KR102348948B1 - Mean field game framework based techinique for control of transmission power for machine type communication - Google Patents

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Abstract

머신 타입 통신(Machine Type Communication: MTC)을 위한 송신 전력 제어 방법이 제공된다. 개시된 송신 전력 제어 방법은, 네트워크 환경 내에 위치된 다수의 MTC 디바이스에 걸친 시스템 상태의 통계적 분포를 나타내는 평균장의 Fokker-Planck-Kolmogorov (FPK) 방정식이 시간 구간에 걸친 다수의 MTC 디바이스 각각의 송신 전력의 최적 제어 정책의 판정을 좌우하는 Hamilton-Jacobi-Bellman (HJB) 방정식에 제약으로서 결합된 평균장 게임의 해를 유한 차분법을 사용하여 획득하는 단계를 포함한다.A transmission power control method for Machine Type Communication (MTC) is provided. The disclosed transmit power control method is that the Fokker-Planck-Kolmogorov (FPK) equation of the mean field representing the statistical distribution of the system state across a number of MTC devices located in a network environment is and obtaining, using the finite difference method, a solution of the mean field game coupled as a constraint to the Hamilton-Jacobi-Bellman (HJB) equation governing the determination of the optimal control policy.

Description

머신 타입 통신을 위한 송신 전력의 제어를 위한 평균장 게임 프레임워크 기반 기법{MEAN FIELD GAME FRAMEWORK BASED TECHINIQUE FOR CONTROL OF TRANSMISSION POWER FOR MACHINE TYPE COMMUNICATION}MEAN FIELD GAME FRAMEWORK BASED TECHINIQUE FOR CONTROL OF TRANSMISSION POWER FOR MACHINE TYPE COMMUNICATION

본 개시는 머신 타입 통신(Machine Type Communication: MTC)을 위해 송신 전력을 제어하는 기법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로, 평균장 게임(Mean Field Game: MFG) 프레임워크에 기반하여 MTC를 위해 송신 전력을 제어하는 기법에 관한 것이다.The present disclosure relates to a technique for controlling transmit power for Machine Type Communication (MTC), and more specifically, transmit power for MTC based on a Mean Field Game (MFG) framework. It's about how to control it.

차세대 무선 셀룰러(cellular) 네트워크가 발전하면서 새로운 알고리즘 및 발달하는 애플리케이션을 위한 네트워크 아키텍처의 개발이 급속도로 증가하였다. 이는 국제 전기통신 연합 전파통신 부문(International Telecommunication Union Radiocommunication Sector: ITU-R)에 의해 정의된 바와 같은 새로운 서비스 카테고리와 서비스 요구사항 간의 차이가 급격히 커졌기 때문이라고 볼 수 있다. 이에 반해, 이전 세대가 주안점을 둔 애플리케이션은 스펙트럼 효율성은 있지만 대역폭 소모가 많은 것이었다. 5세대(5th Generation: 5G) 네트워크는 각종 서비스 요구의 결과로서 밀집 배치, 에너지 고갈, 그리고 스펙트럼 부족과 사용자 용량의 증가를 비롯하여 갖가지 난제에 부딪힐 것으로 예견된다.The development of new algorithms and network architectures for evolving applications has rapidly increased with the development of next-generation wireless cellular networks. This can be attributed to the rapid increase in the gap between new service categories and service requirements as defined by the International Telecommunication Union Radiocommunication Sector (ITU-R). In contrast, the applications the previous generation focused on were spectrally efficient but bandwidth consuming. 5th generation (5 th Generation: 5G) network is foreseen arranged densely as a result of various service requirements, energy depletion, and to encounter various challenges, including the increasing lack of spectrum and user capacity.

향상된 모바일 광대역(enhanced Mobile BroadBand: eMBB)을 초신뢰성 저지연시간 통신(ultra-Reliable Low Latency Communication: uRLLC) 및 대규모 머신 타입 통신(massive Machine-Type Communication: mMTC)과 더불어 제공하는 것은 각종 사용자 애플리케이션을 위한 동적 서비스 구조를 가진 복잡한 네트워크 아키텍처를 요구한다. 머신 타입 통신(Machine-Type Communication: MTC)은 사용자 디바이스가 사람의 개입이나 디바이스 없이 데이터를 산출, 교환 및 분석하는 통신 설계라고 정의된다. MTC는 특정한 서비스 품질(Quality of Service: QoS) 제약이 주어지면 대략적으로 mMTC 아니면 uRLLC로 분류된다. mMTC가 통상적으로 지원하는 것은 변화하는 QoS에 따른 전력 요구사항과 낮은 복잡도로 특징지어지는 보다 밀집도가 높은 사용자 환경이다. 그러한 디바이스의 용례는 감시 시스템, 스마트 농업, 스마트 계측, 센서 네트워크, 원격 제어 및 진단을 포함한다. 반면에, uRLLC 디바이스는 단대단(end-to-end) 지연시간에 매우 민감하며, 비교적 중간 정도의 서비스 레이트(service rate)와 함께 높은 신뢰성을 요구한다. uRLLC의 몇몇 용례는 자율주행 차량/드론, 원격 건강관리, 자동화된 사이버-물리적(cyber-physical) 시스템 및 교통 관리 등이다.Providing enhanced Mobile BroadBand (eMBB) along with ultra-reliable Low Latency Communication (uRLLC) and massive Machine-Type Communication (mMTC) enables a variety of user applications. It requires a complex network architecture with a dynamic service structure for Machine-Type Communication (MTC) is defined as a communication design in which user devices generate, exchange, and analyze data without human intervention or devices. MTC is roughly classified as either mMTC or uRLLC, given certain Quality of Service (QoS) constraints. What mMTC typically supports is a more dense user environment characterized by low complexity and power requirements with changing QoS. Applications of such devices include monitoring systems, smart agriculture, smart instrumentation, sensor networks, remote control and diagnostics. On the other hand, the uRLLC device is very sensitive to end-to-end latency and requires high reliability with a relatively medium service rate. Some use cases for uRLLC are autonomous vehicles/drones, remote healthcare, automated cyber-physical systems and traffic management.

3세대 파트너쉽 프로젝트(3rd Partnership Project: 3GPP) 및 전기전자 엔지니어 협회(Institute of Electrical and Electronics Engineers: IEEE)는 네트워크 설계를 수월하게 하기 위해 MTC를 위한 구체적인 특징, 예컨대 시간 의존적인 저빈도 송신(infrequent transmission)과 낮은 이동성(mobility)을 정의하였다. MTC 디바이스의 리소스(resource) 및 트래픽(traffic) 요구사항은 그렇지 않은 디바이스, 가령 인간 타입 통신(Human Type Communication: HTC) 디바이스와 보통 구별된다. HTC는 사람에 의해 신호의 송신이 결정된 통신인 반면, MTC에서는 사람의 개입 없이 각 디바이스가 자체적으로 주기적으로 또는 이벤트에 기반하여 신호 송신을 결정한다. 이와 같이 MTC 및 HTC 디바이스의 트래픽 요구사항이 구별되기에, 대규모 연결성뿐만 아니라 낮은 지연시간과 신뢰성의 측면에서 MTC 디바이스의 광범위한 요구를 수용하기 위해서는 배치된 네트워크의 인프라스트럭처(infrastructure)의 보다 진전된 재모델링이 요구된다. 예를 들어, Ericsson 사의 Ericsson Mobility Report, November 2018은 MTC 디바이스의 수가 2024년까지 41억 개에 달할 것이라고 예측하면서, 장래의 네트워크에서의 MTC 트래픽 트렌드와 관련된 연구·개발의 동기를 제시하고 있다. 그러한 밀집된 MTC 네트워크에서 네트워크 과부하를 피하기 위해서는 트래픽 수요 및 처리의 관점에서 분산형 리소스 관리 접근법이 알맞을 것이다. 분산형 설계를 위한 핵심 목표는 스케일가능성(scalability)을 수용하는 능력, 디바이스의 랜덤(random) 배치, 최소의 시그널링 오버헤드(signaling overhead)와 한정된 에너지 공급, 디바이스 간의 이질성, 그리고 불완전한 정보의 이용가능성을 포함한다.The 3 rd Partnership Project (3GPP) and Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) have developed specific features for MTC to facilitate network design, such as time-dependent infrequent transmission. transmission) and low mobility were defined. The resource and traffic requirements of an MTC device are usually differentiated from devices that are not, such as Human Type Communication (HTC) devices. HTC is a communication in which the transmission of a signal is determined by a person, whereas in MTC, each device decides to transmit a signal on its own periodically or based on an event without human intervention. As the traffic requirements of MTC and HTC devices are differentiated in this way, in order to accommodate a wide range of needs of MTC devices in terms of low latency and reliability as well as large-scale connectivity, a more advanced reconstruction of the infrastructure of the deployed network modeling is required. For example, Ericsson's Ericsson Mobility Report, November 2018 predicts that the number of MTC devices will reach 4.1 billion by 2024, and presents the motivation for research and development related to MTC traffic trends in future networks. In order to avoid network overload in such a dense MTC network, a distributed resource management approach would be appropriate from the point of view of traffic demand and processing. Key goals for distributed design are the ability to accommodate scalability, random placement of devices, minimal signaling overhead and limited energy supply, heterogeneity between devices, and availability of imperfect information. includes

이와 같이, 셀룰러 가입자에게 제공되는 서비스가 진화되면서 MTC-HTC 공존 셀룰러 네트워크에 대한 필요성이 현실이 되고 있다. HTC 디바이스의 주요 목표는 고선명(High Definition: HD) 비디오, 텔레프레전스(telepresence) 및 가상 현실(virtual reality)와 같은 서비스에 있어서 데이터 쓰루풋(throughput)을 개선하는 것이며, 그러한 사용자 디바이스의 데이터 레이트(data rate)를 개선하는 데에는 스펙트럼 효율적이지만 에너지 소모가 많은 서비스 아키텍처가 요구된다. 한편, 원격 감지를 하는 MTC 디바이스는 그것의 배터리 기대 수명(battery lifetime expectancy)을 향상시키는 것이 바람직하므로, 이를 감안한 에너지 효율적인 전력 제어 방안의 설계가 필요하다.As described above, as services provided to cellular subscribers evolve, the need for an MTC-HTC coexistence cellular network is becoming a reality. The main goal of HTC devices is to improve data throughput for services such as High Definition (HD) video, telepresence and virtual reality, and the data rate ( Spectrally efficient but energy consuming service architecture is required to improve data rate. On the other hand, since it is desirable to improve the battery lifetime expectancy of an MTC device performing remote sensing, it is necessary to design an energy-efficient power control method in consideration of this.

머신 타입 통신(Machine Type Communication: MTC)을 위해 송신 전력을 제어하는 기법이 본 문서에 개시된다.A technique for controlling transmit power for Machine Type Communication (MTC) is disclosed in this document.

