KR20210126912A - CNN Based Spectrum Sensing Technique for Cognitive Radio Communications - Google Patents

CNN Based Spectrum Sensing Technique for Cognitive Radio Communications Download PDF

Info

Publication number
KR20210126912A
KR20210126912A KR1020200044579A KR20200044579A KR20210126912A KR 20210126912 A KR20210126912 A KR 20210126912A KR 1020200044579 A KR1020200044579 A KR 1020200044579A KR 20200044579 A KR20200044579 A KR 20200044579A KR 20210126912 A KR20210126912 A KR 20210126912A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
neural network
convolutional neural
signal
sensing
channel
Prior art date
Application number
KR1020200044579A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR102364215B1 (en
Inventor
정의림
정태윤
이의수
노우영
오지명
Original Assignee
엘아이지넥스원 주식회사
한밭대학교 산학협력단
한밭대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 엘아이지넥스원 주식회사, 한밭대학교 산학협력단, 한밭대학교 산학협력단 filed Critical 엘아이지넥스원 주식회사
Priority to KR1020200044579A priority Critical patent/KR102364215B1/en
Publication of KR20210126912A publication Critical patent/KR20210126912A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102364215B1 publication Critical patent/KR102364215B1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R23/00Arrangements for measuring frequencies; Arrangements for analysing frequency spectra
    • G01R23/16Spectrum analysis; Fourier analysis
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10Complex mathematical operations
    • G06F17/14Fourier, Walsh or analogous domain transformations, e.g. Laplace, Hilbert, Karhunen-Loeve, transforms
    • G06F17/141Discrete Fourier transforms
    • G06F17/142Fast Fourier transforms, e.g. using a Cooley-Tukey type algorithm
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N3/00Computing arrangements based on biological models
    • G06N3/02Neural networks
    • G06N3/08Learning methods
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04BTRANSMISSION
    • H04B17/00Monitoring; Testing
    • H04B17/30Monitoring; Testing of propagation channels
    • H04B17/309Measuring or estimating channel quality parameters
    • H04B17/336Signal-to-interference ratio [SIR] or carrier-to-interference ratio [CIR]
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04BTRANSMISSION
    • H04B17/00Monitoring; Testing
    • H04B17/30Monitoring; Testing of propagation channels
    • H04B17/382Monitoring; Testing of propagation channels for resource allocation, admission control or handover
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04WWIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W16/00Network planning, e.g. coverage or traffic planning tools; Network deployment, e.g. resource partitioning or cells structures
    • H04W16/14Spectrum sharing arrangements between different networks

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Discrete Mathematics (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Quality & Reliability (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Computational Linguistics (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

The present invention relates to a method and a device for spectrum sensing in a cognitive radio system. According to the present invention, spectrum sensing can be performed using a convolutional neural network and without having to conduct noise power estimation. The present invention includes: a fast Fourier transform unit performing high-speed sampling of a reception signal of the entire band to be sensed and performing conversion into a frequency spectrum; an absolute value accumulation unit configuring a two-dimensional signal by accumulating a spectrum signal with respect to continuously received signals; an image data generation unit separating the two-dimensional signal by sensing channel bandwidth and combining a noise channel with each channel to generate convolutional neural network input data; and a spectrum sensing unit causing learning by inputting the signal generated at the image data generation unit to the convolutional neural network and determining the presence or absence of a main user signal with respect to the sensing channel based on the learning data.

Description

인지 무선 시스템에서 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 방법 및 장치{CNN Based Spectrum Sensing Technique for Cognitive Radio Communications}Spectral sensing method and apparatus based on convolutional neural network in cognitive radio system {CNN Based Spectrum Sensing Technique for Cognitive Radio Communications}

본 발명은 인지 무선 시스템에서 스펙트럼 센싱 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 합성곱 신경망(Convolutional Neural Network, CNN)을 이용하여 잡음 전력의 추정 필요없이 스펙트럼 센싱을 할 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for spectrum sensing in a cognitive wireless system, and more particularly, to a method and apparatus capable of performing spectrum sensing without the need for estimating noise power using a convolutional neural network (CNN). will be.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.The content described in this section merely provides background information for the present embodiment and does not constitute the prior art.

무선 통신 시스템의 발달로 전파 이용이 급증하면서 한정된 주파수 자원에 대한 효율적인 분배와 할당에 대한 요구가 증가하고 있다. 이를 해결하기 위한 기술로 인지 무선(Cognitive Radio, CR)이 대두되고 있다. As the use of radio waves is rapidly increasing due to the development of wireless communication systems, the demand for efficient distribution and allocation of limited frequency resources is increasing. Cognitive radio (CR) is emerging as a technology to solve this problem.

인지 무선의 핵심 기술은 스펙트럼 센싱(spectrum sensing)이다. 인지 무선 은 허가받은 대역의 주사용자(primary user, PU)에게 간섭신호를 일으키지 않고, 부사용자(secondary user, SU)가 비어 있는 대역을 찾아 통신하는 주파수 공유 기술이다.The core technology of cognitive radio is spectrum sensing. Cognitive radio is a frequency sharing technology in which a secondary user (SU) finds an empty band and communicates without causing an interference signal to the primary user (PU) of the licensed band.

일반적으로 인지 무선 기술은 문턱값을 이용한 에너지 검출을 사용한다. 에너지 검출을 비롯한 개별 스펙트럼 센싱의 성능은 주사용자의 신호의 신호 대 잡음비 (signal to noise ratio, SNR)에 큰 영향을 받는다. 특히, SNR 추정을 위해 잡음 전력의 정확한 추정이 센싱 성능에 영향을 끼친다. In general, cognitive radio technology uses threshold-based energy detection. The performance of individual spectral sensing, including energy detection, is strongly affected by the signal to noise ratio (SNR) of the main user's signal. In particular, accurate estimation of noise power for SNR estimation affects sensing performance.

이와 같이, 종래 문턱값을 이용한 스펙트럼 센싱은 부사용자가 주사용자 신호에 대한 아무런 사전 정보도 없는 상황에서 먼저 잡음의 전력을 추정하고 이를 기반으로 문턱값을 설정 후, 수신 신호의 전력이 문턱값을 넘으면 주사용자 신호가 존재한다고 판단하고, 수신 신호의 전력이 문턱값을 넘지 않으면 신호가 없는 것으로 판단하고 있다. 그러나 종래 스펙트럼 센싱은 잡음 전력을 정확하게 추정하면 우수한 성능을 보이지만, 추정된 잡음 전력이 정확하지 않은 경우 센싱 성능이 떨어지는 문제점이 있다.As described above, in the conventional spectrum sensing using a threshold value, in a situation where the sub-user has no prior information on the main user signal, the power of the noise is first estimated and a threshold is set based on this, and then the power of the received signal is the threshold value. If it exceeds the threshold, it is determined that the main user signal exists, and if the power of the received signal does not exceed the threshold, it is determined that there is no signal. However, conventional spectral sensing exhibits excellent performance when the noise power is accurately estimated, but has a problem in that sensing performance is deteriorated when the estimated noise power is not accurate.

따라서 스펙트럼 센싱을 수행함에 있어서, SNR이 나쁜 환경에서도 스펙트럼 센싱 성능에 영향을 받지 않는 방법이 필요하고, 잡음전력의 추정없이 스펙트럼 센싱을 수행할 수 있는 스펙트럼 센싱방법을 제안할 필요성이 있다.Therefore, in performing spectrum sensing, there is a need for a method that is not affected by spectrum sensing performance even in an environment with a bad SNR, and there is a need to propose a spectrum sensing method capable of performing spectrum sensing without estimating noise power.

한국등록특허 제10-1298175호(발명의 명칭 : 스펙트럼 센싱 방법 및 장치)Korean Patent No. 10-1298175 (Title of Invention: Spectrum Sensing Method and Apparatus)

따라서 본 발명의 목적은 합성곱 신경망을 이용하여 잡음 전력의 추정 필요없이 스펙트럼 센싱을 할 수 있는 인지 무선 시스템에서 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 방법 및 장치를 제공함에 있다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method and apparatus for spectrum sensing based on a convolutional neural network in a cognitive wireless system capable of performing spectrum sensing without the need for estimating noise power using a convolutional neural network.

본 발명의 다른 목적은 신호의 주파수 스펙트럼을 쌓아 2차원 신호로 재구성하고, 채널 대역폭 단위로 잘라 각 채널에 잡음 채널을 덧붙인 2차원 행렬을 이미지화하여 합성곱 신경망에 입력해서 스펙트럼 센싱을 할 수 있는 인지 무선 시스템에서 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 방법 및 장치를 제공함에 있다.Another object of the present invention is to accumulate a frequency spectrum of a signal and reconstruct it into a two-dimensional signal, cut it by channel bandwidth unit, image a two-dimensional matrix with a noise channel added to each channel, and input it into a convolutional neural network to perform spectrum sensing. An object of the present invention is to provide a method and apparatus for spectrum sensing based on a convolutional neural network in a wireless system.

본 발명의 다른 목적은 주사용자 신호에 대한 어떠한 사전 정보도 모르는 상황에서 합성곱 신경망 기반으로 주사용자 신호 유무를 판단할 수 있는 인지 무선 시스템에서 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 방법 및 장치를 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a convolutional neural network-based spectrum sensing method and apparatus in a cognitive wireless system capable of determining the presence or absence of a main user signal based on a convolutional neural network in a situation where no prior information about the main user signal is known.

본 발명의 다른 목적은 센싱하고자 하는 전체 대역을 고려하여 합성곱 신경망 기반으로 주사용자 신호 유무를 고속으로 샘플링할 수 있는 인지 무선 시스템에서 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 방법 및 장치를 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a convolutional neural network-based spectrum sensing method and apparatus in a cognitive wireless system capable of rapidly sampling the presence or absence of a main user signal based on a convolutional neural network in consideration of the entire band to be sensed.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 인지 무선 시스템에서 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 장치는, 센싱하고자 하는 전체 대역의 수신신호를 고속으로 샘플링하고, 주파수 스펙트럼으로 변환하는 고속 푸리에 변환부; 연속적으로 수신한 신호에 대한 스펙트럼 신호를 쌓아서 2차원 신호로 구성하는 절대값 축적부; 2차원 신호를 센싱 채널의 대역폭 단위로 분리하고, 각 채널에 잡음 채널을 결합하여 합성곱 신경망의 입력데이터를 생성하는 이미지 데이터 생성부; 이미지 데이터 생성부에서 생성된 신호를 합성곱 신경망에 입력하여 학습시키고, 학습된 데이터에 기반해서 센싱 채널에 대하여 주사용자 신호 존재 유무를 판단하는 스펙트럼 센싱부를 포함한다.In order to solve the above technical problem, the convolutional neural network-based spectrum sensing apparatus in the cognitive wireless system according to an embodiment of the present invention samples a received signal of the entire band to be sensed at high speed and converts it into a frequency spectrum at high speed. Fourier transform unit; an absolute value accumulator configured to form a two-dimensional signal by accumulating spectral signals for consecutively received signals; an image data generation unit that divides the two-dimensional signal into units of bandwidth of a sensing channel and generates input data of a convolutional neural network by combining a noise channel with each channel; and a spectrum sensing unit for inputting the signal generated by the image data generating unit into the convolutional neural network to learn it, and determining whether a main user signal exists with respect to the sensing channel based on the learned data.

