 Cx를 생성하거나 다른 Cx를 생성하는 것을 알 수 있다. Fig each individual depth
예를 들어, 도 6에서 심볼 내 1번 부반송파(J=1)의 경우, 각각의 경로 채널을 통과한 결과, 1,2,4번째 경로 채널에 대응한 1,2,4번째 심층 신경망(1st,2nd,4th 네트워크)을 통해서는 C11로 검출되었지만, 3번째 경로 채널에 대응한 3번째 심층 신경망(3rd 네트워크)를 통해서는 C13으로 검출되었다. 물론, 이러한 경우, 송신단이 실제로 보낸 제1 심볼 내 1번 부반송파의 신호는 C11일 확률이 더욱 높을 것이다.For example, in the case of the first subcarrier (J = 1) in the symbol in FIG. 6, as a result of passing through each path channel, the first, second and fourth deep- st, through a 2 nd, 4 th network), the neural network is a third depth (3 rd network that was detected by 11 C, corresponding to a third path, channel) was detected through a C 13. Of course, in this case, the signal of the first symbol time within the first sub-carrier transmitter is actually sent, the probability C 11 days to even higher.
만일, SNR이 크다면, 검출을 위해 입력된 신호는 심층 신경망의 학습 모델에 피팅한 데이터에 대한 유사도가 높기 때문에, 올바른 신호를 검출할 확률이 증가하지만, 반대로 SNR이 낮은 경우에는 유사도가 낮기 때문에, 오버피팅 문제가 발생되어 신호의 검출 확률이 낮아질 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 다중 경로를 통해 수신된 훈련 심볼로부터 가중치를 계산하여, 추후 소정 심볼에 대한 신호 검출 시에 상대다수 투표 방식의 앙상블 학습을 위해 활용한다.If the SNR is large, the probability of detecting the correct signal increases because the input signal for detection is high in similarity to the data fitted to the learning model of the neural network. Conversely, if the SNR is low, the degree of similarity is low , An over-fitting problem may occur and the probability of detecting the signal may be lowered. Therefore, the embodiment of the present invention calculates the weights from the training symbols received through the multipath, and utilizes the ensemble learning for the relative majority polling method when detecting a signal for a predetermined symbol.
즉, 본 발명의 실시예에서, 가중치 연산부(120)는 복수의 경로 채널 별로 수신된 훈련 심볼의 각 부반송파의 수신 전력을 기초로 소정 심볼의 각 부반송파에 각각 적용될 가중치를 경로 채널 별로 연산한다(S330).That is, in the embodiment of the present invention, the
송신단과 수신단 사이의 다중 경로 채널에 따라 수신 신호는 각 경로 채널 별 서로 다른 수신 전력과 지연 시간을 가진다. 일반적으로 지연이 클수록 수신 전력이 낮은 편이며, 이는 페이딩에 따라 변동될 수 있다. Depending on the multipath channel between the transmitting end and the receiving end, the received signal has different received power and delay time for each path channel. In general, the higher the delay, the lower the received power, which may vary depending on the fading.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다중 경로 채널 및 그에 따른 delay profile를 도시한 도면이다. 도 7은 송신단(T)과 수신단(R) 사이에 4개의 경로 채널이 존재하는 경우이다.FIG. 7 is a diagram illustrating a multipath channel and a delay profile according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. FIG. 7 shows a case where there are four path channels between the transmitting end T and the receiving end R. FIG.
도 7의 (a)는 송신단(T)과 수신단(R) 사이에 존재하는 여러 장애물들에 의한 신호의 반사 또는 산란에 의해 4개의 서로 다른 경로 채널이 발생한 것을 예시하며, 도 7의 (b)는 각 경로 채널 별로 수신 신호의 전력 크기와 수신 시간을 나타낸 것이다.7A illustrates that four different path channels are generated by reflection or scattering of signals due to various obstacles existing between the transmitting end T and the receiving end R. FIG. Represents the power magnitude and reception time of the received signal for each path channel.
경로 1의 경우 신호가 반사 없이 직진되는 경로로서, 시간 지연 역시 가장 짧고 수신 전력이 가장 큰 것을 알 수 있다. 나머지 경로 2, 3, 4의 경우 신호가 적어도 1회 이상 반사되어 전달된 경로로서, 더 많은 시간 지연과 낮은 수신 전력을 나타낸 것을 알 수 있다.In the case of
시스템의 신뢰성을 높이기 위해서는 수신 신호의 전력이 높은 채널 경로에 대해 더욱 높은 가중치를 부여할 필요가 있다. 그런데, OFDM 심볼 내 N개의 각 부반송파 별로 전력이 높은 채널 경로의 정보가 조금씩 상이할 수도 있다. 본 실시예의 경우 각각의 j번째 부반송파마다 채널 경로별 가중치를 환산할 수 있다.In order to increase the reliability of the system, it is necessary to give a higher weight to the channel path with high power of the received signal. However, the information of the channel path with high power may be slightly different for every N subcarriers in the OFDM symbol. In the present embodiment, weights can be calculated for each j-th subcarrier by channel path.
즉, 가중치 연산부(120)는 복수의 경로 채널 별 수신된 훈련 심볼의 각 부반송파의 수신 전력을 기초로, 소정 심볼(이하, 제1 심볼)의 각 부반송파에 각각 적용될 가중치를 경로 채널 별로 연산한다. That is, the
이를 위해, 가중치 연산부(120)는 i번째 경로 채널을 통해 수신되는 제1 심볼의 j번째 부반송파에 각각 적용될 가중치(Wi,j)를 아래의 수학식 8을 통해 연산한다.To this end, the
여기서, i={1,2,…,L}, j={1,2,…,N}, L은 경로 채널의 수, N은 부반송파의 수를 나타낸다. Wi,j는 를 로 나누어 정규화된 값으로, 0보다 크고 1 이하의 값을 가진다.Here, i = {1,2, ... , L}, j = {1,2, ... , N}, L is the number of path channels, and N is the number of subcarriers. W i, j is To And is a value that is greater than 0 and less than or equal to 1.