적어도 하나의 실시예에 따르면, 머신 타입 통신(Machine Type Communication: MTC)을 위한 송신 전력 제어 방법은, 네트워크 환경 내에 위치된 다수의 MTC 디바이스에 걸친 시스템 상태의 통계적 분포를 나타내는 평균장(Mean Field: MF)의 Fokker-Planck-Kolmogorov (FPK) 방정식이 시간 구간에 걸친 상기 다수의 MTC 디바이스 각각의 송신 전력의 최적 제어 정책의 판정을 좌우하는 Hamilton-Jacobi-Bellman (HJB) 방정식에 제약으로서 결합된 평균장 게임(Mean Field Game: MFG)의 해(solution)를 유한 차분법(Finite Difference Method: FDM)을 사용하여 획득하는 단계를 포함하되, 상기 시스템 상태는 잔여 배터리 에너지 및 연관된 간섭에 의해 정의된 2차원 상태이고, 상기 해를 획득하는 단계는, 상기 시간 구간과 더불어, 상기 잔여 배터리 에너지의 구간 및 상기 연관된 간섭의 구간에 의해 정의된 3차원 도메인 공간(domain space)이 이산화된(discretized) 격자 공간(grid space) 내의 복수의 격자점 각각에 대해, 상기 FPK 방정식의 이산화된 버전(version)을 사용하여 시간에 있어서 순방향으로(forward) 상기 평균장의 갱신치(updated value)를 계산하는 단계와, 상기 각각의 격자점에 대해, 상기 평균장 게임을 위한 이산화된 라그랑지안(Lagrangian)에 기반하여 시간에 있어서 역방향으로(backward) 상기 송신 전력의 갱신치를 계산하는 단계를 포함한다.According to at least one embodiment, a transmission power control method for Machine Type Communication (MTC) includes a Mean Field (Mean Field) representing a statistical distribution of a system state across a plurality of MTC devices located in a network environment: Fokker-Planck-Kolmogorov (FPK) equation of MF) combined as a constraint to the Hamilton-Jacobi-Bellman (HJB) equation governing the determination of the optimal control policy of the transmit power of each of the multiple MTC devices over a time interval. obtaining a solution of a Mean Field Game (MFG) using a Finite Difference Method (FDM), wherein the system state is 2 defined by the remaining battery energy and the associated interference. is a dimensional state, and the step of obtaining the solution comprises a grid space in which a three-dimensional domain space defined by the interval of the remaining battery energy and the interval of the associated interference, along with the time interval, is discretized. for each of a plurality of grid points in a grid space, calculating an updated value of the mean field forward in time using a discretized version of the FPK equation; for each grid point, calculating an update of the transmit power backward in time based on the discretized Lagrangian for the average field game.

상기 네트워크 환경은 상기 각각의 MTC 디바이스의 통신 외에도 인간 타입 통신(Human Type Communication: HTC) 디바이스의 액세스를 위해 구성될 수 있고, 상기 연관된 간섭은 상기 각각의 MTC 디바이스에 의해 유발되어 다른 MTC 디바이스가 겪는 간섭은 물론, 상기 각각의 MTC 디바이스에 의해 유발되어 상기 HTC 디바이스가 겪는 간섭도 나타낼 수 있다.The network environment may be configured for access of a Human Type Communication (HTC) device in addition to communication of the respective MTC device, wherein the associated interference is caused by the respective MTC device to be experienced by other MTC devices. Interference, of course, may also indicate interference caused by the respective MTC device and experienced by the HTC device.

상기 FPK 방정식의 상기 이산화된 버전은 상기 송신 전력에 의존하는 항(term) 및 간섭 이득(interference gain)에 의존하는 항을 포함할 수 있는데, 여기서 상기 연관된 간섭은 상기 송신 전력에 상기 간섭 이득이 곱해진 것이다.The discretized version of the FPK equation may include a term dependent on the transmit power and a term dependent on an interference gain, wherein the associated interference is the transmit power multiplied by the interference gain. it will be done

상기 각각의 MTC 디바이스의 상기 송신 전력의 상기 최적 제어 정책은 해당 MTC 디바이스로부터의 송신의 신호 대 간섭 및 잡음 비율(Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio: SINR) 및 상기 송신 전력에 기반한 효용 함수(utility function)가 상기 시간 구간에 걸쳐 누적된 비용 값을 최소화할 수 있다.The optimal control policy of the transmit power of each MTC device is a signal-to-interference-plus-Noise Ratio (SINR) of the transmission from the corresponding MTC device and a utility function based on the transmit power. A utility function may minimize the accumulated cost value over the time interval.

상기 이산화된 라그랑지안은 상기 효용 함수에 의존할 수 있다.The discretized Lagrangian may depend on the utility function.

상기 송신 전력의 상기 갱신치를 계산하는 단계는, 오직 상기 평균장에 대한 상기 이산화된 라그랑지안의 변화율이 0임을 나타내는 관계식에 기반하여 라그랑주 승수(Lagrange multiplier)의 갱신치를 계산하는 단계와, 오직 상기 송신 전력에 대한 상기 이산화된 라그랑지안의 변화율이 0임을 나타내는 관계식에 기반하여 상기 송신 전력의 상기 갱신치를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.Calculating the update value of the transmit power may include calculating an update value of a Lagrange multiplier only based on a relational expression indicating that the rate of change of the discretized Lagrangian with respect to the average field is zero; and calculating the update value of the transmit power based on a relational expression indicating that the discretized rate of change of the Lagrangian with respect to .

상기 해를 획득하는 단계는, 상기 평균장, 상기 라그랑주 승수 및 상기 송신 전력 각각의 초기치(initial value)를 획득하는 단계와, 상기 초기치를 획득하는 단계 후에, 상기 평균장의 상기 갱신치를 계산하는 단계와, 상기 라그랑주 승수의 상기 갱신치를 계산하는 단계와, 상기 송신 전력의 상기 갱신치를 계산하는 단계를 반복하는 루프 반복(loop iteration)을 하는 단계를 더 포함할 수 있는데, 여기서 상기 루프 반복은 상기 루프 반복이 최대 반복 횟수만큼 반복된 경우에 종료된다.The obtaining of the solution includes: obtaining initial values of each of the average length, the Lagrange multiplier, and the transmit power; and after obtaining the initial values, calculating the updated values of the average length; , performing a loop iteration repeating the steps of calculating the update value of the Lagrange multiplier and calculating the update value of the transmit power, wherein the loop iteration is the loop iteration. It ends when it is repeated by this maximum number of repetitions.

상기 루프 반복이 반복된 횟수가 상기 최대 반복 횟수에 미치지 않더라도 상기 평균장의 상기 갱신치 및 상기 평균장의 이전 값의 차이가 사전설정된 값보다 작다면 상기 루프 반복은 종료될 수 있다.Even if the number of times the loop iteration is repeated does not reach the maximum number of iterations, if the difference between the updated value of the average field and the previous value of the average field is smaller than a preset value, the loop iteration may be terminated.

상기 해는 장래의 참조를 위해 상기 다수의 MTC 디바이스에 대해 일괄 처리(batch processing)을 수행하는 방식으로 획득될 수 있다.The solution may be obtained in such a way that batch processing is performed on the plurality of MTC devices for future reference.

상기 송신 전력 제어 방법은, 상기 획득된 해를 나중에 상기 네트워크 환경 내의 MTC 디바이스에 의해 상기 최적 제어 정책에 부합하는 MTC 송신을 위해 인덱싱 동작(indexing operation)으로써 참조될 데이터 구조의 형태로 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.The transmission power control method includes the steps of providing the obtained solution in the form of a data structure to be referenced later by an MTC device in the network environment as an indexing operation for MTC transmission conforming to the optimal control policy may include more.

적어도 하나의 실시예에 따르면, 머신 타입 통신(Machine Type Communication: MTC)을 위한 송신 전력 제어 장치는, 프로세서와, 프로세서 실행가능 명령어가 저장된 메모리를 포함하되, 상기 프로세서 실행가능 명령어는 상기 프로세서에 의해 실행되는 경우 상기 프로세서로 하여금 전술된 송신 전력 제어 방법을 수행하게 한다. According to at least one embodiment, an apparatus for controlling transmit power for Machine Type Communication (MTC) includes a processor and a memory storing processor-executable instructions, wherein the processor-executable instructions are executed by the processor. When executed, causes the processor to perform the transmit power control method described above.

전술된 개요는 상세한 설명에서 추가로 후술되는 몇몇 양상을 단순화된 형태로 소개하기 위해 제공된다. 이 개요는 청구된 주제(subject matter)의 중요 특징 또는 필수적 특징을 식별하도록 의도되지 않고, 청구된 주제의 범위를 정하는 데 사용되도록 의도되지도 않는다. 나아가, 청구된 주제는 본 명세서에서 논의되는 임의의 또는 모든 이점을 제공하는 구현에 한정되지 않는다.The previous summary is provided to introduce in a simplified form some aspects that are further described below in the Detailed Description. This Summary is not intended to identify key features or essential features of the claimed subject matter, nor is it intended to be used to delineate the scope of the claimed subject matter. Furthermore, claimed subject matter is not limited to implementations that provide any or all advantages discussed herein.

본 발명의 실시예에 따르면, MTC 디바이스가 HTC 디바이스와 함께 공존하는 네트워크 환경에서 MTC 디바이스의 배터리 에너지를 감안한 에너지 효율적인 송신 전력 제어 메커니즘이 제공된다.According to an embodiment of the present invention, an energy-efficient transmission power control mechanism is provided in consideration of the battery energy of the MTC device in a network environment in which the MTC device coexists with the HTC device.

본 발명의 실시예에 따르면, MTC를 위한 송신 전력 제어 문제가 평균장 게임으로 변환되며, 이 평균장 게임의 해는 유한 차분법을 통해 획득될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the transmit power control problem for MTC is converted into a mean-length game, and a solution of the mean-length game can be obtained through a finite difference method.

본 발명의 실시예에 따르면, 평균장 게임의 해는 이에 부합하는 MTC 송신을 위해 MTC 디바이스에 의해 참조될 수 있는 데이터 구조의 형태로 제공될 수 있는바, 분산형 접근법의 설계를 통해 MTC에서의 지연시간이 단축될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the solution of the average field game can be provided in the form of a data structure that can be referenced by the MTC device for MTC transmission corresponding thereto. The delay time can be shortened.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라, 혼성 셀룰러 MTC 및 HTC 액세스 프레임워크를 위한 네트워크 아키텍처(network architecture)를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 MTC를 위해 송신 전력을 제어하는 기법을 의사코드(pseudocode)의 형태로 제시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 MTC를 위한 송신 전력 제어를 수행하는 장치의 블록도이다.
1 illustrates a network architecture for a hybrid cellular MTC and HTC access framework, in accordance with an embodiment of the present invention.
2 shows a method for controlling transmit power for MTC in the form of pseudocode according to an embodiment of the present invention.
3 is a block diagram of an apparatus for performing transmission power control for MTC according to an embodiment of the present invention.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 실시예를 가질 수 있고, 몇몇 실시예가 본 명세서에 개시된다. 그러나, 이는 본 발명에 대한 한정이 아니라 예시로서 제공되며, 본 발명의 사상 및 범주에 속하는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 망라하는 것으로 이해되어야 한다. 개시된 실시예에 따른 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 다음의 상세한 설명에서 특정한 세부사항이 제공되는데, 몇몇 실시예는 이들 세부사항 중 일부 또는 전부가 없더라도 실시될 수 있다. 또한, 본 발명의 다양한 양상을 불필요하게 모호하게 하지 않도록 공지 기술의 구체적인 설명은 생략될 수 있다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention is capable of several embodiments, some of which are disclosed herein. However, these are provided by way of illustration and not limitation of the present invention, and should be understood to cover all modifications, equivalents and substitutions falling within the spirit and scope of the present invention. Certain details are provided in the following detailed description to aid a comprehensive understanding of a method, apparatus, and/or system in accordance with disclosed embodiments, wherein some embodiments may be practiced without some or all of these details. In addition, detailed descriptions of well-known techniques may be omitted so as not to unnecessarily obscure various aspects of the present invention.

후술되는 용어는 단지 특정 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 한정적 의미로 고려되고자 의도된 것이 아니다. 단수 형태의 표현은 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 복수 형태의 의미를 포함한다. 또한, 이 문서에서, "포함하다" 또는 "가지다"와 같은 용어는 어떤 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 정보 또는 이들의 조합이 존재함을 나타내려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 정보 또는 이들의 조합의 존재 또는 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms described below are used only to describe specific embodiments, and are not intended to be considered in a limiting sense. Expressions in the singular form include the meaning of the plural unless expressly used otherwise. Also, in this document, terms such as "comprise" or "have" are intended to indicate the presence of some feature, number, step, operation, element, information, or a combination thereof, one or more other features, It should be understood as not excluding the presence or possibility of numbers, steps, acts, elements, information, or combinations thereof.

