KR102641464B1 - Wireless communication system and methdo based on deep learning - Google Patents
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Abstract
본 기술은 딥러닝 기반의 무선 통신 시스템 및 방법이 개시된다. 이러한 기술에 대한 구체적인 구현 예는 딥러닝 기반으로 수신신호의 시간 옵셋 및 반송파 주파수 옵셋을 동시에 추정하고 추정된 시간 옵셋 및 반송파 주파수 옵셋을 보상함에 따라, 채널 환경에 따라 시스템 성능을 향상시킬 수 있다.This technology discloses a deep learning-based wireless communication system and method. A specific implementation example of this technology is based on deep learning, which simultaneously estimates the time offset and carrier frequency offset of the received signal and compensates for the estimated time offset and carrier frequency offset, thereby improving system performance depending on the channel environment.
Description
본 발명은 딥러닝 기반의 무선 통신 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 딥러닝 기반으로 수신신호의 시간 및 반송파 주파수 옵셋을 추정하고 추정된 시간 및 반송파 주파수 옵셋의 차를 보정함에 따라 시스템 성능을 향상시킬 수 있도록 한 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a deep learning-based wireless communication system and method. More specifically, the present invention relates to a deep learning-based wireless communication system and method, and more specifically, to estimate the time and carrier frequency offset of a received signal based on deep learning and to improve system performance by correcting the difference between the estimated time and carrier frequency offset. It's about technology that allows you to improve.
일반적인 OFDM 방식의 무선랜 시스템은 시간 및 반송 주파수 옵셋의 오차가 발생되면 채널 간의 간섭 ICI(Inter Carrier Interference)과 심볼 간의 간섭 ISI(Inter Symbol Interference)가 발생되어 수신기에서의 데이터 복원이 불가능하다.In a typical OFDM wireless LAN system, when errors in time and carrier frequency offset occur, inter-channel interference (ICI) and inter-symbol interference (ISI) occur, making data recovery impossible at the receiver.
이에 시간 옵셋 TO(Time Offset)은 송신기와 수신기 간의 클럭 오차 및 거리로 인한 전파 지연으로 발생되고, 반송파 주파수 옵셋 CFO(Carrier Frequency Offset)는 송신기와 수신기의 오실레이터 허용 편차로 인한 반송파 간의 주파수 오차 및 도플러 주파수에 의거 발생된다. 여기서, 옵셋은 오차이다.Accordingly, the time offset TO (Time Offset) is caused by propagation delay due to the clock error and distance between the transmitter and receiver, and the carrier frequency offset CFO (Carrier Frequency Offset) is caused by the frequency error and Doppler offset between carriers due to the allowable deviation of the oscillators of the transmitter and receiver. It is generated depending on frequency. Here, offset is the error.
이에 송신기는 전송 신호 중 데이터 패킷 전에 레거시 프리앰플을 추가하고 전송하고, 레거시 프리앰플은 STF(Short Training Field)와 LTF(Long Training Field)를 포함한다. Accordingly, the transmitter adds and transmits a legacy preampule before the data packet in the transmission signal, and the legacy preampule includes a short training field (STF) and a long training field (LTF).
즉 수신기는 STF(Short Training Field)를 이용하여 유효한 패킷이 도착되었는 지를 검출한 다음 대략적인 반송파 주파수를 추정하며, LTF를 이용하여 정밀한 시간 오차 및 정밀한 반송파 주파수 오차를 추정한다.That is, the receiver uses the STF (Short Training Field) to detect whether a valid packet has arrived, then estimates the approximate carrier frequency, and uses the LTF to estimate precise time error and precise carrier frequency error.
그러나 이러한 기존의 STF 및 LTF를 이용한 시간 옵셋 및 반송파 주파수 옵셋 추정 알고리즘의 경우 채널 환경에 따라 각 옵셋의 오차가 발생되며 이에 시스템 성능이 저하되는 한계에 도달하였다. However, in the case of these existing time offset and carrier frequency offset estimation algorithms using STF and LTF, errors in each offset occur depending on the channel environment, and this has reached a limit where system performance deteriorates.
이에 본 출원인의 채널 환경에 따라 딥러닝 기반으로 수신신호의 시간 옵셋 TO 및 반송파 주파수 옵셋 CFO를 동시에 추정하고, 추정된 시간 옵셋 및 반송파 주파수 옵셋을 보상함에 따라, 시스템 성능을 향상시키는 방안을 제안하고자 한다. Accordingly, we would like to propose a method to improve system performance by simultaneously estimating the time offset TO and carrier frequency offset CFO of the received signal based on deep learning according to the applicant's channel environment and compensating for the estimated time offset and carrier frequency offset. do.
따라서, 본 발명은 채널 환경에 따라 딥러닝 기반으로 수신신호의 시간 옵셋 및 반송파 주파수 옵셋을 동시에 추정하고 추정된 시간 옵셋 및 반송파 주파수 옵셋을 보상함에 따라, 시스템 성능이 향상되는 딥러닝 기반의 무선 통신 시스템 및 방법을 제공하고자 함에 있다.Therefore, the present invention is a deep learning-based wireless communication that improves system performance by simultaneously estimating the time offset and carrier frequency offset of the received signal based on deep learning according to the channel environment and compensating for the estimated time offset and carrier frequency offset. The purpose is to provide a system and method.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the object mentioned above, and other objects and advantages of the present invention that are not mentioned can be understood through the following description and will be more clearly understood through the examples of the present invention. In addition, it will be readily apparent that the objects and advantages of the present invention can be realized by means and combinations thereof as indicated in the claims.
본 발명의 일 실시예에 따른 딥러닝 기반의 무선 통신 시스템은, A deep learning-based wireless communication system according to an embodiment of the present invention,
송신기와 수신기의 무선 통신을 수행하는 무선 통신 시스템에 있어서,In a wireless communication system that performs wireless communication between a transmitter and a receiver,
상기 수신기는The receiver is
정해진 주파수 간격으로 수신신호를 분할한 다음 분할된 각 수신신호의 레거시 프리앰블 중 STF(Short Training Field)에 대해 교차 상관을 수행하여 2차원 행렬 형태로 변환한 후 정규화하는 전처리부;A preprocessor that divides the received signal at predetermined frequency intervals, then performs cross-correlation on the STF (Short Training Field) of the legacy preamble of each divided received signal, converts it into a two-dimensional matrix, and normalizes it;
2차원 행렬의 수신신호에 대해 합성곱 신경망 기반의 학습 수행하여 시간 옵셋과 반송파 주파수 옵셋을 추정하는 학습부; 및a learning unit that performs convolutional neural network-based learning on the received signal of a two-dimensional matrix to estimate time offset and carrier frequency offset; and
수신신호에 대해 추정 시간 옵셋 및 추정 반송파 주파수 옵셋을 보상한 다음 채널 특성을 조절하고 데이터 복구를 수행하는 후처리부를 포함할 수 있다. It may include a post-processing unit that compensates for the estimated time offset and the estimated carrier frequency offset for the received signal, then adjusts channel characteristics and performs data recovery.