는 i에 따른 L개의 중 최대값을 나타내는 것으로 수학식 9와 같이 정의된다. Lt; RTI ID = 0.0 > L & Which is defined as Equation (9). &Quot; (9) "
여기서, 는 Wi,j 계산을 위해 임시적으로(Temporarily) 저장되는 값으로 아래첨자 T를 부여한 것이며, 이는 수학식 10과 같이 정의될 수 있다.here, Is a value temporarily stored for the calculation of W i, j, and is given by the subscript T, which can be defined as shown in Equation (10).
수학식 9에서 는 i번째 경로 채널을 통해 수신된 훈련 심볼의 j번째 부반송파의 전력, 는 L개 경로 채널에 대한 를 모두 합산한 값이며 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.In Equation (9) Is the power of the jth subcarrier of the training symbol received on the i < th > path channel, Lt; RTI ID = 0.0 > And can be expressed by Equation (11).
이와 같은 방법으로, j번째 부반송파의 앙상블 학습에 사용될 가중치를 각 채널 별로 연산할 수 있다.In this manner, the weights to be used for the ensemble learning of the j-th subcarrier can be calculated for each channel.
도 5에서 부반송파 인덱스(subcarrier index) j=2일 때를 예시하면, i번째 경로 채널 각각에 대해 2번째 부반송파(j=2)에 적용되는 가중치는 Wi,2로 정의된다. 물론 i={1,2,…,L}이며, 이하에서는 L=4로 가정하여 설명한다.5, a weight applied to a second subcarrier (j = 2) for each i-th path channel is defined as Wi, 2 . Of course i = {1,2, ... , L}. In the following, it is assumed that L = 4.
그 중에서, W1,2을 구하는 방법을 예시한다. W1,2은 1번째 경로 채널(i=1)을 통해 수신된 소정 심볼(제1 심볼)에 대한 2번째 부반송파(j=2)에 적용될 가중치를 나타낸다.Among them, a method of obtaining W 1,2 is exemplified. W1,2 represents a weight to be applied to a second subcarrier (j = 2) for a predetermined symbol (first symbol) received through a first path channel (i = 1).
우선, 4개의 채널 경로를 통해 각각 수신된 훈련 심볼의 전력 값은 P(Y1,2), P(Y2,2), P(Y3,2), P(Y4,2)이며, 수학식 11을 통해 이들을 모두 합산하여 를 구한다. 그리고, 수학식 10과 같이, 각각의 전력 값을 로 나누어 정규화 함으로써, WT 1,2, WT 2,2, WT 3,2, WT 4,2 값을 각각 구한다.First, the power values of the training symbols received through the four channel paths are P (Y 1,2 ), P (Y 2,2 ), P (Y 3,2 ), P (Y 4,2 ) By summing them through Equation (11) . Then, as shown in
이후, 수학식 9를 이용하여, 4개의 WT 값 중 최대 값을 선택한다. 만일, 최대 값이 WT 3,2인 경우에 수학식 9에 의해, 는 WT 3,2가 된다.Then, using the equation (9), the maximum value among the four W T values is selected. If the maximum value is W T 3 , 2, then according to equation (9) Becomes W T 3,2 .
다음, 수학식 8을 통해 W1,2를 구한다. 즉, WT 1,2를 WT 3,2로 나누어 정규화한다. 이에 따라, W1,2는 0과 1 사이의 값을 가지게 된다. 물론, 4개의 WT 값 중 최대값이 WT 1,2 이었다면, 수학식 9에 의해 WT 1,2=1이 될 것이며, 나머지 W2,2, W3,2, W4,2 는 1보다 작은 값을 가질 것이다.Then, W1,2 is obtained through the equation (8). That is, W T 1,2 is normalized by dividing it by W T 3,2 . Accordingly, W 1,2 has a value between 0 and 1. Of course, if the maximum value of the four W T values was W T 1,2, then W T 1,2 = 1 by Equation (9), and the rest W 2,2 , W 3,2 ,
가중치를 연산한 이후에는 수신단에 실제 수신되는 신호에 대하여 앙상블 학습을 통해 신뢰성 있는 신호 검출을 수행할 수 있다.After calculating the weights, it is possible to perform reliable signal detection through ensemble learning on the actually received signals at the receiving end.
이를 위해, 초기 도출부(130)는 송신단에서 변조하여 보낸 제1 심볼에 대응하여, 복수의 경로 채널을 통해 각각 수신된 제1 심볼을 앞서 학습된 복수의 심층 신경망에 개별 입력시켜 출력 값을 획득한 다음, 출력 값으로부터 제1 심볼에 대한 검출 심볼을 도출한다(S340). To this end, the
도 6의 Cx 값이 곧, 4개의 독립된 심층 신경망을 각각 활용하여 도출된 제1 심볼에 대한 각 부반송파별 검출 심볼을 나타낸다. 그런데, 도 6의 결과로부터 j번째 부반송파에 대해 모두 동일한 Cx를 도출하거나, 일부 다른 Cx를 도출한 것을 확인할 수 있다. The Cx values of FIG. 6 represent the detected symbols for each subcarrier for the first symbol derived using four independent deep neural networks, respectively. By the way, it is possible both for the sub-carrier j from the results in Figure 6 confirm that derived the same C x, or derived some other C x.