시스템 개요System overview

도 1은 본 발명의 실시예에 따라, 혼성 셀룰러 MTC 및 HTC 액세스 프레임워크를 위한 네트워크 아키텍처를 도시한다. 실시예에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 예시적인 무선 통신 네트워크 환경(100)은 기지국(Base Station: BS)(120)(예컨대, 진화된 노드B(evolved Node B: eNB))에 의해 서빙되는(served) 셀(110)을 포함한다. 또한, 실시예에서, 셀(110) 내에는 하나 이상의 HTC 디바이스(예컨대, 사용자 장비(User Equipment: UE)(141, 142, 143))와, 하나 이상의 MTC 노드(예컨대, MTC 디바이스(MTC Device: MTCD)(151, 152, 161, 162, 163), MTC 게이트웨이(MTC Gateway: MTCG)(160))가 존재할 수 있다. 몇몇 예시적인 구현에서, MTC 노드는 HTC 디바이스를 위한 기존의 셀룰러 네트워크 내에 수용된다고 이해될 수도 있다.1 illustrates a network architecture for a hybrid cellular MTC and HTC access framework, in accordance with an embodiment of the present invention. In an embodiment, as shown in FIG. 1 , the exemplary wireless communication network environment 100 is served by a Base Station (BS) 120 (eg, an evolved Node B (eNB)). It includes a served (served) cell (110). Also, in an embodiment, one or more HTC devices (eg, User Equipment (UE) 141 , 142 , 143 ) and one or more MTC nodes (eg, MTC Device: MTCD) 151 , 152 , 161 , 162 , 163 , and MTC Gateway (MTCG) 160 ) may be present. In some example implementations, it may be understood that an MTC node is housed within an existing cellular network for an HTC device.

실시예에서, uRLLC 서비스 노드(예컨대, MTCD(151, 152))에는 저지연(low latency) 및 신뢰성 있는 통신 링크를 보장하기 위해서 BS(120)에의 직접적인 연결성이 제공된다. 한편, mMTC 디바이스에 의한 BS(120)로의 직접적인 액세스는 모든 디바이스에 의한 대규모 동시적 액세스로 인해 심각한 혼잡 문제를 야기할 수 있으므로, 예를 들어, mMTC 디바이스가 그룹화되어 중계됨으로써 BS에서의 혼잡에 대처하는 클러스터화(clustering) 접근법이 고려될 수 있다. 이러한 접근법에서 MTCG(160)는 연결된 MTCD(예컨대, MTCD(161, 162, 163))의 데이터를 BS(120)에 중계하는 것을 담당하는바, 이는 끊김 없는 액세스(seamless access) 경험을 위한 것이다. MTCG(160)는 그 자체가 MTC 디바이스일 수 있거나 아니면 HTC 디바이스일 수 있다. 몇몇 예시적인 구현에서, 프라이버시(privacy) 및 데이터 무결성(integrity)을 위해, mMTC 디바이스가 게이트웨이 노드로서 선택될 수 있고, 이는 배터리 수명과 에너지 소모의 개선으로 이어질 수 있다. 나아가, 예로서, 비록 도시되지 않았으나, 서로 페어링되어(paired) 직접적인 통신을 하는 MTC 디바이스가 존재할 수 있다.In an embodiment, the uRLLC service node (eg, MTCD 151 , 152 ) is provided with direct connectivity to BS 120 to ensure low latency and reliable communication link. On the other hand, direct access to the BS 120 by the mMTC device may cause a serious congestion problem due to large-scale simultaneous access by all devices, so for example, the mMTC device is grouped and relayed to cope with congestion in the BS A clustering approach may be considered. In this approach, the MTCG 160 is responsible for relaying the data of the connected MTCD (eg, the MTCDs 161, 162, 163) to the BS 120, which is for a seamless access experience. MTCG 160 may itself be an MTC device or may be an HTC device. In some example implementations, for privacy and data integrity, an mMTC device may be selected as a gateway node, which may lead to improved battery life and energy consumption. Further, as an example, although not shown, there may be MTC devices that are paired with each other and communicate directly with each other.

실시예에 따르면, 각각의 MTC 노드에서 에너지 효율적인 액세스 방안의 구현을 위해 다음 사항이 고려될 수 있다. 첫째, 모든 MTC 디바이스는 각자의 채널 응답을 획득하여 현재의 네트워크 환경(100)에 대한 정확한 모델링과 정보 파악을 가능하게 한다. 몇몇 예시적인 구현에서, 서비스 중단의 방지를 위해, MTC 노드가 전통적인 HTC 디바이스와 효과적으로 통합되도록 서비스 및 노드 제약이 고려될 수도 있다. 둘째, 디바이스 및 콘텍스트(context) 정보의 판정 후에 MTC 노드에의 액세스 제공이 수행된다. 이를 위해, 예를 들어, mMTC 및 uRLLC 노드를 위해 그들의 특정한 QoS 제약에 따라 이들 MTC 노드를 위한 스케줄링이 고려될 수 있다. 몇몇 예시적인 구현에서, mMTC 디바이스는 리소스 액세스를 단순화하기 위해, 또 이들 디바이스의 대규모 연결성 요구사항으로 인해 발생할 확률이 높은 혼잡 조건을 다루기 위해 클러스터(가령, 클러스터(130))로 정렬될 수 있다. 유사하게, 몇몇 예시적인 구현에서, uRLLC 디바이스는 이들 디바이스의 트래픽의 이벤트 구동형(event-driven) 특성 때문에 이들 디바이스의 요구사항에 따라 스케줄링될 수 있다. 셋째, MTC 디바이스의 송신 전력 제어에 주안점을 두고서 에너지 인지형(energy-aware) 설계를 위한 추계적인 미분 게임(Stochastic Differential Game: SDG)이 구성된다. 특히, 몇몇 예시적인 구현을 위해, 구성된 SDG에 대한 가능한 해를 구하는 접근법으로서 평균장(Mean Field: MF) 근사화가 제시되는데, 이는 전적으로 HTC/MTC 조합 셀룰러 인프라스트럭처 내에서의 MTC 노드의 상태 동역학(state dynamics)의 MF 모델링이 얼마나 정확한지에 의존한다. 넷째, 평균장 근사화된 해에 기반한 최적 제어 정책이 수립되는데, 이는 수렴되는 에너지 인지형 전력 제어를 얻기 위해 MF 방정식을 푸는 데에 유한 차분법(Finite Difference Method: FDM)을 사용하는 것을 수반한다.According to an embodiment, the following may be considered for implementation of an energy-efficient access scheme in each MTC node. First, all MTC devices obtain their respective channel responses to enable accurate modeling and information understanding of the current network environment 100 . In some example implementations, to avoid service disruption, service and node constraints may be considered so that the MTC node effectively integrates with traditional HTC devices. Second, provision of access to the MTC node is performed after determination of device and context information. To this end, for example, scheduling for mMTC and uRLLC nodes may be considered according to their specific QoS constraints. In some example implementations, mMTC devices may be arranged into clusters (eg, cluster 130 ) to simplify resource access and to handle congestion conditions that are likely to occur due to the large-scale connectivity requirements of these devices. Similarly, in some example implementations, uRLLC devices may be scheduled according to the requirements of these devices due to the event-driven nature of their traffic. Third, a Stochastic Differential Game (SDG) for energy-aware design is configured with an emphasis on controlling the transmit power of the MTC device. In particular, for some example implementations, Mean Field (MF) approximation is presented as an approach to finding a possible solution to the constructed SDG, which is entirely based on the state dynamics of MTC nodes within the HTC/MTC combination cellular infrastructure. It depends on how accurate the MF modeling of state dynamics is. Fourth, an optimal control policy based on the mean-field approximated solution is established, which entails using a finite difference method (FDM) to solve the MF equation to obtain a converging energy-aware power control.

논의를 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 상이한 서비스 요구사항이 공존하는 MTC 및 HTC 디바이스가 다양하게 분포된 단일 셀이 고려된다. 이와 같이, 도 1의 예시적인 네트워크 환경(100)은 많은 수의 MTC 디바이스가 전체 셀 영역에 걸쳐 랜덤하게 분포된 것으로서, BS(120)가 이러한 셀 환경의 중심이라고 할 수 있다. 이제, BS(120)의 커버리지(coverage) 내에 총 N개의 사용자, 즉 J개의 통상적인 HTC 디바이스와 K개의 MTC 디바이스가 있는 경우를 가정하자.For the sake of discussion, as shown in FIG. 1 , a single cell in which MTC and HTC devices coexist with different service requirements are variously distributed is considered. As such, in the exemplary network environment 100 of FIG. 1 , a large number of MTC devices are randomly distributed over the entire cell area, and the BS 120 may be said to be the center of the cell environment. Now, assume that there are a total of N users, that is, J typical HTC devices and K MTC devices within the coverage of the BS 120 .

실시예에서, 도 1에 도시된 바와 같이 MTC 및 HTC 디바이스가 공존하는 네트워크 환경(100)에서 HTC 디바이스 및/또는 MTC 디바이스와 연관된 간섭은 그러한 네트워크 환경(100)에서의 상호작용에 기반하여 모델링될 수 있다. 그러한 간섭은 HTC 디바이스 및 MTC 디바이스 양자 모두와 연관된 간섭인지, 아니면 MTC 디바이스이든 또는 HTC 디바이스이든 어느 한쪽과 연관된 간섭인지에 따라 각각 도메인간(inter-domain) 간섭 또는 도메인내(intra-domain) 간섭으로 칭해진다.In an embodiment, interference associated with an HTC device and/or an MTC device in a network environment 100 where MTC and HTC devices coexist as shown in FIG. 1 may be modeled based on the interaction in such network environment 100 . can Such interference is referred to as inter-domain interference or intra-domain interference, respectively, depending on whether the interference is associated with both the HTC device and the MTC device, or the interference associated with either the MTC device or the HTC device. is called

예를 들어, 임의의 시간 t에서 제k MTC 디바이스로부터의 송신(이하에서 제k MTC 송신으로 지칭될 수 있음)에 나머지 MTC 디바이스에 의해 도입된 도메인내 간섭은 다음과 같이 표현될 수 있다.For example, the intra-domain interference introduced by the remaining MTC devices to a transmission from the kth MTC device at any time t (which may be referred to as the kth MTC transmission hereinafter) can be expressed as follows.

Figure 112020009374863-pat00001
Figure 112020009374863-pat00001

여기서,

Figure 112020009374863-pat00002
는 제i MTC 디바이스의 송신 전력이고,
Figure 112020009374863-pat00003
는 제i MTC 디바이스 및 제k MTC 송신의 수신단(가령, 네트워크 환경(100)에서의 uRLLC 디바이스(151)로부터의 업링크 송신을 위한 시나리오에서, BS(120)) 간에 겪는 채널 이득이다.here,
Figure 112020009374863-pat00002
is the transmit power of the i-th MTC device,
Figure 112020009374863-pat00003
is the channel gain experienced between the i th MTC device and the receiving end of the k th MTC transmission (eg, BS 120 in the scenario for uplink transmission from uRLLC device 151 in network environment 100 ).

또한, 임의의 시간 t에서 제k MTC 디바이스로부터의 송신에 HTC 디바이스에 의해 도입된 도메인간 간섭은 다음과 같이 정의될 수 있다.In addition, the inter-domain interference introduced by the HTC device to the transmission from the kth MTC device at any time t may be defined as follows.

Figure 112020009374863-pat00004
Figure 112020009374863-pat00004

여기서

Figure 112020009374863-pat00005
는 제j HTC 디바이스의 송신 전력이고
Figure 112020009374863-pat00006
는 제j HTC 디바이스 및 제k MTC 송신의 수신단 간에 겪는 채널 이득이다.here
Figure 112020009374863-pat00005
is the transmit power of the jth HTC device,
Figure 112020009374863-pat00006
is the channel gain experienced between the j th HTC device and the receiving end of the k th MTC transmission.

