KR20210000645A - Method and apparatus of massive mimo detection based on deep neural network - Google Patents
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Abstract
Description
다양한 실시예들은 깊은 신경망을 이용한 대용량 MIMO 신호 검출 방법 및 장치에 관한 것이다. Various embodiments relate to a method and apparatus for detecting a large-capacity MIMO signal using a deep neural network.
최근 4차 산업 혁명이 이슈가 되면서 사물 인터넷(Internet of Things, IoT), 자율 주행, 인공지능 등의 기술이 발전하였고, 무선 통신 시스템에서 높은 전송률에 대한 수요가 계속해서 증가하고 있다. 전송률을 높이기 위해서 많은 방법들이 연구되고 있지만 대역폭이 제한적이기 때문에, 전송률과 성능을 동시에 향상시키기에는 트레이드 오프(trade-off) 관계로 한계가 있다. 따라서, 추가적인 대역폭 및 전송 전력 없이 채널 용량을 높일 수 있는 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 시스템에 대한 관심이 높아지고 있다. As the 4th industrial revolution has recently become an issue, technologies such as Internet of Things (IoT), autonomous driving, and artificial intelligence have developed, and the demand for high transmission rates in wireless communication systems continues to increase. Although many methods are being studied to increase the transmission rate, since the bandwidth is limited, there is a limitation due to a trade-off relationship to simultaneously improve the transmission rate and performance. Accordingly, interest in a multiple-input multiple-output (MIMO) system capable of increasing channel capacity without additional bandwidth and transmission power is increasing.
MIMO 시스템은 단일 입력 단일 출력(Single Input Single Output, SISO) 시스템과 달리 송신 측에서 여러 개의 심볼을 동시에 전송하기 때문에, 수신 측에서는 랜덤 잡음이나 간섭의 영향을 받은 심볼을 수신하게 된다. 따라서, MIMO 시스템을 설계할 때, 수신 측에 송신 신호에 대한 신호 검출기가 필요하다. 하지만, 대용량 MIMO 시스템은 다수의 안테나를 사용함에 따라 시스템의 복잡도가 지수적으로 증가하여, 현실에서의 구현이 어렵다. 따라서, 낮은 복잡도로 신호 검출을 수행하기 위해 ZF(zero forcing), SDR-RBR(semidefinite relaxation-row by row), SD(sphere decoding)과 같은 알고리즘들이 연구되어 왔다. Unlike the Single Input Single Output (SISO) system, the MIMO system simultaneously transmits several symbols at the transmitting side, so the receiving side receives the symbols affected by random noise or interference. Therefore, when designing a MIMO system, a signal detector for a transmission signal is required on the receiving side. However, in a large-capacity MIMO system, the complexity of the system increases exponentially as a plurality of antennas are used, and it is difficult to implement in reality. Therefore, algorithms such as zero forcing (ZF), semi-definite relaxation-row by row (SDR-RBR), and sphere decoding (SD) have been studied to perform signal detection with low complexity.
4차 산업 혁명의 또 다른 이슈는 기계학습(Machine Learning)이다. 하드웨어 장비 및 심층 신경망(deep neural network; DNN)의 발전으로 기계학습에 대한 관심이 높아지게 되었고, 공학 분야의 문제를 해결하기 위해서 많이 사용되고 있다. 그 결과, 대부분의 공학 분야에서 기계학습에 대한 성공 스토리가 폭발적으로 증가하고 있다. 통신 분야에서도 다방면으로 기계학습을 적용하고 있으며, 채널 추정 및 블라인드 검출 등에서 좋은 성과를 보여주었고 MIMO 검출 문제에 순환 신경망(recurrent neural network; RNN)을 적용하여 높은 검출 정확도를 가지는 방법도 제시되고 있다.Another issue of the 4th industrial revolution is machine learning. With the development of hardware equipment and deep neural networks (DNNs), interest in machine learning has increased, and is widely used to solve problems in the field of engineering. As a result, success stories for machine learning are exploding in most engineering fields. In the communication field, machine learning is also applied in various fields, and has shown good results in channel estimation and blind detection, and a method with high detection accuracy by applying a recurrent neural network (RNN) to the MIMO detection problem is also proposed.
다양한 실시예들은 최적화 알고리즘에 심층 신경망을 적용하여 낮은 복잡도에서 높은 검출 성능을 가지는 새로운 MIMO 검출 방법 및 장치를 제안한다.Various embodiments propose a new MIMO detection method and apparatus having high detection performance at low complexity by applying a deep neural network to an optimization algorithm.
다양한 실시예들에 따른 깊은 신경망을 이용한 대용량 MIMO 신호 검출 방법은, MIMO 시스템에서 수신기가 수신 신호로부터 송신기의 송신 신호를 검출하는 방법에 관한 것으로, 수신 신호와 상기 수신 신호에 대한 채널을 기반으로, 송신 신호를 추정하는 동작, 상기 수신 신호, 채널 및 송신 신호를 기반으로, MIMO 검출 문제를 도출하는 동작, 상기 MIMO 검출 문제의 증강 라그랑주를 검출하는 동작, 상기 증강 라그랑주에 R-A-ADMM 알고리즘을 적용하는 동작, 및 프록시멀 항을 적용하여, 상기 송신 신호를 최적화하고, 이로 인해 R-A-ADMM을 도출하는 동작을 포함할 수 있다. A method of detecting a large-capacity MIMO signal using a deep neural network according to various embodiments relates to a method in which a receiver detects a transmission signal of a transmitter from a received signal in a MIMO system, based on a received signal and a channel for the received signal, Estimating a transmission signal, deriving a MIMO detection problem based on the received signal, channel, and transmission signal, detecting an enhanced Lagrange of the MIMO detection problem, and applying a RA-ADMM algorithm to the enhanced Lagrange And an operation of optimizing the transmission signal by applying a proximal term, and thus deriving an RA-ADMM.