예를 들어, 4번째 부반송파(i=4)의 경우 4개의 모든 경로 채널에 대해 모두 C13을 도출하였기 때문에, 최종 검출되는 신호는 당연히 C13가 될 것이다. 하지만, 2번째 부반송파(i=2)의 경우 4개 경로 채널 중 1,3번 채널에 대해 C54를, 나머지 2,4번 채널에 대해 C52를 도출한 것을 알 수 있고, 이 경우 2번째 부반송파의 신호가 C52와 C54 중 어떤 것인지 정확하게 알기 어렵다.For example, since the 4-th subcarrier derived C 13 all about all four of the paths for channel (i = 4), the final signal to be detected will be the course C 13. However, 2 to 54 C for 1 and 3 times the channel of the four-path channel for sub-carrier (i = 2), it can be seen that have been derived for C 52 times the remaining 2,4-channel, in which case the second It is difficult to know exactly whether the subcarrier signal is C 52 or C 54 .
본 실시예의 경우, j번째 부반송파에 각 채널 별로 부가되는 가중치를 이용하여 앙상블 학습하는 것을 통해 신뢰성 있는 신호 검출을 수행할 수 있다. 가중치는 앞서 S330 단계에서 생성한 바 있다.In this embodiment, reliable signal detection can be performed through ensemble learning using a weight added to each j-th subcarrier for each channel. The weight is generated in step S330.
따라서, S340 단계 이후, 최종 검출부(140)는 복수의 심층 신경망에서 각각 도출된 검출 심볼을 부반송파 별로 결합하여 결합 신호를 획득한 후 해당 부반송파에 대응하는 가중치를 결합 신호에 적용하여 앙상블 학습하는 것을 통하여, 제1 심볼의 부반송파 별로 변조 심볼을 정확하게 검출한다(S350).Accordingly, after step S340, the
우선, 최종 검출부(140)는 앞서 복수의 채널 경로에 대응하여 각각 도출된 검출 심볼의 j번째 부반송파 신호 간을 성상도 인덱스를 기초로 결합하여, 부반송파 별 결합 신호인 N개의 행렬 Tj를 각각 생성한다. First, the
여기서, j={1,2,…,N}이므로, 본 실시예에서 행렬 Tj는 도 6과 같이, 각 부반송파에 대응하여 N개 생성된다. 이러한 행렬 Tj는 앙상블 학습을 위해 각 부반송파 별로 변조기법에 대응되는 상대다수 투표를 위한 행렬을 나타낸다.Here, j = {1,2, ... , N}, the matrix T j is generated in correspondence to each subcarrier, as shown in FIG. 6, in this embodiment. This matrix T j represents a matrix for a relative majority vote corresponding to a modulation scheme for each subcarrier for ensemble learning.
행렬 Tj 생성을 위해, 최종 검출부(140)는 i번째 경로 채널에 대응하여 도출된 검출 심볼의 j번째 부반송파 신호의 성상도 인덱스 Cx를 기초로, 행렬 Tj의 i번째 행을 구성하되, i번째 행의 N개 열 중 x번째 열만 1을 할당하고, 나머지 열은 0을 할당하는 방식으로 행렬을 생성한다. For generating the matrix T j , the
이때, 행렬 Tj에 대하여, 각 행별 원소의 합은 1이고, 각 열별 원소의 합은 0과 L 사이의 범위를 가지게 된다.At this time, for the matrix T j , the sum of the elements of each row is 1, and the sum of the elements of each row has a range between 0 and L. [
예를 들어, 도 6에서 2번째 부반송파(j=2)의 검출 심볼(C54, C52, C54, C52) 간을 결합하여 얻은 T2는 수학식 12와 같다.For example, T 2 obtained by combining detection symbols C 54 , C 52 , C 54 , and C 52 of the second subcarrier (j = 2) in FIG. 6 is expressed by Equation (12).
T2는 부반송파 수인 N=64에 대응하여 64개의 열을 가지고, 경로 채널의 수인 L=4에 대응하여 4개의 행을 가진다. 또한, 각 경로 채널에 대응하여 각 행을 구성하되, 1번째 경로 채널에 대한 C54에 대응하여, 1번째 행에서 54번째 열만 1의 값을 가지고 나머지 열은 0의 값을 가진다. 같은 방식으로, 2번째 경로 채널에 대한 C52에 대응하여, 2번째 행은 52번째 열만 1의 값을 가지고 나머지는 0의 값을 가진다.T 2 has 64 columns corresponding to N = 64, which is the number of subcarriers, and has four rows corresponding to L = 4, which is the number of path channels. In addition, each row is constructed corresponding to each path channel, and only the 54th column in the first row has a value of 1, and the remaining columns have a value of 0 corresponding to C 54 for the first path channel. Similarly , corresponding to C 52 for the second path channel, the second row has a value of 1 in the 52nd column and a value of 0 in the remainder.
그 결과, 각 행별 원소의 합은 무조건 1이 된다. 각 열별 원소의 합을 보면, 수학식 12의 예시에서는 52번째 열의 합, 그리고 54번째 열의 합만 각각 2이며, 나머지 열의 원소의 합은 모두 0이다. 만일, 2번째 부반송파(j=2)의 검출 심볼이 모두 C54였다면, 54번째 열의 원소의 합은 4가 되고, 나머지 열의 연소의 합은 모두 0이 될 것이다.As a result, the sum of the elements of each row becomes 1 unconditionally. In the example of
이와 같이, Tj를 생성한 이후에는, N개의 행렬 Tj 각각을 대상으로, 아래의 수학식 13을 이용하여, j를 1부터 N까지 가변하면서, 행렬 Tj와 가중치 Wi,j 간의 곱을 각 채널 경로 별로 합산한 값을 최대로 하는 변수 j인 Jx(1≤Jx≤N)를 각각 도출한다.Thus, in the after generating a T j, targeting the N matrix T j, respectively, using
여기서, argmaxj(·)는 괄호 내의 연산 값을 최대로 만드는 변수 j를 도출하는 연산이며, 는 성분별 곱셈(element-by-element multiplication)을 나타낸다. 성분별 곱셈이란 행렬과 일반 값을 대응요소 간 곱셈하는 연산에 해당한다.Here, argmax j (·) is an operation for deriving a variable j that maximizes the operation value in the parentheses, Represents an element-by-element multiplication. The multiplication by component corresponds to an operation of multiplying a matrix and a general value by the corresponding elements.