바람직하게는 전체 대역의 수신신호를 고속으로 샘플링하여 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환부; 디지털 변환신호를 FFT 크기 단위로 수집하고, 고속 푸리에 변환부로 출력하는 FFT 프레임 수집기를 더 포함한다.Preferably, an analog/digital converter for converting the received signal of the entire band into a digital signal by high-speed sampling; It further includes an FFT frame collector for collecting the digital converted signal in units of FFT size and outputting it to a fast Fourier transform unit.

바람직하게는 FFT 프레임 수집기는 FFT 크기 단위로 데이터를 수집하고, 인접한 신호를 오버랩하여 데이터를 수집한다.Preferably, the FFT frame collector collects data in units of FFT size, and collects data by overlapping adjacent signals.

바람직하게는 절대값 축적부는, 센싱하는 전체 신호 블록에 대해 각각 고속 푸리에 변환된 신호를 절대값을 취하여 축적한다.Preferably, the absolute value accumulator takes an absolute value of each fast Fourier-transformed signal for all signal blocks to be sensed and accumulates it.

바람직하게는 이미지 데이터 생성부는, 항상 마지막 채널은 잡음만 관찰될 수 있도록 비워두고, 각 센싱 채널에 마지막 채널을 결합하여 2차원 행렬을 구성한다.Preferably, the image data generator always leaves the last channel empty so that only noise can be observed, and combines the last channel with each sensing channel to form a two-dimensional matrix.

바람직하게는 이미지 데이터 생성부에서 구성되는 2차원 행렬(Xc)는 하기 [수학식 5]에 의해서 산출된다.Preferably, the two-dimensional matrix Xc configured in the image data generator is calculated by the following [Equation 5].

[수학식 5][Equation 5]

Figure pat00001
Figure pat00001

(여기서

Figure pat00002
는 크기가 KC(센싱채널폭) × B(전체 블록 개수) 인 X의 부분 행렬이고, cKC 부터 (c+1)KC -1까지의 행을 선택해서 만든 행렬이다.
Figure pat00003
는 마지막 센싱 채널에 해당하는 부분 행렬이며 항상 잡음만 존재하는 채널이다. 그리고 NFFT/KC는 총 센싱채널 개수에 해당한다.) (here
Figure pat00002
is a partial matrix of X whose size is K C (sensing channel width) × B (total number of blocks), and is a matrix created by selecting rows from cK C to (c+1)K C -1.
Figure pat00003
is a submatrix corresponding to the last sensing channel and is a channel in which only noise is always present. And N FFT /K C corresponds to the total number of sensing channels.)

바람직하게는 이미지 데이터 생성부는 2차원 행렬을 흑백 이미지로 재구성하고, 흑백 이미지 상에서 값이 클수록 흰색에 가깝게 표시되고, 작은 값일 수록 검은색에 가깝게 표시된다.Preferably, the image data generator reconstructs the two-dimensional matrix into a black-and-white image, and in the black-and-white image, a larger value is displayed closer to white, and a smaller value is displayed closer to black.

바람직하게는 스펙트럼 센싱부는 학습된 데이터에 기반해서 이진 분류 합성곱 신경망을 사용하여 주사용자 신호의 존재유무를 판단한다.Preferably, the spectrum sensing unit determines the presence or absence of the main user signal using a binary classification convolutional neural network based on the learned data.

바람직하게는 이진 분류 합성곱 신경망은, 32 × B 크기의 학습 데이터 이미지가 입력되는 입력 계층; 합성곱 계층, 배치 정규화 계층, 풀링 계층을 포함하는 제1,2합성곱 계층; 합성곱 계층과 배치 정규화 계층을 포함하는 제3합성곱 계층; 2개의 출력을 가지는 완전 연결 계층; 주사용자 신호의 존재 유무를 판단하는 분류 계층을 포함하고, 모든 합성곱 계층에서의 필터 크기는 3 ×3, 스트라이드는 1이고, 풀링 계층은 스트라이드가 2인 2×2 맥스 풀링을 적용하고, 제1합성곱 계층의 필터 개수는 8, 제2합성곱 계층의 필터 개수는 16, 제3합성곱 계층의 필터 개수는 32이고, 각 합성곱 계층에서의 활성화 함수는 ReLU인 것을 특징으로 한다.Preferably, the binary classification convolutional neural network comprises: an input layer to which a training data image with a size of 32 × B is input; first and second convolutional layers including a convolutional layer, a batch normalization layer, and a pooling layer; a third convolutional layer including a convolutional layer and a batch normalization layer; fully connected layer with two outputs; It includes a classification layer that judges the presence or absence of the main user signal, and the filter size in all convolutional layers is 3 × 3 and the stride is 1, and the pooling layer applies 2 × 2 max pooling with a stride of 2, The number of filters in the first convolution layer is 8, the number of filters in the second convolution layer is 16, the number of filters in the third convolution layer is 32, and the activation function in each convolution layer is ReLU.

바람직하게는 스펙트럼 센싱부는 교차 엔트로피가 최소화 되도록 합성곱 신경망의 파라미터를 갱신한다.Preferably, the spectrum sensing unit updates the parameters of the convolutional neural network so that cross entropy is minimized.

바람직하게는 스펙트럼 센싱부의 스펙트럼 센싱을 위한 파라미터는 샘플링 클럭, FFT 크기, 센싱 채널 대역폭, 채널수, 주사용자의 센싱 채널 대역폭의 길이, 시간 편이, 관찰 신호 블록 길이를 포함한다.Preferably, the parameters for spectrum sensing by the spectrum sensing unit include a sampling clock, an FFT size, a sensing channel bandwidth, the number of channels, a length of a sensing channel bandwidth of a main user, a time shift, and an observation signal block length.

본 발명의 일 실시예에 따른 인지 무선 시스템에서 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 방법은, 센싱하고자 하는 전체 대역의 수신신호를 고속 푸리에 변환하여 주파수 스펙트럼으로 변환하는 1단계; 연속적으로 수신된 신호에 대하여 변환된 스펙트럼 신호를 쌓아서 2차원 신호로 구성하는 2단계; 2차원 신호를 센싱 채널의 대역폭 단위로 분리하고, 각 채널에 잡음 채널을 결합하여 2차원 이미지 데이터를 생성하는 3단계; 이미지 데이터를 합성곱 신경망에 입력하여 학습시키고, 학습된 데이터에 기반해서 센싱 채널에 대하여 주사용자 신호 존재 유무를 판단하는 4단계를 포함한다.A method for spectrum sensing based on a convolutional neural network in a cognitive wireless system according to an embodiment of the present invention comprises: a first step of converting a received signal of an entire band to be sensed into a frequency spectrum by fast Fourier transforming; a second step of constructing a two-dimensional signal by accumulating the converted spectral signals with respect to the continuously received signals; A third step of generating two-dimensional image data by dividing a two-dimensional signal into a unit of bandwidth of a sensing channel, and combining a noise channel with each channel; and a fourth step of inputting image data into the convolutional neural network to learn, and determining whether a main user signal exists with respect to a sensing channel based on the learned data.

바람직하게는 전체 대역의 수신신호를 고속으로 샘플링하여 디지털 신호로 변환하고, 디지털 신호를 FFT 크기 단위로 수집하는 5단계를 더 포함한다.Preferably, the method further includes a fifth step of high-speed sampling of the received signal of the entire band, converting it into a digital signal, and collecting the digital signal in units of FFT size.

바람직하게는 5단계는 시간편이만큼 오버랩된 FFT 신호를 수집한다.Preferably, step 5 collects FFT signals overlapped by a time shift.

바람직하게는 2단계는, 센싱하는 전체 신호 블록에 대해 각각 고속 푸리에 변환된 신호의 절대값을 취하여 축적한다.Preferably, in the second step, the absolute value of the fast Fourier-transformed signal is taken and accumulated for all signal blocks to be sensed.

바람직하게는 3단계는 마지막 채널은 잡음만 관찰될 수 있도록 항상 비워두고, 각 센싱 채널에 마지막 채널을 결합하여 2차원 행렬을 구성한다.Preferably, in step 3, the last channel is always left blank so that only noise can be observed, and the last channel is combined with each sensing channel to form a two-dimensional matrix.

바람직하게는 2차원 행렬(Xc)는 하기 [수학식 5]에 의해서 산출된다.Preferably, the two-dimensional matrix (Xc) is calculated by the following [Equation 5].

[수학식 5][Equation 5]

Figure pat00004
Figure pat00004

(여기서

Figure pat00005
는 크기가 KC ×B인 X의 부분 행렬이고, cKC 부터 (c+1)KC -1까지의 행을 선택해서 만든 행렬이다.
Figure pat00006
는 마지막 센싱 채널에 해당하며 항상 잡음만 존재하는 채널이다.) (here
Figure pat00005
is a submatrix of X of size K C × B, and is a matrix created by selecting rows from cK C to (c+1)K C -1.
Figure pat00006
corresponds to the last sensing channel and is a channel where only noise is always present.)

바람직하게는 3단계는 2차원 행렬을 흑백 이미지로 재구성하고, 흑백 이미지 상에서 값이 클수록 흰색에 가깝게 표시되고, 작은 값일 수록 검은색에 가깝게 표시된다.Preferably, in step 3, the two-dimensional matrix is reconstructed into a black-and-white image, and in the black-and-white image, a larger value is displayed closer to white, and a smaller value is displayed closer to black.