다양한 실시예들에 따른 깊은 신경망을 이용한 대용량 MIMO 신호 검출 장치는, MIMO 시스템의 수신기에서 수신 신호로부터 송신기의 송신 신호를 검출하는 장치에 관한 것으로, 수신 신호가 입력되는 복수 개의 수신 안테나들, 및 상기 수신 신호로부터 송신 신호를 검출하도록 구성되는 검출기를 포함하며, 상기 검출기는, 수신 신호와 상기 수신 신호에 대한 채널을 기반으로, 송신 신호를 추정하고, 상기 수신 신호, 채널 및 송신 신호를 기반으로, MIMO 검출 문제를 도출하고, 상기 MIMO 검출 문제의 증강 라그랑주를 검출하고, 상기 증강 라그랑주에 R-A-ADMM 알고리즘을 적용하고, 프록시멀 항을 적용하여, 상기 송신 신호를 최적화하고, 이로 인해 R-A-ADMM을 도출하도록 구성될 수 있다. An apparatus for detecting a large-capacity MIMO signal using a deep neural network according to various embodiments relates to an apparatus for detecting a transmission signal of a transmitter from a received signal in a receiver of a MIMO system, and includes a plurality of receiving antennas to which a received signal is input, and the And a detector configured to detect a transmission signal from a received signal, the detector estimating a transmission signal based on a received signal and a channel for the received signal, and based on the received signal, the channel and the transmission signal, Derive a MIMO detection problem, detect the enhanced Lagrange of the MIMO detection problem, apply a RA-ADMM algorithm to the enhanced Lagrange, and apply a proximal term to optimize the transmission signal, thereby optimizing the RA-ADMM. It can be configured to derive.
다양한 실시예들에 따르면, 낮은 복잡도에서 높은 성능을 가지는 새로운 MIMO 검출 기법이 제안된다. 다양한 실시예들에 따른 장치는 최적화 알고리즘을 기반으로 구현하였기에 기존의 인공지능 검출기 보다 훨씬 적은 양의 학습 파라미터를 가질 수 있다. 따라서, 적은 시간 내에 학습이 가능하다. 또한 한번에 많은 양의 데이터를 처리할 수 있도록 설계하여 기존의 알고리즘 보다 빠른 처리 시간을 가질 수 있다. According to various embodiments, a new MIMO detection technique having high performance at low complexity is proposed. Since the device according to various embodiments is implemented based on an optimization algorithm, it may have a much smaller amount of learning parameters than the existing artificial intelligence detector. Therefore, learning is possible in less time. In addition, by designing to process a large amount of data at once, it can have a faster processing time than existing algorithms.
도 1은 다양한 실시예들에 따른 수신기의 검출기를 도시하는 도면이다.
도 2는 도 1의 프록시멀 그라디언트 부분을 도시하는 도면이다.
도 3은 도 1의 릴렉세이션 부분을 도시하는 도면이다.
도 4는 도 1의 가속화 부분을 도시하는 도면이다.
도 5는 4-PAM에서의 와 함수를 보여주는 그래프이다.
도 6은 BPSK와 변하는 30×60 MIMO채널에서 SNR에 따른 비트 오류율을 보여주는 그래프이다.
도 7은 4QAM와 변하는 20×30 MIMO채널에서 SNR에 따른 심볼 오류율을 보여주는 그래프이다.
도 8은 16QAM과 변하는 15×25 MIMO채널에서 SNR에 따른 심볼 오류율을 보여주는 그래프이다.
도 9는 배치의 크기에 따른 알고리즘 실행시간을 보여주는 그래프이다.
도 10은 레이어 개수에 따른 심볼 오류율을 보여주는 그래프이다.1 is a diagram illustrating a detector of a receiver according to various embodiments.
FIG. 2 is a diagram illustrating a proximal gradient portion of FIG. 1.
3 is a diagram illustrating a relaxation part of FIG. 1.
FIG. 4 is a diagram illustrating an acceleration portion of FIG. 1.
Figure 5 is in the 4-PAM Wow This is a graph showing the function.
6 is a graph showing a bit error rate according to SNR in a 30×60 MIMO channel that changes with BPSK.
7 is a graph showing a symbol error rate according to SNR in a 4QAM and a variable 20×30 MIMO channel.
8 is a graph showing a symbol error rate according to SNR in a 16QAM and a varying 15×25 MIMO channel.
9 is a graph showing algorithm execution time according to the size of the batch.
10 is a graph showing a symbol error rate according to the number of layers.
이하, 본 문서의 다양한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. Hereinafter, various embodiments of the present document will be described with reference to the accompanying drawings.
이하에서, 다양한 실시예들에 따른 깊은 신경망을 이용한 대용량 MIMO 신호 검출 방법 및 장치가 제안된다. 다양한 실시예들에 따르면, MIMO 시스템에서, 수신기가 수신 신호로부터 송신기의 송신 신호를 검출하는 방법 및 장치가 제안된다. 다양한 실시예들에서는 낮은 복잡도에서 높은 성능을 가지는 새로운 MIMO 검출 기법을 제안한다. 다양한 실시예들에 따른 장치는 최적화 알고리즘을 기반으로 구현하였기에 기존의 인공지능 검출기 보다 훨씬 적은 양의 학습 파라미터를 가질 수 있다. 따라서, 적은 시간 내에 학습이 가능하다. 또한 한번에 많은 양의 데이터를 처리할 수 있도록 설계하여 기존의 알고리즘 보다 빠른 처리 시간을 가질 수 있다. Hereinafter, a method and apparatus for detecting a large-capacity MIMO signal using a deep neural network according to various embodiments are proposed. According to various embodiments, in a MIMO system, a method and apparatus are proposed for a receiver to detect a transmission signal of a transmitter from a received signal. Various embodiments propose a new MIMO detection scheme with high performance at low complexity. Since the device according to various embodiments is implemented based on an optimization algorithm, it may have a much smaller amount of learning parameters than the existing artificial intelligence detector. Therefore, learning is possible in less time. In addition, by designing to process a large amount of data at once, it can have a faster processing time than existing algorithms.