이 경우, 최종 검출부(140)는 아래 수학식 14를 이용하여, 성상도 상의 CJx에 해당하는 심볼을 제1 심볼 내 j번째 부반송파에 대응하는 변조 심볼로 각각 검출한다. In this case, the
여기서, 는 상기 j번째 부반송파에 대응하여 검출된 변조 심볼을 나타낸다.here, Represents a modulation symbol detected corresponding to the j-th subcarrier.
만일, 수학식 13에서 괄호 내의 값을 최대로 하는 j가 54였다면, Jx=54이 된다. 이 경우, 수학식 14에 따라 =C54가 된다. 즉, 제1 심볼 내 3번째 부반송파에 대응하는 변조 심볼 은 성상도 상의 CJx에 해당하는 심볼인 C54로 검출한다. C54는 도 5의 성상도에서 [101011] 값에 해당한다.If j, which maximizes the value in the parentheses in equation (13), is 54, then J x = 54. In this case, according to Equation (14) = C 54 . That is, a modulation symbol corresponding to the third subcarrier in the first symbol Is detected as C 54 which is a symbol corresponding to C Jx on the constellation. C 54 corresponds to the value [101011] in the constellation diagram of FIG.
이상과 같이, 수학식 11에 의한 연산은 OFDM 심볼을 이루는 N개의 부반송파별로 개별 수행하여, 최종적으로 도 6과 같이, N개의 변조 심볼인 내지 을 검출한다. As described above, the calculation according to Equation (11) is performed separately for N subcarriers constituting an OFDM symbol, and finally, as shown in FIG. 6, N modulation symbols To .
이상과 같은 본 발명의 실시예는 심층 신경망을 이용하여 가중치 및 바이어스를 정교하게 조정 및 제어하고 이를 통해 채널 추정 오차를 줄인다. 또한, 채널 보상 시에 신뢰성 저하를 방지하도록, 기 학습된 신경망에 수신 신호를 입력으로 할당하여 잡음의 증폭을 방지하고 신뢰성을 개선한다.The embodiment of the present invention as described above precisely adjusts and controls the weight and the bias using the neural network, thereby reducing the channel estimation error. Further, in order to prevent reliability degradation at the time of channel compensation, the received signal is input to the learned neural network to prevent noise from being amplified and improve reliability.
또한, 심층 신경망이 훈련용 데이터에 오버피팅되는 문제를 해결하기 위하여, 송신단과 수신단 사이의 다중 경로를 통해 수신된 각각의 훈련 신호를 이용하여 상호 독립된 다중의 심층 신경망을 개별 학습시키며, 다중 경로 별로 수신된 훈련 신호에 대한 각 부반송파별 수신 전력을 기초로 소정 신호의 각 부반송파에 적용될 가중치를 결정한다.Also, in order to solve the problem of over-fitting of the depth-of-field neural network to the training data, a plurality of mutually independent deep-layer neural networks are individually learned using each training signal received through the multi-path between the transmitting end and the receiving end, And determines the weight to be applied to each subcarrier of the predetermined signal based on the received power for each subcarrier with respect to the received training signal.
이후에, 다중 경로를 통해 각각 수신된 소정 신호를 기 학습된 복수의 심층 신경망에 개별 적용하여 각각의 출력을 얻은 다음 결합하고 관련 가중치를 부가하여 앙상블 학습을 적응적으로 적용함으로써 오버피팅 문제를 해결한다.Then, each signal received through the multiple paths is individually applied to a plurality of learned neural networks to acquire respective outputs, and then combine and apply the ensemble learning adaptively by adding related weights, thereby solving the overfitting problem do.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 방법과 기존 방법 간의 신호 검출의 신뢰성 성능을 비교하여 도시한 도표이다. 8 is a chart comparing reliability performance of signal detection between a method according to an embodiment of the present invention and an existing method.
도 8에서 아래로 갈수록 신호 대 잡음비(SNR)가 높고 잡음이 적은 경우를 나타낸다. 또한, 도 8에서 각 경우별 기재된 수치는 SNR에 따른 SER(symbol error rate)로, 에러율을 나타낸다. In FIG. 8, the downward signal-to-noise ratio (SNR) is high and the noise is low. The numerical values listed in each case in FIG. 8 indicate a SER (symbol error rate) according to the SNR and an error rate.
그리고, BPSK, QPSK, 16QAM 및 64QAM 방식 각각에 대해, 신호의 검출을 위해 기존의 방법을 사용한 경우(Conv), 단일의 심층 신경망을 사용한 경우(DNN), 그리고 복수의 심층신경망에 앙상블 학습을 적용하되 수학식 8에 의한 가중치 적용하지 않은 경우(DNN + Ensemble learining), 그리고 수학식 8에 의한 가중치를 이용하여 적응적 앙상블 학습을 적용한 경우(DNN + Adaptive Ensemble learining)에 대한 SER 결과를 나타낸다. For each of the BPSK, QPSK, 16QAM and 64QAM schemes, the conventional method (Conv) for detection of the signal (Conv), the case of using a single depth neural network (DNN), and the ensemble learning for multiple depth neural networks (DNN + Ensemble learing) using Equation (8), and the SER result for adaptive ensemble learning (DNN + Adaptive Ensemble Learning) using the weight according to Equation (8).