그러면, 시간 t에서

Figure 112020009374863-pat00007
의 송신 전력으로 이득이
Figure 112020009374863-pat00008
인 채널을 통해 잡음 분산
Figure 112020009374863-pat00009
의 신호를 송신하는 제k MTC 디바이스에 대해, 달성가능한 신호 대 간섭 및 잡음 비율(Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio: SINR)은 다음과 같다.Then, at time t
Figure 112020009374863-pat00007
gain with the transmit power of
Figure 112020009374863-pat00008
Dissipate noise through the in-channel
Figure 112020009374863-pat00009
For a kth MTC device transmitting a signal of , the achievable Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio (SINR) is

Figure 112020009374863-pat00010
Figure 112020009374863-pat00010

전력 제어를 위한 미분 게임 프레임워크Differential game framework for power control

네트워크 환경(100)에서 MTC 디바이스를 위한 에너지 효율적인 송신 전력 제어 메커니즘은 전술된 바와 같이 각 MTC 디바이스의 잔여 배터리 에너지를 감안하는 에너지 인지형 방식으로 설계될 수 있는데, 이는 무선 디바이스의 에너지 효율이 그것의 배터리 수명에 직접적으로 비례하는 관계가 있다는 점에 의거한다.An energy efficient transmit power control mechanism for MTC devices in the network environment 100 may be designed in an energy-aware manner that takes into account the remaining battery energy of each MTC device as described above, where the energy efficiency of the wireless device is its It is based on the fact that there is a directly proportional relationship to battery life.

구체적으로, 실시예에 따르면, HTC 및 MTC가 공존하는 네트워크 환경에서 MTC 디바이스의 송신 전력을 어떻게 제어하여 에너지 소모를 개선하는지의 문제는 각 MTC 디바이스와 연관된 간섭 및 그것의 잔여 에너지 양자 모두의 동역학에 기반한 추계적인 미분 게임(Stochastic Differential Game: SDG)으로 정의될 수 있다. 그러한 SDG 프레임워크는 이 게임의 각 플레이어(player), 곧 MTC 디바이스를 위한 어떤 효용(utility)을 최대화(또는 비용 값(cost value)을 최소화)한다는 개념을 활용한다. 다시 말해, 위의 전력 제어 문제를 푼다는 것은 각 플레이어를 위한 최적의 전력 제어 정책을 정한다는 것이다.Specifically, according to an embodiment, the problem of how to improve energy consumption by controlling the transmit power of an MTC device in a network environment in which HTC and MTC coexist depends on the dynamics of both the interference associated with each MTC device and its residual energy. It can be defined as a stochastic differential game (SDG) based on Such an SDG framework utilizes the concept of maximizing some utility (or minimizing cost value) for each player in the game, namely an MTC device. In other words, solving the above power control problem means determining the optimal power control policy for each player.

이하에서, 논의를 위해, 시작 시간 Ti부터 최종 시간 Tf까지의 시간 구간 내의 모든 시점 t에 대해 MTC 디바이스의 송신 전력을 제어하기 위한 SDG가 정의된다. 통상적으로, 추계적인 미분 게임

Figure 112020009374863-pat00011
는 플레이어 세트
Figure 112020009374863-pat00012
={1,...,K}(가령, 전술된 전력 제어 SDG에서, 제1 내지 제K MTC 디바이스를 나타냄), 그리고 플레이어와 연관된 액션(action) 세트
Figure 112020009374863-pat00013
및 대응하는 상태 공간
Figure 112020009374863-pat00014
로 구성되며, 플레이어 세트
Figure 112020009374863-pat00015
내의 각 플레이어에 의해 취해지는 액션의 성능을 분석하는 수단으로서 효용 함수(또는 비용 함수)
Figure 112020009374863-pat00016
가 주어지며, 제어 정책
Figure 112020009374863-pat00017
는 시간 구간 [Ti,Tf]에 걸친 비용 값(즉, 이 시간 구간에 걸쳐 효용 함수가 누적된 값)을 최소화하고자 각 플레이어에 의해 취해지도록 정해진 일련의 액션(가령, 전술된 전력 제어 SDG에서, 각 플레이어의 송신 전력 값의 세트)이다.Hereinafter, for discussion, an SDG for controlling the transmit power of the MTC device is defined for all time points t in the time interval from the start time Ti to the end time T f . Typically, a game of stochastic differentiation
Figure 112020009374863-pat00011
is a set of players
Figure 112020009374863-pat00012
={1,...,K} (eg, in the power control SDG described above, representing the first through Kth MTC devices), and an action set associated with the player
Figure 112020009374863-pat00013
and the corresponding state space
Figure 112020009374863-pat00014
It consists of a set of players
Figure 112020009374863-pat00015
A utility function (or cost function) as a means of analyzing the performance of an action taken by each player in
Figure 112020009374863-pat00016
is given, and the control policy
Figure 112020009374863-pat00017
is a set of actions (e.g., the power control SDG described above) that are determined to be taken by each player to minimize the cost value over the time interval [T i ,T f ] (i.e. the accumulated utility function over this time interval). , is the set of transmit power values of each player).

실시예에 따르면, 전력 제어 SDG는 각각의 MTC 디바이스의 잔여 배터리 에너지 및 연관된 간섭에 기반하여 모델링된 상태 공간을 갖는다. 우선, MTC 디바이스는 제한된 배터리 에너지로 인해 유한한 시간 동안에만 송신을 한다. 일반적으로, t∈[Ti,Tf]인 임의의 시간 t에서 제k MTC 디바이스(k는 1, 2, ..., 또는 K)의 배터리의 가용 에너지

Figure 112020009374863-pat00018
의 상태 동역학, 곧 잔여 배터리 에너지 및 소모된 전력 간의 관계는 다음과 같이 베터리의 잔여 에너지 레벨
Figure 112020009374863-pat00019
가 송신 전력 소모
Figure 112020009374863-pat00020
에 따라 감소한다고 두더라도 무방하다.According to an embodiment, the power control SDG has a modeled state space based on the residual battery energy and associated interference of each MTC device. First, the MTC device only transmits for a finite amount of time due to limited battery energy. In general, the available energy of the battery of the kth MTC device (k is 1, 2, ..., or K) at any time t where t∈[T i ,T f ].
Figure 112020009374863-pat00018
The state dynamics of , that is, the relationship between the remaining battery energy and the power dissipated, is as follows:
Figure 112020009374863-pat00019
transmit power consumption
Figure 112020009374863-pat00020
It is safe even if we leave it to decrease according to

Figure 112020009374863-pat00021
Figure 112020009374863-pat00021

몇몇 예시적인 구현에서, 제k MTC 디바이스와 연관된 간섭

Figure 112020009374863-pat00022
는, 아래의 수학식 5에 표현된 바와 같이, 제k MTC 디바이스에 의해 유발된 간섭(이 예에서, 제k MTC 디바이스에 의해 다른 MTC 디바이스로부터의 송신에 도입된 도메인내 간섭 및 제k MTC 디바이스에 의해 HTC 디바이스로부터의 송신에 도입된 도메인간 간섭을 포함함)일 수 있다. 다만, 본 발명의 실시예는 이 점에 한정되지 않는데, 몇몇 다른 예시적인 구현에서 제k MTC 디바이스와 연관된 간섭
Figure 112020009374863-pat00023
는 제k MTC 송신에 대해 다른 디바이스에 의해 야기된 간섭(가령, 도메인내 간섭
Figure 112020009374863-pat00024
및 도메인간 간섭
Figure 112020009374863-pat00025
의 합)일 수 있다.In some example implementations, interference associated with the kth MTC device
Figure 112020009374863-pat00022
is, as expressed in Equation 5 below, the interference caused by the kth MTC device (in this example, intra-domain interference introduced by the kth MTC device to transmission from another MTC device and the kth MTC device) including inter-domain interference introduced in transmissions from HTC devices by However, embodiments of the present invention are not limited in this respect, and in some other exemplary implementations, interference associated with the kth MTC device
Figure 112020009374863-pat00023
is the interference caused by other devices on the kth MTC transmission (eg, intra-domain interference)
Figure 112020009374863-pat00024
and inter-domain interference
Figure 112020009374863-pat00025
sum of) can be

Figure 112020009374863-pat00026
Figure 112020009374863-pat00026

여기서

Figure 112020009374863-pat00027
는 제k MTC 디바이스의 송신 전력이고,
Figure 112020009374863-pat00028
는 제k MTC 디바이스 및 제i MTC 디바이스로부터의 송신의 수신단 간에 겪는 채널 이득이며,
Figure 112020009374863-pat00029
는 제k MTC 디바이스 및 제j HTC 디바이스로부터의 송신의 수신단 간에 겪는 채널 이득이다. 또한, 위 수학식은 간섭 레벨
Figure 112020009374863-pat00030
이 송신 전력
Figure 112020009374863-pat00031
와 간섭 이득
Figure 112020009374863-pat00032
의 곱으로서 나타내어질 수 있음을 보여준다. 그러면, 간섭 상태의 동역학은 다음과 같이 나타낼 수 있다.here
Figure 112020009374863-pat00027
is the transmit power of the kth MTC device,
Figure 112020009374863-pat00028
is the channel gain experienced between the k th MTC device and the receiving end of the transmission from the i th MTC device,
Figure 112020009374863-pat00029
is the channel gain experienced between the receiving end of the transmission from the kth MTC device and the jth HTC device. In addition, the above equation is the interference level
Figure 112020009374863-pat00030
this transmit power
Figure 112020009374863-pat00031
with interference gain
Figure 112020009374863-pat00032
shows that it can be expressed as a product of Then, the dynamics of the interference state can be expressed as

Figure 112020009374863-pat00033
Figure 112020009374863-pat00033

실시예에 따르면, 전력 제어 SDG를 위한 상태 공간은 다음과 같이 2차원으로 정의된다.According to an embodiment, the state space for the power control SDG is defined in two dimensions as follows.

Figure 112020009374863-pat00034
Figure 112020009374863-pat00034

전술된 바와 같이, SDG에서 각 플레이어의 목표는 최적 제어 정책을 결정하기 위해 각자의 효용을 최대화하는 것이다. 실시예에서, 각각의 MTC 디바이스는 전력 소모를 최소화하여 결국 배터리 수명을 최대화하고자 하는데, 이는 적절한 효용 함수를 사용하여 달성될 수 있다. 예를 들어, 효용 함수는 다음과 같이 정의될 수 있다.As mentioned above, each player's goal in the SDG is to maximize their respective utility to determine an optimal control policy. In an embodiment, each MTC device seeks to minimize power consumption and ultimately maximize battery life, which can be achieved using an appropriate utility function. For example, the utility function can be defined as

Figure 112020009374863-pat00035
Figure 112020009374863-pat00035

여기서

Figure 112020009374863-pat00036
는 수학식 3에서 정의된 SINR이고,
Figure 112020009374863-pat00037
는 신뢰성 있는 통신 링크를 수립하는 데에 요구되는 SINR 임계 값(가령, 이는 모든 MTC 디바이스에 대해 동일하다고 가정될 수 있음)이며,
Figure 112020009374863-pat00038
는 제k MTC 디바이스의 송신 전력
Figure 112020009374863-pat00039
및 SINR
Figure 112020009374863-pat00040
간의 차이의 단위를 조화시키기 위해 포함된 상수이다. 이 효용 함수에는 제k MTC 디바이스가 경험하는 통신 성능을 특징짓는 SINR 및 제k MTC 디바이스에 의해 취해지는 송신 전력이 모두 반영되어 있다는 점이 인식될 것이다. 또한, 위와 같이 주어진 효용 함수가
Figure 112020009374863-pat00041
에 대해 볼록(convex)임은 쉽게 증명될 수 있다.here
Figure 112020009374863-pat00036
is the SINR defined in Equation 3,
Figure 112020009374863-pat00037
is the SINR threshold required to establish a reliable communication link (eg, it can be assumed to be the same for all MTC devices),
Figure 112020009374863-pat00038
is the transmit power of the kth MTC device
Figure 112020009374863-pat00039
and SINR
Figure 112020009374863-pat00040
A constant included to reconcile the units of difference between them. It will be appreciated that this utility function reflects both the SINR, which characterizes the communication performance experienced by the kth MTC device, and the transmit power taken by the kth MTC device. Also, the utility function given above is
Figure 112020009374863-pat00041
It can be easily proved that it is convex with respect to .