MIMO 시스템에서 수신 신호는 하기 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다. In the MIMO system, the received signal can be represented by the following [Equation 1].
여기서, 송신 안테나 개와 수신 안테나 개를 사용한다면, 는 수신 신호 벡터를 나타내고, 는 MIMO 채널 행렬을 나타내고, 는 송신 신호 벡터를 나타내고, 은 가산성 백색 가우시안 잡음(Additive White Gaussian Noise, AWGN)을 나타낼 수 있다. 는 성상도에서 표현되는 점들의 집합을 나타내며, 는 복소수 집합을 나타낼 수 있다. Here, the transmitting antenna Dog and receiving antenna If you use a dog, Represents the received signal vector, Denotes the MIMO channel matrix, Denotes the transmission signal vector, May represent additive white Gaussian noise (AWGN). Represents the set of points expressed in the constellation diagram, Can represent a set of complex numbers.
MIMO 시스템의 채널 행렬 는 수신기에서 알고 있으며 원소들은 가우시안 분포로 이루어져 있을 수 있다. 는 크기의 채널 행렬로 번째 행, 번째 열의 원소는 번째 수신 안테나에서 번째 송신 안테나 사이의 채널 이득을 나타낼 수 있다. 수신기의 MIMO 신호 검출기는 잡음이 섞인 수신 신호 벡터 와 채널 행렬 를 사용하여 송신 신호 벡터 를 복원할 수 있다.Channel matrix in MIMO system Is known by the receiver, and the elements may consist of a Gaussian distribution. Is As a channel matrix of size Second row, The element in the first column is At the second receiving antenna It can represent the channel gain between the th transmit antennas. The receiver's MIMO signal detector is a noisy vector of the received signal And channel matrix Transmit signal vectors using Can be restored.
상기 [수학식 1]에서 복소수 변수를 피하기 위해서, 하기 [수학식 2]를 적용할 수 있다. 이때 상기 [수학식 1]은 하기 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다. In order to avoid the complex variable in [Equation 1], the following [Equation 2] can be applied. At this time, [Equation 1] can be expressed as [Equation 3] below.
상기 [수학식 3]을 MIMO 검출 문제로 다시 표현하면, 하기 [수학식 4]와 같이 나타낼 수 있다. When [Equation 3] is expressed again as a MIMO detection problem, it can be expressed as [Equation 4] below.
여기서, 는 성좌도 집합 에 대한 지시(indicator) 함수일 수 있다. 즉, 을 만족하면 이고, 을 만족하면 일 수 있다. 는 와 중 어느 곳에 더 중요성을 두는 지 정하는 변수일 수 있다. 즉, 가 작을수록, 에 대한 중요성이 증가하고, 가 클수록, 에 대한 중요성이 증가할 수 있다. here, The constellation is also set It may be an indicator function for. In other words, If you are satisfied with ego, If you are satisfied with Can be Is Wow It may be a variable that determines which of these places is more important. In other words, The smaller is, Of increasing importance, The greater is, Can increase in importance.
상기 [수학식 4]에 대한 증강 라그랑주 승수법(augmented Lagrangian)이 하기 [수학식 5]와 같이 나타낼 수 있다. The augmented Lagrangian multiplier method for [Equation 4] may be expressed as [Equation 5] below.
여기서, 는 패널티 변수로서, 와 같이 중요성을 나타내는 지표일 수 있다. 즉, 가 클수록, ()을 더 만족하도록 결과가 도출되며, 가 작을수록, 에 초점을 맞춰서 최적화가 수행될 수 있다. 는 라그랑주 승수(Lagrange multiplier 또는 dual variable)를 나타낼 수 있다.here, Is the penalty variable, It can be an indicator of importance, such as. In other words, The greater is, ( ) To more satisfying the results, The smaller is, Focusing on the optimization can be performed. Can represent a Lagrange multiplier or dual variable.
상기 [수학식 5]와 같은 MIMO 검출 문제에 R-A-ADMM(Relaxed Accelerated Alternating Direction Method of Multipliers) 알고리즘을 적용하면, 하기 [수학식 6]과 같이 표현될 수 있다. When the R-A-ADMM (Relaxed Accelerated Alternating Direction Method of Multipliers) algorithm is applied to the MIMO detection problem such as [Equation 5], it can be expressed as [Equation 6].
여기서, 및 가 만족될 수 있다. 인 경우 A-ADMM이며, 인 경우 ADMM 알고리즘에 해당한다. here, And Can be satisfied. Is A-ADMM, If it is, it corresponds to the ADMM algorithm.
상기 [수학식 6]에서 에 대하여 최적화하는 문제는 행렬의 역행렬을 구하는 문제와 관련되어 복잡할 수 있다. 따라서, 다양한 실시예들에서는 프록시멀 항(proximal term)을 사용하여 압축 센싱(Compressive Sensing, CS) 문제를 해결한 것과 유사하게, 에 대하여 최적화하는 문제를 해결하고자 한다. 이를 위해, 하기 [수학식 7]과 같이 가 정의될 수 있다. 이 때 는 매끄러운 함수(smooth function)로, 하기 [수학식 8]과 같은 조건을 만족할 수 있다. In [Equation 6] above The problem of optimizing for can be complicated in relation to the problem of obtaining the inverse matrix of the matrix. Therefore, in various embodiments, similar to the solution of the Compressive Sensing (CS) problem using a proximal term, We try to solve the problem of optimizing for. To this end, as shown in [Equation 7] Can be defined. At this time Is a smooth function, and may satisfy conditions such as the following [Equation 8].
이를 기반으로, 에 대하여 최적화하는 문제는, 하기 [수학식 9]와 같이 표현될 수 있다. Based on this, The problem of optimizing for can be expressed as [Equation 9] below.