기존의 채널 추정 및 보상 방법에 의한 결과(Conv)와 단일의 심층 신경망을 사용한 경우(DNN)에 대한 결과를 비교하면, 변조 기법에 따라 낮은 SNR에서는 심층 신경망에 의한 신호의 검출 신뢰성 성능이 기존의 방법보다 낮으며 특정 SNR 이상에서 개선된 신뢰성 성능을 가진다. 그 이유는 낮은 SNR에서는 심층 신경망의 학습에 사용되는 신호가 신호의 전력 대비 큰 잡음에 의해 크게 변동되어, 학습이 제대로 수행되지 않기 때문이며, 또한 검출하고자 하는 신호도 신호의 전력 대비 큰 잡음이 더해지기 때문에, 학습이 완료된 네트워크 모델은 검출하고자 하는 신호에 적합하지 않기 때문이다. Comparing the results of the conventional channel estimation and compensation method (Conv) and the single neural network (DNN) results, the detection reliability performance of the signal by the neural network at the low SNR, Method and has improved reliability performance over certain SNRs. This is because, at a low SNR, the signal used for learning of the neural network greatly fluctuates due to a large noise relative to the power of the signal, and learning is not performed properly. Also, Therefore, the network model whose learning has been completed is not suitable for the signal to be detected.
도 8의 결과에 따르면 기존의 채널 추정 및 보상 방법(Conv)과 비교하여 딥 뉴럴 네트워크를 사용한 경우(DNN)에는 BPSK, QPSK, 16QAM 및 64QAM 변조 기법 각각에 대해 2dB, 6dB, 18dB, 26dB의 신호 대 잡음비 이상에서 개선된 신뢰성 성능을 가진다. 각 변조 기법에 따른 심층 신경망을 학습하기 위한 신호 대 잡음비 이상에서는 신호 대 잡음비가 증가될수록 기존의 방법과 비교하여 급격하게 신뢰성 성능이 개선됨을 확인할 수 있다. According to the results shown in FIG. 8, the signals of 2 dB, 6 dB, 18 dB, and 26 dB for the BPSK, QPSK, 16QAM, and 64QAM modulation techniques are compared with the existing channel estimation and compensation method (Conv) And has improved reliability performance over the large noise ratio. As the signal - to - noise ratio increases over the signal - to - noise ratio for learning the depth - of - field neural networks according to each modulation scheme, the reliability performance improves sharply compared with the conventional method.
신뢰성 성능을 개선하기 위해 추가적으로 앙상블 학습을 적용한 경우(DNN + Ensemble learining)에는 기존의 채널 추정 보상 방법과 비교하여, BPSK, QPSK, 16QAM 및 64QAM 기법 각각에 대해 8dB, 12dB, 20dB, 28dB의 신호 대 잡음비 이상에서 개선된 신뢰성을 가지는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 앙상블 학습을 적용한 경우에, 더 높은 신호 대 잡음비에서 신뢰성 성능의 개선이 나타나는 이유는 앙상블 학습에 사용되는 각각의 모델에 대한 신뢰성이 일정 이상 보장되어야 하기 때문이다. 하지만 각 변조 기법에 따른 특정 신호 대 잡음비 이상에서는 신호 대 잡음비가 증가할수록 단일의 딥 뉴럴 네트워크를 사용한 경우보다 더 급격하게 신뢰성 성능이 개선됨을 확인할 수 있다. 12 dB, 20 dB, and 28 dB for each of the BPSK, QPSK, 16QAM, and 64QAM techniques compared to the existing channel estimation compensation method in the case of additional ensemble learning (DNN + ensemble learning) It can be confirmed that the reliability is improved at the noise ratio or more. The reason why the reliability performance is improved at the higher signal-to-noise ratio when the ensemble learning is applied is that the reliability for each model used for the ensemble learning should be more than a certain level. However, it can be seen that as the signal-to-noise ratio increases over the specific signal-to-noise ratio according to each modulation scheme, the reliability performance improves more sharply than the case of using a single deep neural network.
또한 다중 경로로 수신받은 신호의 전력을 가중치로 사용하는 적응적인 앙상블 학습을 적용한 경우(DNN + Adaptive Ensemble learining)는 기존의 채널 추정 보상 방법과 비교하여, BPSK, QPSK, 16QAM 및 64QAM 기법 각각에 대해 4dB, 10dB, 16dB, 24dB의 신호 대 잡음비 이상에서 개선된 신뢰성을 가진다. 이 결과는 단일의 심층 신경망을 사용한 경우와 거의 유사한 수치를 나타낸다. 그러나, 앞의 3가지 경우의 방법과 비교하여 보면, 신호 대 잡음비에 따라 가장 급격하게 신뢰성 성능이 개선됨을 알 수 있다. 또한, 일반적인 통신 시스템 환경에서 신호 대 잡음비는 20dB 이상이기 때문에 본 발명에서 제공하는 채널 추정 및 보상 방법은 통신 시스템 환경에 따른 신뢰성 개선에 큰 효과를 가지는 것을 확인할 수 있다.In addition, adaptive ensemble learning (DNN + adaptive ensemble learning) using adaptive ensemble learning that uses the power of the received signal in multipath is applied to each of BPSK, QPSK, 16QAM, and 64QAM techniques And improved reliability over signal-to-noise ratios of 4dB, 10dB, 16dB, and 24dB. This result is almost similar to the case of using a single depth neural network. However, when compared with the above three cases, it can be seen that the reliability performance is improved most dramatically according to the signal-to-noise ratio. Also, since the signal-to-noise ratio is 20 dB or more in a general communication system environment, it can be confirmed that the channel estimation and compensation method provided by the present invention has a great effect on improving the reliability according to the communication system environment.