이제, 실시예에 따르면, 전력 제어 문제는 시간 구간 [Ti,Tf] 동안에 수학식 8에 의해 주어진 효용 함수가 누적된 비용 값을 최소화하는 최적의 송신 전력 제어 정책

Figure 112020009374863-pat00042
를 결정하는 문제로 귀결된다. 그러한 최적 제어 문제는 다음과 같이 표현될 수 있다.Now, according to an embodiment, the power control problem is an optimal transmit power control policy in which the utility function given by Equation (8) minimizes the accumulated cost value during the time interval [T i ,T f ]
Figure 112020009374863-pat00042
comes down to the problem of determining Such an optimal control problem can be expressed as

Figure 112020009374863-pat00043
Figure 112020009374863-pat00043

여기서

Figure 112020009374863-pat00044
는 최종 시간 Tf에서의 효용 함수의 값이다.here
Figure 112020009374863-pat00044
is the value of the utility function at the final time T f .

실시예에서, 이 최적 제어 문제를 다루기 위해 다음과 같은 가치 함수(value function)가 도입된다.In an embodiment, the following value function is introduced to deal with this optimal control problem.

Figure 112020009374863-pat00045
Figure 112020009374863-pat00045

여기서

Figure 112020009374863-pat00046
는 최종 시간 Tf에서의 최종 상태
Figure 112020009374863-pat00047
에서 가치 함수가 갖는 값이다.here
Figure 112020009374863-pat00046
is the final state at the final time T f
Figure 112020009374863-pat00047
is the value of the value function in .

그러면, 최적 제어 프로파일

Figure 112020009374863-pat00048
(단, k∈
Figure 112020009374863-pat00049
)이 미분 게임
Figure 112020009374863-pat00050
의 내쉬 균형(Nash Equilibrium: NE)이기 위한 필요 충분 조건은 다음과 같다.Then, the optimal control profile
Figure 112020009374863-pat00048
(However, k∈
Figure 112020009374863-pat00049
) this differential game
Figure 112020009374863-pat00050
The necessary and sufficient conditions for a Nash Equilibrium (NE) of

Figure 112020009374863-pat00051
Figure 112020009374863-pat00051

여기서

Figure 112020009374863-pat00052
는 제k MTC 디바이스를 제외한 모든 MTC 디바이스의 송신 전력 벡터이다. 어떤 MTC 디바이스도 최적 제어 정책 외의 다른 전력 제어 정책을 채택하여 효용 함수를 더 낮출 수는 없다.here
Figure 112020009374863-pat00052
is the transmit power vector of all MTC devices except the kth MTC device. No MTC device can adopt a power control policy other than the optimal control policy to further lower the utility function.

구체적으로, 최적 제어 이론과 Bellman의 최적성 원리에 따르면, Hamilton-Jacobi-Bellman (HJB) 방정식으로 알려진 편미분 방정식을 수학식 10의 가치 함수가 만족한다. 가치 함수가 HJB 방정식의 해인바, 이는 수학식 8과 같은 연관된 효용 함수를 갖는 동적 미분 게임 시스템에 대해 최대의 효용(즉, 최소의 비용)을 가져온다. 실시예에서, HJB 방정식은 다음과 같다.Specifically, according to the optimal control theory and Bellman's optimality principle, the value function of Equation 10 satisfies the partial differential equation known as the Hamilton-Jacobi-Bellman (HJB) equation. Since the value function is a solution of the HJB equation, it results in maximum utility (ie, minimum cost) for a dynamic differential game system with an associated utility function as in equation (8). In an embodiment, the HJB equation is:

Figure 112020009374863-pat00053
Figure 112020009374863-pat00053

여기서 해밀토니안(Hamiltonian)은 다음과 같이 정의된다.Here, the Hamiltonian is defined as follows.

Figure 112020009374863-pat00054
Figure 112020009374863-pat00054

HJB 방정식의 고유한 해를 찾을 수 있다면 전술된 미분 게임에 대해 NE의 존재가 보장된다. 수학식 12의 HJB 방정식에 대한 해가 존재하는 것은 해밀토니안이 평활한(smooth) 경우인데, 앞서 정의된 효용 함수는 연속성을 가지므로 수학식 13의 해밀토니안은 평활하다. 결국, 전력 제어 미분 게임

Figure 112020009374863-pat00055
에서 적어도 하나의 NE가 존재한다.The existence of NE is guaranteed for the above-described differential game if a unique solution of the HJB equation can be found. A solution to the HJB equation of Equation 12 exists when the Hamiltonian is smooth. Since the utility function defined above has continuity, the Hamiltonian of Equation 13 is smooth. After all, the power-controlled differential game
Figure 112020009374863-pat00055
There is at least one NE in

그런데, 총 K개의 MTC 디바이스가 포함된 네트워크 환경에서 위와 같은 미분 게임의 NE에 도달하게 하는 수렴된 해를 구하는 것은 K개의 편미분 방정식을 동시에 찾는다는 뜻이므로, 그것과 연관된 차원적인 어려움(즉, 그 복잡도가 MTC 디바이스의 수가 늘어남에 따라 지수적으로 증가하는 것) 때문에 사실상 실현하기가 어렵다. 따라서, 예시적인 송신 전력 제어 기법은, 이하에서 논의되는 바와 같이, 그러한 SDG를 평균장(Mean Field: MF) 개념에 기반한 평균장 게임(Mean Field Game: MFG)으로 근사화하여 해결하는 방식으로 구현될 수 있다.However, in a network environment including a total of K MTC devices, finding a converged solution that leads to the NE of the above differential game means finding K partial differential equations at the same time, so the dimensional difficulty (that is, the It is difficult to realize in practice because the complexity increases exponentially as the number of MTC devices increases. Therefore, the exemplary transmit power control technique is to be implemented in a way to solve such an SDG by approximating it to a Mean Field Game (MFG) based on the Mean Field (MF) concept, as discussed below. can

전력 제어를 위한 평균장 게임 프레임워크Mean Field Game Framework for Power Control

MF 개념에 따르면, 어떤 미분 게임이 만일 플레이어의 수가 매우 커진다면 MFG 이론을 기반으로 풀기에 적합하게 된다. MFG는 HJB 방정식과 Fokker-Planck-Kolmogorov (FPK) 방정식이 결합된 시스템으로 표현된다. FPK 방정식은 취해진 액션에 따라 모든 플레이어의 집합적 거동을 모델링하여 MF의 전개를 기술하는 데에 사용되며, HJB 방정식은 개별 플레이어와 MF와의 관계를 모델링하는 데에 사용되므로 주어진 시간 구간에 걸친 해당 플레이어의 최적 제어 정책의 판정을 좌우한다.According to the MF concept, any differential game becomes suitable for solving based on the MFG theory if the number of players becomes very large. MFG is expressed as a system in which the HJB equation and the Fokker-Planck-Kolmogorov (FPK) equation are combined. The FPK equation is used to describe the evolution of the MF by modeling the collective behavior of all players according to the action taken, and the HJB equation is used to model the relationship between the individual player and the MF, so that player over a given time interval. determines the optimal control policy of

실시예에서, 전술된 전력 제어 미분 게임

Figure 112020009374863-pat00056
에 대해, 평균장은 다음과 같이 임의의 주어진 시간에서 플레이어 세트에 걸친 그 게임의 상태의 통계적 분포로 정의된다.In an embodiment, the power control differential game described above
Figure 112020009374863-pat00056
For , the mean field is defined as the statistical distribution of the state of the game over a set of players at any given time as

Figure 112020009374863-pat00057
Figure 112020009374863-pat00057

여기서

Figure 112020009374863-pat00058
은 주어진 조건이 참이면 1이고 그렇지 않으면 0인 지표 함수를 나타내고,
Figure 112020009374863-pat00059
는 수학식 7에서 주어진 바와 같이 전력 제어 게임의 상태 공간이다.here
Figure 112020009374863-pat00058
denotes an index function that is 1 if the given condition is true and 0 otherwise,
Figure 112020009374863-pat00059
is the state space of the power control game as given in equation (7).

실시예에서, MTC 디바이스를 위한 전력 제어 미분 게임을 MFG로 전환하는 것은 다음과 같은 특성을 전제로 한다. 첫째, 개별 플레이어는 최적 제어 정책을 택하면서 합리적이고 독립적인 방식으로 행동한다. 둘째, 각 플레이어는 다른 플레이어와의 개별적인 상호작용에 참여하기보다는 평균장과 상호작용하는 것이다. 셋째, 전력 제어에서 제공되는 MTC 디바이스의 수가 많음은 평균장 모델의 연속성을 보장한다. 넷째, 평균장 근사화를 사용하여 플레이어의 액션이 모델링되는데, 이들은 서로 바뀌더라도 결과에 영향을 미치지 않는다는 상호교환성이 있다.In an embodiment, converting the power control differential game for MTC device to MFG is premised on the following characteristics. First, individual players act in a rational and independent manner, choosing an optimal control policy. Second, each player interacts with the average player rather than engaging in individual interactions with the other players. Third, the large number of MTC devices provided in power control guarantees the continuity of the average field model. Fourth, the player's actions are modeled using a mean-length approximation, with the interchangeability that changing them does not affect the outcome.

실시예에서, 많은 수의 MTC 디바이스를 다루기 위해, 다음과 같은 평균장 근사화된 간섭을 고려할 수 있다.In an embodiment, to deal with a large number of MTC devices, the following mean-field approximated interference may be considered.

Figure 112020009374863-pat00060
Figure 112020009374863-pat00060

여기서

Figure 112020009374863-pat00061
는 MF 근사화에서 제i MTC 디바이스에 대해 요구되는 송신 전력이고,
Figure 112020009374863-pat00062
는 MF 근사화된 채널 이득이다. 예를 들어, 업링크 송신 테스트 시나리오에서, 각 MTC 디바이스의 송신 전력이 주어지고 제k MTC 디바이스로부터 BS로 의도된 신호가
Figure 112020009374863-pat00063
의 송신 전력으로 송신된다고 가정하자. 그러면, BS에서 수신된 전력
Figure 112020009374863-pat00064
는 다음 수학식과 같이 수신된 의도된 신호의 전력
Figure 112020009374863-pat00065
과 그러한 신호에 대한 총 간섭의 전력의 합이다.here
Figure 112020009374863-pat00061
is the transmit power required for the i th MTC device in the MF approximation,
Figure 112020009374863-pat00062
is the MF approximated channel gain. For example, in the uplink transmit test scenario, the transmit power of each MTC device is given and the signal intended from the kth MTC device to the BS is
Figure 112020009374863-pat00063
Assume that it is transmitted with a transmit power of . Then, the power received from the BS
Figure 112020009374863-pat00064
is the power of the received intended signal as in the following equation
Figure 112020009374863-pat00065
and the power of the total interference for such a signal.