바람직하게는 4단계는 학습된 데이터에 기반해서 이진 분류 합성곱 신경망을 사용하여 주사용자 신호의 존재유무를 판단한다.Preferably, step 4 determines the presence or absence of a main user signal using a binary classification convolutional neural network based on the learned data.

바람직하게는 이진 분류 합성곱 신경망은, 32 × B 크기의 학습 데이터 이미지가 입력되는 입력 계층; 합성곱 계층, 배치 정규화 계층, 풀링 계층을 포함하는 제1,2합성곱 계층; 합성곱 계층과 배치 정규화 계층을 포함하는 제3합성곱 계층; 2개의 출력을 가지는 완전 연결 계층; 주사용자 신호의 존재 유무를 판단하는 분류 계층을 포함하고, 모든 합성곱 계층에서의 필터 크기는 3 ×3, 스트라이드는 1이고, 풀링 계층은 스트라이드가 2인 2×2 맥스 풀링을 적용하고, 제1합성곱 계층의 필터 개수는 8, 제2합성곱 계층의 필터 개수는 16, 제3합성곱 계층의 필터 개수는 32이고, 각 합성곱 계층에서의 활성화 함수는 ReLU인 것을 특징으로 한다.Preferably, the binary classification convolutional neural network comprises: an input layer to which a training data image with a size of 32 × B is input; first and second convolutional layers including a convolutional layer, a batch normalization layer, and a pooling layer; a third convolutional layer including a convolutional layer and a batch normalization layer; fully connected layer with two outputs; It includes a classification layer that judges the presence or absence of the main user signal, and the filter size in all convolutional layers is 3 × 3 and the stride is 1, and the pooling layer applies 2 × 2 max pooling with a stride of 2, The number of filters in the first convolution layer is 8, the number of filters in the second convolution layer is 16, the number of filters in the third convolution layer is 32, and the activation function in each convolution layer is ReLU.

바람직하게는 4단계는 교차 엔트로피가 최소화 되도록 합성곱 신경망의 파라미터를 갱신한다.Preferably, step 4 updates the parameters of the convolutional neural network so that cross entropy is minimized.

바람직하게는 4단계의 스펙트럼 센싱을 위한 파라미터는 샘플링 클럭, FFT 크기, 센싱 채널 대역폭, 채널수, 주사용자의 센싱 채널 대역폭의 길이, 시간 편이, 관찰 신호 블록 길이를 포함한다.Preferably, the parameters for the four-step spectrum sensing include a sampling clock, an FFT size, a sensing channel bandwidth, the number of channels, a length of a sensing channel bandwidth of the main user, a time shift, and an observation signal block length.

본 발명의 일 실시예에 따른 인지 무선 시스템에서 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 방법 및 장치는 합성곱 신경망을 기반으로 스펙트럼 센싱을 수행한다. 따라서 본 발명은 잡음 전력을 추정할 필요없이 스펙트럼 센싱이 가능하여, 잡음 전력의 추정 정확도의 영향을 받지 않고, SNR이 나쁜 환경에서도 스펙트럼 센싱 성능에 영향을 받지 않는 효과를 얻는다.A method and apparatus for spectrum sensing based on a convolutional neural network in a cognitive wireless system according to an embodiment of the present invention performs spectrum sensing based on a convolutional neural network. Therefore, according to the present invention, spectrum sensing is possible without the need for estimating noise power, so that the estimation accuracy of noise power is not affected and spectrum sensing performance is not affected even in an environment with a bad SNR.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 인지 무선 시스템에서 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 방법 및 장치는 문턱값 기반의 에너지 검출없이 신호의 주파수 스펙트럼을 2차원 신호로 쌓고, 각 채널 대역폭 단위로 구분한 채널에 잡음 채널을 포함해서 재구성된 이미지 데이터를 합성곱 신경망에 입력한다. 그리고 합성곱 신경망에서 학습된 학습파라미터를 이용하여, 수신 신호에 대한 스펙트럼 센싱을 수행한다. 이와 같이 본 발명은 SNR 추정없이 스펙트럼 센싱을 수행하여, 높은 스펙트럼 센싱 성능을 도모하는 효과를 얻는다.In addition, the method and apparatus for spectrum sensing based on a convolutional neural network in a cognitive wireless system according to an embodiment of the present invention stacks a frequency spectrum of a signal into a two-dimensional signal without threshold-based energy detection, and divides each channel bandwidth into a channel Input the reconstructed image data including the noise channel to the convolutional neural network. Then, using the learning parameters learned from the convolutional neural network, spectral sensing of the received signal is performed. As described above, the present invention performs spectrum sensing without estimating SNR to achieve high spectral sensing performance.

또한, 본 발명은 주사용자 신호에 대한 어떠한 사전 정보도 모르는 상황에서 합성곱 신경망 기반으로 주사용자 신호 유무를 판단하는 것이 가능하여, 한정된 주파수 자원의 활용 효율을 높일 수 있는 잇점이 있다.In addition, the present invention has an advantage in that it is possible to determine the presence or absence of a main user signal based on a convolutional neural network in a situation where any prior information about the main user signal is not known, thereby increasing the efficiency of utilization of limited frequency resources.

또한, 본 발명은 센싱하고자 하는 전체 대역을 고려하여 합성곱 신경망 기반으로 주사용자 신호 유무를 고속으로 샘플링할 수 있어서, 주파수 자원의 고속 분배를 도모하는 효과를 얻는다.In addition, the present invention can sample the presence or absence of a main user signal at high speed based on a convolutional neural network in consideration of the entire band to be sensed, thereby obtaining an effect of achieving high-speed distribution of frequency resources.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인지 무선 시스템에서 합성곱 신경망 기반의 스펙트럼 센싱을 수행하기 위한 신호의 수신 경로를 도시하는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서 FFT 프레임을 수집할 때, 오버랩되는 데이터의 예시도를 도시하고 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인지 무선 시스템에서 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 방법의 학습데이터의 예시도를 도시하고 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱을 위한 합성곱 신경망의 네트워크 구조를 도시하고 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 방법에 사용된 주요 특성도를 도시하고 있다.
도 6은 도 5에 도시된 주요 특성을 적용한 본 발명의 일 실시예에 따른 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 방법의 학습 곡선을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 방법에 따른 관찰 시간(신호 블록 길이 B)의 FDR과 MDR의 오류 확률을 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 방법과 종래 문턱값 기반의 센싱 방법의 FDR과 MDR의 성능을 비교한 그래프이다.
도 9는 종래 SNR의 함수로 결정되는 변수(α)이고, 최적의 센싱 성능을 제공하도록 SNR 구간별로 실험적으로 찾은 양의 실수 값의 예시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 방법의 동작 과정을 도시한 순서도이다.
1 is a block diagram illustrating a signal reception path for performing spectral sensing based on a convolutional neural network in a cognitive wireless system according to an embodiment of the present invention.
2 illustrates an example of overlapping data when collecting FFT frames in an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating an example of learning data of a convolutional neural network-based spectrum sensing method in a cognitive wireless system according to an embodiment of the present invention.
4 illustrates a network structure of a convolutional neural network for spectrum sensing based on a convolutional neural network according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing the main characteristics used in the convolutional neural network-based spectrum sensing method according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph illustrating a learning curve of a convolutional neural network-based spectrum sensing method according to an embodiment of the present invention to which the main characteristics shown in FIG. 5 are applied.
7 is a graph illustrating FDR and MDR error probabilities of observation time (signal block length B) according to the convolutional neural network-based spectrum sensing method according to an embodiment of the present invention.
8 is a graph comparing the performance of FDR and MDR of the convolutional neural network-based spectrum sensing method and the conventional threshold-based sensing method according to an embodiment of the present invention.
9 is a variable (α) determined as a function of the conventional SNR, and is an exemplary diagram of a positive real value experimentally found for each SNR section to provide optimal sensing performance.
10 is a flowchart illustrating an operation process of a spectrum sensing method based on a convolutional neural network according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "부"와 "기", "모듈"과 "부", "유닛"과 "부", "장치"와 "시스템", "단말"과 "노드"와 "디지털 무전기" 등은 명세서 작성의 용이함 만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.Hereinafter, the embodiments disclosed in the present specification will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the same or similar components are assigned the same reference numerals regardless of reference numerals, and overlapping descriptions thereof will be omitted. The suffixes "part" and "group", "module" and "part", "unit" and "part", "device" and "system", "terminal" and "node" for components used in the description below. and "digital walkie-talkie" are given or mixed in consideration of the ease of writing the specification, and do not have distinct meanings or roles by themselves.

또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.In addition, in describing the embodiments disclosed in the present specification, if it is determined that detailed descriptions of related known technologies may obscure the gist of the embodiments disclosed in the present specification, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the accompanying drawings are only for easy understanding of the embodiments disclosed in the present specification, and the technical spirit disclosed herein is not limited by the accompanying drawings, and all changes included in the spirit and scope of the present invention , should be understood to include equivalents or substitutes.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Terms including an ordinal number, such as first, second, etc., may be used to describe various elements, but the elements are not limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.When a component is referred to as being “connected” or “connected” to another component, it is understood that the other component may be directly connected or connected to the other component, but other components may exist in between. it should be On the other hand, when it is said that a certain element is "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that no other element is present in the middle.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In the present application, terms such as "comprises" or "have" are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It should be understood that this does not preclude the existence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. It is apparent to those skilled in the art that the present invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit and essential characteristics of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인지 무선 시스템에서 합성곱 신경망 기반의 스펙트럼 센싱을 수행하기 위한 신호의 수신 경로를 도시하는 블록도이다.1 is a block diagram illustrating a signal reception path for performing spectral sensing based on a convolutional neural network in a cognitive wireless system according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 인지 무선 시스템은 안테나(10)를 통해서 신호를 수신한다. 수신한 신호는 다운 컨버젼부(20)에서 수신신호의 주파수 하향 조절이 이루어지고, 아날로그/디지털 변환부(30)에서 디지털신호로의 변환이 이루어진다. 아날로그/디지털 변환부(30)의 출력신호(x(n))는 FFT 프레임 수집기(40)에 입력된다.The cognitive radio system of the present invention receives a signal through the antenna (10). The received signal is subjected to frequency down-regulation of the received signal in the down conversion unit 20 , and is converted into a digital signal in the analog/digital conversion unit 30 . The output signal x(n) of the analog/digital converter 30 is input to the FFT frame collector 40 .