이상과 같은 본 발명에 따르면, SISO-OFDM 시스템의 수신단에 딥 뉴럴 네트워크를 적용하여 채널을 효과적으로 추정 및 보상할 수 있으며 적응적 앙상블 지도 학습을 이용하여 딥 뉴럴 네트워크의 오버피팅 문제를 해결할 수 있어 시스템의 신뢰도를 높일 수 있다.According to the present invention, it is possible to effectively estimate and compensate a channel by applying a deep neural network to the receiver of the SISO-OFDM system, and to solve the over-fitting problem of the deep neural network using adaptive ensemble map learning, It is possible to increase the reliability.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
100: 채널 추정 장치 110: 신경망 학습부
120: 가중치 연산부 130: 초기 도출부
140: 최종 검출부100: channel estimation apparatus 110: neural network learning unit
120: Weight calculation unit 130: Initial derivation unit
140:
Claims (16)
송신단에서 변조하여 보낸 훈련 심볼에 대응하여, 복수의 경로 채널을 통해 각각 수신된 상기 훈련 심볼을 독립된 복수의 심층 신경망에 개별 입력시켜 상기 복수의 심층 신경망을 각각 학습시키는 단계;
상기 복수의 경로 채널 별로 수신된 상기 훈련 심볼의 각 부반송파의 수신 전력을 기초로 소정 심볼의 각 부반송파에 각각 적용될 가중치를 상기 경로 채널 별로 연산하는 단계;
송신단에서 변조하여 보낸 제1 심볼에 대응하여, 상기 복수의 경로 채널을 통해 각각 수신된 제1 심볼을 상기 학습된 복수의 심층 신경망에 개별 입력시켜 출력 값을 획득하고 상기 출력 값으로부터 상기 제1 심볼에 대한 검출 심볼을 도출하는 단계; 및
상기 복수의 심층 신경망에서 각각 도출된 검출 심볼을 부반송파 별로 결합하여 결합 신호를 획득한 후 해당 부반송파에 대응하는 상기 가중치를 상기 결합 신호에 적용하여 앙상블 학습하여, 상기 제1 심볼의 부반송파 별로 변조 심볼을 각각 검출하는 단계를 포함하는 SISO-OFDM 채널 추정 방법.A channel estimation method using a SISO-OFDM channel estimation apparatus,
A step of separately inputting the training symbols received through a plurality of path channels to a plurality of independent depth NNs corresponding to training symbols sent from the transmitting end, thereby learning each of the plurality of depth NNs;
Calculating, for each of the plurality of path channels, a weight to be applied to each subcarrier of a predetermined symbol on the basis of received power of each subcarrier of the training symbol received for each of the plurality of path channels;
A first symbol received through each of the plurality of path channels is input to each of the plurality of learned neural networks in response to a first symbol modulated by a transmitting end to obtain an output value, Deriving a detection symbol for the received signal; And
And combining the detected symbols derived from the plurality of neural networks with each other on a subcarrier basis to obtain a combined signal and applying the weight corresponding to the corresponding subcarrier to the combined signal to perform ensemble learning to obtain a modulation symbol for each subcarrier of the first symbol, And detecting each SISO-OFDM channel.
상기 심층 신경망 내 출력 계층의 각 뉴런에 대한 타겟은 상기 송신단에서 보낸 상기 훈련 심볼의 각 부반송파에 할당된 변조 심볼이며,
상기 심층 신경망을 학습시키는 단계는,
상기 수신된 훈련 심볼의 각 부반송파에 해당하는 신호를 입력 계층의 각 뉴런에 입력한 상태에서 상기 심층 신경망을 학습시켜, 상기 입력 계층과 상기 출력 계층 사이의 복수의 은닉 계층 별로 각각 적용되는 가중치와 바이어스 값을 최종 결정하는 SISO-OFDM 채널 추정 방법.The method according to claim 1,
Wherein the target for each neuron in the output layer in the neural network is a modulation symbol assigned to each subcarrier of the training symbol sent from the transmitter,
The step of learning the deep-
Wherein the training neural network learns a signal corresponding to each subcarrier of the received training symbol in each neuron of the input layer and calculates a weight and a bias applied to each of a plurality of hidden layers between the input layer and the output layer, SISO-OFDM channel estimation method.
상기 심층 신경망을 학습시키는 단계는,
상기 심층 신경망의 출력 계층의 각 뉴런에서 출력된 값()과 상기 각 뉴런에 대한 타겟 값() 간의 유클리디안 거리(Ed)인 아래 수학식의 값이 문턱치 이하가 될 때까지 학습시키는 SISO-OFDM 채널 추정 방법:
여기서, N은 훈련 심볼의 부반송파의 수를 나타낸다.The method of claim 2,
The step of learning the deep-
A value output from each neuron in the output layer of the neural network ) And a target value for each neuron ( (E d ) until the value of the following equation becomes equal to or less than the threshold value: SISO-OFDM channel estimation method:
Here, N represents the number of subcarriers of the training symbol.
상기 가중치를 상기 경로 채널 별로 연산하는 단계는,
i번째 경로 채널을 통해 수신되는 제1 심볼의 j번째 부반송파에 각각 적용되는 가중치(Wi,j)를 아래의 수학식을 통해 연산하는 SISO-OFDM 채널 추정 방법:
여기서, i={1,2,…,L}, j={1,2,…,N}, L은 경로 채널의 수, N은 부반송파의 수, 는 i에 따른 L개의 중 최대값, , 는 i번째 경로 채널을 통해 수신된 훈련 심볼의 j번째 부반송파의 전력, 는 L개 경로 채널에 대한 를 모두 합산한 값을 나타낸다.The method according to claim 1,
The step of calculating the weight value for each of the path channels includes:
(W i, j ) applied to a jth subcarrier of a first symbol received through an i-th path channel, using the following equation: SISO-OFDM channel estimation method:
Here, i = {1,2, ... , L}, j = {1,2, ... , N}, L is the number of path channels, N is the number of subcarriers, Lt; RTI ID = 0.0 > L & The maximum value, , Is the power of the jth subcarrier of the training symbol received on the i < th > path channel, Lt; RTI ID = 0.0 > Are added together.