Figure 112020009374863-pat00066
Figure 112020009374863-pat00066

따라서, 채널 이득

Figure 112020009374863-pat00067
가 추정될 수 있다. 또한, 추정된 채널 이득을 사용하여, 수학식 3과 마찬가지 형태를 갖는 MF 근사화된 SINR
Figure 112020009374863-pat00068
가, 그리고 결국 MF 근사화된 효용 함수
Figure 112020009374863-pat00069
가 주어질 수 있다.Therefore, the channel gain
Figure 112020009374863-pat00067
can be estimated. In addition, using the estimated channel gain, the MF approximated SINR having the same form as Equation 3
Figure 112020009374863-pat00068
a, and eventually MF the approximated utility function
Figure 112020009374863-pat00069
can be given

Figure 112020009374863-pat00070
Figure 112020009374863-pat00070

위와 같이 효용 함수

Figure 112020009374863-pat00071
가 주어지면, 전력 제어 MFG는 HJB 방정식과 FPK 방정식의 결합으로 정의될 수 있다. 우선, FPK 방정식은 다음과 같다.As above, the utility function
Figure 112020009374863-pat00071
Given , the power control MFG can be defined as a combination of the HJB equation and the FPK equation. First, the FPK equation is:

Figure 112020009374863-pat00072
Figure 112020009374863-pat00072

그리고, 위의 FPK 방정식과 조합되는 HJB 방정식은 수학식 12와 마찬가지 형태로 주어진다.And, the HJB equation combined with the above FPK equation is given in the same form as in Equation 12.

Figure 112020009374863-pat00073
Figure 112020009374863-pat00073

FPK 및 HJB 방정식은 각각 순방향(forward) 및 역방향(backward) 방정식으로도 칭해지는데, 이는 각 방정식과 평균장과의 상호작용의 특성에 따른 것이다. 즉, HJB 방정식은 언제나 시간에 있어서 역방향으로 풀려

Figure 112020009374863-pat00074
가 획득되며, FPK는 시간에 따라 순방향으로 전개되어
Figure 112020009374863-pat00075
가 획득된다.The FPK and HJB equations are also referred to as forward and backward equations, respectively, depending on the nature of their interaction with the mean field. That is, the HJB equation is always solved in the reverse direction in time.
Figure 112020009374863-pat00074
is obtained, and the FPK develops forward with time
Figure 112020009374863-pat00075
is obtained

나아가, 최적의 가치 함수

Figure 112020009374863-pat00076
및 평균장
Figure 112020009374863-pat00077
를 통해 표현되는 안정적이고 수렴되는 최적 제어 정책을 평균장 균형(Mean Field Equilibrium: MFE)이라고 정의할 수 있다. 실시예에서, 전력 제어 MFG의 MFE는 유한 차분법을 사용하여 달성할 수 있다. 특히, 몇몇 예시적인 구현에서, MFG의 HJB-FPK 방정식 조합을 푸는 데에 다음과 같이 Lax-Freidrichs 기법이 적용된다. 우선, 시간 구간 [0, Tf](편의상, MFG의 시작 시간 Ti는 0이라고 가정됨), 에너지 상태 구간 [0, Emax] 및 간섭 상태 구간 [0, βmax]가 각각 3차원 도메인 공간의 x축, y축 및 z축 상으로 이산화되어 맵핑된다. 예를 들어, 이산화된 3차원 공간은 x축, y축 및 z축에서의 스텝 크기(step size)
Figure 112020009374863-pat00078
,
Figure 112020009374863-pat00079
Figure 112020009374863-pat00080
가 각각 다음과 같이 균일한 격자 공간(grid space)일 수 있다.Furthermore, the optimal value function
Figure 112020009374863-pat00076
and average length
Figure 112020009374863-pat00077
A stable and convergent optimal control policy expressed through ? can be defined as Mean Field Equilibrium (MFE). In an embodiment, the MFE of the power control MFG may be achieved using a finite difference method. In particular, in some exemplary implementations, the Lax-Freidrichs technique is applied as follows to solve the combination of HJB-FPK equations in MFG. First, the time interval [0, T f ] (for convenience, it is assumed that the start time T i of the MFG is 0), the energy state interval [0, E max ], and the interference state interval [0, β max ] are three-dimensional domains, respectively. It is discretized and mapped onto the x-axis, y-axis, and z-axis of space. For example, a discretized three-dimensional space has a step size in the x-axis, y-axis, and z-axis.
Figure 112020009374863-pat00078
,
Figure 112020009374863-pat00079
and
Figure 112020009374863-pat00080
Each may be a uniform grid space as follows.

Figure 112020009374863-pat00081
Figure 112020009374863-pat00081

그러면, MFG의 해를 획득하는 것은 3차원 격자 공간 내의 각각의 격자점에 대해 FPK 및 HJB 방정식을 푸는 것을 수반한다. 이 기법이 적용되면 FPK 방정식은 다음과 같이 이산화된다.Then, obtaining a solution of the MFG involves solving the FPK and HJB equations for each grid point in the three-dimensional grid space. When this technique is applied, the FPK equation is discretized as

Figure 112020009374863-pat00082
Figure 112020009374863-pat00082

여기서

Figure 112020009374863-pat00083
,
Figure 112020009374863-pat00084
Figure 112020009374863-pat00085
는 각각 격자 공간 내의 격자점 (i,j,k)(즉, 시간 i, 에너지 레벨 j 및 간섭 상태 k)에서의 평균장, 송신 전력 및 간섭 이득을 나타낸다.here
Figure 112020009374863-pat00083
,
Figure 112020009374863-pat00084
and
Figure 112020009374863-pat00085
denotes the average field, transmit power and interference gain at grid points (i, j, k) (ie, time i, energy level j, and interference state k) in grid space, respectively.

HJB 방정식은 해밀토니안으로 인해 이를 푸는 데에 유한 차분법이 바로 적용될 수 없으므로, 최적 제어 문제는 다음과 같이 HJB 방정식에 FPK 방정식이 그 제약으로서 결합된 MFG 문제로 새로 정의된다.Since the finite difference method cannot be directly applied to solve the HJB equation due to the Hamiltonian, the optimal control problem is newly defined as an MFG problem in which the FPK equation is combined with the HJB equation as a constraint as follows.

Figure 112020009374863-pat00086
Figure 112020009374863-pat00086

그러면, 다음 수학식에서 볼 수 있는 바와 같이,

Figure 112020009374863-pat00087
=0으로 설정하고 라그랑주 승수(Lagrange multiplier)
Figure 112020009374863-pat00088
를 도입함으로써 라그랑지안(Lagrangian)
Figure 112020009374863-pat00089
이 획득된다.Then, as can be seen from the following equation,
Figure 112020009374863-pat00087
=0 and Lagrange multiplier
Figure 112020009374863-pat00088
Lagrangian by introducing
Figure 112020009374863-pat00089
this is obtained

Figure 112020009374863-pat00090
Figure 112020009374863-pat00090

이제, FPK 방정식을 풀기 위한 수학식 21의 변환과 마찬가지로 수학식 23을 푸는 데에 유한 차분법을 적용함으로써, MFG로서 새로 정의된 최적 제어 문제를 풀 수가 있다. 이에 따라, 다음과 같이 이 MFG를 위한 이산화된 라그랑지안이 주어진다.Now, by applying the finite difference method to solving Equation 23 like the transformation of Equation 21 for solving the FPK equation, the optimal control problem newly defined as MFG can be solved. Accordingly, the discretized Lagrangian for this MFG is given as

Figure 112020009374863-pat00091
Figure 112020009374863-pat00091

여기서

Figure 112020009374863-pat00092
,
Figure 112020009374863-pat00093
Figure 112020009374863-pat00094
는 각각 다음과 같다.here
Figure 112020009374863-pat00092
,
Figure 112020009374863-pat00093
and
Figure 112020009374863-pat00094
are each as follows.

Figure 112020009374863-pat00095
Figure 112020009374863-pat00095

Figure 112020009374863-pat00096
Figure 112020009374863-pat00096

Figure 112020009374863-pat00097
Figure 112020009374863-pat00097

이들 식에서

Figure 112020009374863-pat00098
,
Figure 112020009374863-pat00099
,
Figure 112020009374863-pat00100
Figure 112020009374863-pat00101
는 각각 격자 공간 내의 격자점 (i,j,k)(즉, 시간 i, 에너지 레벨 j 및 간섭 상태 k)에서의 평균장, 송신 전력, 효용 함수 값 및 라그랑주 승수를 나타낸다.in these formulas
Figure 112020009374863-pat00098
,
Figure 112020009374863-pat00099
,
Figure 112020009374863-pat00100
and
Figure 112020009374863-pat00101
denotes the average field, transmit power, utility function value and Lagrange multiplier at grid points (i, j, k) (ie, time i, energy level j and interference state k) in grid space, respectively.

수렴된 최적 제어 정책을 위해서는 격자 공간에 대해 최적의 결정 변수 P*, M*, λ*가 Karush-Kuhn-Tucker (KKT) 조건을 만족하여야 한다. 격자 공간 내의 임의의 점 (i,j,k)에 있어서, 최적의 송신 제어 정책은 다음의 수학식이 0이 되도록 하는 것이다.For the converged optimal control policy, the optimal decision variables P * , M * , λ * for the lattice space must satisfy the Karush-Kuhn-Tucker (KKT) condition. At any point (i, j, k) in the grid space, the optimal transmission control policy is such that the following equation is zero.

Figure 112020009374863-pat00102
Figure 112020009374863-pat00102

추가적으로,

Figure 112020009374863-pat00103
으로부터 라그랑주 승수에 관한 다음의 관계가 도출된다.Additionally,
Figure 112020009374863-pat00103
From , the following relation with respect to the Lagrange multiplier is derived.

Figure 112020009374863-pat00104
Figure 112020009374863-pat00104

예시적인 송신 전력 제어 기법Exemplary transmit power control technique

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 MTC를 위해 송신 전력을 제어하는 기법을 의사코드(pseudocode)의 형태로 제시한다. 예시적인 송신 전력 제어 기법은 네트워크 환경(가령, 네트워크 환경(100)) 내의 개별 MTC 디바이스의 송신 전력을 최적으로 조정하여 송신 기간 동안의 배터리 에너지 소모를 최소화하기 위한 것이다. 이를 위해, 네트워크 환경 내의 MTC 디바이스와 연관된 간섭이 고려될 수 있다(그러한 간섭은 MTC 디바이스의 통신 외에도 HTC 디바이스의 액세스를 위해 구성된 네트워크 환경에서 해당 MTC 디바이스에 의해 유발되어 다른 MTC 디바이스가 겪는 간섭은 물론 HTC 디바이스가 겪는 간섭도 나타낸다).2 shows a method for controlling transmit power for MTC in the form of pseudocode according to an embodiment of the present invention. An exemplary transmit power control technique is to optimally adjust the transmit power of an individual MTC device in a network environment (eg, network environment 100 ) to minimize battery energy consumption during a transmit period. To this end, interference associated with the MTC device in the network environment may be considered (such interference is caused by the MTC device in a network environment configured for access of the HTC device in addition to the communication of the MTC device, as well as the interference experienced by other MTC devices It also shows the interference experienced by the HTC device).