바람직하게 상기 소정 주파수 간격은Preferably, the predetermined frequency interval is
송신기와 수신기 간의 최대 발생할 수 있는 반송파 주파수 옵셋 범위 내에서 설정될 수 있다.It can be set within the maximum possible carrier frequency offset range between the transmitter and receiver.
바람직하게 상기 전처리부는,Preferably, the preprocessor,
수신신호를 소정 주파수 간격으로 분할하는 보상모듈;A compensation module that divides the received signal into predetermined frequency intervals;
상기 분할된 각 수신신호에 대해 교차 상관을 수행하여 2차원 행렬로 변환하는 교차 상관모듈; 및a cross-correlation module that performs cross-correlation on each of the divided received signals and converts them into a two-dimensional matrix; and
상기 2차원 행렬의 각 수신신호를 정규화하는 정규화 모듈을 포함할 수 있다.It may include a normalization module that normalizes each received signal of the two-dimensional matrix.
바람직하게 상기 학습부는,Preferably, the learning unit,
2차원 형렬의 수신신호에 대해 합성곱 신경망 기반으로 학습 수행하여 추정 시간 옵셋을 도출하는 시간 옵셋 CNN 모듈; 및A time offset CNN module that derives an estimated time offset by performing training based on a convolutional neural network on a two-dimensional received signal; and
도출된 추정 시간 옵셋에 대해 상기 추정 시간 옵셋 CNN 모듈의 학습 성능 평가를 수행하는 시간 옵셋 학습 평가모듈을 포함할 수 있다.It may include a time offset learning evaluation module that evaluates the learning performance of the estimated time offset CNN module with respect to the derived estimated time offset.
바람직하게 상기 시간 옵셋 학습 평가 모듈은 Preferably, the time offset learning evaluation module
실측 시간 옵셋 및 추정 시간 옵셋에 대한 교차 엔트로피에 의거한 시간 옵셋에 대한 비용함수로 학습 결과에 대한 평가를 수행하고 수행 결과를 토대로 상기 시간 옵셋 CNN모듈의 합성곱 신경망의 파라미터를 제어하도록 구비되고,It is equipped to evaluate the learning results with a cost function for the time offset based on the cross-entropy for the actual time offset and the estimated time offset, and to control the parameters of the convolutional neural network of the time offset CNN module based on the performance results,
상기 시간 옵셋에 대한 비용함수는 다음 식 11로 나타낼 수 있다.The cost function for the time offset can be expressed as Equation 11 below.
[식 11][Equation 11]
여기서, tk는 실제 시간 옵셋이고, 는 추정 시간 옵셋이며, N은 배치 사이즈이다.Here, t k is the actual time offset, is the estimated time offset, and N is the batch size.
바람직하게 상기 학습부는,Preferably, the learning unit,
2차원 형렬의 수신신호에 대해 합성곱 신경망 기반 학습 수행하여 추정 반송파 주파수 옵셋을 도출하는 추정 반송파 주파수 옵셋 CNN 모듈; 및An estimated carrier frequency offset CNN module that performs convolutional neural network-based learning on two-dimensional received signals to derive an estimated carrier frequency offset; and
상기 도출된 추정 반송파 주파수 옵셋에 대해 합성곱 신경망의 학습 성능 평가를 수행하는 반송파 주파수 옵셋 학습 평가모듈을 포함하며,It includes a carrier frequency offset learning evaluation module that evaluates the learning performance of the convolutional neural network for the derived estimated carrier frequency offset,
상기 반송파 주파수 옵셋 학습 평가모듈은,The carrier frequency offset learning evaluation module,
실측 반송파 주파수 옵셋과 추정 반송파 주파수 옵셋 간의 MSE(Means Square Error)에 의거한 반송파 주파수 옵셋에 대한 비용함수로 학습 결과에 대한 평가를 수행하고 수행 결과를 토대로 상기 추정 반송파 주파수 CNN모듈의 합성곱 신경망의 파라미터를 제어하도록 구비되고, 상기 반송파 주파수 옵셋에 대한 비용함수는 다음 식 12로 나타낼 수 있다.The learning results are evaluated using a cost function for the carrier frequency offset based on the MSE (Means Square Error) between the actual carrier frequency offset and the estimated carrier frequency offset, and based on the performance results, the convolution neural network of the estimated carrier frequency CNN module is evaluated. It is provided to control parameters, and the cost function for the carrier frequency offset can be expressed as Equation 12 below.
[식 12][Equation 12]
여기서, 는 추정 CFO이고, p는 실측 CFO이며, N은 배치 사이즈이다.here, is the estimated CFO, p is the actual CFO, and N is the batch size.
본 발명의 다른 실시 양태에 의거, 딥러닝 기반 무선 통신 방법은, According to another embodiment of the present invention, a deep learning-based wireless communication method,
정해진 소정 주파수 간격으로 수신신호를 분할한 다음 분할된 수신신호의 레거시 프리앰블 중 STF(Short Training Field)에 대해 교차 상관을 수행하여 2차원 행렬 형태로 변환한 후 정규화하는 전처리단계; A preprocessing step of dividing the received signal at predetermined frequency intervals, then performing cross-correlation on the STF (Short Training Field) of the legacy preamble of the divided received signal, converting it into a two-dimensional matrix, and then normalizing it;
2차원 행렬의 수신신호에 대해 합성곱 신경망 기반의 학습 수행하여 시간 옵셋와 반송파 주파수 옵셋을 추정하는 학습 단계; 및A learning step of performing convolutional neural network-based learning on the received signal of a two-dimensional matrix to estimate the time offset and carrier frequency offset; and
상기 수신신호에 대해 추정 시간 옵셋 및 추정 반송파 주파수 옵셋을 보상한 다음 채널 특성을 조절하고 이어 데이터 복구를 수행하는 후처리 단계를 포함할 수 있다. A post-processing step may include compensating for an estimated time offset and an estimated carrier frequency offset for the received signal, then adjusting channel characteristics, and then performing data recovery.