상기 앙상블 학습하는 단계는,
상기 복수의 경로 채널에 대응하여 각각 도출된 상기 검출 심볼의 j번째 부반송파 신호 간을 성상도 인덱스를 기초로 결합하여, 상기 부반송파 별 상기 결합 신호인 N개의 행렬 Tj를 각각 생성하는 단계;
상기 N개의 행렬 Tj 각각을 대상으로, 상기 j를 1부터 N까지 가변하면서, 상기 행렬 Tj와 상기 가중치 Wi,j 간의 곱을 각 경로 채널 별로 합산한 값을 최대로 하는 변수 j인 Jx(1≤Jx≤N)를 각각 도출하는 단계; 및
성상도 상의 CJx에 해당하는 심볼을 상기 제1 심볼 내 j번째 부반송파에 대응하는 변조 심볼로 각각 검출하는 단계를 포함하는 SISO-OFDM 채널 추정 방법. The method of claim 4,
Wherein the ensemble learning step comprises:
Combining the jth subcarrier signals of the detection symbols derived respectively corresponding to the plurality of path channels based on a constellation index to generate N matrices Tj as the combining signals for the subcarriers;
While variable targeting the N matrix T j, respectively, the j ranging from 1 N, the matrix T j and the weights W i, the J x variable j to a value summed for each path channel multiplication between j up to (1 < / = J x < N), respectively; And
And detecting a symbol corresponding to C Jx on the constellation as a modulation symbol corresponding to a j-th subcarrier in the first symbol, respectively.
상기 행렬 Tj를 생성하는 단계는,
i번째 경로 채널에 대응하여 도출된 검출 심볼의 j번째 부반송파 신호의 성상도 인덱스 Cx를 기초로 상기 행렬 Tj의 i번째 행을 구성하되, 상기 i번째 행의 N개 열 중 x번째 열만 1을 할당하고 나머지 열은 0을 할당하는 방식으로 상기 행렬을 생성하며,
상기 행렬 Tj에 대하여, 각 행별 원소의 합은 1이고, 각 열별 원소의 합은 0과 L 사이의 범위를 가지는 SISO-OFDM 채널 추정 방법.The method of claim 5,
The step of generating the matrix T j comprises:
th row of the matrix T j based on the constellation diagram index C x of the jth subcarrier signal of the detected symbol derived corresponding to the i-th path channel, and only the xth column out of the N columns of the i-th row And assigning 0 to the remaining columns,
Wherein the sum of elements for each row is 1 and the sum of the elements for each column is between 0 and L for the matrix T j .
상기 Jx 및 상기 변조 심볼은 다음의 수학식을 통해 획득되는 SISO-OFDM 채널 추정 방법:
여기서, 는 성분별 곱셈(element-by-element multiplication)을 나타내고, 는 상기 j번째 부반송파에 대응하여 검출된 변조 심볼을 나타낸다.The method of claim 5,
The J x and the modulation symbol estimates SISO-OFDM channel is obtained through the following equation by:
here, Represents an element-by-element multiplication, Represents a modulation symbol detected corresponding to the j-th subcarrier.
상기 송신단은 1개의 안테나를 사용하여 상기 훈련 심볼을 전송하고,
상기 채널 추정 장치가 포함된 수신단은 1개의 안테나를 사용하여 상기 복수의 경로 채널을 통해 상기 훈련 심볼을 수신하는 SISO-OFDM 채널 추정 방법.The method according to claim 1,
The transmitting terminal transmits the training symbols using one antenna,
Wherein the receiver including the channel estimator receives the training symbols over the plurality of path channels using one antenna.
상기 복수의 경로 채널 별로 수신된 상기 훈련 심볼의 각 부반송파의 수신 전력을 기초로 소정 심볼의 각 부반송파에 각각 적용될 가중치를 상기 경로 채널 별로 연산하는 가중치 연산부;
송신단에서 변조하여 보낸 제1 심볼에 대응하여, 상기 복수의 경로 채널을 통해 각각 수신된 제1 심볼을 상기 학습된 복수의 심층 신경망에 개별 입력시켜 출력 값을 획득하고 상기 출력 값으로부터 상기 제1 심볼에 대한 검출 심볼을 도출하는 초기 도출부; 및
상기 복수의 심층 신경망에서 각각 도출된 검출 심볼을 부반송파 별로 결합하여 결합 신호를 획득한 후 해당 부반송파에 대응하는 상기 가중치를 상기 결합 신호에 적용하여 앙상블 학습하여, 상기 제1 심볼의 부반송파 별로 변조 심볼을 각각 검출하는 최종 검출부를 포함하는 SISO-OFDM 채널 추정 장치.A neural network learning unit for separately inputting the training symbols received through a plurality of path channels to a plurality of independent deep neural networks corresponding to training symbols sent from the transmitting end, thereby learning each of the plurality of depth neural networks;
A weight calculator for calculating a weight to be applied to each subcarrier of a predetermined symbol on the basis of the received power of each subcarrier of the training symbol received for each of the plurality of path channels;
A first symbol received through each of the plurality of path channels is input to each of the plurality of learned neural networks in response to a first symbol modulated by a transmitting end to obtain an output value, An initial derivation unit for deriving a detection symbol for the received signal; And
And combining the detected symbols derived from the plurality of neural networks with each other on a subcarrier basis to obtain a combined signal and applying the weight corresponding to the corresponding subcarrier to the combined signal to perform ensemble learning to obtain a modulation symbol for each subcarrier of the first symbol, And a final detector for detecting the SISO-OFDM channel.
상기 심층 신경망 내 출력 계층의 각 뉴런에 대한 타겟은 상기 송신단에서 보낸 상기 훈련 심볼의 각 부반송파에 할당된 변조 심볼이며,
상기 신경망 학습부는,
상기 수신된 훈련 심볼의 각 부반송파에 해당하는 신호를 입력 계층의 각 뉴런에 입력한 상태에서 상기 심층 신경망을 학습시켜, 상기 입력 계층과 상기 출력 계층 사이의 복수의 은닉 계층 별로 각각 적용되는 가중치와 바이어스 값을 최종 결정하는 SISO-OFDM 채널 추정 장치.The method of claim 9,
Wherein the target for each neuron in the output layer in the neural network is a modulation symbol assigned to each subcarrier of the training symbol sent from the transmitter,
Wherein the neural network learning unit comprises:
Wherein the training neural network learns a signal corresponding to each subcarrier of the received training symbol in each neuron of the input layer and calculates a weight and a bias applied to each of a plurality of hidden layers between the input layer and the output layer, SISO-OFDM channel estimator.