FFT 프레임 수집기(40)는 아날로그/디지털 변환부(30)의 출력신호를 FFT(고속 푸리에 변환) 크기인 NFFT 단위로 읽으며, 인접한 NFFT 개의 신호를 오버랩하여 샘플을 수집한다.The FFT frame collector 40 reads the output signal of the analog/digital converter 30 in units of N FFTs that are FFT (fast Fourier transform) sizes, and collects samples by overlapping adjacent N FFT signals.

FFT 프레임 수집기(40)에서 데이터를 오버랩하여 신호를 취하는 과정을 도 2에 도시하고 있다. A process of taking a signal by overlapping data in the FFT frame collector 40 is shown in FIG. 2 .

도 2에서 N0은 다음 신호 블록을 취할 때 첫 샘플의 시간편이를 나타내고, B는 관찰하는 전체 신호 블록의 개수를 나타낸다. 이때 m+1번째 수집 신호(xm)의 블록은 [수학식 1]과 같이 결정된다.In FIG. 2, N 0 represents the time shift of the first sample when the next signal block is taken, and B represents the number of observed total signal blocks. At this time, the block of the m+1th collection signal (x m ) is determined as in [Equation 1].

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00007
Figure pat00007

FFT 프레임 수집기(40)에서 수집한 샘플은 주파수 스펙트럼을 관찰하기 위해 고속 푸리에 변환부(50 ; FFT)에 입력되고, 스펙트럼으로 변환한다. 본 발명에서 주파수 채널 별로 주사용자의 신호 존재 유무를 판단해야 하므로 시간 영역 보다는 주파수 스펙트럼으로 변환해서 판단한다.The sample collected by the FFT frame collector 40 is input to a fast Fourier transform unit 50 (FFT) to observe a frequency spectrum, and is converted into a spectrum. In the present invention, since it is necessary to determine the presence or absence of a signal of the main user for each frequency channel, it is determined by converting it into a frequency spectrum rather than a time domain.

고속 푸리에 변환부(50)는 FFT 프레임 수집기(40)의 수집 샘플(xm)을 입력하고, 변환된 신호(Xm)를 출력한다. 입력신호(xm)의 NFFT 포인트 FFT를

Figure pat00008
라고 정의하면, [수학식 2]와 같다.The fast Fourier transform unit 50 inputs the sample collected by the FFT frame collector 40 (x m ) and outputs a transformed signal (X m ). N FFT points FFT of the input signal (x m )
Figure pat00008
If defined, it is the same as [Equation 2].

[수학식 2][Equation 2]

Figure pat00009
Figure pat00009

여기서

Figure pat00010
의 크기는 NFFT ×1이며, 스펙트럼 센싱은 스펙트럼의 크기를 이용하여 판단해야 하므로
Figure pat00011
의 NFFT개 원소에 대해 절대값 축적부(60)는 FFT 출력의 절대값을 취한다. 이 절대값을 취한 수신신호는 [수학식 3]과 같다.here
Figure pat00010
The size of is N FFT × 1, and spectrum sensing should be determined using the size of the spectrum.
Figure pat00011
The absolute value accumulator 60 takes the absolute value of the FFT output for N FFT elements. The received signal taking this absolute value is shown in [Equation 3].

[수학식 3][Equation 3]

Figure pat00012
Figure pat00012

절대값 축적부(60)는 총 B개의 신호 블록에 대해 각각 FFT를 수행하고, 절대값을 한 블록들을 쌓아서 크기가 NFFT ×B 인 행렬을 만들면, 2차원 신호(X)가 되고 이를 [수학식 4]로 나타낼 수 있다.The absolute value accumulator 60 performs FFT on a total of B signal blocks, respectively, and builds a matrix with a size of N FFT × B by stacking blocks with absolute values to form a two-dimensional signal (X) and Equation 4].

[수학식 4][Equation 4]

Figure pat00013
Figure pat00013

한편, 절대값 축적부(60)의 출력신호인 X의 크기는 NFFT ×B 인 2차원 행렬이고, 이 신호가 합성곱 신경망에 입력되기 위해서는 센싱 채널 별로 분리하여 합성곱 신경망에 입력될 데이터를 생성하는 과정이 필요하다.On the other hand, the size of X, which is the output signal of the absolute value accumulator 60, is a two-dimensional matrix of N FFT × B, and in order for this signal to be input to the convolutional neural network, data to be input to the convolutional neural network is separated by sensing channels. creation process is required.

센싱 채널 폭을 KC 라 하면, 총 센싱 채널의 개수는 NFFT / KC 가 된다. 아날로그/디지털 변환 샘플링 클럭이 FS 이면, 각 센싱 채널의 대역폭은 KC FS / NFFT (Hz)가 된다. If the sensing channel width is K C , the total number of sensing channels is N FFT / K C . If the analog/digital conversion sampling clock is F S , the bandwidth of each sensing channel becomes K C F S / N FFT (Hz).

본 발명에서는 주사용자가 사용할 수 있는 주파수 채널이 총 A개가 존재한다면 실제로 A-1개만 할당이 가능하고, 나머지 한개 채널은 항상 비워둔 상태로 설정한다. 이것은 비워둔 한개 채널을 잡음 채널로 이용해서 스펙트럼 센싱을 수행하기 위함이다. 따라서 마지막 센싱 채널인 NFFT /KC -1 번째 센싱채널은 항상 비워있는 상태로, 항상 잡음만 관찰된다. In the present invention, if there are a total of A frequency channels available to the main user, only A-1 can be allocated, and the remaining one channel is always set to be empty. This is to perform spectrum sensing using one empty channel as a noise channel. Therefore, the last sensing channel, N FFT /K C -1 th sensing channel, is always empty, and only noise is always observed.

절대값 축적부(60)의 출력신호(X)는 이미지 데이터 생성부(70)에 입력되고, 센싱 채널 별로 분리된다. 그리고 분리된 센싱 채널에 마지막 센싱 채널인 잡음채널을 포함하여 새로운 2차원 행렬을 만들며, 이것을 [수학식 5]로 나타낼 수 있다.The output signal X of the absolute value accumulation unit 60 is input to the image data generation unit 70 and is separated for each sensing channel. Then, a new two-dimensional matrix is created by including the noise channel, which is the last sensing channel, in the separated sensing channel, and this can be expressed by [Equation 5].

[수학식 5][Equation 5]

Figure pat00014
Figure pat00014

여기서

Figure pat00015
는 크기가 KC(센싱채널폭) × B(전체 블록 개수) 인 X의 부분 행렬이고, cKC 부터 (c+1)KC -1까지의 행을 선택해서 만든 행렬이다.
Figure pat00016
는 마지막 센싱 채널에 해당하는 부분 행렬이며 항상 잡음만 존재하는 채널이다. 그리고 NFFT/KC는 총 센싱채널 개수에 해당한다. 따라서 본 발명은 이미지 데이터 생성부(70)에서 각 센싱 채널과 잡음 채널을 결합하여 새롭게 만든 2차원 행렬 XC를 이용하여 주 사용자의 신호 존재 유무를 판단한다.here
Figure pat00015
is a partial matrix of X whose size is K C (sensing channel width) × B (total number of blocks), and is a matrix created by selecting rows from cK C to (c+1)K C -1.
Figure pat00016
is a submatrix corresponding to the last sensing channel and is a channel in which only noise is always present. And N FFT /K C corresponds to the total number of sensing channels. Therefore, in the present invention, the presence or absence of a signal of the main user is determined using a two-dimensional matrix X C newly created by combining each sensing channel and a noise channel in the image data generator 70 .

따라서 이미지 데이터 생성부(70)의 출력신호는, 각 센싱 채널을 대역폭 단위로 분리하고, 분리된 각 센싱 채널에 잡음 채널을 결합해서 새롭게 구성된 2차원 행렬 신호가 된다. 따라서 이미지 데이터 생성부(70)는 합성곱 신경망에 입력될 데이터를 생성한다.Accordingly, the output signal of the image data generating unit 70 is a two-dimensional matrix signal newly constructed by dividing each sensing channel in units of bandwidth and combining a noise channel with each of the separated sensing channels. Accordingly, the image data generator 70 generates data to be input to the convolutional neural network.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인지 무선 시스템에서 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 방법의 학습데이터의 예시도를 도시하고 있다.3 is a diagram illustrating an example of learning data of a convolutional neural network-based spectrum sensing method in a cognitive wireless system according to an embodiment of the present invention.

도시되는 도 3에서 전체 센싱 대역폭을 고려한 2차원 신호 X와 학습용 데이터 세트의 예시 이미지인 XC를 도시하고 있다. 3 shows a two-dimensional signal X considering the entire sensing bandwidth and an example image X C of a training data set.

2차원 행렬은 도 3과 같이 흑백 이미지로 나타낼 수 있다. 도시되고 있는 예시도는 NFFT = 512, B = 64, KC = 16, SNR = 20dB 일 때, [수학식 4]로부터 얻어진 결과인 X와 XC를 주사용자 신호 유무에 기반해서 흰색과 검정색의 이미지로 나타낼 수 있다.The two-dimensional matrix may be represented as a black-and-white image as shown in FIG. 3 . In the example diagram shown, when N FFT = 512, B = 64, K C = 16, SNR = 20dB, X and X C , the results obtained from [Equation 4], are white and black based on the presence or absence of the main user signal. can be represented as an image of

도시되고 있는 예시도에서 검정색은 0에 가까운 값을 나타내고, 흰색은 1에 가까운 큰 값을 나타낸다. 그리고 그 사이의 값은 회색으로 나타낼 수 있다. In the illustrated example, black represents a value close to 0, and white represents a large value close to 1. And the values in between can be displayed in gray.

여기서 XC 는 각 센싱채널에 잡음채널을 결합한 본 발명의 스펙트럼 센싱 방법에 사용되는 학습 데이터의 예시 이미지이고, Busy는 주 사용자 신호가 존재하는 경우, Idle는 채널이 비어 있는 경우를 나타내고 있다. Here, X C is an example image of training data used in the spectrum sensing method of the present invention in which a noise channel is combined with each sensing channel, Busy indicates a case in which a main user signal is present, and Idle indicates a case in which a channel is empty.