바람직하게 상기 소정 주파수 간격은Preferably, the predetermined frequency interval is
송신기와 수신기 간의 최대 발생할 수 있는 주파수 옵셋의 범위 내에서 설정될 수 있다.It can be set within the range of the maximum possible frequency offset between the transmitter and receiver.
일 실시 예에 따르면, 딥러닝 기반으로 수신신호의 시간 옵셋 및 반송파 주파수 옵셋을 동시에 추정하고 추정된 시간 옵셋 및 반송파 주파수 옵셋을 보상함에 따라, 채널 환경에 따라 시스템 성능을 향상시킬 수 있는 효과를 얻는다.According to one embodiment, by simultaneously estimating the time offset and carrier frequency offset of the received signal based on deep learning and compensating for the estimated time offset and carrier frequency offset, the effect of improving system performance depending on the channel environment is obtained. .
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 일 실시예의 딥러닝 기반의 무선 통신 시스템의 구성도이다.
도 2는 일 실시예의 수신신호를 보인 예시도이다.
도 3은 일 실시예의 시스템의 수신기의 세부 구성도이다.
도 4는 일 실시예의 수신기의 전처리부의 세부 구성도이다.
도 5는 일 실시예의 전처리부의 각 모듈의 출력 신호를 보인 예시도이다.
도 6은 일 실시예의 수신기의 학습부의 세부 구성이다.
도 7은 일 실시예의 TO CNN 모듈의 파라미터를 보인 예시도이다.
도 8은 일 실시예의 CFO CNN 모듈의 파라미터를 보인 예시도이다.
도 9는 일 실시예의 각 채널 모델 별 파라미터를 보인 예시도이다.
도 10은 일 실시예의 채널 모델 별 추정 TO 및 추정 CFO의 학습 성능을 보인 그래프들이다.
도 11은 일 실시예의 채널 모델 별 추정 TO에 대한 시스템 성능을 보인 그래프들이다.
도 12는 일 실시예의 채널 모델 별 추정 CFO에 대한 시스템 성능을 보인 그래프들이다.
도 13은 다른 실시예의 딥러닝 기반의 무선 통신 방법의 전체 흐름도이다.The following drawings attached to this specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and together with the detailed description of the invention described later, serve to further understand the technical idea of the present invention. Therefore, the present invention includes the matters described in such drawings. It should not be interpreted as limited to only .
1 is a configuration diagram of a deep learning-based wireless communication system according to an embodiment.
Figure 2 is an exemplary diagram showing a received signal in one embodiment.
Figure 3 is a detailed configuration diagram of a receiver of a system of one embodiment.
Figure 4 is a detailed configuration diagram of a preprocessing unit of a receiver according to an embodiment.
Figure 5 is an exemplary diagram showing output signals from each module of the preprocessor in one embodiment.
Figure 6 is a detailed configuration of a learning unit of a receiver according to an embodiment.
Figure 7 is an example diagram showing parameters of the TO CNN module in one embodiment.
Figure 8 is an example diagram showing parameters of the CFO CNN module in one embodiment.
Figure 9 is an example diagram showing parameters for each channel model in one embodiment.
Figure 10 is a graph showing the learning performance of estimated TO and estimated CFO for each channel model in one embodiment.
Figure 11 is a graph showing system performance for estimated TO for each channel model in one embodiment.
Figure 12 is a graph showing system performance for estimated CFO for each channel model in one embodiment.
Figure 13 is an overall flowchart of a deep learning-based wireless communication method according to another embodiment.
실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 실시될 수 있다. 따라서, 실시예들은 특정한 개시형태로 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.Specific structural or functional descriptions of the embodiments are disclosed for illustrative purposes only and may be modified and implemented in various forms. Accordingly, the embodiments are not limited to the specific disclosed form, and the scope of the present specification includes changes, equivalents, or substitutes included in the technical spirit.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.Terms such as first or second may be used to describe various components, but these terms should be interpreted only for the purpose of distinguishing one component from another component. For example, a first component may be named a second component, and similarly, the second component may also be named a first component.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.When a component is referred to as being “connected” to another component, it should be understood that it may be directly connected or connected to the other component, but that other components may exist in between.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of the described features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof, and are intended to indicate the presence of one or more other features or numbers, It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the presence or addition of steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the relevant technical field. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having meanings consistent with the meanings they have in the context of the related technology, and unless clearly defined in this specification, should not be interpreted in an idealized or overly formal sense. No.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by explaining preferred embodiments of the present invention with reference to the attached drawings.
도 1은 일 실시예의 딥러닝 기반의 무선 통신 시스템의 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 일 실시예의 수신신호를 보인 예시도이며, 도 3은 도 1에 도시된 수신기의 세부 구성도이며, 도 4는 도 3에 도시된 전처리부의 세부 구성도이며, 도 5는 도 3에 도시된 각 모듈의 출력 신호를 보인 예시도이고, 도 6은 도 3에 도시된 학습부의 세부 구성되며, 도 7은 도 6에 도시된 TO CNN 모듈의 파라미터를 보인 예시도이고, 도 8은 도 6에 도시된 CFO CNN 모듈의 파라미터를 보인 예시도이다. FIG. 1 is a configuration diagram of a deep learning-based wireless communication system according to an embodiment, FIG. 2 is an exemplary diagram showing a received signal according to an embodiment shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a detailed configuration diagram of the receiver shown in FIG. 1. , FIG. 4 is a detailed configuration diagram of the pre-processing unit shown in FIG. 3, FIG. 5 is an example diagram showing the output signal of each module shown in FIG. 3, and FIG. 6 is a detailed configuration diagram of the learning unit shown in FIG. 3. Figure 7 is an example diagram showing the parameters of the TO CNN module shown in Figure 6, and Figure 8 is an example diagram showing the parameters of the CFO CNN module shown in Figure 6.
도 1 내지 도 8을 참조하면, 일 실시 예에 따른 딥러닝 기반의 무선 통신 시스템은 수신된 전송신호의 데이터 패킷 전단에 구성되는 프리앰블을 토대로 딥러닝 기반으로 시간 옵셋(Timing Offset, 이하 TO로 약칭함) 및 반송파 주파수 옵셋(Carrier Frequency Offset, 이하 CFO로 약칭함)를 동시에 추정하는 구성을 갖추며, 이에 시스템은 송신기(100) 및 수신기(200)를 포함할 수 있다.Referring to FIGS. 1 to 8, a deep learning-based wireless communication system according to an embodiment uses a deep learning-based timing offset (Timing Offset, hereinafter abbreviated TO) based on the preamble comprised in the front end of the data packet of the received transmission signal. ) and a carrier frequency offset (hereinafter abbreviated as CFO) are simultaneously estimated, and the system may include a transmitter 100 and a receiver 200.