여기서, ( 고유 값 중 가장 큰 값)가 만족되어야 한다.here, ( The largest of the unique values) must be satisfied.
프록시멀 항을 적용하여, 상기 [수학식 9]와 같이 표현되는 문제를 해결한 (inexact) R-A-ADMM이 하기 [수학식 10]과 같이 표현될 수 있다. By applying the proximal term, the (inexact) R-A-ADMM solving the problem expressed as in [Equation 9] may be expressed as [Equation 10] below.
여기서, 를 도입하여, 상기 [수학식 10]을 간단히 하면, 하기 [수학식 11]과 같이 표현될 수 있다. here, By introducing [Equation 10], it can be expressed as [Equation 11] below.
를 최적화하는 과정에서, 는 미분 가능하지 않게 때문에 학습 모델로 구현할 수 없다. 따라서, 다양한 실시예들에서는, 를 비 선형 함수 로 제안한다. 는 쌍곡 탄젠트(hyperbolic tangent)로 구성되어 있으며, 에 따라서 성상도 로 매핑하는 정도를 다르게 설정할 수 있다. 는 하기 [수학식 12]와 같이 표현될 수 있다. In the process of optimizing, Cannot be implemented as a learning model because it is not differentiateable. Thus, in various embodiments, Nonlinear function As suggested. Is composed of hyperbolic tangent, Depending on the constellation The degree of mapping to can be set differently. Can be expressed as the following [Equation 12].
여기서, 는 쌍곡 탄젠트를 평행 이동시키는 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 4진 진폭 변조에서, 일 때, 일 수 있다. 이 때 는, 도 5에 도시된 바와 같이 에 따라 다르게 표현될 수 있다. here, May serve to translate the hyperbolic tangent. For example, in quaternary amplitude modulation, when, Can be At this time Is, as shown in Figure 5 It can be expressed differently according to the.
ADMM과 같은 알고리즘으로 최적화 문제를 해결하는 경우 성능은 알고리즘에서 등장한 파라미터 값에 민감하다. 최적의 성능을 가지는 값을 정하는 것은 알고리즘으로 문제를 해결하는 것보다 중요할 수도 있으며 정확한 값을 찾기 어려운 문제가 있다. 따라서, 다양한 실시예들에서는 알고리즘의 파라미터를 학습 가능한 파라미터로 하여, 하기 [수학식 13]과 같이 표현되는 R-A-ADMM 네트워크를 구현할 수 있다.When solving an optimization problem with an algorithm such as ADMM, performance is sensitive to the parameter values that appear in the algorithm. Determining a value with optimal performance may be more important than solving a problem with an algorithm, and it is difficult to find an exact value. Accordingly, in various embodiments, the R-A-ADMM network expressed as shown in
이 때 상기 [수학식 13]은 R-A-ADMM 네트워크에서 한 개의 레이어에 대한 수학식일 수 있다. 학습 가능한 파라미터는 레이어 별로 다른 값을 학습할 수 있다. 학습 가능한 파라미터 및 손실함수는 하기 [수학식 14] 및 [수학식 15]와 같이 각각 표현될 수 있다. In this case, [Equation 13] may be an equation for one layer in the R-A-ADMM network. The learnable parameters can learn different values for each layer. The learnable parameters and loss functions may be expressed as shown in [Equation 14] and [Equation 15], respectively.
여기서, 는 고정된 상수로 100을 사용할 수 있다. 학습 가능한 파라미터의 초기 값은 R-A-ADMM의 조건을 만족하는 값일 수 있다. here, Can use 100 as a fixed constant. The initial value of the learnable parameter may be a value that satisfies the condition of RA-ADMM.
다양한 실시예들에서는 낮은 복잡도에서 높은 성능을 가지는 새로운 MIMO 검출 기법을 제안한다. 다양한 실시예들에 따른 MIMO 검출 장치는 최적화 알고리즘을 기반으로 구현하였기에 기존의 인공지능 검출기 보다 훨씬 적은 양의 학습 파라미터를 가질 수 있다. 따라서, 적은 시간 내에 학습이 가능하다. 또한 한번에 많은 양의 데이터를 처리할 수 있도록 설계하여 기존의 알고리즘 보다 빠른 처리 시간을 가질 수 있다. Various embodiments propose a new MIMO detection scheme with high performance at low complexity. Since the MIMO detection apparatus according to various embodiments is implemented based on an optimization algorithm, it may have a much smaller amount of learning parameters than the conventional artificial intelligence detector. Therefore, learning is possible in less time. In addition, by designing to process a large amount of data at once, it can have a faster processing time than existing algorithms.
도 1은 다양한 실시예들에 따른 수신기의 검출기(100)를 도시하는 도면이다. 도 2는 도 1의 프록시멀 그라디언트 모듈(110)을 도시하는 도면이다. 도 3은 도 1의 릴렉세이션 모듈(120)을 도시하는 도면이다. 도 4는 도 1의 가속화 모듈(130)을 도시하는 도면이다. 1 is a diagram illustrating a
도 1을 참조하면, 다양한 실시예들에 따른 수신기의 검출기(100)는, 복수 개의 수신 안테나들을 통해 입력되는 수신 신호로부터 송신 신호에서 출력되는 송신 신호를 검출할 수 있다. 이를 위해, 검출기(100)는 상기 [수학식 13]에 표현되는 바와 같은 R-A-ADMM 네트워크를 구현하도록 구성될 수 있다. 검출기(100)는 프록시멀 그라디언트 모듈(110), 릴렉세이션 모듈(120) 및 가속화 모듈(130)을 포함할 수 있다. 프록시멀 그라디언트 모듈(110)는 도 2에 도시된 바와 같이 구성되고, 입력 변수들 , , , , , 에 대해 학습 파라미터들 와 를 사용하여 연산을 수행함으로써, 해들 , 을 구할 수 있다. 릴렉세이션 모듈(120)은 도 3에 도시된 바와 같이 구성되고, 입력 변수들 , , 에 대해 학습 파라미터들 와 를 사용하여 연산을 수행함으로써, 해들 , 을 구할 수 있다. 가속화 모듈(130)은 도 4에 도시된 바와 같이 구성되고, 입력 변수들 , , , 에 대해 학습 파라미터 를 사용하여 연산을 수행함으로써, 해들 , 을 구할 수 있다. Referring to FIG. 1, the
다양한 실시예들에 따른 MIMO 시스템의 수신기에서 수신 신호로부터 송신기의 송신 신호를 검출하는 장치는, 수신 신호가 입력되는 복수 개의 수신 안테나들, 및 상기 수신 신호로부터 송신 신호를 검출하도록 구성되는 검출기(100)를 포함할 수 있다. An apparatus for detecting a transmission signal of a transmitter from a reception signal in a receiver of a MIMO system according to various embodiments includes a plurality of reception antennas to which a reception signal is input, and a detector configured to detect a transmission signal from the reception signal. ) Can be included.