즉, 본 발명의 실시예에서는 이 이미지 데이터를 통해서 스펙트럼 센싱부(80)에서 주사용자 신호의 존재 유무를 판단한다. 그리고 합성곱 신경망의 학습을 수행하는 과정에서는 입력되는 학습 데이터에 대한 결과값(Busy 또는 Idle)을 알고 있는 상태에서 학습을 수행한다.That is, in the embodiment of the present invention, the spectrum sensing unit 80 determines the presence or absence of the main user signal through this image data. And, in the process of learning the convolutional neural network, learning is performed in a state where the result value (Busy or Idle) of the input learning data is known.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱을 위한 합성곱 신경망의 네트워크 구조를 도시하고 있다.4 illustrates a network structure of a convolutional neural network for spectrum sensing based on a convolutional neural network according to an embodiment of the present invention.

스펙트럼 센싱부(80)는 학습 데이터 이미지가 입력되는 입력 계층(Input layer ; 703), 제1합성곱 계층(704), 제2합성곱 계층(705), 제3합성곱 계층(Convolutional ;706), 2개의 출력을 갖는 완전 연결 계층(Fully connected ; 707), 최종적으로 주사용자의 신호 존재 유무를 판단하는 분류 계층(Classification layer ; 708)을 포함한다.The spectrum sensing unit 80 includes an input layer 703 to which a training data image is input, a first convolutional layer 704 , a second convolutional layer 705 , and a third convolutional layer ( Convolutional 706 ). , a fully connected layer having two outputs (707), and a classification layer (708) that finally determines whether the main user's signal is present.

입력 계층(703)은, 도 3에 도시하고 있는 바와 같이, 2Kc ×B에 해당하는 학습 데이터(Xc)를 입력한다. 앞서 각 센싱 채널의 폭을 16으로 설정하였으므로, 입력되는 이미지 데이터는 32 ×B 크기가 된다.The input layer 703 inputs learning data Xc corresponding to 2Kc×B, as shown in FIG. 3 . Since the width of each sensing channel was previously set to 16, the input image data has a size of 32 × B.

제1합성곱 계층(704)과 제2합성곱 계층(705)는 합성곱 계층(Convolutional), 배치 정규화 계층(Batch normalization), 풀링 계층(Max pooling)을 포함한다. 풀링 계층은 스트라이드가 2인 2 ×2 맥스 풀링을 적용한다. 제1합성곱 계층(704)의 필터 개수는 8개, 제2합성곱 계층(705)의 필터 개수는 16개 이다. The first convolutional layer 704 and the second convolutional layer 705 include a convolutional layer, a batch normalization layer, and a pooling layer (Max pooling). The pooling layer applies 2x2 max pooling with a stride of 2. The number of filters in the first convolutional layer 704 is 8, and the number of filters in the second convolutional layer 705 is 16.

제3합성곱 계층(706)은 합성곱 계층과 배치 정규화 계층을 포함하고, 제3합성곱 계층(706)의 필터 개수는 32개 이다.The third convolutional layer 706 includes a convolutional layer and a batch normalization layer, and the number of filters in the third convolutional layer 706 is 32.

제1,2,3합성곱 계층에 포함된 모든 합성곱 계층의 필터 크기는 3 × 3이고, 스트라이드는 1로 통일한다. 각 합성곱 계층에서의 활성화 함수는 ReLU(Rectified Linear Unit)를 사용한다.The filter size of all convolutional layers included in the first, second, and third convolutional layers is 3 × 3, and the stride is unified as 1. The activation function in each convolutional layer uses a Rectified Linear Unit (ReLU).

제3합성곱 계층(706)의 출력은 완전 연결 계층(707)을 통하며, 이진 분류를 위한 2개의 출력을 가지고, 최종적으로 분류 계층(708)을 통해 주사용자의 신호 존재 유무를 판단한다.The output of the third convolutional layer 706 goes through the fully connected layer 707 , has two outputs for binary classification, and finally determines the presence or absence of a signal of the main user through the classification layer 708 .

다음은 본 발명의 일 실시예에 따른 인지 무선 시스템에서 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 방법 및 장치의 성능 검증을 위하여, 행렬을 기반으로 한 계산 기능을 지원하는 공학용 소프트웨어인 공지된 매트랩(MATLAB)을 이용하여 시뮬레이션을 수행한 것에 대해서 살펴본다.Next, in order to verify the performance of a convolutional neural network-based spectrum sensing method and apparatus in a cognitive wireless system according to an embodiment of the present invention, known MATLAB, which is engineering software supporting a matrix-based calculation function, is used. So, let's take a look at the simulation.

실시예의 스펙트럼 센싱 기법에 사용된 주요 특성은 도 5와 같다.The main characteristics used in the spectrum sensing technique of the embodiment are shown in FIG. 5 .

수신신호의 샘플링 주파수는 16MHz이고, 센싱 채널의 대역폭은 0.5MHz이다. 따라서 주사용자 신호는 0.5MHz의 채널 대역폭을 갖고, 따라서 수신신호에는 총 32개의 채널이 존재한다.The sampling frequency of the received signal is 16 MHz, and the bandwidth of the sensing channel is 0.5 MHz. Therefore, the main user signal has a channel bandwidth of 0.5 MHz, and therefore, there are a total of 32 channels in the received signal.

수집되는 수집 신호 블록 개수 B는 4에서 64까지 4배씩 늘리며 성능을 비교하고, B가 작을수록 짧은 신호를 관찰하며, 스펙트럼 센싱을 수행하므로 신속한 센싱이 가능하다. 도 5에 도시되고 있는 주요 특성은, 설정되는 값으로, 최적의 값을 도출하기 위해서 갱신하는 것도 가능하다.The number of collected signal blocks B is increased by 4 times from 4 to 64 to compare the performance, and as B is smaller, shorter signals are observed, and spectrum sensing is performed, so rapid sensing is possible. The main characteristic shown in Fig. 5 is a set value and can be updated in order to derive an optimal value.

학습에 사용되는 신호는 총 20,000 세트의 주사용자 신호이다. 주사용자 신호의 대역폭은 0.5MHz로 센싱 대역폭과 동일하고, 총 32개 채널 중에서 마지막 한 채널을 제외한 31개 채널에 주사용자 신호가 할당된다. The signals used for training are a total of 20,000 sets of main user signals. The bandwidth of the main user signal is 0.5 MHz, which is the same as the sensing bandwidth, and the main user signal is allocated to 31 channels except for the last one among 32 channels.

각 채널에서 주사용자 신호의 확률은 0.5로 설정한다. 따라서 한번 신호를 생성하면 할당 가능한 31개 채널 중 절반 정도는 주사용자 신호가 존재하게 되고, 나머지 절반은 신호가 존재하지 않은 상태로 분포된다. 학습과정에서는 주사용자 신호가 존재하는 채널과 주사용자 신호가 존재하지 않은 채널에 대한 판단 결과를 알고 있는 상태에서 학습을 수행한다.The probability of the main user signal in each channel is set to 0.5. Therefore, once a signal is generated, about half of the 31 allocable channels have the main user signal, and the other half is distributed without the signal. In the learning process, learning is performed in a state where the determination result of the channel in which the main user signal exists and the channel in which the main user signal does not exist is known.

또한 20,000 세트의 신호를 생성할 때, SNR은 무작위로 선택한다. 구체적으로 -20dB에서 50dB의 범위에서 무작위의 실수로 선택한다. 이와 같은 범위는 실제 필드환경을 고려하였고, 한 세트의 신호로 31개의 Xc(c=0,...,30)를 만들어 낼 수 있으므로 시뮬레이션 과정에서 합성곱 신경망에 총 620,000개의 학습 데이터 이미지가 입력된다.Also, when generating 20,000 sets of signals, the SNR is randomly selected. Specifically, it is randomly selected in the range of -20dB to 50dB. In this range, the actual field environment is considered, and since 31 Xc (c=0,...,30) can be created with one set of signals, a total of 620,000 training data images are input to the convolutional neural network during the simulation process. do.

이와 같이 2차원 데이터 세트가 합성곱 신경망 네트워크의 입력 계층(703)을 통하여 입력되고, 학습은 교차 엔트로피가 최소화 되도록 수행하고, 미니 배치 크기는 620을 사용한다. 이때 학습을 위한 최적화 기법은 SGDM (Stochastic Gradient Descent with Momentum)을 사용하고, 학습률 (Learning rate)은 0.001이다.In this way, the two-dimensional data set is input through the input layer 703 of the convolutional neural network, training is performed so that cross entropy is minimized, and the mini-batch size is 620. At this time, the optimization technique for learning uses SGDM (Stochastic Gradient Descent with Momentum), and the learning rate is 0.001.

도 6은 도 5에 도시된 주요 특성을 적용한 본 발명의 일 실시예에 따른 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 방법의 학습 곡선을 도시한 그래프이다.6 is a graph illustrating a learning curve of a convolutional neural network-based spectrum sensing method according to an embodiment of the present invention to which the main characteristics shown in FIG. 5 are applied.

도 6은 학습 시 손실함수의 추이를 보인다. 학습에는 전체 학습 데이터 이미지를 두번 반복 사용하고, 그래프에서 확인 가능한 바와 같이 빠르게 학습 곡선이 수렴이 이루어지고, 약 100번의 갱신 이내에 수렴하는 것을 확인 가능하다.6 shows the transition of the loss function during learning. For training, the entire training data image is repeatedly used, and as can be seen in the graph, the learning curve converges quickly, and it can be confirmed that the learning curve converges within about 100 updates.

다음, 성능 검증을 하기 위한 테스트 데이터는 다음과 같이 설정한다.Next, test data for performance verification is set as follows.

학습 데이터와 동일 환경에서 SNR은 -20dB에서 6dB범위에서 2dB 간격으로 각각 4,000 세트의 신호를 생성한다. 각 채널 별로 주사용자 신호의 존재 유무 역시 무작위로 선택하고, 신호가 31개 채널에 구성되므로, 합성곱 신경망에는 약 124,000개의 테스트 데이터 이미지가 입력된다.In the same environment as the training data, the SNR generates 4,000 sets of signals in the range of -20dB to 6dB at intervals of 2dB. The presence or absence of the main user signal for each channel is also randomly selected, and since the signal is composed of 31 channels, about 124,000 test data images are input to the convolutional neural network.

그리고 본 발명의 일 실시예에서 합성곱 신경망 기반의 스펙트럼 센싱 방법의 성능을 검증하기 위해 두가지 지표를 측정한다. And in an embodiment of the present invention, two indicators are measured to verify the performance of the convolutional neural network-based spectrum sensing method.