송신기(100)는 데이터 패킷 전단에 TO 및 CFO를 추정하기 위한 레거시 프리앰플을 추가한 전송신호를 수신기(200)로 전달한다. 일 례로 레거시 프리앰플은 도 2에 도시된 바와 같이, 10개의 STF(Short Training Field)와 2개의 LTF(Long Training Field)의 구성을 갖춘다. 여기서 7개의 STF를 이용하여 유효한 패킷이 검출하고 나머지 3개의 STF를 이용하여 CFO가 추정되며, 2개의 LFT를 이용하여 정밀한 TO 및 CFO가 추정된다.The transmitter 100 transmits a transmission signal to which a legacy preamplifier for estimating TO and CFO is added to the front end of the data packet to the receiver 200. For example, the legacy pre-amplifier is configured with 10 Short Training Fields (STFs) and 2 Long Training Fields (LTFs), as shown in FIG. 2. Here, valid packets are detected using 7 STFs, CFO is estimated using the remaining 3 STFs, and precise TO and CFO are estimated using 2 LFTs.
여기서, 7개의 STF를 사용하여 유효한 데이터 패킷이 검출되고, 송신기(100)와 수신기(200) 간 시간 및 주파수에 대한 동기화가 이루어지지 아니하였다고 가정하자.Here, let us assume that a valid data packet is detected using 7 STFs, and that time and frequency synchronization is not achieved between the transmitter 100 and the receiver 200.
이에 수신기(200)는 검출된 유효한 패킷 내의 레거시 프리앰블 중 STF(Short Training Field)에 대해 전처리를 수행하고 전처리된 프리앰블에 대해 합성곱 신경망 기반으로 학습 수행하여 TO 및 CFO를 추정하여 추정 TO및 추정 CFO를 각각 도출하고 도출된 수신 신호의 추정 TO및 추정 CFO를 보상한 다음 채널 특성을 조정하고 이어 데이터 복귀를 수행하는 구성을 갖추며, 이에 수신기(200)는 도 3에 도시된 바와 같이, 전처리부(210), 학습부(220), 및 후처리부(230)을 포함할 수 있다. Accordingly, the receiver 200 performs preprocessing on the STF (Short Training Field) among the legacy preambles in the detected valid packet, performs learning based on a convolutional neural network on the preprocessed preamble, estimates TO and CFO, and produces estimated TO and estimated CFO. is configured to derive and compensate for the estimated TO and estimated CFO of the derived received signal, then adjust the channel characteristics and then perform data return. As shown in FIG. 3, the receiver 200 has a preprocessor ( 210), a learning unit 220, and a post-processing unit 230.
여기서, 전처리부(210)는 정해진 특정 주파수 간격으로 수신신호를 분할한 다음 분할된 수신신호의 레거시 프리앰블 중 STF에 대해 교차 상관을 수행하여 2차원 행렬 형태로 변환한 후 정규화하도록 구비되고 전처리부(210)는 도 4에 도시된 바와 같이 보상모듈(211), 교차 상관모듈(212), 및 정규화 모듈(213) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.Here, the preprocessor 210 is provided to divide the received signal at a certain frequency interval and then perform cross-correlation on the STF among the legacy preambles of the divided received signal to convert it into a two-dimensional matrix and then normalize it. The preprocessor ( 210) may include at least one of a compensation module 211, a cross-correlation module 212, and a normalization module 213, as shown in FIG. 4.
보상모듈(211)은 정해진 특정 주파수 간격으로 수신신호를 분할한다. 여기서 특정 주파수 간격은 송신기(100)와 수신기(200) 간의 발생할 수 있는 최대 반송파 주파수 옵셋 범위 내에서 설정된다. 일 례로 오실레이터의 최대 허용 옵셋이 A ppm 일 때 최대 반송파 주파수 옵셋 CFO의 범위는 -fA에서 fA라고 가정하면, 수신신호는 최대 반송파 주파수 옵셋 CFO의 범위 내에서 설정된 주파수 간격 fo로 분할되고, 또한 분할된 수신신호의 수 K는 항상 홀수가 되어야 한다. 이에 각 수신신호 x i (n)은 다음 식 11로 나타낼 수 있다.The compensation module 211 divides the received signal into specific frequency intervals. Here, the specific frequency interval is set within the maximum carrier frequency offset range that can occur between the transmitter 100 and the receiver 200. For example, assuming that the maximum allowable offset of the oscillator is A ppm and the range of the maximum carrier frequency offset CFO is -f A to f A , the received signal is divided into a frequency interval f o set within the range of the maximum carrier frequency offset CFO and , Also, the number K of divided received signals must always be an odd number. Accordingly, each received signal x i (n) can be expressed as the following equation 11.
[식 1][Equation 1]
여기서, x i 는 주파수 분할된 i번째 수신신호이다. Here, x i is the frequency-divided ith received signal.
일 례로 수신신호는 CFO의 범위 내에서 설정된 주파수 간격 fo 로 분할된 수신신호는 교차 상관모듈(212)로 전달된다.For example, the received signal is divided into a frequency interval f o set within the range of CFO and is transmitted to the cross-correlation module 212.
교차 상관모듈(212)는 각 분할된 수신신호 x i (n)와 프리앰플 s에 대해 교차 상관 함수를 수행한다. 이에 교차 상관함수의 출력신호 y i (n)은 다음 식 2 내지 식 4로 표현될 수 있다.The cross-correlation module 212 performs a cross-correlation function for each divided received signal x i (n) and the preamplifier s. Accordingly, the output signal y i (n) of the cross-correlation function can be expressed as the following equations 2 to 4.
[식 2][Equation 2]
[식 3][Equation 3]
[식 4][Equation 4]
여기서, M은 프리앰블의 길이이고, y i 는 i 번째 교차 상관모듈(212)의 출력, y는 각 교차 상관모듈(212)의 출력신호 y i 에 대한 2차원 행렬이며, B는 교차 상관모듈(212)의 윈도우 크기이고, Y는 2차원 행렬 y의 행 벡터이다. Here, M is the length of the preamble, y i is the output of the ith cross-correlation module 212, y is a two-dimensional matrix for the output signal y i of each cross-correlation module 212, and B is the cross-correlation module ( 212), and Y is the row vector of the two-dimensional matrix y .