상기 신경망 학습부는,
상기 심층 신경망의 출력 계층의 각 뉴런에서 출력된 값()과 상기 각 뉴런에 대한 타겟 값() 간의 유클리디안 거리(Ed)인 아래 수학식의 값이 문턱치 이하가 될 때까지 학습시키는 SISO-OFDM 채널 추정 장치:
여기서, N은 훈련 심볼의 부반송파의 수를 나타낸다.The method of claim 10,
Wherein the neural network learning unit comprises:
A value output from each neuron in the output layer of the neural network ) And a target value for each neuron ( (E d ) until the value of the following equation becomes equal to or less than a threshold value:
Here, N represents the number of subcarriers of the training symbol.
상기 가중치 연산부는,
i번째 경로 채널을 통해 수신되는 제1 심볼의 j번째 부반송파에 각각 적용되는 가중치(Wi,j)를 아래의 수학식을 통해 연산하는 SISO-OFDM 채널 추정 장치:
여기서, i={1,2,…,L}, j={1,2,…,N}, L은 경로 채널의 수, N은 부반송파의 수, 는 i에 따른 L개의 중 최대값, , 는 i번째 경로 채널을 통해 수신된 훈련 심볼의 j번째 부반송파의 전력, 는 L개 경로 채널에 대한 를 모두 합산한 값을 나타낸다.The method of claim 9,
The weight computing unit may include:
(W i, j ) applied to a jth subcarrier of a first symbol received through an i-th path channel, using the following equation: SISO-
Here, i = {1,2, ... , L}, j = {1,2, ... , N}, L is the number of path channels, N is the number of subcarriers, Lt; RTI ID = 0.0 > L & The maximum value, , Is the power of the jth subcarrier of the training symbol received on the i < th > path channel, Lt; RTI ID = 0.0 > Are added together.
상기 최종 검출부는,
상기 복수의 경로 채널에 대응하여 각각 도출된 상기 검출 심볼의 j번째 부반송파 신호 간을 성상도 인덱스를 기초로 결합하여, 상기 부반송파 별 상기 결합 신호인 N개의 행렬 Tj를 각각 생성하며,
상기 N개의 행렬 Tj 각각을 대상으로, 상기 j를 1부터 N까지 가변하면서, 상기 행렬 Tj와 상기 가중치 Wi,j 간의 곱을 각 경로 채널 별로 합산한 값을 최대로 하는 변수 j인 Jx(1≤Jx≤N)를 각각 도출한 다음,
성상도 상의 CJx에 해당하는 심볼을 상기 제1 심볼 내 j번째 부반송파에 대응하는 변조 심볼로 각각 검출하는 SISO-OFDM 채널 추정 장치.The method of claim 12,
The final detection unit includes:
Combining the j th subcarrier signals of the detection symbols derived respectively corresponding to the plurality of path channels based on constellation indexes to generate N matrices T j as the combining signals for the subcarriers,
While variable targeting the N matrix T j, respectively, the j ranging from 1 N, the matrix T j and the weights W i, the J x variable j to a value summed for each path channel multiplication between j up to (1? J x? N), respectively,
And detects a symbol corresponding to C Jx on the constellation as a modulation symbol corresponding to a j-th subcarrier in the first symbol, respectively.
상기 행렬 Tj를 생성 시, i번째 경로 채널에 대응하여 도출된 검출 심볼의 j번째 부반송파 신호의 성상도 인덱스 Cx를 기초로 상기 행렬 Tj의 i번째 행을 구성하되, 상기 i번째 행의 N개 열 중 x번째 열만 1을 할당하고 나머지 열은 0을 할당하는 방식으로 상기 행렬을 생성하며,
상기 행렬 Tj에 대하여, 각 행별 원소의 합은 1이고, 각 열별 원소의 합은 0과 L 사이의 범위를 가지는 SISO-OFDM 채널 추정 장치.14. The method of claim 13,
It shall be composed of the i-th row of the matrix T j on the basis of Fig index C x state of a j-th sub-carrier signal of the detected symbol derived in response to the generation of the matrix T j, i-th path channels, the i-th row The matrix is generated in such a manner that only the xth column among the N columns is assigned 1 and the remaining columns are assigned 0,
Wherein the sum of the elements of each row is 1 and the sum of the elements of each column is in a range between 0 and L with respect to the matrix T j .
상기 Jx 및 상기 변조 심볼은 다음의 수학식을 통해 획득되는 SISO-OFDM 채널 추정 장치:
여기서, 는 성분별 곱셈(element-by-element multiplication)을 나타내고, 는 상기 j번째 부반송파에 대응하여 검출된 변조 심볼을 나타낸다.14. The method of claim 13,
The J x and the modulation symbol is a SISO-OFDM channel estimation device that is obtained through the following equation:
here, Represents an element-by-element multiplication, Represents a modulation symbol detected corresponding to the j-th subcarrier.
상기 송신단은 1개의 안테나를 사용하여 상기 훈련 심볼을 전송하고,
상기 채널 추정 장치가 포함된 수신단은 1개의 안테나를 사용하여 상기 복수의 경로 채널을 통해 상기 훈련 심볼을 수신하는 SISO-OFDM 채널 추정 장치.The method of claim 9,
The transmitting terminal transmits the training symbols using one antenna,
Wherein the receiver including the channel estimator receives the training symbols over the plurality of path channels using one antenna.
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