첫번째는 채널이 비어 있는데 사용하고 있다고 판단하는 경우를 놓친 검출이라 하고, 그 비율을 MDR (Miss detection ratio)이라 정의한다. 두번째는 채널이 사용 중인데 비어있다고 판단하는 경우를 검출 오류라 하고, 그 비율을 FDR(False detection ratio)이라 정의한다. 여기서 주사용자에 미치는 간섭을 최소화 하는 것이 중요하므로 MDR보다는 FDR 성능이 더 중요하다고 볼 수 있다.The first is called missed detection when it is determined that the channel is being used even though it is empty, and the ratio is defined as MDR (Miss detection ratio). Second, a case where it is determined that the channel is in use and empty is called a detection error, and the ratio is defined as a false detection ratio (FDR). Here, since it is important to minimize the interference to the main user, it can be seen that FDR performance is more important than MDR.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 방법에 따른 관찰 시간(신호 블록 길이 B)의 FDR과 MDR의 오류 확률을 도시한 그래프이다. 7 is a graph illustrating FDR and MDR error probabilities of observation time (signal block length B) according to the convolutional neural network-based spectrum sensing method according to an embodiment of the present invention.

도시하고 있는 바와 같이, FDR은 관찰 시간 B가 4배씩 커질 때마다 3 ~ 4dB의 성능 이득을 보이고, B가 64일 때 성능이 가장 우수하게 나타났다. MDR도 관찰 시간 B의 증가에 따라 유사한 이득을 보인다. 따라서 스펙트럼의 검출 속도와 정확도는 서로 트레이드 오프 관계인 것을 확인 가능하고, 동일한 B값에서는 MDR과 FDR이 비슷한 성능을 보이고 있다.As shown, the FDR shows a performance gain of 3 to 4 dB whenever the observation time B increases by 4 times, and the performance is the best when B is 64. MDR also shows a similar gain with increasing observation time B. Therefore, it can be confirmed that there is a trade-off relationship between the detection speed and accuracy of the spectrum, and MDR and FDR show similar performance at the same B value.

그리고 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 방법과 종래 문턱값 기반의 센싱 방법의 FDR과 MDR의 성능을 비교한 그래프이다.8 is a graph comparing the performance of FDR and MDR of the convolutional neural network-based spectrum sensing method and the conventional threshold-based sensing method according to an embodiment of the present invention.

종래 방법에서 문턱값 λ은 하기 [수학식 6], [수학식 7]으로 결정된다.In the conventional method, the threshold λ is determined by the following [Equation 6] and [Equation 7].

[수학식 6][Equation 6]

Figure pat00017
Figure pat00017

[수학식 7][Equation 7]

Figure pat00018
Figure pat00018

이 과정에서 α는 양의 실수 값으로 SNR의 함수로 결정되는 변수이므로, 최적의 센싱 성능을 제공하도록 SNR 구간별로 도 9와 같이 실험적으로 찾은 값을 활용하였다.In this process, since α is a positive real value and is a variable determined as a function of SNR, the experimentally found value as shown in FIG. 9 was used for each SNR section to provide optimal sensing performance.

이때, B는 64이며, 도 8에 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명의 스펙트럼 센싱 방법이 종래 방법과 비교하여 전체적으로 2dB 성능 이득이 있음을 확인할 수 있다.In this case, B is 64, and as shown in FIG. 8 , it can be confirmed that the spectrum sensing method of the present invention has an overall performance gain of 2 dB compared to the conventional method.

다음, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 방법의 동작 과정을 도시한 순서도이다.Next, FIG. 10 is a flowchart illustrating an operation process of a spectrum sensing method based on a convolutional neural network according to an embodiment of the present invention.

시뮬레이터가 센싱하고자 하는 전체 대역을 고려하여, 수신신호를 고속 푸리에 변환하고, 주파수 스펙트럼으로 변환하는 과정이 이루어지도록 한다(S110).In consideration of the entire band to be sensed by the simulator, a fast Fourier transform is performed on the received signal, and a process of converting the received signal into a frequency spectrum is performed (S110).

연속적으로 수신한 신호에 대한 스펙트럼을 도 3에 도시하고 있는 바와 같이 쌓아서 2차원 신호로 재구성한다(S120). 이때 신호의 FFT한 결과인 512 ×1인 1차원 벡터가 512 ×64인 2차원 행렬로 변환된다. 2차원 행렬은 흑백 이미지로 재구성되며, 흑백 이미지 상에서 큰 값을 가질수록 흰색에 가깝고, 작은값일수록 검은색에 가깝고, 중간값은 회색으로 표현되어진다.As shown in FIG. 3, the spectrum of the continuously received signal is stacked and reconstructed into a two-dimensional signal (S120). At this time, a one-dimensional vector of 512 × 1, which is the result of FFT of the signal, is converted into a two-dimensional matrix of 512 × 64. The two-dimensional matrix is reconstructed into a black-and-white image, and in the black-and-white image, a larger value is closer to white, a smaller value is closer to black, and an intermediate value is expressed in gray.

그리고 주사용자 채널의 대역폭 단위로 구분하고, 각 채널에 잡음 채널을 결합한다(S130). 합성곱 신경망 학습을 위한 학습데이터는 가산 백색 가우스 잡음(AWGN) 환경에서 생성된다. Then, the main user channel is divided into bandwidth units, and a noise channel is combined with each channel (S130). The training data for learning the convolutional neural network is generated in an additive white Gaussian noise (AWGN) environment.

그리고 합성곱 신경망이 재구성된 이미지인 학습데이터에 대한 학습을 수행한다(S140). 이때 교체 엔트로피가 최소화되도록 합성곱 신경망의 파라미터를 갱신한다.Then, the convolutional neural network performs learning on the training data, which is the reconstructed image (S140). At this time, the parameters of the convolutional neural network are updated so that the replacement entropy is minimized.

이후, 주사용자 신호의 유무 검출을 위한 채널신호가 입력되면, 이전 과정에서 합성곱 신경망에서 학습 수행 결과인 학습데이터를 기반으로 하여, 이진 분류를 통해 주 사용자 신호 존재 유무를 판단한다(S150). Thereafter, when a channel signal for detecting the presence or absence of the main user signal is input, the presence or absence of the main user signal is determined through binary classification based on the learning data that is the result of learning in the convolutional neural network in the previous process ( S150 ).

이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 인지 무선 시스템의 합성곱 신경망 기반의 스펙트럼 센싱 방법 및 장치는 주사용자 신호에 대한 어떠한 사전 정보도 알지 못하는 상태에서 스펙트럼 센싱을 통해서 주사용자 신호 유무를 판단한다. 이를 위해서 본 발명은 전체 대역을 고려하여 수신신호를 고속으로 샘플링하고, 이후 신호의 FFT를 통해서 주파수 스펙트럼으로 변환한다. 이와 같이 변환된 주파수 스펙트럼을 연속적으로 쌓아서 2차원 신호를 생성한다. 그리고 이 생성된 2차원 신호를 탐지하고자 하는 채널 대역폭 단위로 구분하고, 각 채널에 주사용자 신호가 포함되지 않은 잡음 채널을 결합하여 재구성된 이미지 데이터를 생성한다. 이렇게 생성된 이미지 데이터가 합성곱 신경망에 입력되고, 일련의 학습이 수행된 학습데이터에 기반해서 채널 검색을 위해 입력된 데이터에 주사용자 신호가 있는지 또는 없는지를 판단하는 것이 가능해진다. As described above, the method and apparatus for spectrum sensing based on a convolutional neural network of a cognitive wireless system according to an embodiment of the present invention determines the presence or absence of a main user signal through spectrum sensing without knowing any prior information about the main user signal. To this end, the present invention samples the received signal at high speed in consideration of the entire band, and then converts it into a frequency spectrum through FFT of the signal. A two-dimensional signal is generated by continuously stacking the frequency spectrum converted in this way. Then, the generated two-dimensional signal is divided into units of a channel bandwidth to be detected, and the reconstructed image data is generated by combining each channel with a noise channel that does not include a main user signal. The image data generated in this way is input to the convolutional neural network, and it becomes possible to determine whether there is a main user signal in the input data for channel search based on the training data on which a series of learning is performed.

이상의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.The above detailed description should not be construed as restrictive in all respects and should be considered as exemplary. The scope of the present invention should be determined by a reasonable interpretation of the appended claims, and all modifications within the equivalent scope of the present invention are included in the scope of the present invention.

10 : 안테나
20 : 다운 컨버션부
30 : 아날로그/디지털 변환부
40 : FFT 프레임 수집기
50 : 고속 푸리에 변환부
60 : 절대값 축적부
70 : 채널 분리부
80 : 스펙트럼 센싱부
10: antenna
20: down conversion unit
30: analog/digital conversion unit
40: FFT frame collector
50: fast Fourier transform unit
60: absolute value accumulation part
70: channel separation unit
80: spectrum sensing unit

Claims (22)