그리고 2차원 행렬의 수신신호는 정규화모듈(213)로 전달되며, 이에 2차 행렬의 수신신호는 정규화되어 1과 0 사이의 값으로 변환되며, 변환된 2차 행렬의 수신신호는 학습부(220)로 전달된다.And the received signal of the two-dimensional matrix is transmitted to the normalization module 213, whereby the received signal of the secondary matrix is normalized and converted to a value between 1 and 0, and the received signal of the converted secondary matrix is sent to the learning unit 220 ) is transmitted.
일 례로 WLAN(wireless local area network) 시스템의 경우, 도 5를 참조하면, (a)에 도시된 바와 같이, -212 kHz 주파수의 수신신호는 특정 주파수 간격 fO 간격으로 11개로 분할되고 (b)에 도시된 바와 같이 분할된 수신신호 각각은 원도우 크기가 864의 교차 상관모듈을 토대로 교차 상관함수 s가 수행된다. 이때 정규화된 수신신호는 (c)에 도시된 바와 같이 11 X 864의 2차원 행렬로 변환된다. For example, in the case of a wireless local area network (WLAN) system, referring to FIG. 5, as shown in (a), the received signal with a frequency of -212 kHz is divided into 11 at a specific frequency interval f O and (b) As shown, a cross-correlation function s is performed on each of the divided received signals based on a cross-correlation module with a window size of 864. At this time, the normalized received signal is converted into a two-dimensional matrix of 11 x 864 as shown in (c).
학습부(220)는 전처리된 2차원 행렬의 수신신호에 대해 합성곱 신경망(CNN: Convolution Neutral Network)에 의거 TO 및 CFO를 추정하여 추정 TO 및 추정 CFO를 도출하며, 이에 학습부(220)는 도 6에 도시된 바와 같이, TO CNN 모듈(221)과 CFO CNN 모듈(222)을 포함할 수 있다. The learning unit 220 estimates TO and CFO based on a convolutional neural network (CNN) for the received signal of the preprocessed two-dimensional matrix and derives the estimated TO and the estimated CFO. Accordingly, the learning unit 220 As shown in FIG. 6, it may include a TO CNN module 221 and a CFO CNN module 222.
일 례로 도 7을 참조하면, TO CNN 모듈(221)은 (a)에 도시된 바와 같이, 모두 5개의 합성곱 계층, 2개의 스킵 연결, 및 하나의 완전 결합 계층으로 설계되며, 이때 각 계층의 파라미터는 (b)에 도시된 바와 같다. 이에 TO CNN 모듈(221)은 지도 학습 기반의 분류(classification) 네트워크로 동작되고, 이에 2차원 행렬의 수신신호에 대해 유한개의 클래스로 분류되고 분류된 클래스에 의거 TO가 추정된다.Referring to FIG. 7 as an example, the TO CNN module 221 is designed with five convolution layers, two skip connections, and one fully combined layer, as shown in (a), where the The parameters are as shown in (b). Accordingly, the TO CNN module 221 operates as a supervised learning-based classification network, and the received signal of the two-dimensional matrix is classified into a finite number of classes and TO is estimated based on the classified classes.
그리고 학습부(220)는 TO 학습 평가모듈(223)을 더 포함하고, TO 학습 평가모듈(223)은 TO에 대한 비용함수로 TO CNN 모듈(221)의 추정 TO에 대한 학습 성능을 평가하고, TO에 대한 비용함수는 다음 식 5로 나타낼 수 있다.And the learning unit 220 further includes a TO learning evaluation module 223, and the TO learning evaluation module 223 evaluates the learning performance for the estimated TO of the TO CNN module 221 with a cost function for TO, The cost function for TO can be expressed in Equation 5 below.
[식 5][Equation 5]
여기서, t k 는 실제 시간 오차이고, 는 추정 시간 오차이며, N은 배치 사이즈이다. 이러한 비용함수의 출력값이 높을수록 학습 성능은 향상된다. 이에 학습 성능이 향상되도록 TO CNN 모듈(221)의 합성곱 신경망의 파라미터는 TO에 대한 비용함수를 토대로 조정될 수 있다.Here, t k is the actual time error, is the estimated time error, and N is the batch size. The higher the output value of this cost function, the better the learning performance. Accordingly, to improve learning performance, the parameters of the convolutional neural network of the TO CNN module 221 can be adjusted based on the cost function for TO.
여기서, TO CNN 모듈(221)의 합성곱 신경망의 파라미터는 하기 표 1에 도시된 바와 같다.Here, the parameters of the convolutional neural network of the TO CNN module 221 are as shown in Table 1 below.
[표 1][Table 1]
그리고, 도 8을 참조하면, CFO CNN 모듈(222)은 (a)에 도시된 바와 같이, 모두 5개의 합성곱 계층, 2개의 스킵 연결(skip connection), 및 하나의 완전 결합(full connected) 계층으로 설계되며, 이때 각 계층의 파라미터는 (b)에 도시된 바와 같다. 여기서, CFO CNN 모듈(222)은 회귀 생성(regression) 기반으로 2차원 행렬의 수신신호에 대한 특징을 도출하고 도출된 수신신호의 특징으로 연속적인 CFO를 추정한다. And, referring to FIG. 8, the CFO CNN module 222 has a total of 5 convolution layers, 2 skip connections, and one fully connected layer, as shown in (a). It is designed as, and the parameters of each layer are as shown in (b). Here, the CFO CNN module 222 derives features of the received signal of a two-dimensional matrix based on regression and estimates continuous CFO using the derived features of the received signal.
한편, 학습부(220)는 CFO 학습 평가모듈(224)을 더 포함하고, TO 학습 평가모듈(223)은 CFO에 대한 비용함수로 CFO CNN 모듈(221)의 추정 CF0에 대한 학습 성능을 평가하고, CFO에 대한 비용함수는 다음 식 6으로 나타낼 수 있다.Meanwhile, the learning unit 220 further includes a CFO learning evaluation module 224, and the TO learning evaluation module 223 evaluates the learning performance for the estimated CF0 of the CFO CNN module 221 as a cost function for CFO. , the cost function for CFO can be expressed in Equation 6 below.
[식 6][Equation 6]
여기서, 는 추정 CFO이고, p는 실측 CFO이며, N은 배치 사이즈이다. 이에 학습 성능이 향상되도록 CFO CNN 모듈(222)의 합성곱 신경망의 파라미터는 CFO에 대한 비용함수를 토대로 조정할 수 있다.here, is the estimated CFO, p is the actual CFO, and N is the batch size. Accordingly, to improve learning performance, the parameters of the convolutional neural network of the CFO CNN module 222 can be adjusted based on the cost function for the CFO.
CFO CNN 모듈(222)의 합성곱 신경망의 파라미터는 하기 표 2에 도시된 바와 같다.The parameters of the convolutional neural network of the CFO CNN module 222 are shown in Table 2 below.
[표 2][Table 2]
한편, 학습부(220)의 추정 TO 및 추정 CFO 각각은 후처리부(230)로 전달된다.Meanwhile, each of the estimated TO and estimated CFO of the learning unit 220 is transmitted to the post-processing unit 230.
후처리부(230)는 수신된 추정 TO 및 추정 CFO에 대해 보상한 다음 채널 특성을 조정한 후 데이터 복구를 수행한다. 일 실시예에서 수신된 추정 TO 및 추정 CFO에 대해 보상한 다음 채널 특성을 조정한 후 데이터 복구를 수행하는 일련의 과정은, 당업자 수준에서 이해되어야 할 것이다.The post-processing unit 230 compensates for the received estimated TO and estimated CFO, then adjusts channel characteristics and performs data recovery. In one embodiment, a series of processes for performing data recovery after compensating for the received estimated TO and estimated CFO and then adjusting channel characteristics should be understood by those skilled in the art.
이에 일 실시예는 딥러닝 기반으로 수신신호의 시간 옵셋 및 반송파 주파수 옵셋을 동시에 추정하고 추정된 시간 옵셋 및 반송파 주파수 옵셋을 보상함에 따라, 채널 환경에 따라 시스템 성능을 향상시킬 수 있는 효과를 얻는다.Accordingly, one embodiment simultaneously estimates the time offset and carrier frequency offset of the received signal based on deep learning and compensates for the estimated time offset and carrier frequency offset, thereby achieving the effect of improving system performance depending on the channel environment.
도 9는 일 실시예의 각 채널 모델 별 파라미터를 보인 예시도이고, 도 10은 도 9에 도시된 각 채널 모델 A, C, E의 추정 TO 및 추정 CFO의 학습 성능을 보인 그래프들이고, 도 11은 도 9에 도시된 각 채널 모델 A, C, E의 추정 TO에 대한 시스템 성능을 보인 그래프들이며, 도 12는 도 9에 도시된 각 채널 모델 A, C, E의 추정 CFO에 대한 시스템 성능을 보인 그래프들이다.Figure 9 is an example diagram showing parameters for each channel model in an embodiment, Figure 10 is a graph showing the learning performance of the estimated TO and estimated CFO of each channel model A, C, and E shown in Figure 9, and Figure 11 is These are graphs showing the system performance for the estimated TO of each channel model A, C, and E shown in FIG. 9, and FIG. 12 shows the system performance for the estimated CFO of each channel model A, C, and E shown in FIG. 9. These are graphs.
도 9 내지 도 12를 참조하여 일 실시예의 딥러닝 기반으로 추정된 TO 및 CFO을 보상한 경우 시스템 성능이 향상됨을 확인할 수 있다. Referring to FIGS. 9 to 12, it can be seen that system performance is improved when TO and CFO estimated based on deep learning in one embodiment are compensated.
일 례로 50000 개의 테스트 데이터 셋을 -10Db 에서 15dB 사이에서 1dB 간격으로 분할된 수신신호에 대해 시스템 성능은 신호대 잡음비 대 실패 검출 확률 FDR(False Detection Probability)을 토대로 도출되며, 이에 도 8의 각 채널 환경 별 TO에 대한 시스템 성능은 채널 모델 A의 경우 첫번째 수신 신호 도착에 대해 추정 TO가 정확하고, 채널 모델 C, E의 경우 채널 별 지연 확산 시간이 길기 때문에 약간의 모호성이 존재한다.For example, for a 50,000 test data set of received signals divided at 1dB intervals between -10Db and 15dB, the system performance is derived based on the signal-to-noise ratio and the false detection probability (FDR), and the respective channel environments in Figure 8 There is some ambiguity in the system performance for each TO because for channel model A, the estimated TO is accurate for the arrival of the first received signal, and for channel models C and E, the delay spread time for each channel is long.
다른 례로 분할된 수신신호에 대해 최대 다중 경로 페이딩 지연 시간 -LCP/2 에서 + LCP/2 안에 추정 TO가 존재하면 각 채널 환경 별 TO가 정확하다고 판단되고, 이에 시스템 성능은 정확한 TO에 의거 향상된다.As another example, if an estimated TO exists within the maximum multi-path fading delay time -LCP/2 to +LCP/2 for a divided received signal, the TO for each channel environment is judged to be accurate, and system performance is improved based on the accurate TO. .
한편, 50000 개의 테스트 데이터 셋을 -10 dB에서 15dB 사이에서 1dB 간격으로 분할된 수신신호에 대해 시스템 성능은 RMSE(Root Means Square Error)을 토대로 도출되며, 도 12를 참조하면, 중간과 낮은 신호대 잡음비에서 기존의 기법 보다 RMSE가 낮음을 확인할 수 있다.Meanwhile, the system performance is derived based on RMSE (Root Means Square Error) for the received signals of 50,000 test data sets divided at 1 dB intervals between -10 dB and 15 dB. Referring to FIG. 12, medium and low signal-to-noise ratios are obtained. It can be seen that the RMSE is lower than that of the existing method.
도 13은 도 3에 도시된 수신기의 동작 과정을 보인 흐름도로서, 도 12를 참조하여 다른 실시예에 따른 딥러닝 기반의 무선 통신 방법을 설명한다.FIG. 13 is a flowchart showing the operation process of the receiver shown in FIG. 3, and a deep learning-based wireless communication method according to another embodiment is explained with reference to FIG. 12.
우선 단계(S11) ~ (S13)에서, 일 실시예의 전처리부(210)은 송신기(100)의 전송 신호를 수신하고 수신신호를 특정 주파수 간격으로 분할하고 분할된 특정 주파수 간격의 각 수신신호에 대해 기 정해진 윈도우 크기로 교차 상관을 수행하고 이에 2차원 행렬의 수신신호를 도출하며, 도출된 2차원 행렬의 수신신호를 정규화하며 정규화된 2차원 행렬의 수신신호는 학습부(220)로 제공된다.First, in steps (S11) to (S13), the preprocessor 210 in one embodiment receives the transmission signal from the transmitter 100, divides the received signal into specific frequency intervals, and for each received signal in the divided specific frequency interval. Cross-correlation is performed with a predetermined window size, a received signal of a two-dimensional matrix is derived, the received signal of the derived two-dimensional matrix is normalized, and the received signal of the normalized two-dimensional matrix is provided to the learning unit 220.
단계(S14)(S15)에서, 일 실시예의 학습부(220)는 전처리부(210)의 2차원 행렬의 각 수신신호에 대해 합성곱 신경망 기반으로 학습 수행하여 각 TO 및 CFO를 추정하여 추정 TO 및 추정 CFO를 도출한다.In steps S14 and S15, the learning unit 220 of one embodiment performs learning based on a convolutional neural network for each received signal of the two-dimensional matrix of the preprocessor 210 to estimate each TO and CFO to obtain an estimated TO. and derive the estimated CFO.
이어 단계(S16)에서, 일 실시예의 후처리부(230)는 도출된 추정 TO 및 추정 CFO에 대해 보상한 다음 채널 특성을 조정한 후 데이터 복구를 수행한다.Next, in step S16, the post-processing unit 230 of one embodiment compensates for the derived estimated TO and estimated CFO, then adjusts channel characteristics and performs data recovery.
일 실시예는 딥러닝 기반으로 수신신호의 시간 옵셋 및 반송파 주파수 옵셋을 동시에 추정하고 추정된 시간 옵셋 및 반송파 주파수 옵셋을 보상함에 따라, 채널 환경에 따라 시스템 성능을 향상시킬 수 있다.One embodiment can improve system performance depending on the channel environment by simultaneously estimating the time offset and carrier frequency offset of the received signal based on deep learning and compensating for the estimated time offset and carrier frequency offset.
이상에서 설명된 실시예들은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate 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 embodiments described above may be implemented with hardware components, software components, and/or a combination of hardware components and software components. For example, the devices, methods, and components described in the embodiments may include, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, and a field programmable gate (FPGA). It may be implemented using one or more general-purpose or special-purpose computers, such as an array, programmable logic unit (PLU), microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions. A processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications that run on the operating system. Additionally, a processing device may access, store, manipulate, process, and generate data in response to the execution of software. For ease of understanding, a single processing device may be described as being used; however, those skilled in the art will understand that a processing device includes multiple processing elements and/or multiple types of processing elements. It can be seen that it may include. For example, a processing device may include a plurality of processors or one processor and one controller. Additionally, other processing configurations, such as parallel processors, are possible.
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 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 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.Software may include a computer program, code, instructions, or a combination of one or more of these, which may configure a processing unit to operate as desired, or may be processed independently or collectively. You can command the device. Software and/or data may be used on any type of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device to be interpreted by or to provide instructions or data to a processing device. , or may be permanently or temporarily embodied in a transmitted signal wave. Software may be distributed over networked computer systems and 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. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 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 광매체(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. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The method according to the embodiment may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded on a computer-readable medium. Computer-readable media may include program instructions, data files, data structures, etc., singly or in combination. Program instructions recorded on a computer-readable medium may be specially designed and configured for an embodiment or may be known and usable by those skilled in the art of computer software. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic media such as floptical disks. Includes magneto-optical media and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, etc. Examples of program instructions include machine language code, such as that produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter, etc. The hardware devices described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the embodiments, and vice versa.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.Although the embodiments have been described with limited drawings as described above, those skilled in the art can apply various technical modifications and variations based on the above. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or components of the described system, structure, device, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components are used. Alternatively, appropriate results may be achieved even if substituted or substituted by an equivalent.
100 : 송신기
200 : 수신기
210 : 전처리부
220 : 학습부
230 : 후처리부100: transmitter
200: receiver
210: preprocessing unit
220: Learning Department
230: Post-processing unit
Claims (10)
상기 수신기는
정해진 주파수 간격으로 수신신호를 분할한 다음 분할된 각 수신신호의 레거시 프리앰블에 대해 교차 상관을 수행하여 2차원 행렬 형태로 변환한 후 정규화하는 전처리부;
2차원 행렬의 수신신호에 대해 합성곱 신경망 기반의 학습 수행하여 시간 옵셋과 반송파 주파수 옵셋을 추정하는 학습부; 및
수신신호에 대해 추정 시간 옵셋 및 추정 반송파 주파수 옵셋을 보상한 다음 채널 특성을 조절하고 데이터 복구를 수행하는 후처리부를 포함하고,
상기 학습부는,
2차원 형렬의 수신신호에 대해 합성곱 신경망 기반으로 학습 수행하여 추정 시간 옵셋을 도출하는 시간 옵셋 CNN 모듈; 및
도출된 추정 시간 옵셋에 대해 상기 추정 시간 옵셋 CNN 모듈의 학습 성능 평가를 수행하는 시간 옵셋 학습 평가모듈을 포함하고,
실측 시간 옵셋 및 추정 시간 옵셋에 대한 교차 엔트로피에 의거한 시간 옵셋에 대한 비용함수로 학습 결과에 대한 평가를 수행하고 수행 결과를 토대로 상기 시간 옵셋 CNN모듈의 합성곱 신경망의 파라미터를 제어하도록 구비되고,
상기 시간 옵셋에 대한 비용함수는 다음 식 11로 나타내는 것을 특징으로 하는 딥러닝 기반의 무선 통신 시스템.
[식 11]
여기서, tk는 실제 시간 옵셋이고, 는 추정 시간 옵셋이며, N은 배치 사이즈이다.In a wireless communication system that performs wireless communication between a transmitter and a receiver,
The receiver is
A preprocessor that divides the received signal at predetermined frequency intervals, then performs cross-correlation on the legacy preamble of each divided received signal, converts it into a two-dimensional matrix, and normalizes it;
a learning unit that performs convolutional neural network-based learning on the received signal of a two-dimensional matrix to estimate time offset and carrier frequency offset; and
It includes a post-processing unit that compensates for the estimated time offset and the estimated carrier frequency offset for the received signal, then adjusts the channel characteristics and performs data recovery,
The learning department,
A time offset CNN module that derives an estimated time offset by performing training based on a convolutional neural network on a two-dimensional received signal; and
A time offset learning evaluation module that evaluates the learning performance of the estimated time offset CNN module with respect to the derived estimated time offset,
It is equipped to evaluate the learning results with a cost function for the time offset based on the cross-entropy for the actual time offset and the estimated time offset, and to control the parameters of the convolutional neural network of the time offset CNN module based on the performance results,
A deep learning-based wireless communication system, characterized in that the cost function for the time offset is expressed in Equation 11 below.
[Equation 11]
Here, t k is the actual time offset, is the estimated time offset, and N is the batch size.
송신기와 수신기 간의 최대 발생할 수 있는 반송파 주파수 옵셋 범위 내에서 설정되는 것을 특징으로 하는 딥러닝 기반의 무선 통신 시스템.The method of claim 1, wherein the determined frequency interval is
A deep learning-based wireless communication system characterized in that it is set within the maximum possible carrier frequency offset range between the transmitter and receiver.
수신신호를 소정 주파수 간격으로 분할하는 보상모듈;
상기 분할된 각 수신신호에 대해 교차 상관을 수행하여 2차원 행렬로 변환하는 교차 상관모듈; 및
상기 2차원 행렬의 각 수신신호를 정규화하는 정규화모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 딥러닝 기반의 무선 통신 시스템.The method of claim 1, wherein the preprocessing unit,
A compensation module that divides the received signal into predetermined frequency intervals;
a cross-correlation module that performs cross-correlation on each of the divided received signals and converts them into a two-dimensional matrix; and
A deep learning-based wireless communication system comprising a normalization module that normalizes each received signal of the two-dimensional matrix.
2차원 형렬의 수신신호에 대해 합성곱 신경망 기반 학습 수행하여 추정 반송파 주파수 옵셋을 도출하는 추정 반송파 주파수 옵셋 CNN 모듈; 및
상기 도출된 추정 반송파 주파수 옵셋에 대해 합성곱 신경망의 학습 성능 평가를 수행하는 반송파 주파수 옵셋 학습 평가모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 딥러닝 기반의 무선 통신 시스템.The method of claim 1, wherein the learning unit,
An estimated carrier frequency offset CNN module that performs convolutional neural network-based learning on two-dimensional received signals to derive an estimated carrier frequency offset; and
A deep learning-based wireless communication system comprising a carrier frequency offset learning evaluation module that evaluates the learning performance of a convolutional neural network for the derived estimated carrier frequency offset.
실측 반송파 주파수 옵셋과 추정 반송파 주파수 옵셋 간의 MSE(Means Square Error)에 의거한 반송파 주파수 옵셋에 대한 비용함수로 학습 결과에 대한 평가를 수행하고 수행 결과를 토대로 상기 추정 반송파 주파수 CNN모듈의 합성곱 신경망의 파라미터를 제어하도록 구비되고, 상기 반송파 주파수 옵셋에 대한 비용함수는 다음 식 12로 나타내는 것을 특징으로 하는 딥러닝 기반의 무선 통신 시스템.
[식 12]
여기서, 는 추정 CFO이고, p는 실측 CFO이며, N은 배치 사이즈이다.The method of claim 6, wherein the carrier frequency offset learning evaluation module,
The learning results are evaluated using a cost function for the carrier frequency offset based on the MSE (Means Square Error) between the actual carrier frequency offset and the estimated carrier frequency offset, and based on the performance results, the convolution neural network of the estimated carrier frequency CNN module is evaluated. A deep learning-based wireless communication system equipped to control parameters, and wherein the cost function for the carrier frequency offset is expressed in Equation 12 below.
[Equation 12]
here, is the estimated CFO, p is the actual CFO, and N is the batch size.
상기 송신기와 수신기의 무선 통신을 수행하는 무선 통신 시스템에 포함된 적어도 하나의 프로세서가,
정해진 소정 주파수 간격으로 수신신호를 분할한 다음 분할된 수신신호의 레거시 프리앰블에 대해 교차 상관을 수행하여 2차원 행렬 형태로 변환한 후 정규화하는 전처리단계;
2차원 행렬의 수신신호에 대해 합성곱 신경망 기반의 학습 수행하여 시간 옵셋와 반송파 주파수 옵셋을 추정하는 학습 단계; 및
상기 수신신호에 대해 추정 시간 옵셋 및 추정 반송파 주파수 옵셋을 보상한 다음 채널 특성을 조절하고 이어 데이터 복구를 수행하는 후처리 단계를 포함하고,
상기 학습 단계는,,
2차원 형렬의 수신신호에 대해 합성곱 신경망 기반으로 학습 수행하여 추정 시간 옵셋을 도출하는 단계; 및
도출된 추정 시간 옵셋에 대해 상기 추정 시간 옵셋 CNN 모듈의 학습 성능 평가를 수행하는 단계를 포함하고,
실측 시간 옵셋 및 추정 시간 옵셋에 대한 교차 엔트로피에 의거한 시간 옵셋에 대한 비용함수로 학습 결과에 대한 평가를 수행하고 수행 결과를 토대로 상기 시간 옵셋 CNN모듈의 합성곱 신경망의 파라미터를 제어하도록 구비되고,
상기 시간 옵셋에 대한 비용함수는 다음 식 11로 나타내는 것을 특징으로 하는 딥러닝 기반의 무선 통신 방법.
[식 11]
여기서, tk는 실제 시간 옵셋이고, 는 추정 시간 옵셋이며, N은 배치 사이즈이다.In a deep learning-based wireless communication method performed based on a wireless communication system that performs wireless communication between the transmitter and receiver of claim 1,
At least one processor included in a wireless communication system that performs wireless communication between the transmitter and the receiver,
A preprocessing step of dividing the received signal at predetermined frequency intervals, then performing cross-correlation on the legacy preamble of the divided received signal, converting it into a two-dimensional matrix, and then normalizing it;
A learning step of performing convolutional neural network-based learning on the received signal of a two-dimensional matrix to estimate the time offset and carrier frequency offset; and
A post-processing step of compensating for an estimated time offset and an estimated carrier frequency offset for the received signal, then adjusting channel characteristics, and then performing data recovery,
The learning stage is,,
Deriving an estimated time offset by performing learning based on a convolutional neural network on a two-dimensional received signal; and
Comprising the step of evaluating the learning performance of the estimated time offset CNN module with respect to the derived estimated time offset,
It is equipped to evaluate the learning results with a cost function for the time offset based on the cross-entropy for the actual time offset and the estimated time offset, and to control the parameters of the convolutional neural network of the time offset CNN module based on the performance results,
A deep learning-based wireless communication method, characterized in that the cost function for the time offset is expressed in Equation 11 below.
[Equation 11]
Here, t k is the actual time offset, is the estimated time offset, and N is the batch size.
송신기와 수신기 간의 최대 발생할 수 있는 주파수 옵셋의 범위 내에서 설정되는 것을 특징으로 하는 딥러닝 기반의 무선 통신 방법.The method of claim 8, wherein the predetermined frequency interval is
A deep learning-based wireless communication method, characterized in that it is set within the range of the maximum possible frequency offset between the transmitter and the receiver.
A computer-readable recording medium on which a program for executing the deep learning-based wireless communication method of claim 8 or 9 is recorded.
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Ryan M. Dreifuerst et al., "Deep Learning-based Carrier Frequency Offset Estimation with One-Bit ADCs", 2020 IEEE SPAWC(2020.05.29.)* |
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