실시예에서, 송신 전력 제어 기법은 네트워크 환경 내에 위치된 다수의 MTC 디바이스에 걸친 시스템 상태(이는 잔여 배터리 에너지 및 연관된 간섭에 의해 정의된 2차원 상태일 수 있음)의 통계적 분포를 나타내는 평균장의 FPK 방정식이 시간 구간(가령, [0, Tf])에 걸친 각각의 MTC 디바이스의 송신 전력의 최적 제어 정책의 판정을 좌우하는 HJB 방정식에 제약으로서 결합된 평균장 게임의 해를 유한 차분법을 사용하여 획득하는 것을 수반한다. 각각의 MTC 디바이스의 송신 전력의 최적 제어 정책은 해당 MTC 디바이스로부터의 송신의 SINR 및 송신 전력에 기반한 효용 함수가 시간 구간에 걸쳐 누적된 비용 값을 최소화한다. 예시적인 송신 전력 제어 기법에 따르면, 도 2에 보여진 바와 같이, 시간 구간과 더불어, 잔여 배터리 에너지의 구간(가령, [0, Emax]) 및 연관된 간섭의 구간(가령, [0, βmax])에 의해 정의된 3차원 도메인 공간이 이산화된 격자 공간 내의 복수의 격자점 각각에 대해, FPK 방정식의 이산화된 버전(version)을 사용하여 시간에 있어서 순방향으로 평균장의 갱신치(updated value)가 계산되고, 평균장 게임을 위한 이산화된 라그랑지(이는 수학식 24에서 볼 수 있듯이 효용 함수에 기반함)에 기반하여 시간에 있어서 역방향으로 송신 전력의 갱신치가 계산될 수 있는데, 수렴 해를 얻기 위해 그러한 계산에서 수학식 21, 수학식 28 및 수학식 29가 반복적으로 사용될 수 있다. 구체적으로, 그러한 MFG의 해는 다음과 같이 획득될 수 있다.In an embodiment, the transmit power control technique is an FPK equation of a mean field representing the statistical distribution of a system state (which may be a two-dimensional state defined by residual battery energy and associated interference) across multiple MTC devices located within a network environment. Using the finite difference method, the solution of the mean field game coupled as a constraint to the HJB equation governing the determination of the optimal control policy of the transmit power of each MTC device over this time interval (e.g., [0, T f ]) It entails acquiring The optimal control policy of the transmit power of each MTC device minimizes the cost value accumulated over the time interval by a utility function based on the transmit power and the SINR of the transmission from that MTC device. According to the exemplary transmit power control scheme, as shown in FIG. 2 , in addition to a time interval, an interval of remaining battery energy (eg, [0, E max ]) and an interval of associated interference (eg, [0, β max ]) For each of a plurality of lattice points in the lattice space where the three-dimensional domain space defined by Then, based on the discretized Lagrangian for the mean field game (which is based on the utility function as shown in Equation 24), the update value of the transmit power in the reverse direction in time can be calculated, in order to obtain a convergence solution. Equation 21, Equation 28 and Equation 29 may be repeatedly used in calculations. Specifically, the solution of such MFG can be obtained as follows.

실시예에 따르면, 단계(205)에 의해 나타내어진 바와 같이, 먼저 평균장, 라그랑주 승수 및 송신 전력 각각의 초기치(initial value)가 획득된다. 평균장은 FPK 방정식에 따라 시간에 있어서 순방향으로 전개되므로, 평균장의 초기치는 격자 공간 내의 격자점 (0,0,0)에 대해 주어진다. HJB 방정식이 시간에 있어서 역방향으로 계산되므로, 송신 전력과 라그랑주 승수 각각의 초기치는 격자점 (X+1,0,0)에 대해 주어진다.According to an embodiment, as indicated by step 205 , initial values of each of the average field, Lagrange multiplier and transmit power are first obtained. Since the average field develops forward in time according to the FPK equation, the initial value of the average field is given for a grid point (0,0,0) in grid space. Since the HJB equation is calculated in the reverse direction in time, the initial values of the transmit power and each of the Lagrange multipliers are given for the grid point (X+1,0,0).

이후, 단계(210), 단계(215) 및 단계(220)를 반복하는 루프 반복(loop iteration)이 수행된다. 이 루프 반복은 반복 종료 조건이 만족될 때까지 반복된다. 예를 들어, 그러한 종료 조건은 루프가 사전설정된 최대 반복 횟수(Itermax)만큼 반복된 것일 수 있다. 몇몇 예시적인 구현에서, 이 루프 반복은 다른 독립적인 반복 종료 조건이 만족된 경우에 종료될 수 있는데, 예를 들어, 루프의 반복 횟수(Iter)가 최대 반복 횟수에 미치지 않더라도, 평균장의 갱신치 및 그것의 이전 값의 차이가 사전설정된 값(가령, 10-5)보다 작다면 루프 반복은 종료될 수 있다.Thereafter, a loop iteration repeating steps 210 , 215 , and 220 is performed. This loop iteration is repeated until the iteration termination condition is satisfied. For example, such a termination condition may be that the loop iterates for a preset maximum number of iterations (Iter max ). In some exemplary implementations, this loop iteration may be terminated when other independent iteration termination conditions are satisfied, for example, even if the number of iterations of the loop (Iter) does not reach the maximum number of iterations, the update value of the average field and If the difference between its previous value is less than a preset value (eg, 10 -5 ), the loop iteration may end.

단계(210)에서, 격자 공간 내의 각각의 격자점에 대해, 이산화된 FPK 방정식(가령, 수학식 21)을 사용하여 평균장의 갱신치가 계산되는데, FPK 방정식의 이산화된 버전은 송신 전력에 의존하는 항 및 간섭 이득에 의존하는 항을 포함할 수 있다. 특히, 수학식 21으로부터, 평균장의 갱신치

Figure 112020009374863-pat00105
는 시간에 있어서 순방향으로 계산된 것임이 이해될 수 있다. 추가로, 잔여 배터리 에너지 상태만 스텝 크기만큼 변화시킨 송신 전력
Figure 112020009374863-pat00106
가 0이 아니라면 시간 및 두 상태 변수 모두 각자의 스텝 크기만큼 변화시킨 평균장
Figure 112020009374863-pat00107
은 0이 될 수 있고, 그렇지 않으면 그러한 변화가 없을 때의 평균장
Figure 112020009374863-pat00108
과 동일하게 유지될 수 있다.In step 210, for each grid point in grid space, an update of the mean field is computed using a discretized FPK equation (e.g., Equation 21), the discretized version of the FPK equation being a term dependent on transmit power and a term dependent on the interference gain. In particular, from Equation (21), the update value of the average length
Figure 112020009374863-pat00105
It can be understood that is calculated in the forward direction in time. In addition, transmit power with only the remaining battery energy state changed by the step size
Figure 112020009374863-pat00106
If is non-zero, the average length of time and both state variables changed by their respective step sizes
Figure 112020009374863-pat00107
can be zero, otherwise the average field with no such change
Figure 112020009374863-pat00108
can remain the same as

단계(215)에서, 격자 공간 내의 각각의 격자점에 대해, 라그랑주 승수의 갱신치가 계산되는데, 이는 오직 상기 평균장에 대한 이산화된 라그랑지안의 변화율(즉,

Figure 112020009374863-pat00109
)이 0임을 나타내는 관계식(가령, 수학식 29)에 기반할 수 있다. 특히, 라그랑주 승수의 갱신치
Figure 112020009374863-pat00110
는 시간에 있어서 역방향으로 계산된 것임이 이해될 수 있다.In step 215, for each grid point in grid space, an update of the Lagrange multiplier is computed, which is only the rate of change of the discretized Lagrangian with respect to the mean field (i.e.,
Figure 112020009374863-pat00109
) may be based on a relational expression indicating that 0 is 0 (eg, Equation 29). In particular, the update value of the Lagrange multiplier
Figure 112020009374863-pat00110
It can be understood that is calculated in the reverse direction in time.

단계(220)에서, 격자 공간 내의 각각의 격자점에 대해, 송신 전력의 갱신치가 계산되는데, 이는 오직 송신 전력에 대한 이산화된 라그랑지안의 변화율(가령, 수학식 28)이 0임(즉,

Figure 112020009374863-pat00111
)을 나타내는 관계식에 기반할 수 있다. 특히, 송신 전력의 갱신치
Figure 112020009374863-pat00112
는 시간에 있어서 역방향으로 계산된 것임이 이해될 수 있다.In step 220, for each grid point in grid space, an update of transmit power is computed, which only means that the rate of change of the discretized Lagrangian with respect to transmit power (e.g., Equation 28) is zero (i.e.,
Figure 112020009374863-pat00111
) can be based on a relational expression representing In particular, the update value of the transmit power
Figure 112020009374863-pat00112
It can be understood that is calculated in the reverse direction in time.

실시예에서, MFG의 해는 장래의 참조를 위해 다수의 MTC 디바이스에 대해 일괄처리(batch processing)을 수행하는 방식으로 획득될 수 있다. 또한, 획득된 해는 나중에 네트워크 환경 내의 MTC 디바이스에 의해 최적 제어 정책에 부합하는 MTC 송신을 위해 인덱싱 동작으로써 참조될 데이터 구조(가령, 룩업 테이블(Look-Up Table: LUT))의 형태로 제공될 수 있고, 이에 따라 MTC 디바이스는 최적으로 제어된 전력으로써 송신할 수가 있다. 몇몇 예시적인 구현에서, MTC 디바이스가 HTC 디바이스와 공존하는 네트워크 환경에서 MTC 디바이스에서 이용가능한 배터리 에너지 레벨 및 MTC 디바이스와 연관된 간섭의 측정치를 사용하여 도 2에 예시된 송신 전력 제어 기법에 따라 MFG 해가 일괄 처리 방식으로 획득되고, 획득된 해는 네트워크 환경 내에 장래에 존재할 어떤 MTC 디바이스에 의해서든 최적의 송신 전력으로써 MTC 송신을 수행하는 데에 사용될 수 있도록 LUT 형태로 저장될 수 있다. 이에 따라, 그러한 MTC 디바이스는 개별적으로 LUT 내의 이미 획득된 MFG 해를 참조함으로써 실시간으로 MFG를 푸는 방식의 구현보다 감소된 지연시간이라는 이점을 얻을 수 있고, 특히 저지연이 요구되는 애플리케이션(가령, uRLLC)에서 유리할 것이다.In an embodiment, the solution of the MFG may be obtained in such a way that batch processing is performed for multiple MTC devices for future reference. In addition, the obtained solution is to be provided in the form of a data structure (eg, Look-Up Table (LUT)) to be referenced as an indexing operation for MTC transmission conforming to the optimal control policy by the MTC device in the network environment later. This allows the MTC device to transmit with optimally controlled power. In some example implementations, in a network environment where the MTC device coexists with the HTC device, the MFG solution is determined according to the transmit power control scheme illustrated in FIG. 2 using the battery energy level available at the MTC device and measurements of interference associated with the MTC device It is obtained in a batch processing manner, and the obtained solution may be stored in a LUT form so that it can be used by any MTC device that will exist in the future in a network environment to perform MTC transmission with optimal transmission power. Accordingly, such an MTC device can obtain the advantage of reduced latency over the implementation of the real-time MFG solving method by individually referencing the already obtained MFG solution in the LUT, especially in applications requiring low latency (e.g., uRLLC ) will be advantageous.

예시적인 송신 전력 제어 장치Exemplary transmit power control device

도 3은 본 발명의 실시예에 따라 MTC를 위한 송신 전력 제어를 수행하는 장치의 블록도이다. 예시적인 송신 전력 제어 장치(300)는 전술된 송신 전력 제어 기법을 사용하여 무선 통신 네트워크 환경(가령, 네트워크 환경(100)) 내의 MTC 디바이스를 위한 최적의 송신 전력 제어 정책을 판정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 무선 통신 장치(300)는 네트워크 환경 내에 위치된 디바이스, 또는 이와 통신가능하게 커플링된 다른 디바이스이거나 그러한 디바이스 내에 구현될 수 있다. 도 3을 참조하면, 송신 전력 제어 장치(300)는 프로세서(processor)(310) 및 메모리(memory)(320)를 포함하는 것으로 예시된다. 실시예에서, 프로세서(310)는 도 2의 송신 전력 제어 기법에 따라 장치(300)를 동작시킬 수 있다. 예를 들어, 메모리(320)에는 컴퓨터 실행가능(또는 프로세서 실행가능) 명령어가 저장될 수 있는데, 이는 프로세서(310)에 의해 실행되는 경우 장치(300)로 하여금 전술된 송신 전력 제어 기법을 수행하도록 할 수 있다.3 is a block diagram of an apparatus for performing transmission power control for MTC according to an embodiment of the present invention. The exemplary transmit power control apparatus 300 may be configured to determine an optimal transmit power control policy for an MTC device in a wireless communication network environment (eg, network environment 100 ) using the transmit power control technique described above. . For example, the wireless communication apparatus 300 may be or be implemented within a device located within a network environment, or other device communicatively coupled thereto. Referring to FIG. 3 , the apparatus 300 for controlling transmit power is exemplified as including a processor 310 and a memory 320 . In an embodiment, the processor 310 may operate the apparatus 300 according to the transmit power control scheme of FIG. 2 . For example, memory 320 may store computer-executable (or processor-executable) instructions, which when executed by processor 310 cause device 300 to perform the transmit power control techniques described above. can do.

