KR102056403B1 - Data-Aided Active User Detection for Massive Machine Type Communications - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 일반적으로 데이터를 검출하고 복구하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 대규모 사물 통신 시스템을 위해 데이터 수신된 관측 값을 활용하여 활성 사용자 및 데이터의 검출과 추정 방법 및 장치에 관한 것이다. The present invention relates generally to methods and apparatus for detecting and recovering data, and more particularly to methods and apparatus for detecting and estimating active users and data utilizing data received observations for large scale communication systems.
무선 및 이동 통신은 두 개 이상의 장치 또는 사용자 간에 통신을 설정하며, 한 장치에서 다른 장치로 데이터가 전송되게 된다. 통신이 효율적으로 작동되게 하기 위해 무선 통신 시스템은 효율적이고 적절하게 자원을 할당하게 된다.Wireless and mobile communications establish communication between two or more devices or users, where data is transferred from one device to another. In order for communication to operate efficiently, the wireless communication system allocates resources efficiently and appropriately.
종래의 4세대 통신시스템에서는 사람 중심의 통신을 위한 제한된 유형의 서비스에 대하여 높은 데이터 전송률과 안정적인 통신을 제공하도록 개발되었다. 하지만 최근 통신 네트워크의 발전에 따라 하나의 기지국에 연결된 무선 통신 장치의 수가 기하 급수적으로 증가하고 있다. In the conventional fourth generation communication system, a high data rate and stable communication have been developed for a limited type of service for people-oriented communication. However, with the recent development of communication networks, the number of wireless communication devices connected to one base station has increased exponentially.
이렇게 통신장치가 기하급수적으로 증가함에 따라 인간 중심의 통신시스템을 지원하는 함과 동시에 대규모 기계 유형 통신의 필요성이 커지고 있다. 그에 따라 매우 많은 수의 장치 또는 사용자를 지원할 수 있는 통신 네트워크가 필요하게 되었다. 이러한 무작위 통신을 지원하기 위해 3GPP(3rd Generation Partnership Project)의 통신표준회의에서 5세대 통신시스템에 대해 다음 3가지 사항을 요구하고 있다: As communication devices increase exponentially, there is an increasing need for large-scale machine type communication while supporting human-oriented communication systems. There is a need for a communication network capable of supporting a very large number of devices or users. To support this random communication, the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Communication Standards Conference calls for the following three requirements for fifth-generation communication systems:
1) 향상된 멀티미디어 및 광대역 서비스(Enhanced Multimedia Broadband; eMMB)1) Enhanced Multimedia Broadband (eMMB)
2) 대규모 기계 유형 통신 (Massive Machine Type Communication; mMTC)2) Massive Machine Type Communication (mMTC)
3) 매우 안정적이고 낮은 지연 시간의 통신 (Ultra-reliable Low-Latency Communication, uRLLC) 3) Ultra-reliable Low-Latency Communication (uRLLC)
기존 LTE 시스템과 같이 기지국의 허가를 받아 통신하는 허가기반 통신방법을 이용하게 되면 훨씬 많은 연산량과 자원할당이 필요하게 된다. 따라서, 5세대 통신의 요구사항을 만족시키기 위해 기지국의 허가 없이 통신하는 무허가(grant-free) 통신 기법이 제안되었다. 무허가 통신의 경우 네트워크와 연결하기 위해 기지국에 의한 사전 자원 할당이 생략되기 때문에, 요구되는 리소스와 지연시간을 크게 줄일 수 있게 된다. mMTC 시스템에서 실제로는 매우 적은 비율의 장치들만이 통신을 수행하기 때문에 효율적인 무허가 통신을 위해서 기지국은 활성 사용자(Active user)(다시 말해, 데이터를 전송하는 사용자 및 장치)를 식별하고 채널 추정을 수행하는 과정이 필요하다. 이를 위해 활성 사용자 식별하고 데이터를 복구하기 위해 사용자는 기지국이 알고 있는 파일럿 데이터를 이용하여 사용자 검출 및 통신을 수행하게 된다.When using a permission-based communication method that communicates with the permission of a base station, as in the existing LTE system, much more computation and resource allocation is required. Therefore, in order to satisfy the requirements of the fifth generation communication, a grant-free communication technique for communicating without permission of a base station has been proposed. In the case of unauthorized communication, since the prior resource allocation by the base station is omitted in order to connect with the network, the required resources and delay time can be greatly reduced. Because only a small percentage of devices actually communicate in the mMTC system, for efficient unauthorized communication, the base station identifies the active user (ie, the user and device transmitting the data) and performs channel estimation. The process is necessary. For this purpose, in order to identify an active user and recover data, the user performs user detection and communication using pilot data known to the base station.
일반적으로 mMTC 무허가 통신 시나리오에서 명의 사용자는 단일 안테나를 구비한 기지국과의 통신을 설정하기 위해 단일 안테나를 갖는다고 가정한다. 기지국과 통신하는 번째 사용자는 자신의 파일럿 심볼 과 랜덤 고유 사용자 식별 코드 를 가지고 있다고 가정한다. 하나의 전송 프레임에서 실제로 기지국으로 데이터를 전송하는 활성 사용자(active user)는 명이라고 가정한다. 는 활성화된 사용자를 표현하는 변수이며 활성 사용자에 대한 성분 , 비활성 사용자에 대한 성분 을 갖는다. 따라서, 셀 내의 모든 명의 사용자들의 활동성은 벡터 을 통해 표현 가능하다. 각 사용자가 단일 프레임을 통해 하나의 파일럿 심볼 및 개의 데이터 심볼을 전송하는 상황을 가정하면 기지국에서 수신한 관측 값 은 다음과 같이 표현 가능하다.Typically in mMTC unauthorized communication scenarios It is assumed that two users have a single antenna to establish communication with a base station having a single antenna. Communicating with the base station User is his pilot symbol And random unique user identification code Assume that we have An active user who actually sends data to a base station in one transmission frame Assume the name Is the variable representing the active user and the component for the active user , Ingredients for inactive users Has Thus, all within the cell Activity of users Can be expressed through Each user has one pilot symbol and one Suppose the base station receives two data symbols Can be expressed as:
(1) (One)
여기서 는 복소 채널 이득, 은 관측 잡음을 나타낸다. 파일럿 심볼이, 공동채널 , 는 같은 프레임내에서 변하지 않는다고 가정하면, (1)은 다음과 같이 표현 가능하다.here The complex channel gain, Represents observed noise. Pilot symbol , Common channel , Assuming that does not change within the same frame, (1) can be expressed as
(2) (2)
여기에서 , 을 나타낸다. 번째 사용자는 자신의 사용자 식별 코드를 사용하여 번째 타임 슬롯에서 데이터 심볼을 전송한다고 가정하면 기지국에서 수신한 번째 데이터 심볼에 대한 관측 값 은 다음과 같이 주어진다.From here , Indicates. User uses his own user identification code Symbol in the first time slot Suppose we send a Observed value for the first data symbol Is given by
(3) (3)
여기에서 데이터 심볼 벡터 라고하면, 데이터에 대한 관측벡터는 아래와 같이 다시 표현 가능하다.Data symbol vector here If you say, the observation vector for the data Can be rewritten as
(4) (4)
여기에서 은 잡음 벡터를 나타낸다. From here Denotes a noise vector.
기존의 연구들의 경우 활성사용자 검출(Active User Detection; AUD)을 위해 파일럿을 이용한 관측 값 를 이용하여 공동 채널 및 사용자 활동 벡터 를 추정한다. 채널 다중화를 위해 비직교 코드를 사용하는 상황에서, 시스템 행렬 는 뚱뚱한 형태를 나타내어 유일한 해를 구할 수 없는 과소결정시스템(underdetermined system)을 갖게 된다. 일반적으로 과소결정시스템에서 의 정확한 추정은 불가하지만 사용자 활동이 희소한 특성 (의 대부분의 요소가 0 임)을 이용하면 압축센싱기법을 이용하여 벡터 를 정확하게 복구가 가능하다. 기존의 AUD기법의 경우 파일럿 심볼 만을 사용하여 데이터 심볼에 대한 측정값을 효과적으로 이용하지 않았다.In previous studies, pilot observations were used for Active User Detection (AUD). Using common channels And user activity vectors Estimate System matrix in the case of using non-orthogonal code for channel multiplexing Has an underdetermined system in its fat form that cannot be uniquely solved. Generally in underdetermined systems Although accurate estimates of the Most elements of 0 are zero). It is possible to recover accurately. Pilot symbol for the conventional AUD technique Only the measurements of data symbols were not used effectively.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 코드인자 또는 다중 파일럿 전송 등의 리소스를 증가시키지 않으면서 종래 접근법에 비해 활성 사용자 검출, 채널 추정 및 데이터 검출을 위한 효과적인 전략을 제공하는 것이다. 구체적으로, 활성 사용자 검출을 개선하기 위해 파일럿 및 데이터 벡터 간의 공통 희소성을 갖는 특성을 이용하여 사용자에 의해 송신된 데이터와 활성화된 사용자와 채널을 동시에 추정하고자 한다.The technical problem to be achieved by the present invention is to provide an effective strategy for active user detection, channel estimation and data detection over conventional approaches without increasing resources such as code factor or multiple pilot transmission. In particular, it is intended to simultaneously estimate the data transmitted by a user and the activated user and channel by using a property having a common sparsity between the pilot and the data vector to improve active user detection.
일 측면에 있어서, 대규모 다중 입출력 시스템에서 무허가 무선통신을 위한 유효 사용자와 채널, 데이터의 동시 추정 및 검출 방법은 탐욕 알고리즘을 수행하기 위해 사용자의 활성벡터, 파일럿 신호의 관측 값, 데이터 심볼의 관측 값 및 반복횟수를 초기화하는 단계, 초기화 수행 후 활성 사용자를 추정하고, 활성 사용자에 해당하는 활성벡터에서 검출된 인덱스를 업데이트하는 단계, 활성벡터를 이용하여 채널 초기값 및 데이터 심볼을 추정하는 단계, 활성사용자를 추정하기 위한 잔여벡터를 업데이트하는 단계 및 모든 사용자가 식별되었는지 판단하고, 모든 사용자가 식별될 때까지 활성 사용자를 검출하는 단계부터 반복하는 단계를 포함한다. In one aspect, an effective user, channel, and data simultaneous estimation and detection method for an unauthorized wireless communication in a large-scale multiple input / output system is a user's active vector, a pilot signal observation value, an observation value of a data symbol to perform a greed algorithm. And initializing a repetition number, estimating an active user after performing initialization, updating an index detected from an active vector corresponding to the active user, estimating a channel initial value and a data symbol using the active vector, and active Updating the residual vector for estimating the user and determining whether all the users have been identified and repeating the steps from detecting the active user until all the users have been identified.