다양한 실시예들에 따르면, 상기 검출기(100)는, 수신 신호와 상기 수신 신호에 대한 채널을 기반으로, 송신 신호를 추정하고, 상기 수신 신호, 채널 및 송신 신호를 기반으로, MIMO 검출 문제를 도출하고, 상기 MIMO 검출 문제의 증강 라그랑주를 검출하고, 상기 증강 라그랑주에 R-A-ADMM 알고리즘을 적용하고, 프록시멀 항을 적용하여, 상기 송신 신호를 최적화하고, 이로 인해 R-A-ADMM을 도출하도록 구성될 수 있다. According to various embodiments, the
다양한 실시예들에 따르면, 상기 검출기(100)는, 상기 R-A-ADMM에 미분 가능한 비 선형 함수를 적용하여, 상기 송신 신호를 최적화하고, 이로 인해 학습 파라미터를 갖는 R-A-ADMM 네트워크를 구현하도록 구성될 수 있다. According to various embodiments, the
다양한 실시예들에 따른 MIMO 시스템에서, 수신기가 수신 신호로부터 송신기의 송신 신호를 검출하는 방법은, 수신 신호와 상기 수신 신호에 대한 채널을 기반으로, 송신 신호를 추정하는 동작, 상기 수신 신호, 채널 및 송신 신호를 기반으로, MIMO 검출 문제를 도출하는 동작, 상기 MIMO 검출 문제의 증강 라그랑주를 검출하는 동작, 상기 증강 라그랑주에 R-A-ADMM 알고리즘을 적용하는 동작, 및 프록시멀 항을 적용하여, 상기 송신 신호를 최적화하고, 이로 인해 R-A-ADMM을 도출하는 동작을 포함할 수 있다. In the MIMO system according to various embodiments, a method for a receiver to detect a transmission signal of a transmitter from a received signal includes an operation of estimating a transmission signal based on a received signal and a channel for the received signal, the received signal, and a channel. And an operation of deriving a MIMO detection problem based on a transmission signal, an operation of detecting an enhanced Lagrange of the MIMO detection problem, an operation of applying an RA-ADMM algorithm to the enhanced Lagrange, and applying a proximal term, and the transmission. It may involve optimizing the signal, thereby deriving the RA-ADMM.
다양한 실시예들에 따르면, 상기 방법은, 상기 R-A-ADMM에 미분 가능한 비 선형 함수를 적용하여, 상기 송신 신호를 최적화하고, 이로 인해 학습 파라미터를 갖는 R-A-ADMM 네트워크를 구현하는 동작을 더 포함할 수 있다.According to various embodiments, the method further includes an operation of optimizing the transmission signal by applying a differentiable nonlinear function to the RA-ADMM, thereby implementing a RA-ADMM network having a learning parameter. I can.
도 6, 도 7, 도 8, 도 9 및 도 10은 다양한 실시예들에 따른 수신기의 성능을 설명하기 위한 도면들이다. 6, 7, 8, 9, and 10 are diagrams for explaining the performance of a receiver according to various embodiments.
도 6은 변하는 채널에서 송신 안테나 30개 수신 안테나 60개를 사용하였으며 BPSK 디지털 변조 기법을 사용했을 때의 SNR에 따른 BER 성능을 보여주는 그래프이다. 도 6을 참조하면, 전체적인 성능은 SD, R-A-ADMM 네트워크, DetNet, R-A-ADMM, ZF 순서로 우수하게 나타날 수 있다. 학습을 하지 않는 R-A-ADMM의 초반 성능은 DetNet보다 우수하지 않지만, 13dB에서의 성능은 적은 데이터를 학습한 DetNet의 성능과 유사할 수 있다. 학습을 하는 R-A-ADMM 네트워크의 성능은 DetNet의 성능 보다 항상 우수하며, SNR이 증가할수록 DetNet의 성능과 더 큰 차이를 나타낼 수 있다.6 is a graph showing BER performance according to SNR when 30 transmit antennas and 60 receive antennas are used in a variable channel and a BPSK digital modulation technique is used. Referring to FIG. 6, the overall performance may be excellent in the order of SD, R-A-ADMM network, DetNet, R-A-ADMM, and ZF. The initial performance of R-A-ADMM without learning is not better than DetNet, but the performance at 13dB may be similar to that of DetNet learning less data. The performance of the R-A-ADMM network for learning is always better than that of DetNet, and as the SNR increases, the performance of DetNet can show a larger difference.
도 7은 변하는 채널에서 송신 안테나 20개 수신 안테나 30개를 사용하였으며 4QAM 디지털 변조 기법을 사용했을 때의 SNR에 따른 SER 성능을 보여주는 그래프이다. 도 7을 참조하면, 전체적인 성능은 SD, R-A-ADMM 네트워크, DetNet, R-A-ADMM, ZF 순서로 우수하게 나타날 수 있다. SNR이 증가할수록 R-A-ADMM 네트워크의 성능과 DetNet의 성능 차이는 클 수 있다. SNR이 13 dB일 때, R-A-ADMM 네트워크의 성능과 충분히 학습한 DetNet의 성능 차이는 약 0.2 dB이며, R-A-ADMM 네트워크의 성능과 같은 시간을 학습한 DetNet의 성능 차이는 약 0.8 dB 정도일 수 있다.7 is a graph showing SER performance according to SNR when 20 transmit antennas and 30 receive antennas are used in a variable channel and a 4QAM digital modulation technique is used. Referring to FIG. 7, the overall performance may be excellent in the order of SD, R-A-ADMM network, DetNet, R-A-ADMM, and ZF. As the SNR increases, the difference between the performance of the R-A-ADMM network and the performance of DetNet can be greater. When the SNR is 13 dB, the difference between the performance of the RA-ADMM network and the fully learned DetNet is about 0.2 dB, and the difference between the performance of the RA-ADMM network and the learned DetNet at the same time may be about 0.8 dB. .
도 8은 변하는 채널에서 송신 안테나 15개 수신 안테나 25개를 사용하였으며 16QAM 디지털 변조 기법을 사용했을 때의 SNR에 따른 SER 성능을 보여주는 그래프이다. 도 8을 참조하면, 전체적인 성능은 SD, R-A-ADMM 네트워크, R-A-ADMM, DetNet, ZF 순서로 우수하게 나타날 수 있다. 학습을 하지 않는 R-A-ADMM의 초반 성능은 DetNet의 성능과 유사하며, 10 dB에서의 성능은 DetNet의 성능보다 우수할 수 있다. 학습을 하는 R-A-ADMM 네트워크의 성능은 DetNet의 성능 보다 항상 우수하며, SNR이 10 dB 보다 높아지면, DetNet의 성능과 1 dB 이상 우수할 수 있다. 8 is a graph showing SER performance according to SNR when 15 transmit antennas and 25 receive antennas are used in a variable channel and a 16QAM digital modulation technique is used. Referring to FIG. 8, the overall performance may be excellent in the order of SD, R-A-ADMM network, R-A-ADMM, DetNet, and ZF. The initial performance of R-A-ADMM without learning is similar to that of DetNet, and the performance at 10 dB can be superior to that of DetNet. The performance of the R-A-ADMM network for learning is always better than that of DetNet, and if the SNR is higher than 10 dB, it can be better than that of DetNet by 1 dB or more.
도 9는 배치(batch)의 크기에 따른 실행시간을 보여주는 그래프이다. SD는 하나의 데이터를 처리하는데 복잡한 연산이 수행될 수 있다. 따라서, SD는 여러 데이터를 묶은 배치 단위로 일괄처리하는 것은 어렵다. 이에, 도 9에 도시된 바와 같이, SD는 1 개의 데이터에 대한 실행시간을 나타낼 수 있다. ZF와 DetNet 그리고 R-A-ADMM의 경우, 단순한 연산들로 이루어져 있기 때문에, 일괄처리가 가능하다. 이 때 R-A-ADMM와 R-A-ADMM 네트워크는 같은 연산을 하므로 실행시간이 같을 수 있다. 이에, 도 9에 도시된 바와 같이, 일괄처리가 가능한 알고리즘은 배치의 크기에 따라서 실행시간이 비례하여 감소할 수 있다. 배치의 크기가 100 이상이면, R-A-ADMM은 SD보다 100배 이상 빠른 실행 시간을 가질 수 있다.9 is a graph showing execution time according to the size of a batch. SD processes one piece of data and complex operations can be performed. Therefore, it is difficult for SD to batch-process multiple data in batch units. Accordingly, as shown in FIG. 9, SD may represent an execution time for one piece of data. In the case of ZF, DetNet and R-A-ADMM, batch processing is possible because they consist of simple operations. At this time, the R-A-ADMM and R-A-ADMM networks perform the same operation, so the execution time may be the same. Accordingly, as shown in FIG. 9, the execution time of the algorithm capable of batch processing may be proportionally reduced according to the size of the batch. If the batch size is 100 or more, the R-A-ADMM can have an
도 10은 R-A-ADMM 네트워크의 레이어 개수에 따른 신호 오류율에 대한 그래프이다. 도 10을 참조하면, R-A-ADMM 네트워크의 레이어를 통과할수록 해가 수렴할 수 있다. 다양한 MIMO 채널과 디지털 변조기법을 적용한 상황에 대해서 R-A-ADMM 네트워크는 20 개 보다 적은 레이어에서 해가 수렴할 수 있다. MIMO 신호 검출에서 안정성을 위에 30 개의 레이어를 사용했지만, 만약 더 적은 레이어를 사용해서 해를 구한다면, 알고리즘의 실행 속도는 더욱 빨라질 수 있다.10 is a graph of a signal error rate according to the number of layers in an R-A-ADMM network. Referring to FIG. 10, solutions may converge as they pass through a layer of an R-A-ADMM network. For situations in which various MIMO channels and digital modulation techniques are applied, solutions can converge in fewer than 20 layers in R-A-ADMM networks. In the MIMO signal detection, 30 layers above are used for stability, but if the solution is solved using fewer layers, the execution speed of the algorithm can be faster.
다양한 실시예들에 따르면, 낮은 복잡도에서 높은 성능을 가지는 새로운 MIMO 검출 기법이 제안된다. 다양한 실시예들에 따른 장치는 최적화 알고리즘을 기반으로 구현하였기에 기존의 인공지능 검출기 보다 훨씬 적은 양의 학습 파라미터를 가질 수 있다. 따라서, 적은 시간 내에 학습이 가능하다. 또한 한번에 많은 양의 데이터를 처리할 수 있도록 설계하여 기존의 알고리즘 보다 빠른 처리 시간을 가질 수 있다. According to various embodiments, a new MIMO detection technique having high performance at low complexity is proposed. Since the device according to various embodiments is implemented based on an optimization algorithm, it may have a much smaller amount of learning parameters than the existing artificial intelligence detector. Therefore, learning is possible in less time. In addition, by designing to process a large amount of data at once, it can have a faster processing time than existing algorithms.
본 문서에 개시된 다양한 실시예들에 따른 전자 장치는 다양한 형태의 장치가 될 수 있다. 전자 장치는, 예를 들면, 휴대용 통신 장치(예: 스마트폰), 컴퓨터 장치, 휴대용 멀티미디어 장치, 휴대용 의료 기기, 카메라, 웨어러블 장치, 또는 가전 장치를 포함할 수 있다. 본 문서의 다양한 실시예들에 따른 전자 장치는 전술한 기기들에 한정되지 않는다.Electronic devices according to various embodiments disclosed in this document may be devices of various types. The electronic device may include, for example, a portable communication device (eg, a smart phone), a computer device, a portable multimedia device, a portable medical device, a camera, a wearable device, or a home appliance. The electronic device according to various embodiments of the present document is not limited to the above-described devices.
본 문서의 다양한 실시예들 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 본 문서에서, "A 또는 B", "A 및/또는 B 중 적어도 하나", "A, B 또는 C" 또는 "A, B 및/또는 C 중 적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제 1", "제 2", "첫째" 또는 "둘째" 등의 표현들은 해당 구성요소들을, 순서 또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 어떤(예: 제 1) 구성요소가 다른(예: 제 2) 구성요소에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제 3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다.Various embodiments of the present document and terms used therein are not intended to limit the technology described in this document to a specific embodiment, and should be understood to include various modifications, equivalents, and/or substitutes of the corresponding embodiment. In connection with the description of the drawings, similar reference numerals may be used for similar elements. Singular expressions may include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this document, expressions such as "A or B", "at least one of A and/or B", "A, B or C" or "at least one of A, B and/or C" are all of the items listed together. It can include possible combinations. Expressions such as "first", "second", "first" or "second" can modify the corresponding elements regardless of their order or importance, and are only used to distinguish one element from another. The components are not limited. When it is mentioned that a certain (eg, first) component is “(functionally or communicatively) connected” or “connected” to another (eg, second) component, the certain component is It may be directly connected to the component, or may be connected through another component (eg, a third component).
본 문서에서 사용된 용어 "모듈"은 하드웨어, 소프트웨어 또는 펌웨어로 구성된 유닛을 포함하며, 예를 들면, 로직, 논리 블록, 부품, 또는 회로 등의 용어와 상호 호환적으로 사용될 수 있다. 모듈은, 일체로 구성된 부품 또는 하나 또는 그 이상의 기능을 수행하는 최소 단위 또는 그 일부가 될 수 있다. 예를 들면, 모듈은 ASIC(application-specific integrated circuit)으로 구성될 수 있다. The term "module" used in this document includes a unit composed of hardware, software, or firmware, and may be used interchangeably with terms such as, for example, logic, logic blocks, parts, or circuits. A module may be an integrally configured component or a minimum unit or a part of one or more functions. For example, the module may be configured as an application-specific integrated circuit (ASIC).
본 문서의 다양한 실시예들은 기기(machine)에 의해 읽을 수 있는 저장 매체(storage medium)에 저장된 하나 이상의 명령어들을 포함하는 소프트웨어로서 구현될 수 있다. 예를 들면, 기기의 프로세서는, 저장 매체로부터 저장된 하나 이상의 명령어들 중 적어도 하나의 명령을 호출하고, 그것을 실행할 수 있다. 이것은 기기가 호출된 적어도 하나의 명령어에 따라 적어도 하나의 기능을 수행하도록 운영되는 것을 가능하게 한다. 하나 이상의 명령어들은 컴파일러에 의해 생성된 코드 또는 인터프리터에 의해 실행될 수 있는 코드를 포함할 수 있다. 기기로 읽을 수 있는 저장매체는, 비일시적(non-transitory) 저장매체의 형태로 제공될 수 있다. 여기서, ‘비일시적’은 저장매체가 실재(tangible)하는 장치이고, 신호(signal)(예: 전자기파)를 포함하지 않는다는 것을 의미할 뿐이며, 이 용어는 데이터가 저장매체에 반영구적으로 저장되는 경우와 임시적으로 저장되는 경우를 구분하지 않는다.Various embodiments of the present document may be implemented as software including one or more instructions stored in a storage medium readable by a machine. For example, the processor of the device may invoke and execute at least one of the one or more instructions stored from the storage medium. This enables the device to be operated to perform at least one function according to the at least one command invoked. The one or more instructions may include code generated by a compiler or code that can be executed by an interpreter. A storage medium that can be read by a device may be provided in the form of a non-transitory storage medium. Here,'non-transient' only means that the storage medium is a tangible device and does not contain a signal (e.g., electromagnetic wave), and this term refers to the case where data is semi-permanently stored in the storage medium. It does not distinguish between temporary storage cases.
다양한 실시예들에 따르면, 기술한 구성요소들의 각각의 구성요소(예: 모듈 또는 프로그램)는 단수 또는 복수의 개체를 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 전술한 해당 구성요소들 중 하나 이상의 구성요소들 또는 동작들이 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 구성요소들 또는 동작들이 추가될 수 있다. 대체적으로 또는 추가적으로, 복수의 구성요소들(예: 모듈 또는 프로그램)은 하나의 구성요소로 통합될 수 있다. 이런 경우, 통합된 구성요소는 복수의 구성요소들 각각의 구성요소의 하나 이상의 기능들을 통합 이전에 복수의 구성요소들 중 해당 구성요소에 의해 수행되는 것과 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 모듈, 프로그램 또는 다른 구성요소에 의해 수행되는 동작들은 순차적으로, 병렬적으로, 반복적으로, 또는 휴리스틱하게 실행되거나, 동작들 중 하나 이상이 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 동작들이 추가될 수 있다. According to various embodiments, each component (eg, a module or program) of the described components may include a singular number or a plurality of entities. According to various embodiments, one or more components or operations among the above-described corresponding components may be omitted, or one or more other components or operations may be added. Alternatively or additionally, a plurality of components (eg, a module or a program) may be integrated into one component. In this case, the integrated component may perform one or more functions of each component of the plurality of components in the same or similar to that performed by the corresponding component among the plurality of components prior to integration. According to various embodiments, operations performed by a module, program, or other component may be sequentially, parallel, repeatedly, or heuristically executed, or one or more of the operations may be executed in a different order, or omitted. , Or one or more other actions may be added.
Claims (7)
수신 신호와 상기 수신 신호에 대한 채널을 기반으로, 송신 신호를 추정하는 동작;
상기 수신 신호, 채널 및 송신 신호를 기반으로, MIMO 검출 문제를 도출하는 동작;
상기 MIMO 검출 문제의 증강 라그랑주를 검출하는 동작;
상기 증강 라그랑주에 R-A-ADMM(Relaxed Accelerated Alternating Direction Method of Multipliers) 알고리즘을 적용하는 동작;
프록시멀 항을 적용하여, 상기 송신 신호를 최적화하고, 이로 인해 R-A-ADMM을 도출하는 동작; 및
상기 R-A-ADMM에 미분 가능한 비 선형 함수를 적용하여, 상기 송신 신호를 최적화하고, 이로 인해 학습 파라미터를 갖는 R-A-ADMM 네트워크를 구현하는 동작을 포함하고,
상기 비 선형 함수는 아래의 수학식과 같이 쌍곡 탄젠트(hyperbolic tangent)로 구성되는 방법.
,
여기서, 상기 는 성좌도 집합을 나타내고, 상기 는 쌍곡 탄젠트를 평행 이동시키는 역할을 하고, 상기 비 선형 함수는 상기 에 따라서 다르게 표현됨.
In a MIMO system, a method for a receiver to detect a transmission signal of a transmitter from a received signal,
Estimating a transmission signal based on a received signal and a channel for the received signal;
Deriving a MIMO detection problem based on the received signal, channel, and transmission signal;
Detecting the enhanced Lagrange of the MIMO detection problem;
Applying a Relaxed Accelerated Alternating Direction Method of Multipliers (RA-ADMM) algorithm to the augmented Lagrange;
Applying a proximal term to optimize the transmission signal, thereby deriving an RA-ADMM; And
And applying a differentiable nonlinear function to the RA-ADMM to optimize the transmission signal, thereby implementing an RA-ADMM network having a learning parameter,
The nonlinear function is composed of a hyperbolic tangent as shown in the following equation.
,
Here, above Denotes a set of constellations, above Serves to translate the hyperbolic tangent, and the nonlinear function is It is expressed differently according to.
상기 수신 신호, 채널 및 송신 신호는 아래의 수학식과 같은 관계를 갖고,
여기서, 상기 는 상기 수신 신호를 나타내고, 상기 는 상기 채널을 나타내고, 상기 는 상기 송신 신호를 나타내며, 상기 은 가산성 백색 가우시안 잡음을 나타냄.
상기 MIMO 검출 문제 도출 동작은,
상기 MIMO 검출 문제를 아래의 수학식과 같이 도출하는 방법.
,
여기서, 상기 는 상기 성좌도 집합 에 대한 지시(indicator) 함수를 나타내고, 상기 는 상기 와 상기 중 어느 곳에 더 중요성을 두는 지 정하는 변수를 나타냄.
The method of claim 1,
The received signal, channel, and transmission signal have a relationship as shown in the following equation,
Here, above Represents the received signal, and Represents the channel, and the Represents the transmission signal, and Represents additive white Gaussian noise.
The operation of deriving the MIMO detection problem,
A method of deriving the MIMO detection problem as shown in the following equation.
,
Here, above Is the constellation also set Represents an indicator function for, and Is reminded And remind It represents a variable that determines which of these places is more important.
상기 증강 라그랑주를 아래의 수학식과 같이 검출하는 방법.
여기서, 상기 는 상기 수학식 내 항들에 대한 중요성을 나타내는 지표를 나타내고, 상기 는 라그랑주 승수(Lagrange multiplier 또는 dual variable)를 나타냄.
The method of claim 2, wherein the enhanced Lagrange detection operation,
A method of detecting the enhanced Lagrange as shown in the following equation.
Here, above Denotes an index indicating the importance of terms in the equation, and Stands for Lagrange multiplier or dual variable.
상기 증강 라그랑주에 상기 R-A-ADMM 알고리즘을 아래의 수학식과 같이 적용하는 방법.
The method of claim 3, wherein the operation of applying the RA-ADMM algorithm,
A method of applying the RA-ADMM algorithm to the augmented Lagrange as shown in the following equation.
상기 프록시멀 항이 아래의 수학식들과 같이 정의되고,
,
상기 R-A-ADMM 도출 동작은,
상기 프록시멀 항을 적용하여, 상기 송신 신호를 아래의 수학식과 같이 최적화하고,
상기 R-A-ADMM을 아래의 수학식과 같이 도출하는 방법.
여기서, 상기 을 나타냄.
The method of claim 4,
The proximal term is defined as the following equations,
,
The RA-ADMM derivation operation,
By applying the proximal term, the transmission signal is optimized as shown in the following equation,
A method of deriving the RA-ADMM as shown in the following equation.
Here, above Represents.
상기 R-A-ADMM 네트워크 구현 동작은,
상기 비 선형 함수를 적용하여, 상기 R-A-ADMM 네트워크를 아래의 함수와 같이 구현하는 방법.
The method of claim 5,
The RA-ADMM network implementation operation,
A method of implementing the RA-ADMM network as shown below by applying the non-linear function.
상기 학습 파라미터는 레이어 별로 다른 값을 학습하고, 아래의 수학식과 같이 구성되는 방법.
The method of claim 6,
The learning parameter learns a different value for each layer, and is configured as shown in the following equation.
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