예시적인 실시예는 본 문서에 기술된 동작, 기법, 프로세스, 또는 이의 어떤 양상이나 부분이 체현된 컴퓨터 프로그램을 포함하는 컴퓨터 판독가능 저장 매체로서 구현될 수 있다. 이러한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에는 프로그램 명령어, 로컬 데이터 파일, 로컬 데이터 구조 등등이 단독으로 또는 조합되어 포함될 수 있다. 개시된 동작, 기법, 프로세스, 또는 이의 어떤 양상이나 부분을 구현하거나 이용할 수 있는 프로그램은 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 어떤 유형의 (가령, 컴파일형(compiled) 또는 해석형(interpreted)) 프로그래밍 언어, 예컨대, 어셈블리(assembly), 기계어(machine language), 프로시저형(procedural) 언어, 객체지향(object-oriented) 언어 등등으로 구현될 수 있고, 하드웨어 구현과 조합될 수 있다. 용어 "컴퓨터 판독가능 저장 매체"는, 컴퓨팅 장치에 의한 실행을 위한 명령어(실행 시에 컴퓨팅 장치로 하여금 개시된 기법을 수행하게 함)를 저장할 수 있고, 그러한 명령어에 의해 사용되거나 이와 연관된 데이터 구조를 저장할 수 있는 임의의 매체를 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독가능 저장 매체의 예는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광 기록 매체, 플롭티컬 디스크와 같은 자기-광 매체, 그리고 ROM, RAM, 플래시 메모리, 솔리드 스테이트(solid-state) 메모리와 같은 메모리 디바이스를 포함하되, 이에 한정되지 않는다.Example embodiments may be implemented as a computer-readable storage medium comprising a computer program embodied in the acts, techniques, processes, or any aspect or portion thereof described herein. The computer-readable storage medium may include program instructions, local data files, local data structures, and the like alone or in combination. A program that may implement or use the disclosed acts, techniques, processes, or any aspect or portion thereof, is a programming language of any type (e.g., compiled or interpreted) that can be executed by a computer, such as: It may be implemented in assembly, machine language, procedural language, object-oriented language, etc., and may be combined with hardware implementation. The term “computer-readable storage medium” is used to store instructions for execution by a computing device (which, when executed, cause the computing device to perform the disclosed techniques), and to store data structures used by or associated with such instructions. It may include any medium that can be Examples of computer-readable storage media include hard disks, magnetic media such as floppy disks and magnetic tapes, optical recording media such as CD-ROMs and DVDs, magneto-optical media such as floppy disks, and ROM, RAM, flash memory, memory devices such as, but not limited to, solid-state memory.

이상에서 본 발명의 몇몇 실시예가 상세하게 기술되었으나, 이는 제한적이 아니고 예시적인 것으로 간주되어야 한다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 개시된 실시예의 세부사항에 대해 본 발명의 범주에서 벗어나지 않고서 다양한 변경이 행해질 수 있음을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 범주는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 정해져야 한다.Although some embodiments of the present invention have been described in detail above, these should be regarded as illustrative and not restrictive. Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will understand that various changes can be made to the details of the disclosed embodiments without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be defined by the following claims and their equivalents.

100: 네트워크 환경
120: 기지국
141, 142, 143: HTC 디바이스
151, 152, 161, 162, 163: MTC 디바이스
100: network environment
120: base station
141, 142, 143: HTC devices
151, 152, 161, 162, 163: MTC device

Claims (8)

머신 타입 통신(Machine Type Communication: MTC)을 위한 송신 전력 제어 방법으로서,
네트워크 환경 내에 위치된 다수의 MTC 디바이스에 걸친 시스템 상태의 통계적 분포를 나타내는 평균장(mean field)의 Fokker-Planck-Kolmogorov (FPK) 방정식 및 상기 다수의 MTC 디바이스 각각과 상기 평균장과의 관계를 모델링하여 시간 구간에 걸친 상기 각각의 MTC 디바이스의 송신 전력의 최적 제어 정책의 판정을 좌우하는 Hamilton-Jacobi-Bellman (HJB) 방정식의 결합으로 정의된 평균장 게임의 해를 유한 차분법을 사용하여 획득하는 단계를 포함하되, 상기 시스템 상태는 잔여 배터리 에너지 및 연관된 간섭에 의해 정의된 2차원 상태이고, 상기 해를 획득하는 단계는,
상기 시간 구간과 더불어, 상기 잔여 배터리 에너지의 구간 및 상기 연관된 간섭의 구간에 의해 정의된 3차원 도메인 공간이 이산화된(discretized) 격자 공간 내의 복수의 격자점 각각에 대해, 상기 FPK 방정식의 이산화된 버전(version)을 사용하여 시간에 있어서 순방향으로 상기 평균장의 갱신치(updated value)를 계산하는 단계와,
상기 각각의 격자점에 대해, 상기 평균장 게임을 위한 이산화된 라그랑지안(Lagrangian)에 기반하여 시간에 있어서 역방향으로 상기 송신 전력의 갱신치를 계산하는 단계를 포함하는,
송신 전력 제어 방법.
A transmission power control method for Machine Type Communication (MTC), comprising:
Model the Fokker-Planck-Kolmogorov (FPK) equation of the mean field representing the statistical distribution of the system state across multiple MTC devices located in a network environment and the relationship between each of the multiple MTC devices and the mean field to obtain the solution of the average field game defined by the combination of the Hamilton-Jacobi-Bellman (HJB) equations that govern the determination of the optimal control policy of the transmit power of each MTC device over the time interval using the finite difference method wherein the system state is a two-dimensional state defined by residual battery energy and associated interference, and wherein obtaining the solution comprises:
A discretized version of the FPK equation, for each of a plurality of grid points in the grid space in which the three-dimensional domain space defined by the interval of residual battery energy and the interval of the associated interference, along with the time interval, is discretized. calculating an updated value of the average field in a forward direction in time using a version;
for each grid point, calculating an update value of the transmit power in the reverse direction in time based on the discretized Lagrangian for the average field game;
How to control transmit power.
제1항에 있어서,
상기 네트워크 환경은 상기 각각의 MTC 디바이스의 통신 외에도 인간 타입 통신(Human Type Communication: HTC) 디바이스의 액세스를 위해 구성되고, 상기 연관된 간섭은 상기 각각의 MTC 디바이스에 의해 유발되어 다른 MTC 디바이스가 겪는 간섭은 물론, 상기 각각의 MTC 디바이스에 의해 유발되어 상기 HTC 디바이스가 겪는 간섭도 나타내는,
송신 전력 제어 방법.
According to claim 1,
The network environment is configured for the access of a Human Type Communication (HTC) device in addition to the communication of the respective MTC device, and the associated interference is caused by the respective MTC device such that the interference experienced by other MTC devices is Of course, also indicating the interference caused by the respective MTC device and experienced by the HTC device,
How to control transmit power.
제1항에 있어서,
상기 FPK 방정식의 상기 이산화된 버전은 상기 송신 전력에 의존하는 항 및 간섭 이득에 의존하는 항을 포함하되, 상기 연관된 간섭은 상기 송신 전력에 상기 간섭 이득이 곱해진 것인,
송신 전력 제어 방법.
According to claim 1,
wherein the discretized version of the FPK equation includes a term dependent on the transmit power and a term dependent on an interference gain, wherein the associated interference is the transmit power multiplied by the interference gain.
How to control transmit power.
제1항에 있어서,
상기 각각의 MTC 디바이스의 상기 송신 전력의 상기 최적 제어 정책은 해당 MTC 디바이스로부터의 송신의 신호 대 간섭 및 잡음 비율(Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio: SINR) 및 상기 송신 전력에 기반한 비용 함수가 상기 시간 구간에 걸쳐 누적된 비용 값을 최소화하고, 상기 이산화된 라그랑지안은 상기 비용 함수에 의존하는,
송신 전력 제어 방법.
According to claim 1,
The optimal control policy of the transmit power of each MTC device is a signal-to-interference-plus-Noise Ratio (SINR) of the transmission from the corresponding MTC device and a cost function based on the transmit power minimizes a cost value accumulated over the time interval, and the discretized Lagrangian depends on the cost function;
How to control transmit power.
제1항에 있어서,
상기 송신 전력의 상기 갱신치를 계산하는 단계는,
오직 상기 평균장에 대한 상기 이산화된 라그랑지안의 변화율이 0이 되도록 라그랑주 승수(Lagrange multiplier)의 갱신치를 계산하는 단계와,
오직 상기 송신 전력에 대한 상기 이산화된 라그랑지안의 변화율이 0이 되도록 상기 송신 전력의 상기 갱신치를 계산하는 단계를 포함하는,
송신 전력 제어 방법.
According to claim 1,
Calculating the update value of the transmit power comprises:
calculating an update value of a Lagrange multiplier such that only the rate of change of the discretized Lagrangian with respect to the average field becomes 0;
calculating the update value of the transmit power such that only the rate of change of the discretized Lagrangian with respect to the transmit power is zero.
How to control transmit power.
제5항에 있어서,
상기 해를 획득하는 단계는,
상기 평균장, 상기 라그랑주 승수 및 상기 송신 전력 각각의 초기치(initial value)를 획득하는 단계와,
상기 초기치를 획득하는 단계 후에, 상기 평균장의 상기 갱신치를 계산하는 단계와, 상기 라그랑주 승수의 상기 갱신치를 계산하는 단계와, 상기 송신 전력의 상기 갱신치를 계산하는 단계를 반복하는 루프 반복(loop iteration)을 하는 단계를 더 포함하되, 상기 평균장의 상기 갱신치 및 상기 평균장의 이전 값의 차이가 사전설정된 값보다 작은 경우에 상기 루프 반복은 종료되는,
송신 전력 제어 방법.
6. The method of claim 5,
The step of obtaining the solution is
obtaining an initial value of each of the average field, the Lagrange multiplier, and the transmit power;
A loop iteration of repeating the steps of calculating the update value of the average length, calculating the update value of the Lagrange multiplier, and calculating the update value of the transmit power after the step of obtaining the initial value further comprising: when the difference between the updated value of the average field and the previous value of the average field is smaller than a preset value, the loop iteration is terminated,
How to control transmit power.
제1항에 있어서,
상기 해는 장래의 참조를 위해 상기 다수의 MTC 디바이스에 대해 일괄 처리(batch processing)을 수행하는 방식으로 획득되는,
송신 전력 제어 방법.
According to claim 1,
The solution is obtained in such a way that batch processing is performed on the plurality of MTC devices for future reference;
How to control transmit power.
머신 타입 통신(Machine Type Communication: MTC)을 위한 송신 전력 제어 장치로서,
프로세서와,
프로세서 실행가능 명령어가 저장된 메모리를 포함하되,
상기 프로세서 실행가능 명령어는 상기 프로세서에 의해 실행되는 경우 상기 프로세서로 하여금 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 송신 전력 제어 방법을 수행하게 하는,
송신 전력 제어 장치.
A transmission power control device for Machine Type Communication (MTC), comprising:
processor and
a memory having stored thereon processor-executable instructions;
The processor-executable instructions, when executed by the processor, cause the processor to perform the method of any one of claims 1 to 7 for controlling transmit power.
Transmit Power Control Unit.
KR1020200010323A 2020-01-29 2020-01-29 Mean field game framework based techinique for control of transmission power for machine type communication KR102348948B1 (en)

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