초기화 수행 후 활성 사용자를 추정하고, 활성 사용자에 해당하는 활성벡터에서 검출된 인덱스를 업데이트하는 단계는 프레임내의 파일럿 신호의 관측 값 및 데이터 심볼의 관측 값이 동일한 희소구조를 가지고 있다고 가정하고, 데이터 심볼들이 일정한 크기를 갖는다고 가정하여 데이터 심볼에 대한 의존성 없이 활성 사용자를 추정한다. After performing the initialization, estimating the active user and updating the index detected from the active vector corresponding to the active user assume that the observed value of the pilot signal and the observed value of the data symbol in the frame have the same sparse structure. Assuming they have a constant size, we estimate the active user without dependence on the data symbols.
활성벡터를 이용하여 채널 초기값 및 데이터 심볼을 추정하는 단계는 목적 함수를 최대화하는 채널 및 데이터 심볼을 찾기 위해 BCD(Block Coordinate Descent) 기법을 이용하여 채널 초기값 및 데이터 심볼을 추정하고, BCD 기법은 데이터 심볼을 고정시키고 채널에 대한 최적화 및 채널을 고정시키고 데이터 심볼에 대한 최적화를 통해 보정하는 두 과정을 반복 수행한다. 이때, 이산화되어 있는 데이터 심볼을 근사하여 나타내고, 목적 함수의 변수인 채널 및 데이터 심볼이 볼록하므로, 목적 함수가 모든 변수에 대해 볼록할 때 최적 솔루션으로 수렴되는 BCD 기법을 통해 최적의 추정 값을 찾는다. Estimating channel initial values and data symbols using an active vector includes estimating channel initial values and data symbols using a block coordinate descent (BCD) technique to find a channel and data symbol that maximizes an objective function. The process repeats two processes of fixing the data symbol, optimizing the channel and correcting the channel by fixing the channel and optimizing the data symbol. At this time, the discretized data symbol is approximated, and since the channel and data symbol which are variables of the objective function are convex, the optimal estimation value is found through the BCD technique that converges to the optimal solution when the objective function is convex for all variables. .
또 다른 일 측면에 있어서, 대규모 다중 입출력 시스템에서 무허가 무선통신을 위한 유효 사용자와 채널, 데이터의 동시 추정 및 검출 장치는 탐욕 알고리즘을 수행하기 위해 사용자의 활성벡터, 파일럿 신호의 관측 값, 데이터 심볼의 관측 값 및 반복횟수를 초기화하는 초기화부, 초기화 수행 후 활성 사용자를 추정하고, 활성 사용자에 해당하는 활성벡터에서 검출된 인덱스를 업데이트하고, 활성벡터를 이용하여 채널 초기값 및 데이터 심볼을 추정하고, 활성사용자를 추정하기 위한 잔여벡터를 업데이트하는 검출 및 추정부 및 모든 사용자가 식별되었는지 판단하고, 모든 사용자가 식별될 때까지 활성 사용자를 검출하는 단계부터 반복하는 판단부를 포함한다. In another aspect, an apparatus for simultaneously estimating and detecting an effective user, a channel, and data for an unauthorized wireless communication in a large-scale multiple input / output system is configured to perform an active vector of a user, observation values of a pilot signal, and data symbols to perform a greed algorithm. An initialization unit for initializing the observed value and the number of repetitions, estimating an active user after performing initialization, updating an index detected from an active vector corresponding to the active user, estimating a channel initial value and a data symbol using the active vector, A detection and estimating unit for updating the residual vector for estimating the active user, and determining whether all users have been identified, and determining from the step of detecting the active user until all users are identified.
본 발명의 실시예들에 따르면 기존 방법보다 4.15 배 빠른 계산 시간을 가질 수 있고, 파일럿과 데이터 측정을 모두 사용가능하기 때문에 기존의 방법보다 75 % 더 많은 활성 사용자를 동시에 검출 또는 지원 가능하다. 제안된 방법은 OMP 및 BSASP보다 훨씬 우수한 채널추정 성능을 달성함을 보여준다. 따라서, 본 발명을 통해 현존하는 접근법에 비해 적은 계산 시간으로 상당한 양의 성능향상을 달성할 수 있다. According to embodiments of the present invention, the calculation time can be 4.15 times faster than that of the conventional method, and both pilot and data measurement can be used to simultaneously detect or support 75% more active users than the conventional method. The proposed method shows much better channel estimation performance than OMP and BSASP. Thus, the present invention allows a significant amount of performance improvement to be achieved with less computation time compared to existing approaches.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대규모 기계 통신 시스템의 상향 링크를 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 활성 사용자 검출 및 채널 추정 전략을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 활성 사용자 검출 성능을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 추정 성능을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 활성 사용자 검출 및 채널 추정 장치의 구성을 나타내는 도면이다. 1 is a conceptual diagram illustrating an uplink of a large-scale machine communication system according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating an active user detection and channel estimation strategy according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph illustrating active user detection performance according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph illustrating channel estimation performance according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating a configuration of an active user detection and channel estimation apparatus according to an embodiment of the present invention.