센싱하고자 하는 전체 대역의 수신신호를 고속으로 샘플링하고, 주파수 스펙트럼으로 변환하는 고속 푸리에 변환부;
연속적으로 수신한 신호에 대한 스펙트럼 신호를 쌓아서 2차원 신호로 구성하는 절대값 축적부;
2차원 신호를 센싱 채널의 대역폭 단위로 분리하고, 각 채널에 잡음 채널을 결합하여 합성곱 신경망의 입력데이터를 생성하는 이미지 데이터 생성부;
이미지 데이터 생성부에서 생성된 신호를 합성곱 신경망에 입력하여 학습시키고, 학습된 데이터에 기반해서 센싱 채널에 대하여 주사용자 신호 존재 유무를 판단하는 스펙트럼 센싱부를 포함하는 인지 무선 시스템에서 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 장치.
a fast Fourier transform unit for high-speed sampling of a received signal of the entire band to be sensed and converting it into a frequency spectrum;
an absolute value accumulator configured to form a two-dimensional signal by accumulating spectral signals for consecutively received signals;
an image data generation unit that divides the two-dimensional signal into units of bandwidth of a sensing channel and generates input data of a convolutional neural network by combining a noise channel with each channel;
Convolutional neural network-based spectrum in a cognitive wireless system including a spectrum sensing unit that inputs the signal generated by the image data generator to the convolutional neural network to learn, and determines whether a main user signal exists for a sensing channel based on the learned data sensing device.
청구항 1에 있어서,
전체 대역의 수신신호를 고속으로 샘플링하여 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환부;
디지털 변환신호를 FFT 크기 단위로 수집하고, 고속 푸리에 변환부로 출력하는 FFT 프레임 수집기를 더 포함하는 인지 무선 시스템에서 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 장치.
The method according to claim 1,
an analog/digital converter that samples the entire band of the received signal at high speed and converts it into a digital signal;
A convolutional neural network-based spectrum sensing device in a cognitive wireless system further comprising an FFT frame collector that collects digital transformed signals in units of FFT size and outputs them to a fast Fourier transform unit.
청구항 2에 있어서,
FFT 프레임 수집기는 FFT 크기 단위로 데이터를 수집하고, 인접한 신호를 오버랩하여 데이터를 수집하는 인지 무선 시스템에서 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 장치.
3. The method according to claim 2,
The FFT frame collector is a spectral sensing device based on a convolutional neural network in a cognitive wireless system that collects data in units of FFT size and collects data by overlapping adjacent signals.
청구항 1에 있어서,
절대값 축적부는, 센싱하는 전체 신호 블록에 대해 각각 고속 푸리에 변환된 신호를 절대값을 취하여 축적하는 인지 무선 시스템에서 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 장치.
The method according to claim 1,
The absolute value accumulator is a convolutional neural network-based spectrum sensing device in a cognitive wireless system that takes and accumulates an absolute value of each fast Fourier-transformed signal for all signal blocks to be sensed.
청구항 1에 있어서,
이미지 데이터 생성부는, 항상 마지막 채널은 잡음만 관찰될 수 있도록 비워두고, 각 센싱 채널에 마지막 채널을 결합하여 2차원 행렬을 구성하는 인지 무선 시스템에서 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 장치.
The method according to claim 1,
The image data generator always leaves the last channel empty so that only noise can be observed, and a convolutional neural network-based spectrum sensing device in a cognitive wireless system that forms a two-dimensional matrix by combining the last channel with each sensing channel.
청구항 5에 있어서,
이미지 데이터 생성부에서 구성되는 2차원 행렬(Xc)는 하기 [수학식 5]에 의해서 산출되는 인지 무선 시스템에서 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 장치.
[수학식 5]
Figure pat00019

(여기서
Figure pat00020
는 크기가 KC(센싱채널폭) × B(전체 블록 개수) 인 X의 부분 행렬이고, cKC 부터 (c+1)KC -1까지의 행을 선택해서 만든 행렬이다.
Figure pat00021
는 마지막 센싱 채널에 해당하는 부분 행렬이며 항상 잡음만 존재하는 채널이다. 그리고 NFFT/KC는 총 센싱채널 개수에 해당한다.)
6. The method of claim 5,
A two-dimensional matrix (Xc) configured in the image data generator is a convolutional neural network-based spectrum sensing device in a cognitive wireless system calculated by the following [Equation 5].
[Equation 5]
Figure pat00019

(here
Figure pat00020
is a partial matrix of X whose size is K C (sensing channel width) × B (total number of blocks), and is a matrix created by selecting rows from cK C to (c+1)K C -1.
Figure pat00021
is a submatrix corresponding to the last sensing channel and is a channel in which only noise is always present. And N FFT /K C corresponds to the total number of sensing channels.)
청구항 6에 있어서,
이미지 데이터 생성부는 2차원 행렬을 흑백 이미지로 재구성하고, 흑백 이미지 상에서 값이 클수록 흰색에 가깝게 표시되고, 작은 값일 수록 검은색에 가깝게 표시되는 인지 무선 시스템에서 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 장치.
7. The method of claim 6,
The image data generator reconstructs a two-dimensional matrix into a black-and-white image, and a convolutional neural network-based spectrum sensing device in a cognitive wireless system in which a larger value is displayed closer to white in a black-and-white image, and a smaller value is displayed closer to black.
청구항 1에 있어서,
스펙트럼 센싱부는 학습된 데이터에 기반해서 이진 분류 합성곱 신경망을 사용하여 주사용자 신호의 존재유무를 판단하는 인지 무선 시스템에서 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 장치.
The method according to claim 1,
The spectrum sensing unit is a convolutional neural network-based spectrum sensing device in a cognitive wireless system that determines the presence or absence of a main user signal using a binary classification convolutional neural network based on the learned data.
청구항 8에 있어서,
이진 분류 합성곱 신경망은, 32 × B 크기의 학습 데이터 이미지가 입력되는 입력 계층;
합성곱 계층, 배치 정규화 계층, 풀링 계층을 포함하는 제1,2합성곱 계층;
합성곱 계층과 배치 정규화 계층을 포함하는 제3합성곱 계층;
2개의 출력을 가지는 완전 연결 계층;
주사용자 신호의 존재 유무를 판단하는 분류 계층을 포함하고,
모든 합성곱 계층에서의 필터 크기는 3 ×3, 스트라이드는 1이고, 풀링 계층은 스트라이드가 2인 2×2 맥스 풀링을 적용하고, 제1합성곱 계층의 필터 개수는 8, 제2합성곱 계층의 필터 개수는 16, 제3합성곱 계층의 필터 개수는 32이고, 각 합성곱 계층에서의 활성화 함수는 ReLU인 인지 무선 시스템에서 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 장치.
9. The method of claim 8,
The binary classification convolutional neural network includes: an input layer to which a training data image with a size of 32 × B is input;
first and second convolutional layers including a convolutional layer, a batch normalization layer, and a pooling layer;
a third convolutional layer including a convolutional layer and a batch normalization layer;
fully connected layer with two outputs;
Includes a classification layer that determines the presence or absence of the main user signal,
In all convolutional layers, the filter size is 3 × 3 and the stride is 1, and the pooling layer applies 2 × 2 max pooling with a stride of 2, the number of filters in the first convolution layer is 8, and the number of filters in the second convolution layer is 8. A convolutional neural network-based spectrum sensing device in a cognitive wireless system in which the number of filters is 16, the number of filters in the third convolutional layer is 32, and the activation function in each convolutional layer is ReLU.
청구항 9에 있어서,
스펙트럼 센싱부는 교차 엔트로피가 최소화 되도록 합성곱 신경망의 파라미터를 갱신하는 인지 무선 시스템에서 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 장치.
10. The method of claim 9,
The spectrum sensing unit is a convolutional neural network-based spectrum sensing device in a cognitive wireless system that updates parameters of a convolutional neural network so that cross entropy is minimized.
청구항 10에 있어서,
스펙트럼 센싱부의 스펙트럼 센싱을 위한 주요 특성값은 샘플링 클럭, FFT 크기, 센싱 채널 대역폭, 채널수, 주사용자의 센싱 채널 대역폭의 길이, 시간 편이, 관찰 신호 블록 길이를 포함하는 인지 무선 시스템에서 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 장치.
11. The method of claim 10,
The main characteristic values for spectrum sensing of the spectrum sensing unit include sampling clock, FFT size, sensing channel bandwidth, number of channels, length of sensing channel bandwidth of main user, time shift, and convolutional neural network in cognitive wireless system including observation signal block length. based spectrum sensing device.
센싱하고자 하는 전체 대역의 수신신호를 고속 푸리에 변환하여 주파수 스펙트럼으로 변환하는 1단계;
연속적으로 수신된 신호에 대하여 변환된 스펙트럼 신호를 쌓아서 2차원 신호로 구성하는 2단계;
2차원 신호를 센싱 채널의 대역폭 단위로 분리하고, 각 채널에 잡음 채널을 결합하여 2차원 이미지 데이터를 생성하는 3단계;
이미지 데이터를 합성곱 신경망에 입력하여 학습시키고, 학습된 데이터에 기반해서 센싱 채널에 대하여 주사용자 신호 존재 유무를 판단하는 4단계를 포함하는 인지 무선 시스템에서 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 방법.
A first step of converting the received signal of the entire band to be sensed into a frequency spectrum by fast Fourier transforming;
a second step of constructing a two-dimensional signal by accumulating the converted spectral signals with respect to the continuously received signals;
A third step of generating two-dimensional image data by dividing a two-dimensional signal into a unit of bandwidth of a sensing channel, and combining a noise channel with each channel;
A method for spectral sensing based on a convolutional neural network in a cognitive wireless system, comprising: inputting image data into a convolutional neural network to learn, and determining whether a main user signal exists for a sensing channel based on the learned data.
청구항 12에 있어서,
전체 대역의 수신신호를 고속으로 샘플링하여 디지털 신호로 변환하고, 디지털 신호를 FFT 크기 단위로 수집하는 5단계를 더 포함하는 인지 무선 시스템에서 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 방법.
13. The method of claim 12,
Convolutional neural network-based spectrum sensing method in a cognitive wireless system, further comprising 5 steps of high-speed sampling of the entire band received signal, converting it to a digital signal, and collecting the digital signal in units of FFT size.
청구항 13에 있어서,
5단계는 시간편이만큼 오버랩된 FFT 신호를 수집하는 인지 무선 시스템에서 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 방법.
14. The method of claim 13,
Step 5 is a convolutional neural network-based spectrum sensing method in a cognitive wireless system that collects FFT signals overlapped by time shift.
청구항 12에 있어서,
2단계는, 센싱하는 전체 신호 블록에 대해 각각 고속 푸리에 변환된 신호의 절대값을 취하여 축적하는 인지 무선 시스템에서 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 방법.
13. The method of claim 12,
Step 2 is a spectrum sensing method based on a convolutional neural network in a cognitive wireless system that takes and accumulates absolute values of fast Fourier-transformed signals for all signal blocks to be sensed.
청구항 12에 있어서,
3단계는 마지막 채널은 잡음만 관찰될 수 있도록 항상 비워두고, 각 센싱 채널에 마지막 채널을 결합하여 2차원 행렬을 구성하는 인지 무선 시스템에서 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 방법.
13. The method of claim 12,
Step 3 is a convolutional neural network-based spectrum sensing method in a cognitive wireless system that always leaves the last channel empty so that only noise can be observed, and forms a two-dimensional matrix by combining the last channel with each sensing channel.
청구항 16에 있어서,
2차원 행렬(Xc)는 하기 [수학식 5]에 의해서 산출되는 인지 무선 시스템에서 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 방법.
[수학식 5]
Figure pat00022

(여기서
Figure pat00023
는 크기가 KC(센싱채널폭) × B(전체 블록 개수) 인 X의 부분 행렬이고, cKC 부터 (c+1)KC -1까지의 행을 선택해서 만든 행렬이다.
Figure pat00024
는 마지막 센싱 채널에 해당하는 부분 행렬이며 항상 잡음만 존재하는 채널이다. 그리고 NFFT/KC는 총 센싱채널 개수에 해당한다.)
17. The method of claim 16,
The two-dimensional matrix (Xc) is a spectrum sensing method based on a convolutional neural network in a cognitive wireless system calculated by the following [Equation 5].
[Equation 5]
Figure pat00022

