KR20240028019A - Resource Allocation for Transmit Power Minimization in IoT Cellular Networks - Google Patents

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KR20240028019A
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채성호
전상운
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광운대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 일측면에 따르면, 비직교 다중 접속방식(NOMA) IoT 셀룰러 네트워크의 시스템이 전송 전력을 제어하여 전송 전력 최소화를 위한 자원 할당 방법에 있어서,
상기 시스템은,
기지국 및
상기 기지국과 상향링크 통신으로 연결된 IoT 기기;
상기 기지국과 통신으로 접속된 IoT 기기에 대한 전송 전력을 제어하는 제어장치를 포함하며,
상기 제어장치는
(a) 상기 기지국과 접속된 모든 IoT 기기에 대해, 각 IoT 기기의 전송률을 임계 전송률 이상이 되도록 하면서, 각 IoT 기기들의 전송 전력의 합을 최소화하도록 제어하는 단계; 및
(B) 상기 기지국과 접속된 모든 IoT 기기에 대해, 각 IoT 기기의 전송률을 임계 전송률 이상이 되도록 하면서, IoT 기기들 중의 최대 전송 전력의 값을 최소화하도록 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
According to one aspect of the present invention, in a resource allocation method for minimizing transmission power by controlling transmission power in a non-orthogonal multiple access (NOMA) IoT cellular network system,
The system is,
base station and
An IoT device connected to the base station through uplink communication;
It includes a control device that controls transmission power to IoT devices connected to the base station through communication,
The control device is
(a) controlling all IoT devices connected to the base station to minimize the sum of the transmission power of each IoT device while keeping the transmission rate of each IoT device above the threshold transmission rate; and
(B) For all IoT devices connected to the base station, controlling the transmission rate of each IoT device to be higher than the threshold transmission rate and minimizing the maximum transmission power among the IoT devices.

Description

IoT 셀룰러 네트워크의 전송 전력 최소화를 위한 자원 할당 방법{Resource Allocation for Transmit Power Minimization in IoT Cellular Networks}Resource allocation method for transmit power minimization in IoT cellular networks {Resource Allocation for Transmit Power Minimization in IoT Cellular Networks}

본 발명은 IoT 셀룰러 네트워크의 전송 전력 최소화를 위한 자원 할당 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a resource allocation method for minimizing transmission power in an IoT cellular network.

사물인터넷(IoT)은 5세대(5G)와 미래 6세대(6G) 통신 시스템에서 큰 주목을 받고 있다. 구체적으로 IoT 기반 통신 기술은 스마트 홈, 스마트 그리드, 스마트 교통 등 대규모 연결이 필요한 다양한 산업 분야에 적용할 수 있으며 기존 서비스를 획기적으로 개선할 수 있다. 또한, 의료, 재난관리 등 삶의 질을 높이고 생명을 구할 수 있는 분야에서도 IoT 기술이 주목받고 있다. 다양한 분야의 IoT 기반 서비스에 대한 수요가 크게 증가함에 따라 2030년까지 1인당 연결된 IoT 장치의 수는 약 20개에 이를 것으로 예상된다.The Internet of Things (IoT) is receiving great attention in the 5th generation (5G) and future 6th generation (6G) communication systems. Specifically, IoT-based communication technology can be applied to various industrial fields that require large-scale connectivity, such as smart home, smart grid, and smart transportation, and can dramatically improve existing services. Additionally, IoT technology is attracting attention in areas such as medical care and disaster management that can improve quality of life and save lives. As demand for IoT-based services in various fields increases significantly, the number of connected IoT devices per person is expected to reach approximately 20 by 2030.

따라서 제한된 자원으로 다수의 IoT 기기를 공정하고 효율적으로 지원할 수 있는 통신 프레임워크를 개발하는 것이 중요하다.Therefore, it is important to develop a communication framework that can fairly and efficiently support multiple IoT devices with limited resources.

여러 사용자가 서로 다른 주파수 자원을 사용해야 하는 OMA(Orthogonal Multiple Access)와 달리 비직교 다중 접속방식(Non-orthogonal Multiple Access, 이하 'NOMA' 라 한다.)는 동일한 주파수 자원을 여러 사용자가 동시에 점유하여 주파수 자원을 보다 효율적으로 사용할 수 있다. 각 사용자 단말별로 주파수나 시간, 코드 자원 등을 공유하여 직교하지 않는(non-orthogonal) 자원을 할당할 수 있게 하면서 정해진 자원으로 단말을 좀 더 많이 수용할 수 있도록 한 다중 접속 방식이다. 동일한 자원(time slot, subcarrier, spreading code 등)을 공유한 둘 이상의 단말 데이터를 동시에 전송하여 주파수 효율을 향상시키는 기술을 말한다. 동일한 시간, 주파수, 공간 자원 상에 두 대 이상의 단말에 대한 데이터를 동시에 전송하여 자원 효율을 높이는 것이 목적이다. NOMA는 5G 셀의 용량 증대를 위해 사용한 기술로 기존의 직교 다중 접속(OFDMA) 방식이 갖고 있던 주파수 자원 할당 관점에서의 직교성(orthogonality property)을 깨고 같은 주파수 자원 상에 두 대 이상의 단말 데이터를 동시에 중첩 할당하여 자원 효율을 높일 수 있다. 예를 들어, 기지국에서 채널 품질의 차가 큰 셀 중심 지역에 있는 단말과 셀 경계 지역에 있는 단말로 데이터 신호들을 중첩하여 전송할 때 셀 중심 지역 단말에게는 작은 전력을, 셀 경계 지역 단말에게는 높은 전력을 할당한다. 셀 내에 있는 단말은 순차적 간섭 제거(Successive Interference Cancellation: SIC) 방식에 따라 신호의 세기가 큰 셀인 중심 지역에 있는 단말을 먼저 복호화한 후 셀 경계 단말을 복호화한다. 셀 중심에 있는 단말은 셀 경계에 있는 단말의 신호가 상대적으로 약하게 도달하므로 이를 간섭으로 간주한 채 자신의 신호를 복호화할 수 있다. 복호화된 셀 중심에 있는 단말은 셀 경계에 있는 단말을 복호화하기 전에 수신된 신호에서 제거되므로 셀 경계에 있는 단말의 신호를 성공적으로 복호화할 수 있다. Unlike OMA (Orthogonal Multiple Access), which requires multiple users to use different frequency resources, Non-orthogonal Multiple Access (NOMA) allows multiple users to simultaneously occupy the same frequency resource. Resources can be used more efficiently. It is a multiple access method that allows allocation of non-orthogonal resources by sharing frequency, time, and code resources for each user terminal, while allowing more terminals to be accommodated with designated resources. This refers to a technology that improves spectral efficiency by simultaneously transmitting data from two or more terminals sharing the same resources (time slot, subcarrier, spreading code, etc.). The purpose is to increase resource efficiency by simultaneously transmitting data for two or more terminals on the same time, frequency, and space resources. NOMA is a technology used to increase the capacity of 5G cells. It breaks the orthogonality property of the existing orthogonal multiple access (OFDMA) method in terms of frequency resource allocation and simultaneously overlaps data from two or more terminals on the same frequency resource. Resource efficiency can be improved through allocation. For example, when a base station transmits overlapping data signals to a terminal in the cell center area and a terminal in the cell border area with a large difference in channel quality, small power is allocated to the cell center area terminal and high power is allocated to the cell border area terminal. do. Terminals within a cell first decode terminals in the central area, which are cells with high signal strength, and then decode cell edge terminals, according to the Sequential Interference Cancellation (SIC) method. A terminal in the center of a cell can decode its own signal, considering it as interference because the signal from the terminal at the cell border is relatively weak. Since the terminal at the center of the decoded cell is removed from the received signal before decoding the terminal at the cell border, the signal from the terminal at the cell border can be successfully decoded.

이러한 장점 때문에 NOMA는 IoT 네트워크에서 대규모 연결을 지원하는 유망한 기술 중 하나로 간주된다.Because of these advantages, NOMA is considered one of the promising technologies to support large-scale connectivity in IoT networks.

선행연구(비특허문헌 1 참조) 문헌에서 NOMA 지원 IoT 네트워크에서 각 사용자의 서비스 품질(QoS) 요구 사항을 고려한 리소스 할당에 대해 많은 연구가 수행되었다. In prior research (see Non-Patent Document 1), many studies have been conducted on resource allocation considering the quality of service (QoS) requirements of each user in a NOMA-supported IoT network.

또한, 선행연구(비특허문헌 2 참조)에서 저자들은 셀 내 및 셀 간 간섭이 있는 NOMA 모바일 에지 컴퓨팅 시스템에서 에너지 효율성을 최대화하는 저복잡도 공동 무선 및 계산 자원 할당 방식을 제안하였다. Additionally, in a prior study (see Non-Patent Document 2), the authors proposed a low-complexity joint radio and computational resource allocation method that maximizes energy efficiency in the NOMA mobile edge computing system with intra- and inter-cell interference.

또한, 선행연구(비특허문헌 3 참조)에서 하향링크 NOMA IoT 네트워크에서 각 사용자의 장기 데이터 전송률 요구 사항을 충족하면서 총 전력 소비를 최소화하기 위해 사용자 스케줄링 및 전력 할당의 공동 최적화가 제안되었다. Additionally, in prior research (see Non-Patent Document 3), joint optimization of user scheduling and power allocation was proposed to minimize total power consumption while meeting the long-term data rate requirements of each user in a downlink NOMA IoT network.

또한, 선행연구(비특허문헌 4 참조)에서 저자는 NOMA IoT 네트워크에서 스펙트럼 효율성을 최대화하기 위해 SQP(순차 2차 프로그래밍) 방법을 사용하여 전력 할당 문제를 연구하였다. Additionally, in prior research (see Non-Patent Document 4), the author studied the power allocation problem using SQP (sequential quadratic programming) method to maximize spectral efficiency in the NOMA IoT network.

또한, 선행연구(비특허문헌 5 참조)에서는 NOMA IoT 네트워크에서 무인 항공기(UAV) 통신의 성능을 향상시키기 위해 전력 할당, 에너지 수확 및 시간 스케줄링을 공동으로 최적화하는 새로운 알고리즘이 제안되었다.Additionally, in prior research (see Non-Patent Document 5), a new algorithm was proposed to jointly optimize power allocation, energy harvesting, and time scheduling to improve the performance of unmanned aerial vehicle (UAV) communication in the NOMA IoT network.

IoT 기반 서비스에 필요한 각 사용자의 목표 데이터 전송률은 일반적으로 실시간 고화질(HD) 비디오 스트리밍 및 가상현실과 같이 높은 데이터 전송률을 요구하는 애플리케이션보다 훨씬 낮다. 또한, Iota 장치는 일반적으로 외부 전원이 없기 때문에 내부 배터리 용량에 따라 작동 수명이 제한된다. 따라서 어떤 경우에는 배터리로 구동되는 IoT 장치의 작동 수명을 연장하기 위해 에너지 소비를 최소화하는 것이 중요하다. The target data rate for each user required for IoT-based services is typically much lower than applications that require high data rates, such as real-time high-definition (HD) video streaming and virtual reality. Additionally, Iota devices typically have no external power source, so their operating life is limited by their internal battery capacity. Therefore, in some cases, it is important to minimize energy consumption to extend the operating life of battery-powered IoT devices.

선행연구(비특허문헌 6 참조)에서는 다중 셀 다중 반송파 NOMA 네트워크의 총 전송 전력을 최소화하기 위해 사용자 클러스터링 및 전력 할당의 공동 최적화가 연구되었다.In prior research (see Non-Patent Document 6), joint optimization of user clustering and power allocation was studied to minimize the total transmission power of a multi-cell, multi-carrier NOMA network.

또한, 선행연구(비특허문헌 7 참조)에서는 불완전한 순차적 간섭 제거(SIC) 가정하에서 다중 셀 상향링크 NOMA 네트워크에 대한 전체 전력 최소화 문제를 고려했습니다. 이러한 선행 연구에서는 고려된 자원 할당 문제를 해결하기 위해 볼록 완화를 사용하여 적절한 저복잡도 반복 최적화 알고리즘을 제시하였다. Additionally, previous research (see Non-Patent Document 7) considered the overall power minimization problem for a multi-cell uplink NOMA network under the assumption of imperfect sequential interference cancellation (SIC). In this prior study, an appropriate low-complexity iterative optimization algorithm was proposed using convex relaxation to solve the considered resource allocation problem.

그리고 선행연구에서는 하향링크 NOMA 네트워크에서 각 사용자의 채널 이득에 따라 전력을 할당을 할당하도록 저 복잡도 전송 전력 할당 기법이 제안되었다. In a previous study, a low-complexity transmission power allocation technique was proposed to allocate power according to the channel gain of each user in a downlink NOMA network.

최근 딥러닝(DL)은 통신 시스템에서 고려되는 다양한 유형의 복잡한 자원 할당 문제를 해결하는 데 탁월한 성능을 보이는 것으로 나타난다. 특히, DL 기반 알고리즘은 사전 훈련된 심층 신경망(DNN) 모델을 사용하여 간단한 선형 연산으로 최적에 가까운 솔루션을 추론할 수 있으므로 실시간 처리가 중요한 다양한 통신 시나리오에 성공적으로 적용할 수 있음을 제시하였다(비특허문헌 8 참조). Recently, deep learning (DL) has been shown to show excellent performance in solving various types of complex resource allocation problems considered in communication systems. In particular, it was suggested that DL-based algorithms can be successfully applied to various communication scenarios where real-time processing is important because they can infer near-optimal solutions with simple linear operations using a pre-trained deep neural network (DNN) model (B (see patent document 8).

또한, 선행연구(비특허문헌 9 참조)에서 저자들은 부대역 사이에 스펙트럼 누출이 존재하는 상향링크 IoT 셀룰러 네트워크에서 부대역 할당 및 전력 제어의 공동 최적화 문제를 해결하여 달성 가능한 전송률을 최대화하는 DL 기반 접근 방식을 제안한 바 있다. 위 선행연구에서는 FNN(Fully Connected Neural Network) 구조를 적용한 경우와 CNN(Convolutional Neural Network)를 적용한 경우의 성능을 비교하여 DNN 구조의 종류에 따른 제안 기법의 성능도 살펴보았다. Additionally, in prior research (see Non-Patent Document 9), the authors proposed a DL-based method that maximizes the achievable data rate by solving the joint optimization problem of subband allocation and power control in an uplink IoT cellular network where spectrum leakage exists between subbands. An approach has been proposed. In the preceding study above, the performance of the proposed method according to the type of DNN structure was also examined by comparing the performance of the case of applying the Fully Connected Neural Network (FNN) structure and the case of applying the Convolutional Neural Network (CNN).

또한, 선행연구(비특허문헌 10 참조)에서는 불완전한 환경에서 NOMA 기반 이기종 IoT 네트워크의 에너지 효율성을 극대화하기 위해 하위 채널 할당과 전력 제어의 공동 최적화를 해결하기 위해 순환 신경망(RNN) 기반 자원 할당 기법을 제안한 바 있다. Additionally, in prior research (see Non-Patent Document 10), a recurrent neural network (RNN)-based resource allocation technique was used to solve joint optimization of subchannel allocation and power control to maximize energy efficiency of NOMA-based heterogeneous IoT networks in imperfect environments. It has been suggested.