본 발명에서는 데이터 심볼을 이용하여 대규모 기계 유형 시스템에서 활성 사용자 검출, 채널 및 데이터의 공동 검출 및 추정을 향상시킬 수 있는 방법을 제안한다. 이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. In the present invention, data symbols We propose a method that can improve the joint detection and estimation of active user detection, channel and data in a large machine type system. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대규모 기계 통신 시스템의 상향 링크를 나타낸 개념도이다.1 is a conceptual diagram illustrating an uplink of a large-scale machine communication system according to an embodiment of the present invention.
도 1과 같이 커버리지(110) 내에 있는 장치, 다시 말해 비활성 사용자(120) 및 활성 사용자(130) 중 일부 장치와 무작위로 통신하는 상황을 포함한다. 통신에 참여하는 사용자들은 특정 프레임의 고유한 코드를 이용하여 파일럿 및 데이터 심볼을 전송하게 되며, 수신된 측정값을 이용하여 활성 사용자(130)를 추정하게 된다. 이를 통해 활성 사용자(130)가 검출 및 식별되면, 대응하는 데이터와 채널추정 및 잔여 값 업데이트를 단계적으로 수행하게 된다. As shown in FIG. 1, a situation in which the device in the
mMTC 시스템에서 사용자와 통신을 위해서 측정값 및 에 기초하여 사용자 활동변수 벡터 , 채널 변수 및 데이터 심볼 을 동시에 추정해야 한다. 본 발명에서는 최대 우도 (Maximuim likelihood, ML) 추정을 기반으로 이들 변수들을 동시에 추정하고자 했으며, 아래와 같이 나타낼 수 있다.Measurement values for communication with users in the mMTC system And Activity variable vector based on , Channel variables And data symbols Should be estimated at the same time. In the present invention, these variables were simultaneously estimated based on the maximum likelihood (ML) estimation, which can be expressed as follows.
(5) (5)
(6) (6)
여기에서 (6)을 계산하는 것은 매우 큰 연산량을 요구하기 때문에 실제로는 이용하기 어렵다. 추정에 필요한 연산량을 줄이기 위한 방법으로 OMP와 같은 탐욕알고리즘이 알려져 있으며, 특정환경에서 최적추정이 가능하다. 탐욕알고리즘을 이용하면 사용자의 활동변수 는 아래 수식을 이용하여 추정 가능하다.Calculating (6) here is very difficult to use because it requires a very large amount of computation. Greed algorithms such as OMP are known as methods to reduce the amount of computation required for estimation, and optimal estimation is possible in a specific environment. Using greed algorithm, user's activity variable Can be estimated using the equation below.
(7) (7)
탐욕 알고리즘을 이용하여 와 에 대한 의 모든 후보에 대한 비용함수 값을 순차적으로 계산하여 최대값을 추정한다. 본 발명에서는 탐욕 알고리즘을 이용하여 상당한 연산량을 줄이고 효율적으로 처리할 수 있는 방법을 제안한다.Using the greed algorithm Wow For The maximum value is estimated by sequentially calculating the cost function values for all candidates. The present invention proposes a method that can reduce the amount of computation and process efficiently using greed algorithm.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 활성 사용자 검출 및 채널 추정 전략을 설명하기 위한 흐름도이다.2 is a flowchart illustrating an active user detection and channel estimation strategy according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 종래의 탐욕 알고리즘에 기반하여 데이터 관측 값을 활용한 활성 사용자검출 알고리즘(Data-Aided Active User Detection; DA-AUD)을 수행한다. 탐욕알고리즘을 기반으로 활성 사용자를 추정하는 과정은 아래의 과정을 따라 수행된다.The present invention performs Data-Aided Active User Detection (DA-AUD) using data observation values based on the conventional greed algorithm. The process of estimating the active user based on greed algorithm is performed according to the following process.
제안하는 활성 사용자 검출 및 채널 추정 방법은 탐욕 알고리즘을 수행하기 위해 사용자의 활성벡터, 파일럿 신호의 관측 값, 데이터 심볼의 관측 값 및 반복횟수를 초기화하는 단계(210), 초기화 수행 후 활성 사용자를 추정하고, 활성 사용자에 해당하는 활성벡터에서 검출된 인덱스를 업데이트하는 단계(220), 활성벡터를 이용하여 채널 초기값 및 데이터 심볼을 추정하는 단계(230), 활성사용자를 추정하기 위한 잔여벡터를 업데이트하는 단계(240) 및 모든 사용자가 식별되었는지 판단하고, 모든 사용자가 식별될 때까지 활성 사용자를 검출하는 단계부터 반복하는 단계(250)를 포함한다. The proposed active user detection and channel estimation method initializes the active vector of the user, the observed value of the pilot signal, the observed value of the data symbol, and the number of repetitions to perform the greed algorithm (210). And updating the index detected in the active vector corresponding to the active user (220), estimating a channel initial value and a data symbol using the active vector (230), and updating the residual vector for estimating the active user. And 240 determining whether all users have been identified, and repeating from detecting active users until all users have been identified.
단계(210)에서, 탐욕 알고리즘을 수행하기 위해 사용자의 활성벡터, 파일럿 신호의 관측 값, 데이터 심볼의 관측 값 및 반복횟수를 초기화한다. 데이터 수신 및 푸리에 변환(211)을 수행하고, 자원 디맵핑(212)을 수행한다. In
먼저, 탐욕 알고리즘을 수행하기 위해 사용자의 활성벡터 과 파일럿에 대한 잔여벡터 , 데이터에 대한 잔여벡터를 , 반복횟수 를 아래와 같이 초기화한다. First, the user's active vector to perform the greed algorithm and Residual Vector for Pilot , The residual vector for the data , Repeat count Initialize as follows.
(8) (8)
단계(220)에서, 초기화 수행 후 활성 사용자를 추정하고, 활성 사용자에 해당하는 활성벡터에서 검출된 인덱스를 업데이트한다. 프레임내의 파일럿 신호의 관측 값 및 데이터 심볼의 관측 값이 동일한 희소구조를 가지고 있다고 가정하고, 데이터 심볼들이 일정한 크기를 갖는다고 가정하여 데이터 심볼에 대한 의존성 없이 활성 사용자를 추정한다. In
지배적인 영향을 가지는 활성사용자를 검출하고 사용자에 해당하는 활성벡터 에서 검출된 인덱스에 해당되는 로 업데이트한다. 여기에서, 는 검출된 사용자의 인덱스를 나타낸다. 활성사용자를 검출하는 자세한 방법은 명세서에서 후술한다. Detect active user with dominant influence and active vector corresponding to user For the index detected by Update to. From here, Represents the index of the detected user. Detailed methods for detecting active users are described later in the specification.
단계(230)에서, 활성벡터를 이용하여 채널 초기값 및 데이터 심볼을 추정한다. In
단계(220)에서 주어진 를 이용하여 를 최대화하는 를 추정한다. 자세한 추정방법은 후술한다.Given in
단계(240)에서, 활성사용자를 추정하기 위한 잔여벡터를 업데이트한다. 다음 단계의 활성사용자를 추정하기 위해 잔여벡터 와 를 아래와 같이 업데이트한다.In
(10) 10
(11) (11)
여기서 이다. here to be.
단계(250)에서, 모든 사용자가 식별되었는지 판단하고, 모든 사용자가 식별될 때까지 활성 사용자를 검출하는 단계(220)부터 반복한다. In
이하, 단계(220)를 위한 활성 사용자 선택기법의 세부사항을 기술한다. 활성 사용자를 검출하기 위해 식 (7)을 이용할 수 있다. 종래의 탐욕 알고리즘은 잔여 벡터와 시스템 행렬의 내적 값을 이용하여 검출이 가능하다. 하지만, 종래의 기술의 경우 파일럿 관측값 만 이용하여 데이터 전송을 위한 관측값 를 이용하지 못한다. 프레임내의 와 가 동일한 희소구조를 가지고 있다고 가정하면 아래와 같은 수식을 이용하여 활성 사용자 검출이 가능해진다. The details of the active user selection technique for
(12) (12)
하지만, 데이터 심볼들의 수 이 증가하는 경우 연산량이 지수적으로 증가하게 된다. 데이터 심볼들이 일정한 크기를 갖는다고 가정하면, 식 (12)는 다음과 같이 표현이 가능하다.However, the number of data symbols If this increases, the amount of computation increases exponentially. Assuming that the data symbols have a constant size, equation (12) can be expressed as follows.
(13) (13)
식 (13)을 이용하면 에서 데이터 심볼에 대한 의존성 없이 활성 사용자를 추정할 수 있게 된다. Using equation (13), we can estimate the active user without dependence on the data symbols in.
다음으로, 단계(230)에서 목적 함수 를 최대화하는 와 를 찾기 위해서 닫힌 형식으로 구해내기 어렵지만, 이러한 문제를 해결하기 위해 BCD(Block Coordinate Descent) 기법은 효율적으로 공동 최적화 문제를 해결할 수 있다. BCD기법은 다른 변수그룹을 고정시키고 각 변수 그룹을 하나씩 최적화하며, 본 문제에서 BCD는 을 고정시키고 에 대한 최적화와 을 고정시키고 에 대해 최적화하여 보정하는 두 과정을 반복적으로 수행하게 된다. Next, in
처음 을 고정하여를 최대화하는 최적 솔루션 는 아래와 같이 나타낼 수 있다.first By fixing Solution to maximize Can be expressed as
(14) (14)
(15) (15)
여기에서 는 에 해당하는 성분을 포함하는 의 하위 벡터를 나타내며 는 에 해당하는 열로 구성된 의 하위 행렬을 나타내며, From here Is Contains ingredients corresponding to Represents a subvector of Is Consists of columns corresponding to Represents a sub-matrix of,
(16) (16)
를 최대화하는 해 는 식 (6)에서 에 대해 최소화함으로써 얻어지며 아래와 같이 표현 가능하다. Solution to maximize In equation (6) It is obtained by minimizing for and can be expressed as
(17) (17)
목적 함수가 모든 변수 그룹에 대해 볼록 할 때 BCD는 최적 솔루션으로 수렴된다고 증명되었으며, 본 문제에서 목적함수 의 변수 와 이 볼록하기 때문에 BCD가 최적의 추정 값을 찾을 수 있게 된다. 하지만, 데이터심볼은 이산화되어 있는 변수이기 때문에 BCD추정값의 근사하여 표현하게 된다. When the objective function is convex for all groups of variables, the BCD proved to converge to the optimal solution. Variable Wow This convexity allows the BCD to find the best estimate. However, since data symbols are discretized variables, they are expressed as approximations of BCD estimates.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 활성 사용자 검출 성능을 나타내는 그래프이다. 3 is a graph illustrating active user detection performance according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 활성사용자 검출 성능을 나타내는 그래프를 나타내고, 종래의 OMP, BSASP와 비교하여 나타내었다. 본 발명에서 제안된 방법은 파일럿과 데이터 측정을 모두 사용가능하기 때문에 도 3과 같이 기존의 방법보다 75 % 더 많은 활성 사용자를 동시에 검출 또는 지원 가능하다. Referring to Figure 3, a graph showing the active user detection performance is shown, compared with the conventional OMP, BSASP. Since the method proposed in the present invention can use both pilot and data measurement, it is possible to simultaneously detect or support 75% more active users than the conventional method as shown in FIG. 3.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 추정 성능을 나타내는 그래프이다. 4 is a graph illustrating channel estimation performance according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 채널 추정 성능을 보여주는 그래프이고, 종래의 OMP, BSASP와 비교하여 나타내었다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이 제안된 방법은 OMP 및 BSASP보다 훨씬 우수한 채널추정 성능을 달성함을 보여준다. 따라서, 본 발명을 통해 현존하는 접근법에 비해 적은 계산 시간으로 상당한 양의 성능향상을 달성할 수 있다.Referring to FIG. 4, a graph showing channel estimation performance is shown in comparison with conventional OMP and BSASP. As can be seen in FIG. 4, the proposed method achieves much better channel estimation performance than OMP and BSASP. Thus, the present invention allows a significant amount of performance improvement to be achieved with less computation time compared to existing approaches.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 활성 사용자 검출 및 채널 추정 장치의 구성을 나타내는 도면이다. 5 is a diagram illustrating a configuration of an active user detection and channel estimation apparatus according to an embodiment of the present invention.
제안하는 활성 사용자 검출 및 채널 추정 장치(500)는 초기화부(510), 검출 및 추정부(520) 및 판단부(530)를 포함한다. 초기화부(510), 검출 및 추정부(520) 및 판단부(530)는 도 2의 단계들(210~250)을 수행하기 위해 구성될 수 있다. The proposed active user detection and
초기화부(510)는 탐욕 알고리즘을 수행하기 위해 사용자의 활성벡터, 파일럿 신호의 관측 값, 데이터 심볼의 관측 값 및 반복횟수를 초기화한다. 데이터 수신 및 푸리에 변환을 수행하고, 자원 디맵핑을 수행한다. The initialization unit 510 initializes the user's active vector, the observed value of the pilot signal, the observed value of the data symbol, and the number of repetitions in order to perform the greed algorithm. Perform data reception and Fourier transform, and perform resource demapping.
검출 및 추정부(520)는 초기화 수행 후 활성 사용자를 추정하고, 활성 사용자에 해당하는 활성벡터에서 검출된 인덱스를 업데이트하고, 활성벡터를 이용하여 채널 초기값 및 데이터 심볼을 추정하고, 활성사용자를 추정하기 위한 잔여벡터를 업데이트한다. After the initialization, the detection and estimator 520 estimates the active user, updates the index detected from the active vector corresponding to the active user, estimates the channel initial value and the data symbol using the active vector, and estimates the active user. Update the residual vector to estimate.
검출 및 추정부(520)는 프레임내의 파일럿 신호의 관측 값 및 데이터 심볼의 관측 값이 동일한 희소구조를 가지고 있다고 가정하고, 데이터 심볼들이 일정한 크기를 갖는다고 가정하여 데이터 심볼에 대한 의존성 없이 활성 사용자를 추정한다. The detection and estimator 520 assumes that the observed value of the pilot signal and the observed value of the data symbol in the frame have the same sparse structure, and assumes that the data symbols have a constant size, thereby providing an active user without dependency on the data symbol. Estimate.
목적 함수를 최대화하는 채널 및 데이터 심볼을 찾기 위해 BCD(Block Coordinate Descent) 기법을 이용하여 채널 초기값 및 데이터 심볼을 추정하고, BCD 기법을 통해 데이터 심볼을 고정시키고 채널에 대한 최적화 및 채널을 고정시키고 데이터 심볼에 대한 최적화를 통해 보정하는 두 과정을 반복 수행한다. In order to find the channel and data symbols that maximize the objective function, we estimate the channel initial values and data symbols using the Block Coordinate Descent (BCD) technique, and we use the BCD technique to fix the data symbols, optimize the channel and fix the channel. Two processes of correcting through optimization of data symbols are repeated.
본 발명의 실시예에 따르면, 이산화되어 있는 데이터 심볼을 근사하여 나타내고, 목적 함수의 변수인 채널 및 데이터 심볼이 볼록하므로, 목적 함수가 모든 변수에 대해 볼록할 때 최적 솔루션으로 수렴되는 BCD 기법을 통해 최적의 추정 값을 찾는다. According to an embodiment of the present invention, since the discretized data symbols are approximated and the channel and data symbols which are variables of the objective function are convex, the BCD technique converges to an optimal solution when the objective function is convex for all variables. Find the best estimate.
판단부(530)는 모든 사용자가 식별되었는지 판단하고, 모든 사용자가 식별될 때까지 활성 사용자를 검출하는 단계부터 반복한다. The determination unit 530 determines whether all users have been identified and repeats from the step of detecting the active user until all users have been identified.
<표 1>TABLE 1
표 1은 기존의 접근법과 본 발명의 평균적인 계산 복잡성을 보여주며 종래의 OMP, BSASP와 비교하여 나타내었다. 본 발명에서 제안하는 활성 사용자, 채널 및 데이터의 동시 검출 및 추정 기법은 표 1에 나타낸 바와 같이 기존 방법보다 4.15 배 빠른 계산 시간을 갖는다. Table 1 shows the conventional approach and the average computational complexity of the present invention and is shown in comparison with conventional OMP and BSASP. The simultaneous detection and estimation technique of active user, channel and data proposed by the present invention has a calculation time that is 4.15 times faster than the conventional method, as shown in Table 1.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.The apparatus described above may be implemented as a hardware component, a software component, and / or a combination of hardware components and software components. For example, the devices and components described in the embodiments may be, for example, processors, controllers, arithmetic logic units (ALUs), digital signal processors, microcomputers, field programmable arrays (FPAs), It may be implemented using one or more general purpose or special purpose computers, such as a programmable logic unit (PLU), microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions. The processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system. The processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to the execution of the software. For ease of understanding, the processing device may be described as one used, but those skilled in the art will appreciate that the processing device includes a plurality of processing elements and / or a plurality of types of processing elements. It can be seen that it may include. For example, the processing device may include a plurality of processors or one processor and one controller. In addition, other processing configurations are possible, such as parallel processors.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.The software may include a computer program, code, instructions, or a combination of one or more of the above, and configure the processing device to operate as desired, or process it independently or collectively. You can command the device. Software and / or data may be any type of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device in order to be interpreted by or to provide instructions or data to the processing device. It can be embodied in. The software may be distributed over networked computer systems so that they may be stored or executed in a distributed manner. Software and data may be stored on one or more computer readable recording media.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. Method according to the embodiment is implemented in the form of program instructions that can be executed by various computer means may be recorded on a computer readable medium. The computer readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like, alone or in combination. The program instructions recorded on the media may be those specially designed and constructed for the purposes of the embodiments, or they may be of the kind well-known and available to those having skill in the computer software arts. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tape, optical media such as CD-ROMs, DVDs, and magnetic disks, such as floppy disks. Magneto-optical media, and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include machine code, such as produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 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.Although the embodiments have been described by the limited embodiments and the drawings as described above, various modifications and variations are possible to those skilled in the art from the above description. For example, the described techniques may be performed in a different order than the described method, and / or components of the described systems, structures, devices, circuits, etc. may be combined or combined in a different manner than the described method, or other components. Or even if replaced or replaced by equivalents, an appropriate result can be achieved.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are within the scope of the claims which follow.
Claims (10)
초기화 수행 후 검출 및 추정부가 탐욕 알고리즘을 기반으로 활성 사용자를 추정하고, 활성 사용자에 해당하는 활성벡터에서 검출된 인덱스를 업데이트하는 단계;
검출 및 추정부가 활성벡터를 이용하여 채널 초기값 및 데이터 심볼을 추정하는 단계;
검출 및 추정부가 활성사용자를 추정하기 위한 잔여벡터를 업데이트하는 단계; 및
판단부가 모든 사용자가 식별되었는지 판단하고, 모든 사용자가 식별될 때까지 활성 사용자를 추정하는 단계부터 반복하는 단계
를 포함하고,
초기화 수행 후 검출 및 추정부가 탐욕 알고리즘을 기반으로 활성 사용자를 추정하고, 활성 사용자에 해당하는 활성벡터에서 검출된 인덱스를 업데이트하는 단계는,
검출 및 추정부가 프레임내의 파일럿 신호의 관측 값 및 데이터 심볼의 관측 값이 동일한 희소구조를 가지고 있다고 가정하고, 데이터 심볼들이 일정한 크기를 갖는다고 가정하여 데이터 심볼에 대한 의존성 없이 활성 사용자를 추정하는
활성 사용자 검출 및 채널 추정 방법. Initializing, by the initialization unit, the active vector of the user, the observed value of the pilot signal, the observed value of the data symbol, and the number of repetitions to perform the greed algorithm;
Detecting and estimating by the detection and estimating unit based on the greed algorithm after the initialization, and updating the index detected in the active vector corresponding to the active user;
A detection and estimating unit estimating a channel initial value and a data symbol using the activity vector;
The detection and estimating unit updating the residual vector for estimating the active user; And
The determination unit determines whether all users are identified, and repeats the steps of estimating active users until all users are identified.
Including,
After the initialization, the detecting and estimating unit estimates the active user based on the greed algorithm and updates the index detected in the active vector corresponding to the active user.
The detection and estimator assumes that the observed value of the pilot signal and the data symbol in the frame have the same sparse structure, and assumes that the data symbols have a constant size to estimate the active user without dependency on the data symbol.
Active user detection and channel estimation method.
활성벡터를 이용하여 채널 초기값 및 데이터 심볼을 추정하는 단계는,
검출 및 추정부가 목적 함수를 최대화하는 채널 및 데이터 심볼을 찾기 위해 BCD(Block Coordinate Descent) 기법을 이용하여 채널 초기값 및 데이터 심볼을 추정하는
활성 사용자 검출 및 채널 추정 방법. The method of claim 1,
Estimating a channel initial value and a data symbol using the active vector,
Detecting and estimating unit estimates channel initial value and data symbol using Block Coordinate Descent (BCD) technique to find channel and data symbol that maximizes objective function.
Active user detection and channel estimation method.
BCD 기법은 데이터 심볼을 고정시키고 채널에 대한 최적화 및 채널을 고정시키고 데이터 심볼에 대한 최적화를 통해 보정하는 두 과정을 반복 수행하는
활성 사용자 검출 및 채널 추정 방법. The method of claim 3,
The BCD technique repeats two processes of fixing a data symbol, optimizing the channel and correcting the channel by fixing the channel and optimizing the data symbol.
Active user detection and channel estimation method.
활성벡터를 이용하여 채널 초기값 및 데이터 심볼을 추정하는 단계는,
검출 및 추정부가 이산화되어 있는 데이터 심볼을 근사하여 나타내고, 목적 함수의 변수인 채널 및 데이터 심볼이 볼록하므로, 목적 함수가 모든 변수에 대해 볼록할 때 최적 솔루션으로 수렴되는 BCD 기법을 통해 최적의 추정 값을 찾는
활성 사용자 검출 및 채널 추정 방법. The method of claim 4, wherein
Estimating a channel initial value and a data symbol using the active vector,
The detection and estimation unit approximates the discretized data symbols, and the channel and data symbols, which are variables of the objective function, are convex, so that the optimal estimation value is achieved through the BCD technique that converges to the optimal solution when the objective function is convex for all the variables. Finding
Active user detection and channel estimation method.
초기화 수행 후 탐욕 알고리즘을 기반으로 활성 사용자를 추정하고, 활성 사용자에 해당하는 활성벡터에서 검출된 인덱스를 업데이트하고, 활성벡터를 이용하여 채널 초기값 및 데이터 심볼을 추정하고, 활성사용자를 추정하기 위한 잔여벡터를 업데이트하는 검출 및 추정부; 및
모든 사용자가 식별되었는지 판단하고, 모든 사용자가 식별될 때까지 활성 사용자를 추정하는 단계부터 반복하는 판단부
를 포함하고,
검출 및 추정부는,
프레임내의 파일럿 신호의 관측 값 및 데이터 심볼의 관측 값이 동일한 희소구조를 가지고 있다고 가정하고, 데이터 심볼들이 일정한 크기를 갖는다고 가정하여 데이터 심볼에 대한 의존성 없이 활성 사용자를 추정하는
활성 사용자 검출 및 채널 추정 장치. An initialization unit for initializing an active vector of a user, an observation value of a pilot signal, an observation value of a data symbol, and a repetition frequency to perform a greed algorithm;
After the initialization, the active user is estimated based on the greed algorithm, the index detected from the active vector corresponding to the active user is updated, the channel initial value and the data symbol are estimated using the active vector, and the active user is estimated. A detector for estimating the residual vector; And
Determination unit for determining whether all users have been identified and repeating the step of estimating active users until all users have been identified
Including,
The detection and estimation unit
It is assumed that the observed value of the pilot signal and the observed value of the data symbol in the frame have the same sparse structure, and that the active symbols are estimated without dependence on the data symbol by assuming that the data symbols have a constant size.
Active user detection and channel estimation device.
검출 및 추정부는,
목적 함수를 최대화하는 채널 및 데이터 심볼을 찾기 위해 BCD(Block Coordinate Descent) 기법을 이용하여 채널 초기값 및 데이터 심볼을 추정하는
활성 사용자 검출 및 채널 추정 장치. The method of claim 6,
The detection and estimation unit
Estimating channel initial values and data symbols using Block Coordinate Descent (BCD) techniques to find channel and data symbols that maximize the objective function.
Active user detection and channel estimation device.
검출 및 추정부는,
BCD 기법을 통해 데이터 심볼을 고정시키고 채널에 대한 최적화 및 채널을 고정시키고 데이터 심볼에 대한 최적화를 통해 보정하는 두 과정을 반복 수행하는
활성 사용자 검출 및 채널 추정 장치. The method of claim 8,
The detection and estimation unit
The BCD technique repeats two processes of fixing data symbols, optimizing the channel and correcting the channel by optimizing the data symbol.
Active user detection and channel estimation device.
검출 및 추정부는,
이산화되어 있는 데이터 심볼을 근사하여 나타내고, 목적 함수의 변수인 채널 및 데이터 심볼이 볼록하므로, 목적 함수가 모든 변수에 대해 볼록할 때 최적 솔루션으로 수렴되는 BCD 기법을 통해 최적의 추정 값을 찾는
활성 사용자 검출 및 채널 추정 장치.The method of claim 9,
The detection and estimation unit
Approximates discretized data symbols, and since the channel and data symbols, which are variables of the objective function, are convex, the optimal solution is found through the BCD technique that converges to the optimal solution when the objective function is convex for all variables.
Active user detection and channel estimation device.
Priority Applications (1)
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KR1020190056147A KR102056403B1 (en) | 2019-05-14 | 2019-05-14 | Data-Aided Active User Detection for Massive Machine Type Communications |
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KR1020190056147A KR102056403B1 (en) | 2019-05-14 | 2019-05-14 | Data-Aided Active User Detection for Massive Machine Type Communications |
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Cited By (2)
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CN113766541A (en) * | 2021-09-07 | 2021-12-07 | 北京交通大学 | Active equipment in MMTC scene and detection method of channel used by active equipment |
WO2022245180A1 (en) * | 2021-05-21 | 2022-11-24 | 서울대학교산학협력단 | Method and device for active terminal detection using spreading code learned using deep learning in multiplexing communications |
-
2019
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