(here
Figure pat00023
is a partial matrix of X whose size is K C (sensing channel width) × B (total number of blocks), and is a matrix created by selecting rows from cK C to (c+1)K C -1.
Figure pat00024
is a submatrix corresponding to the last sensing channel and is a channel in which only noise is always present. And N FFT /K C corresponds to the total number of sensing channels.)
청구항 12에 있어서,
3단계는 2차원 행렬을 흑백 이미지로 재구성하고, 흑백 이미지 상에서 값이 클수록 흰색에 가깝게 표시되고, 작은 값일 수록 검은색에 가깝게 표시되는 인지 무선 시스템에서 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 방법.
13. The method of claim 12,
Step 3 is a convolutional neural network-based spectral sensing method in a cognitive wireless system that reconstructs a two-dimensional matrix into a black-and-white image, and in a black-and-white image, larger values are displayed closer to white, and smaller values are displayed closer to black.
청구항 12에 있어서,
4단계는 학습된 데이터에 기반해서 이진 분류 합성곱 신경망을 사용하여 주사용자 신호의 존재유무를 판단하는 인지 무선 시스템에서 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 방법.
13. The method of claim 12,
Step 4 is a spectral sensing method based on a convolutional neural network in a cognitive wireless system that determines the presence or absence of a main user signal using a binary classification convolutional neural network based on the learned data.
청구항 19에 있어서,
이진 분류 합성곱 신경망은, 32 × B 크기의 학습 데이터 이미지가 입력되는 입력 계층;
합성곱 계층, 배치 정규화 계층, 풀링 계층을 포함하는 제1,2합성곱 계층;
합성곱 계층과 배치 정규화 계층을 포함하는 제3합성곱 계층;
2개의 출력을 가지는 완전 연결 계층;
주사용자 신호의 존재 유무를 판단하는 분류 계층을 포함하고,
모든 합성곱 계층에서의 필터 크기는 3 ×3, 스트라이드는 1이고, 풀링 계층은 스트라이드가 2인 2×2 맥스 풀링을 적용하고, 제1합성곱 계층의 필터 개수는 8, 제2합성곱 계층의 필터 개수는 16, 제3합성곱 계층의 필터 개수는 32이고, 각 합성곱 계층에서의 활성화 함수는 ReLU인 인지 무선 시스템에서 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 방법.
20. The method of claim 19,
The binary classification convolutional neural network includes: an input layer to which a training data image with a size of 32 × B is input;
first and second convolutional layers including a convolutional layer, a batch normalization layer, and a pooling layer;
a third convolutional layer including a convolutional layer and a batch normalization layer;
fully connected layer with two outputs;
Includes a classification layer that determines the presence or absence of the main user signal,
In all convolutional layers, the filter size is 3 × 3 and the stride is 1, and the pooling layer applies 2 × 2 max pooling with a stride of 2, the number of filters in the first convolution layer is 8, and the number of filters in the second convolution layer is 8. The number of filters of is 16, the number of filters in the third convolutional layer is 32, and the activation function in each convolutional layer is ReLU. A convolutional neural network-based spectrum sensing method in a cognitive wireless system.
청구항 20에 있어서,
4단계는 교차 엔트로피가 최소화 되도록 합성곱 신경망의 파라미터를 갱신하는 인지 무선 시스템에서 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 방법.
21. The method of claim 20,
Step 4 is a convolutional neural network-based spectrum sensing method in a cognitive wireless system that updates the parameters of the convolutional neural network so that cross entropy is minimized.
청구항 21에 있어서,
4단계의 스펙트럼 센싱을 위한 주요 특성값은 샘플링 클럭, FFT 크기, 센싱 채널 대역폭, 채널수, 주사용자의 센싱 채널 대역폭의 길이, 시간 편이, 관찰 신호 블록 길이를 포함하는 인지 무선 시스템에서 합성곱 신경망 기반 스펙트럼 센싱 방법.
22. The method of claim 21,
The main characteristic values for the four-step spectrum sensing are the sampling clock, the FFT size, the sensing channel bandwidth, the number of channels, the length of the main user's sensing channel bandwidth, the time shift, and the convolutional neural network in the cognitive wireless system including the observation signal block length. based spectrum sensing method.
KR1020200044579A 2020-04-13 2020-04-13 CNN Based Spectrum Sensing Technique for Cognitive Radio Communications KR102364215B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200044579A KR102364215B1 (en) 2020-04-13 2020-04-13 CNN Based Spectrum Sensing Technique for Cognitive Radio Communications

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200044579A KR102364215B1 (en) 2020-04-13 2020-04-13 CNN Based Spectrum Sensing Technique for Cognitive Radio Communications

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210126912A true KR20210126912A (en) 2021-10-21
KR102364215B1 KR102364215B1 (en) 2022-02-17

Family

ID=78268895

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200044579A KR102364215B1 (en) 2020-04-13 2020-04-13 CNN Based Spectrum Sensing Technique for Cognitive Radio Communications

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102364215B1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114285701A (en) * 2021-11-30 2022-04-05 西安电子科技大学重庆集成电路创新研究院 Method, system, equipment and terminal for identifying transmitting power of master user
CN115209418A (en) * 2022-06-13 2022-10-18 海南大学 Intelligent broadband spectrum sensing technology based on pre-training basic model
CN115276853A (en) * 2022-06-16 2022-11-01 宁波大学 CNN-CBAM-based spectrum sensing method
CN115276855A (en) * 2022-06-16 2022-11-01 宁波大学 ResNet-CBAM-based spectrum sensing method

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230167589A (en) 2022-06-02 2023-12-11 (주)코젠 Fault Diagnosis System based on Deep Learning Model for Smart IoT Valve

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080293353A1 (en) * 2007-03-08 2008-11-27 Mody Apurva N Cognitive radio methodology, physical layer policies and machine learning
JP4842942B2 (en) * 2005-06-22 2011-12-21 パナソニック株式会社 Wireless receiver
KR101154166B1 (en) * 2011-04-27 2012-06-14 성균관대학교산학협력단 Method for analyzing performance of spectrum sensing methods for cognitive radio systems
KR101298175B1 (en) 2011-08-19 2013-08-20 세종대학교산학협력단 Spectrum sensing method and device

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4842942B2 (en) * 2005-06-22 2011-12-21 パナソニック株式会社 Wireless receiver
US20080293353A1 (en) * 2007-03-08 2008-11-27 Mody Apurva N Cognitive radio methodology, physical layer policies and machine learning
KR101154166B1 (en) * 2011-04-27 2012-06-14 성균관대학교산학협력단 Method for analyzing performance of spectrum sensing methods for cognitive radio systems
KR101298175B1 (en) 2011-08-19 2013-08-20 세종대학교산학협력단 Spectrum sensing method and device

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
인지 무선 네트워크에서 딥러닝을 이용한 특징 기반의 자동 변조기법 분류 방법(한국통신학회, 2018.06.공개) *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114285701A (en) * 2021-11-30 2022-04-05 西安电子科技大学重庆集成电路创新研究院 Method, system, equipment and terminal for identifying transmitting power of master user
CN114285701B (en) * 2021-11-30 2024-03-29 西安电子科技大学重庆集成电路创新研究院 Method, system, equipment and terminal for identifying transmitting power of main user
CN115209418A (en) * 2022-06-13 2022-10-18 海南大学 Intelligent broadband spectrum sensing technology based on pre-training basic model
CN115276853A (en) * 2022-06-16 2022-11-01 宁波大学 CNN-CBAM-based spectrum sensing method
CN115276855A (en) * 2022-06-16 2022-11-01 宁波大学 ResNet-CBAM-based spectrum sensing method
CN115276855B (en) * 2022-06-16 2023-09-29 宁波大学 Spectrum sensing method based on ResNet-CBAM
CN115276853B (en) * 2022-06-16 2023-10-03 宁波大学 Spectrum sensing method based on CNN-CBAM

Also Published As

Publication number Publication date
KR102364215B1 (en) 2022-02-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102364215B1 (en) CNN Based Spectrum Sensing Technique for Cognitive Radio Communications
Tian Compressed wideband sensing in cooperative cognitive radio networks
CN101946475B (en) Radio sensor for detecting wireless microphone signals and method thereof
CN104780008B (en) A kind of broader frequency spectrum cognitive method perceived based on self-adapting compressing
De Vito A review of wideband spectrum sensing methods for cognitive radios
CN110868723B (en) Multi-band iterative spectrum sensing method based on power variance comparison
CN104703216A (en) Energy-efficient-based detecting method of multi-task Bayes compressed sensing broadband spectrum
Meng et al. End-to-end deep learning-based compressive spectrum sensing in cognitive radio networks
Sheikh et al. Cognitive spectrum sensing and detection using polyphase DFT filter banks
CN110798270B (en) Multi-band frequency spectrum sensing method based on power variance comparison
Bouzegzi et al. A second order statistics based algorithm for blind recognition of OFDM based systems
CN110166383B (en) Design method based on tree-shaped random search pilot frequency
Kong et al. Waveform recognition in multipath fading using autoencoder and CNN with Fourier synchrosqueezing transform
CN106656372B (en) Frequency band interference detection method of frequency hopping system
KR102390190B1 (en) Recurrent neural network based spectrum sensing method and device for cognitive radio communications
Khayyeri et al. Design and implementation of a high-performance and high-speed architecture for wideband spectrum sensing in cognitive radio networks
CN107196722B (en) Self-adaptive compressed spectrum sensing method
Narendar et al. A tree-structured DFT filter bank based spectrum sensor for estimation of radio channel edge frequencies in military wideband receivers
Youssef et al. Efficient cooperative spectrum detection in cognitive radio systems using wavelet fusion
Liu et al. Adversarial training for low-complexity convolutional neural networks using in spectrum sensing
Li et al. Two-branch wavelet denoising for accurate spectrum sensing in cognitive radios
Wieruch et al. Compressive gray space detection for interweaved cognitive radio systems
Bruno et al. An edge detection approach to wideband temporal spectrum sensing
KR20220078823A (en) Deep learning-assisted index estimator for generalized LED index modulation OFDM in visible light communication
Chen et al. A novel matrix optimization for compressive sampling-based sub-Nyquist OFDM receiver in cognitive radio

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant