KR20210025900A

KR20210025900A - 오토 인코더를 이용한 채널 디코딩 방법

Info

Publication number: KR20210025900A
Application number: KR1020190105890A
Authority: KR
Inventors: 송영준; 조현우
Original assignee: 금오공과대학교 산학협력단
Priority date: 2019-08-28
Filing date: 2019-08-28
Publication date: 2021-03-10
Also published as: KR102379366B1

Abstract

오토 인코더를 이용한 채널 디코딩 방법은 노이즈가 부가된 입력 데이터를 오토 인코더(Auto Encoder)에서 처리하는 단계와, 오토 인코더(Auto Encoder)에서 출력되는 데이터를 골레이 코드(Golay code)로 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

오토 인코더를 이용한 채널 디코딩 방법{Channel Decoding Method using Auto Encoder}

본 발명은 채널 디코딩 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 오토 인코더를 이용한 채널 디코딩 방법에 관한 것이다.

도 1은 일반적인 통신 시스템의 개념도이다.

도 1을 참조하면, 통신 시스템은 송신단으로부터 전송된 코드(메시지)를 수신단에서 수신할 때 노이즈가 유입된다.

특히, 고속으로 데이터를 전송하는 통신 시스템이나, 무선채널을 이용하여 데이터를 전송할 경우 노이즈가 많이 유입되므로, 노이즈로 인한 오류를 정정하기 위해 여러 가지 채널 코딩 기법을 적용하고 있다.

도 2는 일반적인 오토 인코더(Auto Encoder)의 개념도이다.

도 2를 참조하면, 오토인코더(Autoencoder, AE)는 입력을 해당 출력으로 복사하려고 설계된 신경망이다. 내부적으로, 숨겨진 레이어(Hidden Layer)를 가지고 있으며, 네트워크는 encoder function = f(x)와 decoder = g(h)를 생성하는 인코더/디코더 두 부분으로 구성되어 있다.

입력 레이어(Input layer)와 출력 레이어(Output layer)의 노드 개수는 동일하고, 중간의 히든 레이어(Hidden layer)을 기준으로 인코딩(Encoding) 부분과 디코딩(Decoding) 부분이 대칭적(symmetric)이다(weighting, bias, node의 개수 등). 일반적으로 히든 레이어(Hidden layer)의 노드 개수는 입력 레이어(입력 데이터의 크기) 보다 작은 수를 갖는다.

오토 인코더(Auto Encoder)는 출력값을 입력값의 근사로 하는 함수를 학습하는 비지도 학습이다. 입력을 히든 레이어로 인코딩하고 인코딩된 히든 유닛을 디코딩해서 입력과 사이즈가 같은 출력을 한다.

이때 인코딩 과정에서 입력이 압축되는데 입력값이 압축됨으로써 입력에서 출력으로의 손실은 발생한다. 이러한 압축 과정의 일환으로 입력이 무작위적이 아니라는 가정 하에 히든 유닛이 입력의 피처(주요특징)를 학습하게 된다.

한편, 노이즈가 추가된 코드(메시지) - 입력 데이터 - 를 오토 인코더(Auto Encoder)에 입력으로 줄 경우, 노이즈가 제거된 코드(메시지)를 획득할 수 있으나 노이즈 제거률이 낮은 단점이 있다.

KR

10-2010-0003774

A

본 발명은 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 제안된 것으로, 오토 인코더(Auto Encoder)와 골레이 코드(Golay code)를 함께 사용하여 오류를 제거하고 정확한 정보를 추출할 수 있는 오토 인코더를 사용한 채널 디코딩 방법을 제공한다.

상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 노이즈가 부가된 입력 데이터를 오토 인코더(Auto Encoder)에서 처리하는 단계와, 오토 인코더(Auto Encoder)에서 출력되는 데이터를 골레이 코드(Golay code)로 처리하는 단계를 포함하는 오토 인코더를 이용한 채널 디코딩 방법이 제공된다.

또한, 본 발명에 포함되는 오토 인코더(Auto Encoder)는 순차적으로 처리하는 7개의 히든 레이어를 포함하고, 각 히든 레이어의 노드 수는 4번째 히든 레이어를 기준으로 증가하다가 감소하되 상기 4번째 히든 레이어를 기준으로 노드의 수가 대칭적인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서 골레이 코드(Golay code)로 처리하는 단계는, 신드롬(syndrome)을 이용한 3비트 에러정정 능력을 갖는 (23, 12) 골레이 코드(Golay code)로 처리하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 오토 인코더를 이용한 채널 디코딩 방법은, 오토 인코더(Auto Encoder)와 골레이 코드(Golay code)를 함께 사용하여 종래보다 정확한 정보를 추출할 수 있다.

즉, 노이즈가 부가된 입력 데이터를 오토 인코더(Auto Encoder)를 이용하여 1차적으로 노이즈를 제거한 후, 다시 골레이 코드(Golay code)로 2차적으로 노이즈 제거하는 방법을 통해 정확한 정보를 추출할 수 있다.

이와 같이, 전송된 정보에 포함된 노이즈를 미리 학습된 오토 인코더(Auto Encoder)를 사용하여 딥러닝 기법으로 노이즈를 1차적으로 제거한 후, 채널 디코딩 기법인 골레이 코드(Golay code)를 다시 적용하여 우수한 오류 정정 능력을 갖는 채널 디코딩 방법을 제안하였다.

따라서 제안된 오토 인코더를 이용한 채널 디코딩 방법은, 정보전송 중에 부가된 노이즈로 인하여 수신 신호에 오류가 발생한 경우, 오류를 제거하고 정확한 정보를 추출하는데 사용될 수 있다. 즉, 모든 디지털 통신기기, 정보 송수신 장치에 적용 가능하다. 즉, 스마트폰, 위성 송수신 장치, 무전기, 무선 전화기, 와이파이 공유기, 이동통신 기지국 등에 적용될 수 있다.

도 1은 일반적인 통신 시스템의 개념도
도 2는 일반적인 오토 인코더(Auto Encoder)의 개념도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 오토 인코더를 이용한 채널 디코딩 방법을 나타낸 개념도
도 4는 각 히든 레이어의 노드 수의 변화를 나타낸 도면
도 5는 각 히든 레이어의 activation function, optimazier, loss function 을 나타낸 도면
도 6은 오토 인코더를 이용한 채널 디코딩 방법의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 오토 인코더를 이용한 채널 디코딩 방법을 나타낸 개념도이고, 도 4는 각 히든 레이어의 노드 수의 변화를 나타낸 도면이고, 도 5는 각 히든 레이어의 activation function, optimizer, loss function 을 나타낸 도면이다.

상기와 같이 구성되는 오토 인코더를 이용한 채널 디코딩 방법의 주요동작은 다음과 같이 이루어진다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 통신 시스템의 송신 측에서 송신된 입력 데이터는 채널 환경을 거치면서 노이즈가 부가되어 수신 측에 수신된다.

본 발명에서 제안한 오토 인코더를 이용한 채널 디코딩 방법은,

노이즈가 부가된 입력 데이터를 오토 인코더(Auto Encoder)에 전달하여 1차적으로 노이즈(Noise)를 제거하는 단계를 진행한다.

이때, 노이즈(Noise)를 더 제거하기 위해 오토 인코더(Auto Encoder)에서 출력되는 데이터를 골레이 코드(Golay code)로 처리하는 단계를 진행한다.

일반적으로 오토 인코더(Auto Encoder)의 히든 레이어의 노드 수는 입력 데이터의 크기(비트 수)보다 작은 수를 갖도록 구성된다. 하지만, 제안된 오토 인코더(Auto Encoder)는 데이터를 순차적으로 처리하는 7개의 히든 레이어로 구성되면서 각 히든 레이어의 노드 수가 증가하다가 감소하도록 구성된다.

즉, 오토 인코더(Auto Encoder)는 순차적으로 처리하는 7개의 히든 레이어를 포함하고,

각 히든 레이어의 노드 수는 4번째 히든 레이어를 기준으로 증가하다가 감소하되 4번째 히든 레이어를 기준으로 노드의 수가 대칭적이 되도록 구성되었다.

이때, 각 히든 레이어의 activation function은 ReLU function을 사용하고, loss function은 cross entropy를 사용하고, optimizer는 Adam optimizer 를 사용한다. 히든 레이어는 1번째 레이어부터 4번째 레이어까지는 노드의 수가 2배씩 증가하고, 4번째 레이어에서 7번째 레이어까지는 노드의 수가 2배씩 감소한다.

한편, 골레이 코드(Golay code)로 처리하는 단계에서는, 신드롬(syndrome)을 이용한 3비트 에러정정 능력을 갖는 (23, 12) 골레이 코드(Golay code)를 이용하여 오토 인코더(Auto Encoder)에서 노이즈가 처리된 데이터를 다시 처리함으로써 노이즈를 추가적으로 제거한다.

도 6은 오토 인코더를 이용한 채널 디코딩 방법의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.

도 6을 참조하면, 오토 인코더(Auto Encoder)와 골레이 코드(Golay code)를 함께 사용할 경우, (23, 12) 골레이 코드(Golay code)만을 사용하였을 때 보다 SNR(Signal-to-noise ratio)에 대한 BER(bit error rate)이 0.5dB 정도의 성능향상이 발생한다.

따라서 골레이 코드(Golay code)가 아닌 다른 채널 코딩과 오토 인코더(Auto Encoder)를 결합할 경우에도 성능 향상이 있다고 볼 수 있다.

본 시뮬레이션에서 노이즈가 부가된 입력 데이터는 23bits의 코드 길이를 갖고 있으며, BPSK(Binary Phase Shift Keying)를 이용한 (23, 12) 골레이 코드(Golay code)를 사용하였다.

오토 인코더(Auto Encoder)를 단독으로 사용했을 경우, BPSK(Binary Phase Shift Keying) 보다 1.5dB 성능향상이 있었다. 하지만, 신드롬(syndrome)을 이용한 (23, 12) 골레이 코드(Golay code)보다는 0.5dB 성능하락이 발생했다.

마지막으로 오토 인코더(Auto Encoder)와 골레이 코드(Golay code)를 함께 사용할 경우, 골레이 코드(Golay code)를 사용할 때보다 0.5dB 성능향상이 이루어졌다.

즉, 본원발명은 오토 인코더와 채널 코딩 기법을 결합하여 에러정정능력을 향상시키는 결과를 얻었다. 본 발명의 실시예에서는 채널 코딩 기법 중 하나인 골레이 코드(Golay code)를 사용하였으나, 오토 인코더(Auto Encoder)에서 처리된 데이터를 다양한 다른 채널 코딩 기법을 적용할 경우에도 에러정정능력이 향상될 수 있을 것이다.

이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

노이즈가 부가된 입력 데이터를 오토 인코더(Auto Encoder)에서 처리하는 단계; 및
상기 오토 인코더(Auto Encoder)에서 출력되는 데이터를 미리 설정된 채널 디코딩 방식으로 처리하는 단계;
를 포함하는 오토 인코더를 이용한 채널 디코딩 방법.
노이즈가 부가된 입력 데이터를 오토 인코더(Auto Encoder)에서 처리하는 단계; 및
상기 오토 인코더(Auto Encoder)에서 출력되는 데이터를 골레이 코드(Golay code)로 처리하는 단계;
를 포함하는 오토 인코더를 이용한 채널 디코딩 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 오토 인코더(Auto Encoder)는 순차적으로 처리하는 7개의 히든 레이어를 포함하고,
각 히든 레이어의 노드 수는 4번째 히든 레이어를 기준으로 증가하다가 감소하되 상기 4번째 히든 레이어를 기준으로 노드의 수가 대칭적인 것을 특징으로 하는 오토 인코더를 이용한 채널 디코딩 방법.
제2항에 있어서,
상기 골레이 코드(Golay code)로 처리하는 단계는,
신드롬(syndrome)을 이용한 3비트 에러정정 능력을 갖는 (23, 12) 골레이 코드(Golay code)로 처리하는 것을 특징으로 하는 오토 인코더를 이용한 채널 디코딩 방법.