또한 선행연구(비특허문헌 11 참조)에서는 NOMA 기반 mmWave 이기종 네트워크의 에너지 효율성을 극대화하기 위해 semi-supervised learning을 기반으로 사용자 연관, 하위 채널 할당 및 전력 제어의 공동 최적화가 연구되었다. Additionally, in prior research (see Non-Patent Document 11), joint optimization of user association, sub-channel allocation, and power control was studied based on semi-supervised learning to maximize the energy efficiency of NOMA-based mmWave heterogeneous networks.

최적화 문제의 해를 구하는 방법의 하나로 유전 알고리즘(Genetic Algorithm, GA)이 사용될 수 있다. 유전 알고리즘은 존 홀랜드(John Holland)가 1975년에 저서 "Adaptation on Natural and Artificial Systems"에서 처음 소개한 최적화 기법이다. 이러한 유전 알고리즘은 실제 생물 진화를 모방하여 최적화 문제를 해결하는 진화 연산의 방법이다. Genetic Algorithm (GA) can be used as a method to find a solution to an optimization problem. Genetic algorithm is an optimization technique first introduced by John Holland in his 1975 book "Adaptation on Natural and Artificial Systems." This genetic algorithm is a method of evolutionary computation that solves optimization problems by imitating actual biological evolution.

유전 알고리즘은 문제에 대한 가능한 해들을 나열한 뒤, 점점 유전자들을 변화시켜 정확도가 높고 적합한 해들을 만들어 간다. 유전 알고리즘에서는 문제의 해를 염색체라고 부르고, 염색체는 유전자들로 구성되어 있다. 따라서 염색체 내의 유전자들을 변형시켜 좋은 해를 얻는 것을 진화라고 볼 수 있다. 즉, 더 좋은 답을 찾아 가기 위해 진화를 모방한 탐색 알고리즘이라고 할 수 있다. Genetic algorithms list possible solutions to a problem and then gradually change genes to create highly accurate and appropriate solutions. In genetic algorithms, the solution to a problem is called a chromosome, and a chromosome is composed of genes. Therefore, evolution can be seen as obtaining a good solution by modifying the genes in the chromosome. In other words, it can be said to be a search algorithm that imitates evolution to find a better answer.

NN(Neural Network)이 나오기 전까지 가장 많이 사용하였던 알고리즘이며, 인공 신경망이 나오고 나서도 딥러닝에서의 초기값을 설정할 때 쓰이는 등 아직도 중요한 역할을 하고 있다. 네트워크의 최적화 문제의 해를 유전 알고리즘을 이용하여 구하는 연구는 선행연구에도 제시된 바 있다.It was the most widely used algorithm before the advent of NN (Neural Network), and even after the advent of artificial neural networks, it still plays an important role, such as being used to set initial values in deep learning. Research on finding solutions to network optimization problems using genetic algorithms has also been presented in previous studies.

선행연구(비특허문헌13, 14)에서는 Non-orthogonal multiple access (NOMA) 시스템에서 최적화를 위한 계산의 복잡성을 줄이기 위해 유전 알고리즘(genetic algorithm)을 적용하여 해를 구하는 방법이 제시되었다.In prior studies (Non-Patent Documents 13 and 14), a method of finding a solution by applying a genetic algorithm was proposed to reduce the complexity of calculations for optimization in a non-orthogonal multiple access (NOMA) system.

제한된 주파수 자원으로 다수의 IoT 기기를 지원하기 위해, 서로 다른 사용자가 같은 주파수 자원을 사용하는 것을 허용하는, Non-orthogonal multiple access (NOMA) 연구가 활발히 진행되었다. To support multiple IoT devices with limited frequency resources, research on Non-orthogonal multiple access (NOMA), which allows different users to use the same frequency resources, has been actively conducted.

IoT 기기는 일반적으로 외부 전원이 없기 때문에 동작 수명이 내부 배터리 용량에 의해 제한된다. 또한, IoT 통신에서는 대부분의 경우, 높은 전송률을 달성하는 것보다, 최소 전송률을 달성한다는 전제 조건하에서 전력 소비를 최소화하여, 결과적으로 IoT 기기의 동작 수명을 늘리는 것이 더 중요할 것으로 분석된다. 이를 바탕으로 모든 IoT 기기들이 시스템에서 요구하는 최소 전송률을 만족하면서 전력 소비를 최소화하는, 에너지 효율적인 정보 전송기법에 대한 구체적인 구현방법이 요구된다.Because IoT devices typically do not have an external power source, their operating life is limited by internal battery capacity. In addition, in most cases in IoT communication, it is analyzed that it is more important to minimize power consumption under the prerequisite of achieving a minimum transmission rate, and consequently increase the operating life of IoT devices, than to achieve a high transmission rate. Based on this, a specific implementation method for an energy-efficient information transmission technique that minimizes power consumption while satisfying the minimum transmission rate required by the system for all IoT devices is required.

대한민국 등록특허공보 10-2196546 호(IoT 환경에서 단말기의 전력소모 절감을 위한 drx 및 스케줄링 최적화 방법)Republic of Korea Patent Publication No. 10-2196546 (drx and scheduling optimization method to reduce terminal power consumption in IoT environment)

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본 발명의 목적은 IoT 기기들이 IoT 시스템에서 IoT 셀룰러 네트워크의 최소 전송률을 만족하면서 전송 전력 최소화를 위한 자원 할당 방법을 제공하는 것이다.The purpose of the present invention is to provide a resource allocation method for IoT devices to minimize transmission power while satisfying the minimum transmission rate of an IoT cellular network in an IoT system.

본 발명은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The present invention is not limited to the purposes mentioned above, and other purposes not mentioned can be clearly understood from the description below.

본 발명의 일측면에 따르면, 비직교 다중 접속방식(NOMA) IoT 셀룰러 네트워크의 시스템이 전송 전력을 제어하여 전송 전력 최소화를 위한 자원 할당 방법에 있어서,According to one aspect of the present invention, in a resource allocation method for minimizing transmission power by controlling transmission power in a non-orthogonal multiple access (NOMA) IoT cellular network system,

상기 시스템은,The system is,

기지국 및base station and

상기 기지국과 상향링크 통신으로 연결된 IoT 기기;An IoT device connected to the base station through uplink communication;

상기 기지국과 통신으로 접속된 IoT 기기에 대한 전송 전력을 제어하는 제어장치를 포함하며,It includes a control device that controls transmission power for IoT devices connected to the base station through communication,

상기 제어장치는 The control device is

(a) 상기 기지국과 접속된 모든 IoT 기기에 대해, 각 IoT 기기의 전송률을 임계 전송률 이상이 되도록 하면서, 각 IoT 기기들의 전송 전력의 합을 최소화하도록 제어하는 단계; 및(a) controlling all IoT devices connected to the base station to minimize the sum of the transmission power of each IoT device while keeping the transmission rate of each IoT device above the threshold transmission rate; and

(b) 상기 기지국과 접속된 모든 IoT 기기에 대해, 각 IoT 기기의 전송률을 임계 전송률 이상이 되도록 하면서, IoT 기기들 중의 최대 전송 전력의 값을 최소화하도록 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.(b) For all IoT devices connected to the base station, controlling the transmission rate of each IoT device to be higher than the threshold transmission rate and minimizing the maximum transmission power among the IoT devices.

또한, 상기 (a) 단계는Additionally, step (a) is

(a-1) 모든 IoT 기기가 임계 전송률 조건을 만족하도록 하기 위해, 상기 IoT 기기들 중에서 최소 전송률을 최대화시키는 sub-band 할당을 산출하는 단계, -여기서, 모든 IoT 기기들의 전송 전력은 최대 전송 전력으로 설정하는 것을 특징으로 함;(a-1) calculating a sub-band allocation that maximizes the minimum transmission rate among the IoT devices in order to ensure that all IoT devices satisfy the threshold transmission rate condition, - where the transmission power of all IoT devices is the maximum transmission power Characterized by setting;

(a-2) 상기 산출한 sub-band 할당을 바탕으로, 상기 IoT 기기들의 전송 전력의 합을 최소화시키는 각 IoT 기기들의 전송 전력을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하고(a-2) based on the calculated sub-band allocation, calculating the transmission power of each IoT device that minimizes the sum of the transmission powers of the IoT devices,

상기 (b) 단계는Step (b) above is

(b-1) 모든 IoT 기기가 임계 전송률 조건을 만족하도록 하기 위해, 상기 IoT 기기들 중에서 최소 전송률을 최대화시키는 sub-band 할당을 산출하는 단계-여기서, 모든 IoT 기기들의 전송 전력은 최대 전송 전력으로 설정하는 것을 특징으로 함;(b-1) Calculating a sub-band allocation that maximizes the minimum transmission rate among the IoT devices in order to ensure that all IoT devices satisfy the critical transmission rate condition - where the transmission power of all IoT devices is set to the maximum transmission power. Characterized by setting;

(b-2) 상기 산출한 sub-band 할당을 바탕으로, 상기 IoT 기기들 중에서 최대 전송 전력을 최소화시키는 각 IoT 기기들의 전송 전력을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.(b-2) based on the calculated sub-band allocation, calculating the transmission power of each IoT device that minimizes the maximum transmission power among the IoT devices.

또한, 상기 (a) 단계는Additionally, step (a) is

다음 수학식5의 해를 구하여 제어하는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.It is characterized by including finding and controlling the solution of the following equation 5.

[수학식 5][Equation 5]

여기서 는 k번째 요소로 를 갖는 모든 IoT기기에 대한 전력 제어 벡터를 나타내고, Rth는 모든 IoT기기가 달성해야 하는 임계 데이터 전송률, 은 (k,n)번째 요소로 을 갖는 sub-band 할당을 위한 행렬임.here is the kth element represents the power control vector for all IoT devices with , and R th is the critical data rate that all IoT devices must achieve, is the (k,n)th element. It is a matrix for sub-band allocation with .

또한, 상기 (b) 단계는 다음 수학식6의 해를 구하여 제어하는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, step (b) is characterized by including finding and controlling the solution of the following equation (6).

[수학식 6][Equation 6]

또한, 상기 (a-1) 단계는 다음 수학식7의 SAP 해를 구하고, 상기 (a-2) 단계는 다음 수학식8의 PCP1 해를 구하는 단계를 포함하며,In addition, step (a-1) includes obtaining a SAP solution of Equation 7, and step (a-2) includes obtaining a PCP1 solution of Equation 8,

[수학식 7][Equation 7]

[수학식 8] [Equation 8]

여기서 는 k번째 요소로 를 갖는 모든 IoT기기에 대한 전력 제어 벡터를 나타내고, Rth는 모든 IoT기기가 달성해야 하는 임계 데이터 전송률, 은 (k,n)번째 요소로 을 갖는 sub-band 할당을 위한 행렬이고, 는 SAP에서 구한 sub-band 할당 행렬로써, 최소 전송률을 최대화시키는 sub-band 할당 행렬이며, 는 모든 IoT 기기가 최대 전송 전력 Pmax를 사용할 때의 전력 제어 벡터임.here is the kth element represents the power control vector for all IoT devices with , and R th is the critical data rate that all IoT devices must achieve, is the (k,n)th element. It is a matrix for sub-band allocation with is a sub-band allocation matrix obtained from SAP, which maximizes the minimum transmission rate, is the power control vector when all IoT devices use the maximum transmission power P max .

상기 (b-1) 단계는 상기 수학식7의 SAP 해를 구하고, 상기 (b-2) 단계는 다음 수학식9의 PCP2 해를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.Step (b-1) includes obtaining a SAP solution of Equation 7, and step (b-2) includes obtaining a PCP2 solution of Equation 9.

[수학식 9] [Equation 9]

여기서 는 k번째 요소로 를 갖는 모든 IoT기기에 대한 전력 제어 벡터를 나타내고, Rth는 모든 IoT기기가 달성해야 하는 임계 데이터 전송률, 은 (k,n)번째 요소로 을 갖는 sub-band 할당을 위한 행렬이고, 는 SAP에서 구한 sub-band 할당 행렬이며, 최소 전송률을 최대화시키는 sub-band 할당 행렬이며, 는 모든 IoT 기기가 최대 전송 전력 Pmax를 사용할 때의 전력 제어 벡터임.here is the kth element represents the power control vector for all IoT devices with , and R th is the critical data rate that all IoT devices must achieve, is the (k,n)th element. It is a matrix for sub-band allocation with is the sub-band allocation matrix obtained from SAP, and is the sub-band allocation matrix that maximizes the minimum transmission rate, is the power control vector when all IoT devices use the maximum transmission power P max .

또한, 상기 (a-1) 단계는, (a1-1) 각각의 가능한 sub-band 할당 벡터를 염색체로 간주하고, 유전자라고 하는 염색체의 각 요소가 [1, N] 범위의 불연속 균일 분포를 따르는 초기 염색체 세트를 무작위로 생성하여 초기 모집단으로 sub-band 할당 벡터 세트를 설정하는 단계; (a1-2) 유전 알고리즘의 fitness evaluation 단계에 대응하여 상기 sub-band 할당 벡터 세트에 대한 적합도 점수를 계산하는 단계;- 유전 알고리즘(GA)을 적용한 적합도 점수는 고정된 전송 전력 제어 벡터(Pmax)를 사용하여 모든 IoT 기기들의 전송률 중 최소 전송률로 정의되며, 각 염색체에 대응한 각 IoT 기기 의 전송률( )은 수학식 4(, 여기서 는 IoT 기기()의 신호 대 간섭 플러스 노이즈 비율을 나타냄)를 적용하여 모든 IoT 기기의 전송률을 산출하여 얻는 것을 특징으로 함.Additionally, in the step (a-1), each possible sub-band allocation vector (a1-1) is regarded as a chromosome, and each element of the chromosome, called a gene, follows a discontinuous uniform distribution in the range [1, N]. Randomly generating an initial set of chromosomes to establish a set of sub-band allocation vectors as the initial population; (a1-2) calculating a fitness score for the sub-band allocation vector set in response to the fitness evaluation step of the genetic algorithm; - the fitness score applying the genetic algorithm (GA) is calculated using a fixed transmission power control vector (P max ) is defined as the minimum transmission rate among all IoT devices, and each IoT device corresponding to each chromosome Transmission rate ( ) is Equation 4 ( , here is an IoT device ( ) is characterized by calculating and obtaining the transmission rate of all IoT devices by applying (representing the signal-to-interference plus noise ratio).

(a1-3) 상기 sub-band 할당 벡터 세트를 적합도 점수에 따라 내림차순으로 정렬하여 상위 그룹을 모 그룹으로, 하위 그룹을 후대 그룹으로 분류하는 단계;(a1-3) sorting the sub-band allocation vector set in descending order according to the fitness score to classify the upper group as the parent group and the lower group as the successor group;

(a1-4) 모 그룹의 일부 염색체를 교차하기 위한 교차 단계;(a1-4) Crossover step to cross over some chromosomes of the parent group;

(a1-5) 이전 단계에서 생성된 sub-band 할당 벡터의 다양성을 증가시키기 위한 변이 단계;(a1-5) Mutation step to increase the diversity of the sub-band allocation vector generated in the previous step;

(a1-6) 새로운 후대 군을 형성하여 모집단인 상기 sub-band 할당 벡터 세트를 업데이트 하는 단계;(a1-6) forming a new progeny group and updating the sub-band allocation vector set, which is the population;

(a1-7) 업데이트된 모집단 중에서 최고의 적합도 점수를 산출하는 단계;(a1-7) calculating the best fitness score among the updated population;

(a1-8) 연속 10세대 동안 최고 적합도 점수가 증가하는 지를 판단하고, 증가하지 않을 때까지 (a1-3) ~(a1-8) 단계를 반복하는 단계; 및(a1-8) determining whether the highest fitness score increases over 10 consecutive generations, and repeating steps (a1-3) to (a1-8) until it does not increase; and

(a1-9) 최종 모집단에서 가장 좋은 적합도 점수를 주는 염색체를 sub-band 할당 벡터에 대한 최종 솔루션으로 설정하고 최적의 sub-band 할당 행렬로 산출하는 단계를 포함하는 유전 알고리즘을 적용하여 상기 [수학식 7]의 해는 구하는 것을 포함한다.(a1-9) By applying the genetic algorithm including the step of setting the chromosome giving the best fitness score in the final population as the final solution for the sub-band allocation vector and calculating the optimal sub-band allocation matrix, the above [mathematics] The solution to [Equation 7] includes finding.

또한, 상기 (a-2) 단계의 PCP1 및 (b-2) 단계의 PCP2는 상기 제어장치가 내장된 딥러닝 처리부의 심층 신경망(DNN) 모델을 적용한 비지도학습(USL)을 통하여 해를 구하는 것을 특징으로 하며, 상기 심층 신경망(DNN) 모델을 적용한 비지도학습을 통하여 해를 구하는 방법은, 순방향 전파에서 상기 IoT 기기의 전송 전력의 표준화된 채널 이득이 입력으로 상기 DNN 모델에 입력되며, 주어진 바이어스 벡터와 가중치 행렬을 기반으로 전력제어 벡터가 DNN의 출력으로 예측되며, 역방향 전파에서는 상기 예측된 전력 제어 벡터와 주어진 sub-band 할당 행렬(C*)을 기반으로 손실함수 L1 또는 L2를 계산하고, 손실함수를 최소화하기 위해 가중치 행렬과 바이어스 벡터를 기울기 하강법으로 업데이트하는 과정이 수행되고, 상기 순방향 및 역방향 전파의 연산은 손실함수가 수렴될 때까지 반복적으로 학습하여 수행되는 것을 포함한다.In addition, PCP1 in step (a-2) and PCP2 in step (b-2) obtain a solution through unsupervised learning (USL) applying a deep neural network (DNN) model of the deep learning processing unit embedded in the control device. Characterized in that, in the method of finding a solution through unsupervised learning applying the deep neural network (DNN) model, the normalized channel gain of the transmission power of the IoT device in forward propagation is input to the DNN model, and the given Based on the bias vector and weight matrix, the power control vector is predicted as the output of the DNN, and in reverse propagation, the loss function L1 or L2 is calculated based on the predicted power control vector and the given sub-band allocation matrix (C*). , in order to minimize the loss function, a process of updating the weight matrix and bias vector using gradient descent is performed, and the forward and backward propagation operations include being performed by repeatedly learning the loss function until it converges.

또한, 상기 (a-2) 단계의 PCP1 및 (b-2) 단계의 PCP2는 상기 제어장치에 내장된 딥러닝 처리부의 심층 신경망(DNN) 모델을 적용한 비지도학습(USL)을 통하여 해를 구하는 것을 특징으로 하며, 상기 심층 신경망(DNN) 모델은 K개의 노드가 있는 하나의 입력 레이어, K개의 노드가 있는 하나의 출력 레이어, 200개의 노드가 있는 두 개의 은닉 레이어를 포함하고, 상기 심층 신경망(DNN) 모델을 적용한 비지도학습(USL)을 통하여 해를 구하는 방법은, 상기 SAP의 해를 구한 다음, 주어진 최적의 sub-band 할당 행렬(C*)에 대해 각 IoT 기기의 전송 전력을 표준화된 채널 이득으로 구성된 벡터로 입력 데이터()로 입력하면, ℓ ∈{1, 2}인 ℓ번째 층에서 출력 벡터는 출력 계층(Sigmoid)을 통하여 0과 1 사이의 값을 갖는 정규화된 전력 제어 벡터 ()로 출력되며, 상기 비지도 학습은 상기 최적의 sub-band 할당 행렬(C*)과 순방향 전파에 의해 결정된 전송 전력(p*)에 대해 IoT 기기(k)의 전송률()을 달성하는 최소 신호 대 간섭 플러스 노이즈 비율(SINR)은 라 할 때, 상기 PCP1에 대한 상기 수학식15로 산출되는 손실함수 L1과 상기 PCP2에 대한 손실함수 상기 수학식16으로 산출되는 L2에서, α와 β는 0≤ α, β≤ 1 범위에서 전체 전송 전력을 최소화하고 최대 전송 전력을 최소화하도록 학습을 하는 것 포함한다..In addition, PCP1 in step (a-2) and PCP2 in step (b-2) obtain a solution through unsupervised learning (USL) applying a deep neural network (DNN) model of the deep learning processor built into the control device. Characterized in that, the deep neural network (DNN) model includes one input layer with K nodes, one output layer with K nodes, two hidden layers with 200 nodes, and the deep neural network ( The method of finding a solution through unsupervised learning (USL) applying the DNN model is to obtain the solution of the SAP and then standardize the transmission power of each IoT device for the given optimal sub-band allocation matrix (C*). Input data as a vector consisting of channel gains ( ), the output vector from the ℓth layer where ℓ ∈ {1, 2} is a normalized power control vector ( ), and the unsupervised learning is performed on the optimal sub-band allocation matrix (C*) and the transmission power (p*) determined by forward propagation. ) is the minimum signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) that achieves In the loss function L1 calculated by Equation 15 for PCP1 and L2 calculated by Equation 16 above, α and β are the entire transmission in the range of 0≤α and β≤1. It involves minimizing power and learning to minimize the maximum transmission power.

[수학식 15][Equation 15]

[수학식 16][Equation 16]

여기서 의 k번째 요소임.here Is It is the kth element of .

또한, 상기 DNN 모델은 각각 손실함수가 다른 M개의 다중 DNN 모델이며, 상기 제어장치는 M개의 모델에 의해 예측된 전력 제어 벡터 중 각 채널 사례에 대해에 대해 성능이 최상의 것을 선택하여 상기 PCP1 및 PCP2의 해를 구하는 것을 포함한다.In addition, the DNN model is M multiple DNN models, each with different loss functions, and the control device selects the one with the best performance for each channel case among the power control vectors predicted by the M models, and selects the PCP1 and PCP2 It includes finding a solution to .

또한, 상기 비지도학습(USL)을 통해 예측된 전력 제어 벡터가 주어진 sub-band 할당 행렬(C*)에 적용될 때, 최소 전송률 제약(minimum rate constraint) 조건이 충족되지 않으면 순방향 전파에 의해 결정된 전송 전력(p*)을 최대 전송 전력(pmax)으로 설정하여 상기 PCP1 및 PCP2의 해를 구하는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, when the power control vector predicted through unsupervised learning (USL) is applied to the given sub-band allocation matrix (C*), if the minimum rate constraint condition is not met, the transmission determined by forward propagation It is characterized by setting the power (p*) to the maximum transmission power (p max ) and finding the solution of PCP1 and PCP2.

본 발명의 일 실시 예에 따른 IoT 셀룰러 네트워크의 최소 전송률을 만족하면서 전송 전력 최소화를 위한 자원 할당 방법은 매우 낮은 계산 복잡도로 우수한 성능을 달성한다.The resource allocation method for minimizing transmission power while satisfying the minimum transmission rate of an IoT cellular network according to an embodiment of the present invention achieves excellent performance with very low computational complexity.

본 발명의 일 실시 예에 따른 자원 할당 방법은, 직접 풀기 어려운 non-convex integer programming 문제를 두 단계 순차 최적화 문제로 분리하여 계산 복잡도를 낮출 수 있다.The resource allocation method according to an embodiment of the present invention can reduce computational complexity by separating a non-convex integer programming problem that is difficult to solve directly into a two-step sequential optimization problem.

또한, 제안된 접근 방식에서 조인트 DNN모델을 적용하여 계산 복잡도가 증가하지 않으면서도 성능을 크게 향상시킬 수 있다.Additionally, by applying the joint DNN model in the proposed approach, performance can be significantly improved without increasing computational complexity.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 NOMA 기반 상향링크 IoT 셀룰러 네트워크의 시스템의 예를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제어장치의 예를 도시한 것이다.
도 3은 유전 알고리즘(GA)의 예를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 시스템에서 N= 3 및 K= 5일 때 교차 및 변이의 예를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 PCP1 및 PCP2의 해를 구하기 위한 fully- connected DNN 모델의 구조의 예를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 DNN 모델에서 N= 4 및 K= 10일 때 임계 데이터 전송률(Rth)에 대한 outage 확률을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 DNN 모델에서 N= 4 및 K= 10일 때 임계 데이터 전송률(Rth)에 대한 평균 총 전송 전력을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 DNN 모델에서 모든 IoT 기기의 송신 전력 중 최대 송신 전력을 최소화한 경우, 임계 데이터 전송률(Rth)에 대한 outage 확률을 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 DNN 모델에서 모든 IoT 기기의 송신 전력 중 최대 송신 전력을 최소화한 경우, 임계 데이터 전송률(Rth)에 대한 outage 확률을 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 조인트 DNN 모델에서 N= 4, K= 10, Rth = 2.0bps/Hz일 때 M에 대한 outage 확률 및 평균 총 전송 전력을 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 조인트 DNN 모델에서 N= 4, K= 10, Rth = 2.0bps/Hz일 때 M에 대한 outage 확률 및 평균 최대 전송 전력을 나타낸 것이다.
도 12는 Rth에 대한 총 전송 전력을 최소화하기 위한 outage 확률을 나타낸 것이다.
도 13은 Rth에 대한 평균 총 전송 전력을 나타낸 것이다.
도 14는 Rth에 대한 최대 전송 전력을 최소화하기 위한 outage 확률을 나타낸 것이다.
도 15는 Rth에 대한 평균 최대 전송 전력을 나타낸 것이다.
도 16은 각각의 방식에 대해 Rth에 대한 총 전송 전력을 최소화하기 위한 outage 확률 비교를 나타낸다.
도 17은 각각의 방식에 대해 Rth에 대한 평균 총 전송 전력 비교를 나타낸다.
도 18은 각각의 방식에 대해 Rth에 대한 최대 전송 전력을 최소화하기 위한 outage 확률 비교를 나타낸다.
도 19는 각각의 방식에 대해 Rth에 대한 평균 최대 전송 전력 비교를 나타낸다.
Figure 1 shows an example of a NOMA-based uplink IoT cellular network system according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows an example of a control device according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows an example of a genetic algorithm (GA).
Figure 4 shows an example of crossover and mutation when N = 3 and K = 5 in a system according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 shows an example of the structure of a fully-connected DNN model for solving PCP1 and PCP2 according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 shows the outage probability for the threshold data rate (R th ) when N = 4 and K = 10 in the DNN model according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 shows the average total transmission power for the threshold data rate (R th ) when N = 4 and K = 10 in the DNN model according to an embodiment of the present invention.
Figure 8 shows the outage probability for the threshold data rate (R th ) when the maximum transmission power among the transmission powers of all IoT devices is minimized in the DNN model according to an embodiment of the present invention.
Figure 9 shows the outage probability for the threshold data rate (R th ) when the maximum transmission power among the transmission powers of all IoT devices is minimized in the DNN model according to an embodiment of the present invention.
Figure 10 shows the outage probability and average total transmission power for M when N = 4, K = 10, and R th = 2.0bps/Hz in the joint DNN model according to an embodiment of the present invention.
Figure 11 shows the outage probability and average maximum transmission power for M when N = 4, K = 10, and R th = 2.0bps/Hz in the joint DNN model according to an embodiment of the present invention.
Figure 12 shows the outage probability for minimizing the total transmission power for R th .
Figure 13 shows the average total transmit power for R th .
Figure 14 shows the outage probability for minimizing the maximum transmission power for R th .
Figure 15 shows the average maximum transmission power for R th .
Figure 16 shows a comparison of outage probabilities for minimizing the total transmission power for R th for each method.
Figure 17 shows the average total transmission power comparison for R th for each scheme.
Figure 18 shows a comparison of outage probabilities for minimizing the maximum transmission power for R th for each method.
Figure 19 shows the average maximum transmission power comparison for R th for each scheme.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.The terms used in this application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.

본 출원에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. In this application, when a part “includes” a certain component, this means that it may further include other components rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary.

또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In addition, terms such as "...unit", "...unit", and "device" used in the specification refer to a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented as hardware, software, or a combination of hardware and software. there is.

또한, 본 발명의 실시 예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속될 수 있지만, 그 구성요소와 그 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 '연결', '결합' 또는 '접속'될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.Additionally, when describing components of embodiments of the present invention, terms such as first and second may be used. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, order, or order of the component is not limited by the term. When a component is described as being 'connected', 'coupled' or 'connected' to another component, that component may be directly connected, coupled or connected to that other component, but that component and that other component It should be understood that another component may be 'connected', 'combined', or 'connected' between elements.

이하 본 발명의 구현에 따른 IoT 셀룰러 네트워크의 전송 전력 최소화를 위한 자원 할당방법 및 시스템에 대해 상세하게 설명한다.Hereinafter, a resource allocation method and system for minimizing transmission power of an IoT cellular network according to the implementation of the present invention will be described in detail.

본 명세서에서 굵은 소문자(예를 들면 a, b, . . . )는 벡터를 나타내는 것으로 사용되며, 사용되며 굵은 대문자 A, B, . . . 행렬을 나타내는 데 사용된다. 붓글씨(예를 들면 X, Y , . . . )는 유한 집합을 나타내는 데 사용됩니다. 평균이 0이고 분산이 σ2인 원형 대칭 복소 가우스 분포는 로 정의된다. 는 x의 음이 아닌 부분, 즉 [x]+ = max(x, 0)를 나타낸다. 또한, [1:N] = {1, 2, . . . , N } 이다. 길이가 K인 모두 1행 벡터는 로 표시한다.In this specification, bold lowercase letters (e.g. a, b, . . . ) are used to indicate vectors, and bold uppercase letters A, B, . . . Used to represent matrices. Calligraphy characters (e.g. X, Y , . . . ) are used to represent finite sets. The circularly symmetric complex Gaussian distribution with mean 0 and variance σ 2 is It is defined as represents the non-negative part of x, i.e. [x] + = max(x, 0). Also, [1:N] = {1, 2, . . . , N }. All 1-row vectors of length K are It is displayed as

본 발명의 일 실시 예에서는 상향링크 비직교 다중 접속(Non-orthogonal Multiple Access, 이하 'NOMA' 라 합니다.) IoT 셀룰러 네트워크에서 각 IoT 장치의 사용자의 서비스 품질(QoS) 요구 사항을 충족하면서 IoT 장치의 전송 전력을 최소화하기 위해 sub-band 할당 및 전송 전력 제어의 공동 최적화를 구현할 수 있는 방법을 제공한다. 보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시 예에서는 시스템에 접속된 모든 IoT 기기에게 요구되는 최소 전송률을 만족하면서 모든 사용자의 합산 전송 전력과 모든 사용자의 전송 전력 중 최대 전송 전력을 각각 최소화하는 두 가지 최적화 문제를 해결하는 방법을 제공한다.In one embodiment of the present invention, an uplink non-orthogonal multiple access (hereinafter referred to as 'NOMA') IoT cellular network meets the quality of service (QoS) requirements of the user of each IoT device while meeting the IoT device. Provides a method to implement joint optimization of sub-band allocation and transmission power control to minimize transmission power. More specifically, in one embodiment of the present invention, there are two optimization problems that minimize the total transmission power of all users and the maximum transmission power among all users, respectively, while satisfying the minimum transmission rate required for all IoT devices connected to the system. Provides a method to solve the problem.

여기서 첫 번째 최적화 문제의 기술적 동기는 네트워크의 전체 전력 소비를 최소화하여 IoT 네트워크를 보다 에너지 효율적으로 만드는 것이다. 또한, 두 번째 최적화 문제의 기술적 동기는 모든 IoT 기기의 배터리 수명이 일정 수준 이상임을 보장하는 것이다. The technical motivation of the first optimization problem here is to make IoT networks more energy efficient by minimizing the overall power consumption of the network. Additionally, the technical motivation of the second optimization problem is to ensure that the battery life of all IoT devices is above a certain level.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 NOMA 기반 상향링크 IoT 셀룰러 네트워크의 시스템의 예를 도시한 것이다.Figure 1 shows an example of a NOMA-based uplink IoT cellular network system according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 NOMA 기반 상향링크 IoT 셀룰러 네트워크의 시스템은, 기지국(BS)과 IoT 기기(10-1, 10-2, … 10-K), 동일한 대역폭을 가진 총 N개의 sub-band을 사용하는 상향링크 IoT 셀룰러 네트워크 및 이를 제어하는 제어장치(900)를 포함한다. Referring to FIG. 1, the NOMA-based uplink IoT cellular network system according to an embodiment of the present invention uses a base station (BS) and IoT devices (10-1, 10-2, ... 10-K) with the same bandwidth. It includes an uplink IoT cellular network using a total of N sub-bands and a control device 900 that controls it.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, IoT 기기는 전체 개 존재하고, sub-band는 전체 개 존재한다. 본 발명의 일 실시 예에서 IoT 기기들은 송신기, 기지국은 수신기인 상향링크 통신을 하는 것으로 가정한다.According to one embodiment of the present invention, IoT devices are all There are total number of sub-bands. In one embodiment of the present invention, it is assumed that IoT devices are transmitters and the base station is a receiver, performing uplink communication.

본 발명의 일 실시 예에 따르면 IoT 기기(10-1, 10-2, …10-K)는 기지국과의 통신을 위해, 하나의 sub-band에 할당되고(이때 같은 sub-band에 여러 IoT 기기 접속 가능, 즉 NOMA), 각 sub-band에 할당된 IoT 기기는 자신의 데이터를 기지국으로 전송한다. According to an embodiment of the present invention, IoT devices (10-1, 10-2, ...10-K) are assigned to one sub-band for communication with the base station (at this time, multiple IoT devices are connected to the same sub-band) Accessible (i.e. NOMA), IoT devices assigned to each sub-band transmit their data to the base station.

본 발명의 일 실시 예에 따른 제어장치(900)는 (a) 상기 기지국(BS)과 통신으로 접속된 모든 IoT 기기에 대해, 각 IoT 기기의 전송률을 임계 전송률 이상이 되도록 하면서, IoT 기기들의 전송 전력의 합을 최소화하도록 제어하는 단계 및 (b) 상기 기지국과 접속된 모든 IoT 기기에 대해, 모든 IoT 기기에 대하여, 각 IoT 기기의 전송률을 임계 전송률 이상이 되도록 하면서 또한, 각 IoT 기기들 중의 최대 전송 전력의 값을 최소화하도록 제어하는 기능을 수행하는 단계를 포함한다. The control device 900 according to an embodiment of the present invention (a) sets the transmission rate of each IoT device to a threshold transmission rate or higher for all IoT devices connected through communication with the base station (BS), and transmits the IoT devices. controlling to minimize the sum of power; and (b) controlling the transmission rate of each IoT device to be above the threshold transmission rate for all IoT devices connected to the base station, and setting the maximum transmission rate among each IoT device. It includes performing a control function to minimize the value of transmission power.

본 발명에서 상기 임계 전송률은 시스템에서 요구하는 최소 전송률을 의미한다.In the present invention, the critical data rate refers to the minimum data rate required by the system.

본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 제어장치는 컴퓨터 시스템 내에, 예를 들어, 컴퓨터 판독가능 기록 매체로 구현될 수 있다. The control device according to an embodiment of the present invention may be implemented in a computer system, for example, as a computer-readable recording medium.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제어장치의 예를 도시한 것이다.Figure 2 shows an example of a control device according to an embodiment of the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이, 제어장치(900)는 하나 이상의 프로세서(910), 메모리(920), 저장부(930), 사용자 인터페이스 입력부(940) 및 사용자 인터페이스 출력부(950) 중 적어도 하나 이상의 요소를 포함할 수 있으며, 이들은 버스(960)를 통해 서로 통신할 수 있다. 또한, 컴퓨터 시스템(900)은 기지국(BS) 및 IoT 기기(10-1, 10-2, …10-K)가 연결된 네트워크에 접속하기 위한 네트워크 인터페이스(970)를 또한, 포함할 수 있다. 프로세서(910)는 메모리(920) 및/또는 저장부(930)에 저장된 처리 명령어를 실행시키는 CPU 또는 반도체 소자일 수 있다. 메모리(920) 및 저장부(930)는 다양한 유형의 휘발성/비휘발성 기억 매체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메모리는 ROM(924) 및 RAM(925)을 포함할 수 있다. As shown in FIG. 2, the control device 900 includes at least one of one or more processors 910, a memory 920, a storage unit 930, a user interface input unit 940, and a user interface output unit 950. elements, which can communicate with each other via bus 960. Additionally, the computer system 900 may also include a network interface 970 for accessing a network to which a base station (BS) and IoT devices 10-1, 10-2,...10-K are connected. The processor 910 may be a CPU or a semiconductor device that executes processing instructions stored in the memory 920 and/or the storage unit 930. The memory 920 and storage unit 930 may include various types of volatile/non-volatile storage media. For example, memory may include ROM 924 and RAM 925.

이에 따라, 본 발명의 실시 예들은 컴퓨터로 구현되는 방법 또는 컴퓨터 실행 가능 명령어들이 저장된 비휘발성 컴퓨터 기록 매체로 구현될 수 있다. 상기 명령어들은 프로세서에 의해 실행될 때 본 발명의 적어도 일 실시 예에 따른 방법을 수행할 수 있다. Accordingly, embodiments of the present invention may be implemented using a computer-implemented method or a non-volatile computer recording medium storing computer-executable instructions. When executed by a processor, the instructions may perform a method according to at least one embodiment of the present invention.

예를 들어, 상기 명령어들은, 상기 프로세서(910)에 의해 실행될 때, sub-band 할당 및 전송 전력 산출처리부(980)에서는 프로그램된 알고리즘에 따라 최적의 sub-band 할당을 산출하고, 딥러닝 처리부(990)과 연계하여 최적의 전송 전력을 산출할 수 있다. 상기 딥러닝 처리부(990)는 딥러닝 프로그램이 내재되어 프로그램된 알고리즘에 따라 학습을 하여 각 IoT 기기들의 전송 전력 제어에 대한 최적의 해를 구하는 기능을 수행한다.For example, when the instructions are executed by the processor 910, the sub-band allocation and transmission power calculation processing unit 980 calculates the optimal sub-band allocation according to a programmed algorithm, and the deep learning processing unit ( 990), the optimal transmission power can be calculated. The deep learning processing unit 990 contains a deep learning program and learns according to a programmed algorithm to find the optimal solution for controlling the transmission power of each IoT device.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, NOMA 통신을 고려하여, 같은 sub-band에서 IoT 기기 간의 사용자 간 간섭이 발생할 수 있음을 고려한다. 기지국(BS)은 데이터 복호를 위해, IoT 기기 간의 간섭을 제거하는 successive interference cancellation (SIC)를 수행할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, considering NOMA communication, it is considered that interference between users may occur between IoT devices in the same sub-band. The base station (BS) can perform successive interference cancellation (SIC) to remove interference between IoT devices for data decoding.

본 발명의 일 실시 예에서는 기지국(BS)과 모든 IoT 기기는 각각 하나의 안테나를 가지고 있다고 가정한다. 또한, 각 IoT 기기는 N개의 sub-band 중 하나만 액세스하여 데이터를 전송할 수 있으며 여러 IoT 기기를 동일한 sub-band에 할당할 수 있도록 하는 즉, NOMA가 허용될 수 있다.In one embodiment of the present invention, it is assumed that the base station (BS) and all IoT devices each have one antenna. Additionally, each IoT device can transmit data by accessing only one of the N sub-bands, and NOMA, which allows multiple IoT devices to be assigned to the same sub-band, may be allowed.

본 발명의 일 실시 예에서 는 각각 모든 IoT 기기의 집합과 모든 sub-band의 집합을 나타낸다.In one embodiment of the present invention and represents the set of all IoT devices and the set of all sub-bands, respectively.

또한, 은 사용자 에 할당되었는지 여부를 나타내는 것으로 정의된다. 즉, 은 IoT 기기 k가 sub-band n에 할당되었음을 의미하고, 그렇지 않으면 이다.also, is a user go It is defined as indicating whether it has been assigned to . in other words, means that IoT device k is assigned to sub-band n, otherwise am.

또한, 로 표시되는, 시간 t에서 sub-band n ∈N을 사용하는 IoT 기기 의 전송 신호는 다음 수학식1로 표현될 수 있다.also, IoT devices using sub-band n ∈N at time t, denoted by The transmission signal of can be expressed by the following equation 1.

여기서 은 시간 t에서 사용자 기기 k의 데이터 기호이고 pk는 전력 제약 Pmax, 즉 , 가 있는 IoT 기기(k)의 전송 전력이다.here is the data symbol of user device k at time t and p k is the power constraint P max , i.e. , This is the transmission power of the IoT device (k).

각 IoT 기기는 하나의 sub-band에만 액세스할 수 있으므로 이다. 도 1을 참조하면, 로 표시되는 시간 t에서 sub-band 에서 기지국(BS)의 수신 신호는 다음 수학식 2로 나타낼 수 있다.Since each IoT device can only access one sub-band, am. Referring to Figure 1, sub-band at time t, denoted by The received signal of the base station (BS) can be expressed as Equation 2 below.

여기서 는 sub-band n으로 사용자 기기 k에서 기지국(BS)으로의 채널 계수를 나타내고 은 sub-band n에서 가산 노이즈이다.here represents the channel coefficient from user device k to the base station (BS) in sub-band n. is the additive noise in sub-band n.

본 발명의 일 실시 예에서는은 채널 계수 및 사용자로부터 전송되는 신호와는 무관하다고 가정한다. 채널 상태 정보(CSI)와 관련하여 모든 에 대해 통신이 시작되기 전에 IoT 기기로부터 파일럿 신호를 수신하여 를 기지국이 알고 있다고 가정한다. In one embodiment of the present invention It is assumed that is independent of the channel coefficient and the signal transmitted from the user. All related to Channel State Information (CSI) and By receiving a pilot signal from an IoT device before communication begins, Assume that the base station knows.

또한, IoT 통신의 경우 패킷 크기가 일반적으로 작기 때문에 각 채널 계수는 통신 중에 변경되지 않은 상태로 유지되는 것으로 가정한다. 이 경우에 시간 인덱스 t를 생략하여 로 간단히 나타낼 수 있다.Additionally, in the case of IoT communication, since the packet size is generally small, each channel coefficient is assumed to remain unchanged during communication. In this case, by omitting the time index t, cast It can be expressed simply as

여러 IoT 기기가 고려되는 네트워크의 동일한 sub-band에 할당될 수 있음을 상기하면, 이러한 NOMA 네트워크에서는 다수의 사용자 기기가 동일한 sub-band을 동시에 사용할 수 없는 OMA 네트워크보다 스펙트럼을 더 효율적으로 사용할 수 있다고 알려져 있다. 그러나 NOMA 네트워크에서는 직교 다중 접속(Orthogonal Multiple Access, OMA) 네트워크에 존재하지 않는 sub-band 내 사용자 기기 간 간섭이 발생할 수 있으므로 NOMA 네트워크의 경우 도달 가능한 전송률을 높이기 위해서는 IoT 기기간 간섭을 적절히 관리하는 것이 중요하다. Recalling that multiple IoT devices can be assigned to the same sub-band of the considered network, it can be said that such NOMA networks can use spectrum more efficiently than OMA networks, where multiple user devices cannot use the same sub-band simultaneously. It is known. However, in the NOMA network, interference between user devices within a sub-band that does not exist in the Orthogonal Multiple Access (OMA) network may occur, so it is important to properly manage interference between IoT devices in order to increase the achievable transmission rate in the NOMA network. do.

이를 위해 기지국(BS)은 동일한 sub-band의 데이터 스트림을 하나씩 순차적으로 디코딩하는 순차적 간섭 제거(successive interference cancellation, 이하 'SIC' 라 함)를 수행한다. SIC 동작에서, 디코딩된 스트림은 나머지 스트림을 디코딩하기 전에 수신된 신호에서 제거되어 나머지 스트림의 신호 대 간섭 플러스 노이즈 비율(SINR)을 효과적으로 증가시킬 수 있다.To this end, the base station (BS) performs sequential interference cancellation (hereinafter referred to as 'SIC') by sequentially decoding data streams of the same sub-band one by one. In SIC operation, the decoded stream may be removed from the received signal before decoding the remaining stream, effectively increasing the signal to interference plus noise ratio (SINR) of the remaining stream.

본 발명의 일 실시 예에서는 구체적으로 주어진 에 대해 라 한다.In one embodiment of the present invention, specifically given About and It is said that

또한, 본 발명의 일 실시 예에서는 sub-band(n)에 할당되고, 모든 (여기서 임)에 대해 을 만족시키는 로 표시되는 채널 강도에 따라 내림차순으로 정렬된 IoT 기기의 인덱스 집합을 고려한다.Additionally, in one embodiment of the present invention, it is assigned to sub-band(n), and all (here About) satisfying Consider a set of indices of IoT devices sorted in descending order according to channel strength, denoted by .

그 다음, 주어진 sub-band n에 대해, 기지국(BS) 장치에서는 설정된 프로세스에 따라 먼저 나머지 스트림의 집합을 노이즈로 처리함으로써 을 복구한다. 그 후, 기지국(BS) 장치는 설정된 프로세스에 따라 에서 의 기여를 제거하고 나머지 스트림 의 집합을 노이즈로 처리하여 를 복구하려고 시도한다.Then, for a given sub-band n, the base station (BS) device first streams the remaining streams according to the set process. By treating the set as noise, Recover . Afterwards, the base station (BS) device follows the set process. at remove the contribution from the remaining stream By processing the set of Attempt to recover .

이 재귀 프로세스는 sub-band n의 모든 스트림이 복호화될 때까지 계속된다. 결과적으로 스트림 에 대한 신호 대 간섭 플러스 노이즈 비율(signal to interference-plus- noise ratios, 이하 'SINR' 이라고 함)은 다음 수학식3으로 나타낸다.This recursive process continues until all streams in sub-band n are decrypted. As a result, the stream The signal to interference-plus-noise ratios (hereinafter referred to as 'SINR') for is expressed in Equation 3 below.

그리고 는 IoT 기기 의 신호 대 간섭 플러스 노이즈 비율을 나타낸다. IoT 기기 의 전송률은 수학식4로 주어진다.and is an IoT device It represents the signal to interference plus noise ratio. IoT devices The transmission rate is given by Equation 4.

[1단계 최적화 방법][Step 1 optimization method]

본 발명의 일 실시 예에서는 IoT 기기의 sub-band 할당과 전송 전력 제어를 공동으로 최적화하여 모든 사용자에 대한 최소 전송률 제약을 만족시키면서 IoT 기기의 전송 전력을 최소화하는 제어 방법을 제공하는 것을 목표로 한다. 구체적으로 모든 사용자의 총 전송 전력을 최소화하는 최적화 문제와 모든 사용자의 전송 전력 중 최대 전송 전력을 각각 최소화하는 두 가지 최적화 문제를 해결하는 방법을 제공한다. In one embodiment of the present invention, the goal is to provide a control method that minimizes the transmission power of IoT devices while satisfying the minimum transmission rate constraints for all users by jointly optimizing sub-band allocation and transmission power control of IoT devices. . Specifically, we provide a method to solve two optimization problems: minimizing the total transmission power of all users and minimizing the maximum transmission power among all users.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 최소 전송률 제약 조건에서 총 전송 전력을 최소화하기 위한 최적화 문제는 다음 수학식5의 해를 구하여 최적화 제어를 할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the optimization problem for minimizing the total transmission power under minimum transmission rate constraints can be optimized by solving the following Equation 5.

여기서 는 k번째 요소로 pk를 갖는 모든 사용자에 대한 전력 제어 벡터를 나타내고, Rth는 모든 사용자가 달성해야 하는 임계 데이터 전송률, 은 (k,n)번째 요소로 을 갖는 sub-band 할당을 위한 행렬이다. 고정된 C와 p에 대해 는 수학식 4와 같이 주어진다. here represents the power control vector for all users with p k as the kth element, R th is the threshold data rate that all users must achieve, is the (k,n)th element. It is a matrix for sub-band allocation with . For fixed C and p is given as Equation 4.

[수학식 5]에서 (5a)는 IoT 기기들의 전송 전력의 합을 최소화하는 목표를 나타낸다. (5b)는 5b는 전송 전력 제약으로 인한 것으로써, IoT 기기의 전송 전력 범위 조건을 나타낸다. (5c)는 임계 전송률 조건을 나타낸다. (5d)는 IoT 기기가 어떤 sub-band에 할당되는지를 나타낸다. (5e)는 IoT 기기는 하나의 sub-band에 할당 가능하다는 조건을 나타낸다. (5d) 및 (5e)는 각 IoT 기기가 하나의 sub-band에만 할당될 수 있다.In [Equation 5], (5a) represents the goal of minimizing the sum of the transmission power of IoT devices. (5b) shows the transmission power range conditions of IoT devices, as 5b is due to transmission power constraints. (5c) represents the critical transmission rate condition. (5d) indicates which sub-band the IoT device is assigned to. (5e) indicates the condition that IoT devices can be assigned to one sub-band. In (5d) and (5e), each IoT device can be assigned to only one sub-band.

P1은 모든 IoT 기기에 대하여, 각 IoT 기기의 전송률을 임계 전송률 이상이 되도록 하면서, IoT 기기들의 전송 전력의 합을 최소화하는 방법에 대한 것이다.P1 is about a method of minimizing the sum of the transmission power of IoT devices while ensuring that the transmission rate of each IoT device is above the threshold transmission rate.

위 P1 최적화 문제의 해를 구함으로써, IoT 통신 네트워크에서 소모되는 총 전력 소비를 최소화하여, 에너지 효율이 높은 통신을 제공할 수 있다.By solving the above P1 optimization problem, the total power consumption in the IoT communication network can be minimized and energy-efficient communication can be provided.

다음으로, 최소 전송률 제약 조건에서 시스템 내의 모든 IoT 기기의 전송 전력 중 최대 전송 전력을 최소화하기 위한 최적화 문제는 다음 [수학식6]으로 나타낼 수 있다.Next, the optimization problem to minimize the maximum transmission power among the transmission powers of all IoT devices in the system under minimum transmission rate constraints can be expressed as [Equation 6].

다음 수학식6에서 P2는 모든 IoT 기기에 대하여, 각 IoT 기기의 전송률을 임계 전송률 이상이 되도록 하면서, IoT 기기들 중 최대 전송 전력의 값을 최소화하는 방법에 관한 것이다.In the following equation 6, P2 relates to a method of minimizing the value of the maximum transmission power among IoT devices while ensuring that the transmission rate of each IoT device is above the threshold transmission rate for all IoT devices.

제어장치(900)에서는 상기 수학식6에 의해 P2 최적화 문제의 해를 구하여 제어를 행함으로써, 모든 IoT 기기들의 배터리 수명을 일정 수준 이상으로 보장할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.The control device 900 obtains a solution to the P2 optimization problem using Equation 6 above and performs control, thereby providing a method of ensuring the battery life of all IoT devices at a certain level or higher.

여기서 (6b)-(6e)는 P1의 (5b)-(5e)와 동일하다.Here (6b)-(6e) are the same as (5b)-(5e) of P1.

P2는 P1과 거의 동일하지만 전송 전력 할당 부분의 목적 함수만 다르다.P2 is almost identical to P1, but only the objective function of the transmission power allocation part is different.

수학식6에서 (6a)는 IoT 기기들 중에서 최대 전송 전력을 최소화하는 목표를 나타낸다. (6b)는 IoT 기기의 전송 전력 범위 조건을 나타낸다. (6c)는 임계 전송률 조건을 나타낸다. (6d)는 IoT 기기가 어떤 sub-band에 할당되는지를 나타낸다. (6e)는 IoT 기기는 하나의 sub-band에 할당 가능하다는 조건을 나타낸다.In Equation 6, (6a) represents the goal of minimizing the maximum transmission power among IoT devices. (6b) represents the transmission power range conditions of IoT devices. (6c) represents the critical transmission rate condition. (6d) indicates which sub-band the IoT device is assigned to. (6e) indicates the condition that IoT devices can be assigned to one sub-band.

고려되는 전력 최소화 문제 P1과 P2는 이진 변수 과 [수학식 4]의 비율 표현으로 인해 볼록하지 않은 정수 계획법 문제에 관한 것이므로 기존 최적화 기술로는 이러한 문제에 대한 최적의 솔루션을 찾기가 어렵다. 본 발명의 일 실시 예에서는 이러한 어려움을 처리하기 위해 GA 알고리즘과 비지도학습(USL)으로 구성된 새로운 2단계 최적화 방법을 고안하였다. 많은 시뮬레이션 결과, 제안된 2단계 최적화 방법은 계산 복잡도가 낮은 고려된 최적화 문제에 대해 거의 최적의 솔루션을 제공할 수 있는 것으로 분석되었다.Power minimization problem considered P1 and P2 are binary variables Because it concerns a non-convex integer programming problem due to the ratio expression of and [Equation 4], it is difficult to find an optimal solution for this problem using existing optimization techniques. In one embodiment of the present invention, a new two-stage optimization method consisting of a GA algorithm and unsupervised learning (USL) was designed to handle these difficulties. As a result of many simulations, it was analyzed that the proposed two-step optimization method can provide a nearly optimal solution for the considered optimization problem with low computational complexity.

[2단계 최적화 방법][2-step optimization method]

P1과 P2를 푸는 계산 복잡도를 줄이기 위해, 최적의 sub-band 할당 행렬과 전송 전력 제어 벡터를 직접 찾는 대신, 본 발명의 일 실시 예에서는 sub-band 할당과 전송 전력 제어를 순차적으로 수행하는 2단계 최적화 방법을 제안한다. In order to reduce the computational complexity of solving P1 and P2, instead of directly finding the optimal sub-band allocation matrix and transmission power control vector, in one embodiment of the present invention, sub-band allocation and transmission power control are performed sequentially in two steps. An optimization method is proposed.

보다 구체적으로, 먼저 다음 수학식7과 같이 IoT 기기의 전송 전력을 고정하면서 sub-band 할당 문제(sub-band assignment problem, 이하 'SAP' 라 함)를 해결하는 방안이 제시된다.More specifically, first, a method of solving the sub-band assignment problem (hereinafter referred to as 'SAP') is presented while fixing the transmission power of IoT devices as shown in Equation 7 below.

즉, 본 발명의 일 실시 예에서는 P1, P2를 푸는 계산 복잡도를 줄이기 위해, 각 IoT 기기들의 sub-band 할당과 전송 전력 제어를 순차적으로 수행하는 2단계 최적화 기법을 제안한다.That is, in one embodiment of the present invention, in order to reduce the computational complexity of solving P1 and P2, a two-step optimization technique is proposed that sequentially performs sub-band allocation and transmission power control for each IoT device.

우선 수학식5의 P1 문제를 다음 수학식7 및 8과 같이 변형한다.First, the P1 problem in Equation 5 is transformed into the following Equations 7 and 8.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 (a) 단계는 다음 수학식 7에 해당하는 (a-1) 및 수학식 8에 해당하는 (a-2)를 통하여 구할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, step (a) can be obtained through (a-1) corresponding to Equation 7 and (a-2) corresponding to Equation 8.

여기서 는 모든 IoT 기기가 최대 전송 전력 Pmax를 사용할 때의 전력 제어 벡터이다. here is the power control vector when all IoT devices use the maximum transmission power P max .

[수학식 7]은 (a-1) 모든 IoT 기기가 임계 전송률 조건을 만족하도록 하기 위해, IoT 기기들 중에서 최소 전송률을 최대화시키는 sub-band 할당을 찾는 것이다 (여기서, 모든 IoT 기기들의 전송 전력은 최대 전송 전력으로 설정된다.) 이러한 sub-band 할당 문제(SAP)를 해결하여 모든 IoT 기기의 전송률 중 최소 전송률을 최대화하면 P1 및 P2의 최소 전송률 제약을 충족하는 데 도움이 될 수 있다.[Equation 7] is (a-1) to find a sub-band allocation that maximizes the minimum transmission rate among IoT devices in order to ensure that all IoT devices satisfy the critical transmission rate condition (here, the transmission power of all IoT devices is is set to the maximum transmission power.) Solving this sub-band allocation problem (SAP) to maximize the minimum transmission rate among all IoT devices can help meet the minimum transmission rate constraints of P1 and P2.

상기 수학식 7의 SAP를 풀고 C를 C*로 결정한 후 P1 및 P2에 대한 적절한 전력 제어 벡터는 다음의 전력 제어 문제(power control problem, 이하 'PCP' 라 함), 즉 각각 PCP1을 해결하여 얻을 수 있습니다. 구체적으로, 주어진 C*에 대해 PCP1은 수학식8로 표현될 수 있다.After solving SAP of Equation 7 above and determining C as C*, the appropriate power control vectors for P1 and P2 are obtained by solving the following power control problem (hereinafter referred to as 'PCP'), i.e., PCP1, respectively. can. Specifically, for a given C*, PCP1 can be expressed as Equation 8.

PCP1은 (a-2) 앞 단계인 [수학식 7]의 SAP에서 구한 sub-band 할당을 바탕으로, IoT 기기들의 전송 전력의 합을 최소화시키는 각 IoT 기기들의 전송 전력을 찾는 과정이다.PCP1 is the process of finding the transmission power of each IoT device that minimizes the sum of the transmission powers of IoT devices, based on the sub-band allocation obtained from SAP in [Equation 7], the previous step (a-2).

[수학식 8][Equation 8]

여기서 는 SAP에서 구한 sub-band 할당 행렬이며, 최소 전송률을 최대화시키는 sub-band 할당 행렬임.here is a sub-band allocation matrix obtained from SAP, and is a sub-band allocation matrix that maximizes the minimum transmission rate.

또한, 수학식6의 P2 문제는 다음 수학식7 및 9와 같이 변형하여 PCP2 문제의 해를 구함으로써 해결될 수 있다.Additionally, the P2 problem in Equation 6 can be solved by modifying the following Equations 7 and 9 to obtain a solution to the PCP2 problem.

PCP2는 PCP1과 동일하게 수학식 7에서 SAP를 먼저 구하고, 주어진 C*에 대해 수학식 7의 SAP에서 구한 sub-band 할당을 바탕으로, IoT 기기들 중에서 최대 전송 전력을 최소화 시키는 각 IoT 기기들의 전송 전력을 찾는 과정이다.PCP2, like PCP1, first obtains SAP from Equation 7, and based on the sub-band allocation obtained from SAP of Equation 7 for a given C*, the transmission of each IoT device minimizes the maximum transmission power among IoT devices. It is a process of finding power.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따라 제안된 접근 방식은 유전 알고리즘(genetic algorithm)을 sub-band 할당 문제(SAP)에 적용하고 비지도 학습(unsupervised learning, USL)을 전력 제어 문제(PCP)에 적용하는 또 다른 실시 예인 2단계 알고리즘을 제안한다. According to another embodiment of the present invention, the proposed approach applies genetic algorithm to sub-band allocation problem (SAP) and unsupervised learning (USL) to power control problem (PCP). We propose a two-step algorithm, which is another embodiment.

예를 들면, (1) SAP에 adaptive heuristic search algorithm인 genetic algorithm (GA)를 적용하여 최적의 sub-band 할당을 찾는 과정을 수행한다. 이때, 각 IoT 기기의 전송 전력은 최대 전력으로 고정한다.For example, (1) the process of finding the optimal sub-band allocation is performed by applying the genetic algorithm (GA), an adaptive heuristic search algorithm, to SAP. At this time, the transmission power of each IoT device is fixed to the maximum power.

(2) 그 다음 (1)에서 정한 sub-band 할당을 바탕으로, PCP1, PCP2를 비지도 학습(unsupervised learning) 기반의 딥러닝으로 학습을 하여 최적의 해를 구한다 또한, 학습에 필요한 loss function을 새롭게 발굴하여 학습한다. (2) Then, based on the sub-band allocation determined in (1), PCP1 and PCP2 are learned using deep learning based on unsupervised learning to find the optimal solution. Additionally, the loss function required for learning is Discover and learn new things.

이하에서는 제안하는 2단계 알고리즘에 대해 자세히 설명한다.Below, the proposed two-step algorithm is explained in detail.

A. [유전 알고리즘 기반 sub-band 할당]A. [Genetic algorithm-based sub-band allocation]

가능한 모든 sub-band 할당을 고려한 철저한 검색이 항상 sub-band 할당 문제(SAP)에 대한 최적의 솔루션을 찾을 수 있다. 그러나 가능한 모든 sub-band 할당의 총 수는 로 주어지기 때문에, N 및/또는 K가 약간 크더라도 그러한 철저한 탐색을 구현하는 것은 실질적으로 불가능하다. An exhaustive search that considers all possible sub-band allocations can always find the optimal solution to the sub-band allocation problem (SAP). However, the total number of all possible sub-band assignments is Given that , it is practically impossible to implement such an exhaustive search even if N and/or K are slightly large.

이 문제를 극복하기 위해 본 발명의 일 실시 예인 하위 섹션에서는 계산 복잡도가 낮은 sub-band 할당 문제(SAP)를 해결하기 위한 유전 알고리즘 기반 검색 방법을 적용하는 것을 제안한다. To overcome this problem, a subsection, which is an embodiment of the present invention, proposes applying a genetic algorithm-based search method to solve the sub-band allocation problem (SAP) with low computational complexity.

유전 알고리즘은 자연 진화 이론에서 영감을 받은 적응형 휴리스틱 검색 알고리즘이다. 유전 알고리즘은 목적함수에서 직접 구한 적합도 점수를 이용하여 미분 연산 없이 최적의 해를 찾기 때문에 이산 탐색 공간의 최적화 문제와 연속 탐색 공간의 최적화 문제에 적절하게 적용할 수 있다. Genetic algorithms are adaptive heuristic search algorithms inspired by the theory of natural evolution. The genetic algorithm uses the fitness score obtained directly from the objective function to find the optimal solution without differential operations, so it can be appropriately applied to optimization problems in the discrete search space and optimization problems in the continuous search space.

유전 알고리즘에서는 문제의 해를 염색체라 부르고, 염색체는 유전자로 구성되어 있다. 따라서, 염색체 내의 유전자들을 변형시켜 좋은 해를 얻는 것을 진화라고 볼 수 있다. In genetic algorithms, the solution to a problem is called a chromosome, and a chromosome is composed of genes. Therefore, evolution can be seen as obtaining a good solution by modifying the genes in the chromosome.

또한, 유전 알고리즘은 교차(crossover) 및 변이(mutation)와 같은 고유한 작업을 병렬로 수행하여 솔루션의 다양성을 보장하고 로컬 최적에 갇히는 것을 피할 수 있는 능력을 가진다. 이러한 장점 덕분에 유전 알고리즘 기반 탐색 방법이 다양한 정수 조합 최적화 문제에서 우수한 성능을 달성할 수 있음이 선행연구에서 알려져 있다. Additionally, genetic algorithms have the ability to perform unique operations such as crossover and mutation in parallel, ensuring diversity of solutions and avoiding being trapped in local optima. Thanks to these advantages, it is known from previous research that genetic algorithm-based search methods can achieve excellent performance in various integer combination optimization problems.

또한, Non-orthogonal multiple access (NOMA) 시스템에서 최적화를 위한 계산의 복잡성을 줄이기 위한 유전 알고리즘(genetic algorithm) 적용방법은 선행 연구(비특허문헌14 참조)에 제시된 바 있다.In addition, a method of applying a genetic algorithm to reduce the complexity of calculations for optimization in a non-orthogonal multiple access (NOMA) system has been proposed in previous research (see Non-Patent Document 14).

본 발명의 일 실시 예에 따른 유전 알고리즘의 예를 들면, 먼저 초기 모집단을 설정하기 위해 초기 염색체 세트(즉, 솔루션 세트)를 무작위로 생성하고 모집단의 모든 염색체에 대한 적합도 점수를 계산한다. As an example of a genetic algorithm according to an embodiment of the present invention, first, to establish an initial population, an initial chromosome set (i.e., solution set) is randomly generated and fitness scores for all chromosomes in the population are calculated.

그런 다음 모집단의 염색체는 적합도 점수에 따라 모 그룹과 후대 그룹으로 나뉘며, 점수가 높은 염색체는 모 그룹에 속하고 점수가 낮은 염색체는 후대 그룹에 속한다. 다음으로, 모 그룹의 염색체는 무작위로 교차되고 변이가 되어 새로운 후대 그룹을 생성한다. Then, the chromosomes in the population are divided into parent and progeny groups according to their fitness scores, with chromosomes with higher scores belonging to the parent group and chromosomes with lower scores belonging to the progeny group. Next, the chromosomes of the parent group are randomly crossed over and mutated to create a new progeny group.

그리고 이전 후대 그룹을 새 후대 그룹으로 교체하여 모집단을 업데이트한다. 이 과정은 모집단의 최고 적합도 점수가 수렴할 때까지 계속된다. 결과적으로 유전 알고리즘 하에서 최적의 모집단을 얻을 수 있고 가장 적합도 점수가 가장 높은 염색체가 최종 솔루션이 된다. 유전 알고리즘(GA)을 통해 최적화 문제를 해결할 때 적합도 점수는 성능에 큰 영향을 미칠 수 있으므로 적합도 점수를 적절하게 설정하는 것이 중요하다. Then, the population is updated by replacing the previous progeny group with a new progeny group. This process continues until the highest fitness score of the population converges. As a result, the optimal population can be obtained under the genetic algorithm, and the chromosome with the highest fitness score becomes the final solution. When solving an optimization problem using a genetic algorithm (GA), the fitness score can have a significant impact on performance, so it is important to set the fitness score appropriately.

본 발명의 일 실시 예에서는 시스템의 모든 IoT 기기가 최소 전송률 제약 조건을 충족해야 한다는 사실에 동기를 부여하여 전송 전력 제어 벡터를 pmax로 고정할 때, 모든 IoT 기기가 달성할 수 있는 전송률 중 sub-band 할당 문제(SAP)를 해결하기 위한 적합도 점수를 모든 IoT 기기가 달성할 수 있는 최소 전송률로 설정하였다.In one embodiment of the present invention, motivated by the fact that all IoT devices in the system must meet a minimum transmission rate constraint, when fixing the transmission power control vector to p max , among the transmission rates that all IoT devices can achieve, sub -The suitability score to solve the band allocation problem (SAP) was set to the minimum transmission rate that all IoT devices can achieve.

본 명세서에서는 표기의 편의를 위해 를 k번째 요소 가 k번째 IoT 기기에게 할당된 sub-band 인덱스를 나타내는 sub-band 할당 벡터를 나타낸다고 정의한다. 예를 들어, N= 2 및 K= 4일 때 u = [1 2 2 1]은 IoT 기기 1 및 4가 sub-band 1에 할당되고 나머지 IoT 기기가 sub-band 2에 할당됨을 의미한다.For convenience of notation in this specification, the kth element It is defined that represents a sub-band allocation vector representing the sub-band index assigned to the kth IoT device. For example, when N= 2 and K= 4, u = [1 2 2 1] means that IoT devices 1 and 4 are assigned to sub-band 1 and the remaining IoT devices are assigned to sub-band 2.

도 3은 유전 알고리즘(GA)의 예를 도시한 것이다.Figure 3 shows an example of a genetic algorithm (GA).

제안된 유전 알고리즘(GA)을 sub-band 할당 문제(SAP)에 적용하여 해를 구하는 방법은 다음과 같이 수행된다.The method of finding a solution by applying the proposed genetic algorithm (GA) to the sub-band allocation problem (SAP) is performed as follows.

1) 먼저 초기 모집단 설정단계(510)가 수행된다. 510단계에서는 각각의 가능한 sub-band 할당 벡터를 유전 알고리즘(GA)의 염색체로 간주한다. 그런 다음 유전자라고 하는 염색체의 각 요소가 [1, N] 범위의 불연속 균일 분포를 따르는 초기 염색체 세트(sub-band 할당 벡터 세트)를 무작위로 생성하여 초기 모집단을 설정한다.1) First, the initial population setting step 510 is performed. In step 510, each possible sub-band allocation vector is considered a chromosome of the genetic algorithm (GA). Then, the initial population is established by randomly generating an initial set of chromosomes (a set of sub-band allocation vectors) in which each element of the chromosome, called a gene, follows a discontinuous uniform distribution in the range [1, N].

2) 다음은, 유전 알고리즘(GA)의 fitness evaluation 단계에 대응하여 모집단(sub-band 할당 벡터 세트)의 모든 염색체에 대한 적합도 점수를 계산하는 단계(520 단계)가 수행된다. 2) Next, a step (step 520) of calculating fitness scores for all chromosomes in the population (sub-band allocation vector set) is performed in response to the fitness evaluation step of the genetic algorithm (GA).

본 발명의 일 실시 예에 따라 유전 알고리즘(GA)을 적용한 적합도 점수는 고정된 전송 전력 제어 벡터(Pmax)를 사용하여 모든 IoT 기기가 달성할 수 있는 비율 중 최소 전송률로 정의되며, 각 염색체에 대응한 각 IoT 기기()의 전송률( )은 수학식 4()를 적용하여 모든 IoT 기기의 전송률을 산출하여 얻을 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the fitness score applying the genetic algorithm (GA) is defined as the minimum transmission rate among the rates that all IoT devices can achieve using a fixed transmission power control vector (P max ), and is defined as the minimum transmission rate for each chromosome. Each corresponding IoT device ( ) transmission rate ( ) is Equation 4 ( ) can be applied to calculate the transmission rate of all IoT devices.

3) 다음은, 모집단의 염색체를 적합도 점수의 내림차순으로 정렬하여 상위 그룹을 모 그룹으로, 하위 그룹을 후대 그룹으로 분류하는 단계(530)가 수행된다(모 및 후대 그룹의 염색체 수는 후술하는 표 I에 각각 명시되어 있다). 3) Next, a step 530 is performed to classify the upper group into the parent group and the lower group into the progeny group by sorting the chromosomes of the population in descending order of fitness scores (the number of chromosomes in the parent and progeny groups is shown in the table below). (respectively specified in I).

4) 다음은, 주어진 교차 확률(crossover probability)에 따라 모 그룹의 일부 염색체를 교차할 염색체로 선택하는 단계(540)가 수행된다. 4) Next, a step 540 is performed in which some chromosomes of the parent group are selected as chromosomes to cross over according to a given crossover probability.

이 염색체들은 무작위로 선택되어 쌍을 이루며, 각 쌍에 대해 무작위 교차점이 설정된다. These chromosomes are randomly selected to form pairs, and a random intersection point is set for each pair.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 시스템에서 N= 3 및 K= 5일 때 교차 및 변이의 예를 도시한 것이다.Figure 4 shows an example of crossover and mutation when N = 3 and K = 5 in a system according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 교차점(crossover point) 뒤에서 두 염색체의 유전자가 교환되어 도 4(a)와 같이 하나의 새로운 자손이 생성되는 교차 단계(540)가 수행된다. 이 과정을 교차(crossover) 단계라고 한다.Referring to FIG. 4, a crossover step 540 is performed after the crossover point in which genes of two chromosomes are exchanged to create a new offspring as shown in FIG. 4(a). This process is called the crossover step.

5) 다음은 이전 단계에서 생성된 염색체는 도 4(b)와 같이 주어진 변이 확률(mutation probability)로 일부 유전자를 무작위로 변경하는 변이 단계(550단계)가 수행된다. 550단계를 변이(mutation) 단계라고 하며 본 발명의 일 실시 예에서는 모집단(sub-band 할당 벡터 세트) 내에서 sub-band 할당 벡터의 다양성을 증가시키기 위한 변이 단계(550)가 수행된다.5) Next, the chromosome generated in the previous step undergoes a mutation step (step 550) in which some genes are randomly changed with a given mutation probability, as shown in Figure 4(b). Step 550 is called a mutation step, and in one embodiment of the present invention, mutation step 550 is performed to increase the diversity of sub-band allocation vectors within the population (sub-band allocation vector set).

6) 다음은 상기 540, 550 단계를 반복하여 새로운 세대의 새로운 후대 군을 형성한다. 그런 다음 이전 후대 그룹을 새 그룹으로 교체하여 현재 모집단을 업데이트하는 모집단 업데이트 단계(560)가 수행된다.6) Next, steps 540 and 550 above are repeated to form a new generation of new generations. A population update step 560 is then performed to update the current population by replacing previous progeny groups with new groups.

7) 다음은 현 세대 모집단 내에서 최고의 적합도 점수를 계산한다. 본 발명의 일 실시 예에서는 현 세대 모집단에서 적합도 점수를 산출하는 단계에 대응하여 현재 업데이트된 모집단 내에서 최고의 적합도 점수를 산출하는 단계(570)가 수행된다.7) Next, calculate the best fitness score within the current generation population. In one embodiment of the present invention, a step 570 of calculating the highest fitness score in the current updated population is performed in response to the step of calculating a fitness score in the current generation population.

8) 다음은, 연속 10세대 동안 최고 적합도 점수가 증가하는 지를 판단하고, 증가하지 않을 때까지 530~570 단계를 반복한다(580).8) Next, determine whether the highest fitness score increases over 10 consecutive generations, and repeat steps 530 to 570 until it does not increase (580).

9) 다음은 최종 모집단에서 가장 좋은 적합도 점수를 가지는 염색체를 sub-band 할당 벡터에 대한 최종 솔루션으로 설정하고 u* 로 표시하는 단계(590)가 수행된다. 590단계에서 C* 로 표시되는 u*에 대응하는 sub-band 할당 행렬 C를 쉽게 결정할 수 있다. 예를 들어, N= 3, K= 5, u* = [2 3 1 2 3]일 때 C*는 다음과 같이 지정이 된다.9) Next, a step 590 is performed in which the chromosome with the best fitness score in the final population is set as the final solution for the sub-band allocation vector and denoted by u*. In step 590, the sub-band allocation matrix C corresponding to u*, denoted by C*, can be easily determined. For example, when N= 3, K= 5, u* = [2 3 1 2 3], C* is specified as follows.

상기 도 4의 순서도에서 S는 최고의 적합도 점수가 증가하지 않은 연속 세대의 수, G는 현재 세대까지의 세대 수를 카운트한 것, max(fG)는 G세대 모집단에서 가장 좋은 적합도 점수를 의미한다. 도 3의 590 단계의 판단을 거쳐서 전체 알고리즘은 S = 10일 때 종료된다.In the flowchart of FIG. 4, S is the number of consecutive generations in which the best fitness score has not increased, G is the number of generations counted up to the current generation, and max(fG) means the best fitness score in the G generation population. After going through judgment in step 590 of Figure 3, the entire algorithm is terminated when S = 10.

B. 심층 신경망(DNN) 기반 전원 제어B. Deep neural network (DNN)-based power control

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제안된 유전 알고리즘(GA)을 통해 SAP의 해를 구한 다음, 주어진 C*에 대해 PCP1과 PCP2의 해를 구하는 과정이 수행된다.According to an embodiment of the present invention, the solution of SAP is obtained through the proposed genetic algorithm (GA), and then the process of finding the solutions of PCP1 and PCP2 for a given C* is performed.

이를 위해 본 발명의 일 실시 예에서는 PCP1 및 PCP2의 해를 구하기 위해 프로그램된 DNN 모델로 구현된 비지도학습(USL)을 통하여 구현하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 일 실시 예에서는 DNN 모델로 fully- connected DNN 모델이 적용된다.To this end, one embodiment of the present invention is characterized by implementation through unsupervised learning (USL) implemented as a programmed DNN model to find the solution to PCP1 and PCP2. In one embodiment of the present invention, a fully-connected DNN model is applied as the DNN model.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 PCP1 및 PCP2의 해를 구하기 위한 fully- connected DNN 모델의 구조의 예를 도시한 것이다.Figure 5 shows an example of the structure of a fully-connected DNN model for solving PCP1 and PCP2 according to an embodiment of the present invention.

도 5는 의 k번째 요소인 fully- connected DNN 모델의 구조를 나타낸다.Figure 5 go It represents the structure of the fully-connected DNN model, which is the kth element of .

본 발명의 일 실시 예에서 제안하는 fully- connected DNN은 K개의 노드가 있는 하나의 입력 레이어, K개의 노드가 있는 하나의 출력 레이어, 200개의 노드가 있는 두 개의 은닉 레이어로 구성된다(은닉 레이어와 노드의 적절한 수는 수치적으로 결정될 수 있다.). The fully-connected DNN proposed in an embodiment of the present invention consists of one input layer with K nodes, one output layer with K nodes, and two hidden layers with 200 nodes (hidden layer and The appropriate number of nodes can be determined numerically).

첫째, 모든 에 대해 , 여기서 은 C*의 번째 요소이며, 원래 채널이득 은 다음 식10과 같이 표준화된다.First, all and About , here is C*'s is the first element, and the original channel gain is standardized as shown in Equation 10 below.

이 표준화는 학습 과정이 더 빨리 수렴되도록 돕고 로컬 최적 솔루션으로 수렴하는 것을 방지할 수 있다. 그런 다음 입력 레이어에 삽입된 fully- connected DNN 모델의 입력 데이터는 각 IoT 기기의 전송 전력을 표준화된 채널 이득으로 구성된 벡터로 주어지며 다음 수학식101과 같이 나타낸다.This normalization can help the learning process converge faster and prevent convergence to a local optimal solution. Then, the input data of the fully-connected DNN model inserted into the input layer is given as a vector consisting of the normalized channel gain of the transmission power of each IoT device, and is expressed as Equation 101 below.

이 식101은 DNN의 ℓ번째 레이어의 출력 벡터, 가중치 행렬 및 바이어스 벡터를 각각 나타내며, 여기서 ℓ∈{1, 2, 3} 및 Nℓ는 다음 수학식 11에 의해 주어진 ℓ번째 레이어의 노드 수를 나타낸다.This equation 101 represents the output vector, weight matrix, and bias vector of the ℓth layer of the DNN, respectively, where ℓ∈{1, 2, 3} and Nℓ represent the number of nodes of the ℓth layer given by the following equation 11: .

본 발명의 일 실시 예에 따라 적용되는 DNN에서 첫 번째 레이어와 두 번째 레이어는 은닉 레이어이고, 0번째 레이어와 세 번째 레이어는 각각 입력 레이어와 출력 레이어이다.In the DNN applied according to an embodiment of the present invention, the first layer and the second layer are hidden layers, and the 0th layer and the third layer are the input layer and output layer, respectively.

각 은닉 레이어는 ReLU 함수에 의해 기울기 소실 문제를 방지하는 것으로 실 문제를 방지하는 것으로 볼 수 있다. 여기서 ReLU 함수는 ReLU(x) = [x]+ 로 정의된다. 구체적으로, ℓ∈{1, 2}인 ℓ번째 레이어에서 출력 벡터는 수학식12와 같이 나타낼 수 있다.Each hidden layer can be seen as preventing the real problem by preventing the gradient loss problem using the ReLU function. Here, the ReLU function is defined as ReLU(x) = [x] + . Specifically, the output vector in the ℓth layer where ℓ∈{1, 2} can be expressed as Equation 12.

여기서 ReLU 함수는 벡터에 요소별로 적용된다.Here, the ReLU function is a vector It is applied for each element.

또한, 도 5를 참조하면, 출력 레이어에서 sigmoid 함수를 사용하여 각 IoT 기기의 전송 전력 제약을 보다 쉽게 충족할 수 있다. 여기서 sigmoid 함수는 다음 식102와 같이 정의된다.Additionally, referring to Figure 5, the transmission power constraints of each IoT device can be more easily met by using the sigmoid function in the output layer. Here, the sigmoid function is defined as equation 102 below.

구체적으로, 주어진 입력 벡터 에 대해 로 표시되는 출력 레이어의 출력 벡터는 다음 수학식 13으로 주어진다.Specifically, given the input vector About The output vector of the output layer, expressed as , is given by Equation 13 below.

여기서 sigmoid 함수는 벡터에 요소별로 적용되고 DNN의 경우 L = 3이다. 요소가 0과 1 사이의 값을 갖는 은 DNN 모델에 의해 예측된 정규화된 전력 제어 벡터이다.Here, the sigmoid function is a vector It is applied element by element, and for DNN, L = 3. elements have values between 0 and 1 is the normalized power control vector predicted by the DNN model.

따라서 송신 전력 제어 벡터는 최종적으로 수학식14와 같이 결정된다.Therefore, the transmission power control vector is finally determined as shown in Equation 14.

다음은, 비지도학습(USL)이 PCP1 및 PCP2를 해결하기 위해 제안된 손실함수 설정에 대해 설명한다. DNN 모델을 훈련하기 위해 레이블이 지정된 데이터가 필요한 지도학습(SL)과 달리 비지도학습(USL)은 감독 없이 레이블이 지정되지 않은 데이터를 사용하여 DNN 모델을 훈련한다. 반면에 비지도학습(USL)으로 DNN 모델을 훈련할 때 손실함수는 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있으므로 신중하게 설정해야 한다. Next, we describe the loss function settings proposed for unsupervised learning (USL) to solve PCP1 and PCP2. Unlike supervised learning (SL), which requires labeled data to train a DNN model, unsupervised learning (USL) trains a DNN model using unlabeled data without supervision. On the other hand, when training a DNN model with unsupervised learning (USL), the loss function can have a significant impact on performance and must be set carefully.

본 발명의 일 실시 예에서는 선행 문헌([33]W. Lee, “Resource allocation for multi-channel underlay cognitive radio network based on deep neural network,”IEEE Commun. Lett, vol. 22, no. 9, pp. 1942-1945, Sep. 2018. [34] W. Lee and K. Lee, “Resource allocation scheme for guarantee of QoS in D2D communications using deep neural network",IEEE Commun. Lett, vol. 25, no. 3, pp. 887-891, Dec. 2021) 적용한 예를 참조하여 적절한 변환을 통해 최적화 문제를 손실함수에 직접 반영하는 직관적인 방법을 고려한다.In one embodiment of the present invention, a prior document ([33] W. Lee, “Resource allocation for multi-channel underlay cognitive radio network based on deep neural network,” IEEE Commun. Lett, vol. 22, no. 9, pp. 1942-1945, Sep. 2018. [34] W. Lee and K. Lee, “Resource allocation scheme for guarantee of QoS in D2D communications using deep neural network”,IEEE Commun. Lett, vol. 25, no. 3, pp 887-891, Dec. 2021) Referring to the applied example, we consider an intuitive method of directly reflecting the optimization problem in the loss function through appropriate transformation.

본 발명의 일 실시 예에서는 각 IoT 기기가 로 주어진 최소 전송률 제약 조건(Rth)을 충족하는 데 필요한 최소 신호 대 간섭 플러스 노이즈 비율 (interference-plus- noise ratios, 이하 'SINR; 이라 함)을 고려하였다.In one embodiment of the present invention, each IoT device The minimum signal-to-interference-plus-noise ratios (hereinafter referred to as 'SINR') required to meet the minimum transmission rate constraint (R th ) given by were considered.

또한, 이전 단계에서 결정된 고정 C*와 순방향 전파에 의해 결정된 p*에 대해 로 나타낼 수 있으며, 이는 의 전송률을 달성하는 IoT 기기 k의 SINR을 나타낸다.Additionally, for the fixed C* determined in the previous step and p* determined by forward propagation, It can be expressed as It represents the SINR of IoT device k that achieves a transmission rate of .

그런 다음 L1으로 표시되는 PCP1에 대한 손실함수를 수학식15와 같이 설정한다.Then, set the loss function for PCP1, denoted as L1, as shown in Equation 15.

여기서 의 k번째 요소이고 α와 β는 0 ≤ α, β≤ 1을 충족하는 제어 가능한 매개변수이다.here Is It is the kth element of and α and β are controllable parameters that satisfy 0 ≤ α, β ≤ 1.

수학식 15는 PCP1에 대한 손실 함수를 나타낸다.Equation 15 represents the loss function for PCP1.

여기서 수학식 15의 첫 번째 항은 PCP1의 목적함수에서 직접 파생된 것이며, 전송 전력의 합으로 전체 전송 전력을 최소화하는 방향으로 DNN을 훈련시키는 역할을 한다.Here, the first term in Equation 15 is directly derived from the objective function of PCP1, and serves to train the DNN in the direction of minimizing the total transmission power as the sum of transmission powers.

한편, 수학식 15의 두 번째 항은 전송률 조건으로써, 각 IoT 기기 k의 최소 요구 SINR에 대한 정규화된 SINR 마진과 관련이 있다. 본 발명의 일 실시 예에서는 제약 조건을 충족하지 않는 IoT 기기만 활성화하는 단계를 거쳐서 최소 SINR 제약 조건을 충족하도록 모든 IoT 기기를 학습한다.Meanwhile, the second term in Equation 15 is a transmission rate condition and is related to the normalized SINR margin for the minimum required SINR of each IoT device k. In one embodiment of the present invention, all IoT devices are learned to meet the minimum SINR constraints by activating only IoT devices that do not meet the constraints.

또한, 본 발명의 일 실시 예에서는 제안된 손실함수에서 α와 β를 제어하여 위에서 언급한 두 항의 효과 중 어느 것에 초점을 맞출 것인지 결정하도록 할 수 있다. 구체적으로, α가 상대적으로 클 때 제안된 비지도학습(USL)은 합계 전송 전력(sum transmission power)을 최소화하는 데 더 중점을 두고 DNN을 학습시키는 반면, β가 상대적으로 클 때 학습 과정에서 전송률 제약을 충족시키는 것이 더 중점을 두고 학습을 수행한다.Additionally, in one embodiment of the present invention, α and β can be controlled in the proposed loss function to determine which of the two effects mentioned above to focus on. Specifically, when α is relatively large, the proposed unsupervised learning (USL) trains the DNN with more emphasis on minimizing the sum transmission power, whereas when β is relatively large, the transmission rate during the learning process Learning is more focused on satisfying constraints.

마찬가지로 L2로 표시되는 PCP2의 손실함수는 식16으로 표시된다.Similarly, the loss function of PCP2, denoted by L2, is expressed as Equation 16.

여기서 [수학식 16]의 첫 번째 항은 최대 전송 전력으로써, 모든 IoT 기기의 전송 전력 중에서 최대 전송 전력을 최소화하는 PCP2의 목적 함수에서 유래한 반면 두 번째 항은 전송률 조건으로써, 손실함수 L1의 경우와 동일하다.Here, the first term in [Equation 16] is the maximum transmission power, which is derived from the objective function of PCP2 that minimizes the maximum transmission power among the transmission powers of all IoT devices, while the second term is the transmission rate condition, in the case of the loss function L1 Same as

수학식16은 PCP2에 대한 손실함수를 나타낸다.Equation 16 represents the loss function for PCP2.

수학식15 및 16은 손실함수 L1 및 L2 각각에 대해 (α, β쌍은 더 나은 성능을 달성하기 위해 수치적으로 최적화될 수 있다. 예를 들면, α, β를 잘 조절하면, 전송 전력 최소화와 임계 전송률 조건 충족 사이의 좋은 균형을 달성할 수 있다.Equations 15 and 16 for the loss functions L1 and L2, respectively (α, β pairs can be numerically optimized to achieve better performance. For example, if α and β are well adjusted, the transmission power can be minimized A good balance can be achieved between satisfying the critical data rate conditions.

즉, DNN 모델에 의한 비지도학습 방법은 상기 PCP1에 대한 상기 수학식15로 산출되는 손실함수 L1과 상기 PCP2에 대한 상기 수학식16으로 산출되는 L2에서, α와 β는 0≤α, β≤1 범위에서 전체 전송 전력을 최소화하고 최대 전송 전력을 최소화하도록 하는 조건을 찾는 학습을 포함한다.That is, in the unsupervised learning method using the DNN model, in the loss function L1 calculated by Equation 15 for PCP1 and L2 calculated by Equation 16 for PCP2, α and β are 0≤α, β≤ It involves learning to find conditions that minimize the total transmission power and the maximum transmission power in the range of 1.

DNN 모델에 의한 비지도학습 방법은, 순방향 전파에서 일련의 표준화된 채널 이득이 입력으로 DNN에 삽입되고 주어진 바이어스 벡터와 가중치 행렬을 기반으로 전력 제어 벡터가 DNN의 출력으로 예측될 수 있다.In the unsupervised learning method using the DNN model, a series of normalized channel gains in forward propagation are inserted into the DNN as input, and the power control vector can be predicted as the output of the DNN based on the given bias vector and weight matrix.

반면, 역방향 전파에서는 예측된 전력 제어 벡터와 주어진 sub-band 할당 행렬(C*)을 기반으로 손실함수 L1 또는 L2를 계산하고 손실함수를 최소화하기 위해 가중치 행렬과 바이어스 벡터를 기울기 하강법으로 업데이트하는 과정이 수행된다. 순방향 및 역방향 전파의 연산은 손실함수가 수렴될 때까지 반복적으로 학습하여 수행된다. On the other hand, in reverse propagation, the loss function L1 or L2 is calculated based on the predicted power control vector and the given sub-band allocation matrix (C*), and the weight matrix and bias vector are updated using gradient descent to minimize the loss function. The process is carried out. Forward and backward propagation operations are performed by repeatedly learning the loss function until it converges.

또한, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 단일 DNN 모델 대신 다중 DNN 모델을 사용하여 제안된 비지도학습(USL)의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다. Additionally, according to another embodiment of the present invention, the performance of the proposed unsupervised learning (USL) can be further improved by using multiple DNN models instead of a single DNN model.

구체적으로, 다중 DNN 모델을 적용하는 본 발명의 일 실시 예에서는 선행문헌([27] F. Liang, C. Shen, W. Yu, and F. Wu, “Towards optimal power control via ensembling deep neural networks,”IEEE Trans. Commun., vol. 68, no. 3, pp. 1760-1776, Mar. 2019.) 적용한 예를 참조하여 모델 i ∈[1: M]이 손실함수 L1 또는 L2에서 (αi, βi) 쌍을 사용하여 학습된 DNN 모델을 고려한다. 여기서 M은 고려된 DNN 모델의 수이고 조건을 가진다. 그런 다음 M개의 모델에 의해 예측된 전력 제어 벡터 중 각 채널 사례에 대해에 대해 최상의 성능을 달성하는 것을 선택할 수 있다. 본 명세서에서는 이러한 DNN 모델의 조합을 '조인트 모델'이라고 정의한다. 이러한 조인트 모델을 사용하는 것이 단일 모델을 사용하는 것보다 엄격하게 더 나은 성능을 달성할 수 있다.Specifically, in one embodiment of the present invention applying a multiple DNN model, the prior literature ([27] F. Liang, C. Shen, W. Yu, and F. Wu, “Towards optimal power control via ensembling deep neural networks, “IEEE Trans. Commun., vol. 68, no. 3, pp. 1760-1776, Mar. 2019.) Referring to the applied example, model i ∈ [1: M] is (α i , Consider a DNN model trained using β i ) pairs. where M is the number of DNN models considered and It has conditions. Then, among the power control vectors predicted by the M models, we can select the one that achieves the best performance for each channel case. In this specification, the combination of these DNN models is defined as a 'joint model'. Using these joint models can achieve strictly better performance than using a single model.

그리고 제안된 비지도 학습(USL)을 통해 예측된 전력제어 벡터가 주어진 C*에 적용될 때 최소 전송률 제약(minimum rate constraint) 조건이 충족되지 않으면 p*를 p*= pmax로 간단히 설정할 수 있다. And when the power control vector predicted through the proposed unsupervised learning (USL) is applied to the given C*, if the minimum rate constraint condition is not met, p* can be simply set as p*=p max .

다음 설명에서 설명한 바와 같이 p* = pmax를 허용해도 Rth가 너무 크지 않는 한 평균적으로 전송 전력이 크게 증가하지 않는다. 또한, p* = pmax로 설정하더라도 채널 조건에 따라 일부 IoT 기기의 경우 최소 전송률 제약 조건이 여전히 충족되지 않을 수 있다. 이러한 현상을 'outage'로 정의한다.As explained in the following discussion, allowing p* = p max does not significantly increase the transmission power on average unless R th is too large. Additionally, even if p* = p max is set, the minimum transmission rate constraint may still not be met for some IoT devices depending on channel conditions. This phenomenon is defined as ‘outage’.

[1. 수치 시뮬레이션][One. Numerical simulation]

본 발명의 일 실시 예에 따라 제안한 알고리즘의 성능을 수치적으로 평가하여 보았다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 시뮬레이션을 위해 도 1을 참조하면, 기지국(BS)은 셀의 중앙에 위치하고 각 IoT 기기(10-1, 10-2, 10-3, … 10-K)는 반경 1km의 셀에 균일하고 무작위로 분포되어 있다고 가정한다. 또한, 각 sub-band의 대역폭은 15kHz, σ2= -168dBm/Hz, Pmax = 23dBm이라고 가정한다. The performance of the algorithm proposed according to an embodiment of the present invention was numerically evaluated. Referring to FIG. 1 for simulation according to an embodiment of the present invention, the base station (BS) is located in the center of the cell and each IoT device (10-1, 10-2, 10-3, ... 10-K) has a radius. It is assumed that they are uniformly and randomly distributed in cells of 1 km. Additionally, it is assumed that the bandwidth of each sub-band is 15kHz, σ 2 = -168dBm/Hz, and P max = 23dBm.

또한, IoT 기기(k)에 대한 경로 손실은, , 로 모델링된다(H. W. Kim, H. J. Park, and S. H. Chae, “assignment and power control for IoT cellular networks via deep learning,”IEEE Access, 2022. 참조). Additionally, the path loss for IoT device (k) is, , (see HW Kim, HJ Park, and SH Chae, “assignment and power control for IoT cellular networks via deep learning,” IEEE Access, 2022).

여기서 이며 기지국 BS와 IoT 기기(k) 사이의 거리이다. 채널 계수는 로 모델링되며, 여기서 을 따른다.here and is the distance between the base station BS and the IoT device (k). The channel coefficient is It is modeled as silver Follow.

전력제어 단계에서 수행되는 비지도 학습(USL) 프로세스에서는 조기정지 방식(early stopping method)을 채택하여 학습 효율을 높였다. 즉, 본 발명의 일 실시 예에서는 30개의 연속적인 학습 에포크(epoch) 동안 검증 데이터에 대한 손실(validation loss)이 감소하지 않으면 학습 과정이 종료된다. In the unsupervised learning (USL) process performed in the power control stage, the early stopping method was adopted to increase learning efficiency. That is, in one embodiment of the present invention, if the validation loss for validation data does not decrease during 30 consecutive learning epochs, the learning process is terminated.

또한, 학습 과정의 수렴을 가속화하기 위해 10개의 연속적인 학습 에포크(epoch) 동안 검증 데이터에 대한 손실(validation loss)이 감소하지 않을 때마다 초기 학습율이 0.2배 감소하도록 설정된다. Additionally, in order to accelerate the convergence of the learning process, the initial learning rate is set to decrease by 0.2 times whenever the validation loss on the validation data does not decrease during 10 consecutive learning epochs.

또한, 본 발명의 일 실시 예에서는 제안된 DNN 모델의 은닉층에 드롭아웃(dropout) 방법을 적용하여 은닉 노드의 출력을 무작위로 무시함으로써 과적합(overfitting) 문제를 피하도록 하였다. Additionally, in one embodiment of the present invention, the dropout method is applied to the hidden layer of the proposed DNN model to avoid the overfitting problem by randomly ignoring the output of the hidden node.

본 발명의 일 실시 예에 따른 시뮬레이션 매개변수는 다음 표 1에 요약되어 있다.Simulation parameters according to one embodiment of the present invention are summarized in Table 1 below.

[1-A 본 발명의 일 실시 예에 따른 DNN에서 α와 β최적화][1-A Optimization of α and β in DNN according to an embodiment of the present invention]

본 발명의 일 실시 예에 따른 전송 전력 최소화를 위한 자원 할당 방법 알고리즘의 성능은 DNN에서 사용하는 손실함수의 α와 β값에 큰 영향을 받는다. 따라서 본 발명자들은 먼저 α와 β에 대해 제안된 알고리즘의 성능 경향을 조사하였다.The performance of the resource allocation method algorithm for minimizing transmission power according to an embodiment of the present invention is greatly affected by the α and β values of the loss function used in DNN. Therefore, the present inventors first investigated the performance trends of the proposed algorithm for α and β.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 DNN 모델에서 N= 4 및 K= 10일 때 임계 데이터 전송률(Rth)에 대한 outage 확률을 나타낸 것이다.Figure 6 shows the outage probability for the threshold data rate (R th ) when N = 4 and K = 10 in the DNN model according to an embodiment of the present invention.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 DNN 모델에서 N= 4 및 K= 10일 때 임계 데이터 전송률(Rth)에 대한 평균 총 전송전력을 나타낸 것이다.Figure 7 shows the average total transmission power for the threshold data rate (R th ) when N = 4 and K = 10 in the DNN model according to an embodiment of the present invention.

도 6 및 도 7은 각각 (α, β의 서로 다른 쌍에 대한 전체 IoT 기기의 송신 전력 중 총 송신 전력과 최대 송신 전력을 최소화한 결과를 나타낸다. Figures 6 and 7 show the results of minimizing the total transmission power and maximum transmission power among the transmission powers of all IoT devices for different pairs of (α, β), respectively.

본 시뮬레이션에서는 평균 총 전송 전력 또는 평균 최대 전송 전력을 플롯할 때 각 방식에 대해 outage이 발생하지 않는 경우만 고려된다. In this simulation, only cases in which no outage occurs for each method are considered when plotting the average total transmission power or average maximum transmission power.

또한, outage 확률을 줄이기 위해 전력 제어 과정에서 p*= pmax가 허용되는 경우를 '+Pmax'로 표시한다. 또한, 비교를 위해 전체 탐색을 통해 sub-band 할당을 수행하고 유전 알고리즘(GA)을 통해 전력 제어를 수행하는 'NOMA 탐색(search)/유전 알고리즘(GA)' 방식이 고려되었다. Additionally, in order to reduce the probability of outage, the case where p*= p max is allowed in the power control process is indicated as '+P max '. Additionally, for comparison, the 'NOMA search/genetic algorithm (GA)' method, which performs sub-band allocation through full search and power control through genetic algorithm (GA), was considered.

도 6 및 7에 도시된 바와 같이, 예상한 바와 같이 최소 전송률 제약(Rth)에 따라 outage 확률 및 모든 방식의 평균 총 전송 전력 소비가 증가한다. 더 흥미롭게도 α가 α= 0.9로 크고 β가 β= 0.13으로 작을 때 제안된 방식은 상대적으로 낮은 총 전송 전력을 달성할 수 있지만 학습 과정에서, 총 전송 전력을 최소화하는 것이 최소 전송률 제약을 충족하는 것보다 더 중점을 둔다. 반대로 β가 β= 0.9로 크고 α가 α = 0.13으로 작을 때 outage 확률은 상대적으로 줄어들지만 최소 전송률 제약이 더 중요하게 고려되기 때문에 전체 전송 전력 소비는 상대적으로 증가한다. As shown in Figures 6 and 7, the outage probability and the average total transmission power consumption of all methods increase with the minimum transmission rate constraint (R th ), as expected. More interestingly, when α is large as α = 0.9 and β is small as β = 0.13, the proposed method can achieve relatively low total transmission power, but in the learning process, minimizing the total transmission power is the minimum transmission rate constraint that can be satisfied. Focus more on Conversely, when β is large as β = 0.9 and α is small as α = 0.13, the outage probability is relatively reduced, but the total transmission power consumption is relatively increased because the minimum transmission rate constraint is considered more important.

또한, 허용하면 전체 전송 전력이 증가하지만 특히 α가 클 때 outage 확률을 크게 줄일 수 있다. Additionally, allowing it increases the overall transmission power but can greatly reduce the outage probability, especially when α is large.

도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 DNN 모델에서 모든 IoT 기기의 송신 전력 중 최대 송신 전력을 최소화한 경우, 임계 데이터 전송률(Rth)에 대한 outage 확률을 나타낸 것이다.Figure 8 shows the outage probability for the threshold data rate (R th ) when the maximum transmission power among the transmission powers of all IoT devices is minimized in the DNN model according to an embodiment of the present invention.

도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 DNN 모델에서 모든 IoT 기기의 송신 전력 중 최대 송신 전력을 최소화한 경우, 임계 데이터 전송률(Rth)에 대한 outage 확률을 나타낸 것이다.Figure 9 shows the outage probability for the threshold data rate (R th ) when the maximum transmission power among the transmission powers of all IoT devices is minimized in the DNN model according to an embodiment of the present invention.

도 8, 9를 참조하면, 모든 IoT 기기의 송신 전력 중 최대 송신 전력을 최소화한 경우에도 유사한 성능 경향을 관찰할 수 있다.Referring to Figures 8 and 9, similar performance trends can be observed even when the maximum transmission power among the transmission powers of all IoT devices is minimized.

이러한 관찰을 바탕으로 α와 β를 제어함으로써 전송 전력을 최소화하는 것과 서비스 품질(the quality of service, QoS)를 만족시키는 것 사이에서 좋은 균형을 얻을 수 있음을 알 수 있다. Based on these observations, it can be seen that by controlling α and β, a good balance can be obtained between minimizing transmission power and satisfying the quality of service (QoS).

따라서 각 손실함수 L1 및 L2에 대해 이러한 두 측면에서 우수한 성능을 달성하는 (α, β쌍을 수치적으로 최적화하려고 시도함에 따라, L1 및 L2에 대한 최적 쌍은 다음과 같이 주어진다.Therefore, as we attempt to numerically optimize the (α, β pair) that achieves good performance in these two aspects for each loss function L1 and L2, the optimal pair for L1 and L2 is given by

L1 및 L2는 N= 2 및 K= 4일 때, (α, β= (0.41, 0.62) 및 (α, β= (0.76, 0.27)으로 주어지고, N = 4 및 K = 10일 때 각각 (α, β= (0.34, 0.69) 및 (α, β= (0.41, 0.62) 로 주어진다. L1 and L2 are given by (α, β= (0.41, 0.62) and (α, β= (0.76, 0.27)) when N = 2 and K = 4, and ( are given as α, β= (0.34, 0.69) and (α, β= (0.41, 0.62).

또한, 이후에는 전력 제어 과정에서 p* = pmax가 허용되거나 허용되지 않는 두 가지 경우를 모두 고려하여 해를 구하는 방법을 제시할 수 있다.In addition, later, a method of finding a solution can be presented by considering both cases in which p* = p max is allowed or not allowed in the power control process.

[1-B Joint DNN Model][1-B Joint DNN Model]

전술한 바와 같이 본 발명의 또 다른 실시 예에서는 제안된 비지도학습(USL)의 성능을 더욱 향상시키기 위해 서로 다른 쌍(α, β을 갖는 다중 DNN 모델을 사용하는 조인트 DNN 모델을 제시한다. 특히, 이전 실시 예에서 관찰된 트레이드 오프(tradeoff)를 고려하여 각 모델 i ∈[1 : M ]에 대한 제어 가능한 매개변수인 (αi, βi ) 쌍을 다음 수학식 17, 18과 같이 결정한다.As described above, another embodiment of the present invention proposes a joint DNN model using multiple DNN models with different pairs (α, β) to further improve the performance of the proposed unsupervised learning (USL). In particular, , considering the tradeoff observed in the previous embodiment, the (α i , β i ) pair, which is a controllable parameter for each model i ∈ [1: M ], is determined as shown in Equations 17 and 18. .

각 채널 구현에 대해 조인트 모델은 M 모델에 의해 예측된 전력 제어 벡터 중에서 가장 성능이 좋은 벡터를 선택할 수 있다. 따라서, (α, β의 다른 쌍으로 학습된 여러 비지도학습(USL) 모델을 사용하면 예측된 전력 제어 벡터의 다양성을 증가시켜 성능을 향상시킬 수 있다.For each channel implementation, the joint model can select the best performing vector among the power control vectors predicted by the M model. Therefore, using multiple unsupervised learning (USL) models learned with different pairs of (α, β) can improve performance by increasing the diversity of predicted power control vectors.

도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 조인트 DNN 모델에서 N= 4, K= 10, Rth = 2.0bps/Hz일 때 M에 대한 outage 확률 및 평균 총 전송 전력을 나타낸 것이다.Figure 10 shows the outage probability and average total transmission power for M when N = 4, K = 10, and R th = 2.0bps/Hz in the joint DNN model according to an embodiment of the present invention.

도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 조인트 DNN 모델에서 N= 4, K= 10, Rth = 2.0bps/Hz일 때 M에 대한 outage 확률 및 평균 최대 전송 전력을 나타낸 것이다.Figure 11 shows the outage probability and average maximum transmission power for M when N = 4, K = 10, and R th = 2.0bps/Hz in the joint DNN model according to an embodiment of the present invention.

도 10 및 11을 참조하면, M이 증가함에 따라 조인트 DNN모델의 평균 송신 전력 소모가 감소하고 M= 8일 때 거의 포화된다. Referring to Figures 10 and 11, as M increases, the average transmission power consumption of the joint DNN model decreases and is almost saturated when M = 8.

또한, 표 2는 M에 대한 샘플 100개당 시뮬레이션 시간(sec)을 나타낸 것이다((N, K) = (4, 10)). 표 2를 참조하면, M에 대한 요구 시뮬레이션 시간은 표 2에 요약되어 있는 바와 같이, 사전 학습된 DNN 모델이 간단한 선형 연산으로 최종 결과를 추론하기 때문에 조인트 DNN 모델은 M으로 거의 증가하지 않는다. 또한, (N, K)의 값이 다를 때도 비슷한 결과를 얻을 수 있다. 이를 고려하여 본 발명의 일 실시 예에서 조인트 DNN모델에 대해 M은 8로 설정한다.Additionally, Table 2 shows the simulation time (sec) per 100 samples for M ((N, K) = (4, 10)). Referring to Table 2, the required simulation time for M, the joint DNN model hardly increases with M, because the pre-trained DNN model infers the final result with simple linear operations, as summarized in Table 2. Additionally, similar results can be obtained even when the values of (N, K) are different. Considering this, in one embodiment of the present invention, M is set to 8 for the joint DNN model.

[1-C. 성능 평가][1-C. Performance evaluation]

본 발명의 일 실시 예에 따른 성능 평가 비교를 위해 다음과 같은 각각의 방식에 따른 벤치마크 체계가 고려되었다.To compare performance evaluations according to an embodiment of the present invention, benchmark systems according to the following methods were considered.

- 조인트 전체 탐색 방식은 최적화 문제 P1 및 P2 각각에 대한 sub-band 할당 행렬 및 이산화된 전력 제어 벡터의 최적 집합을 찾는다. 이산화된 전력 벡터에 대한 양자화 단계 크기는 충분히 작은 것으로 정의된다.- The joint global search method finds the optimal set of sub-band allocation matrices and discretized power control vectors for optimization problems P1 and P2, respectively. The quantization step size for the discretized power vector is defined to be sufficiently small.

- search/GA 방식은 먼저 가능한 모든 sub-band 할당을 고려하여 SAP에 대한 최적의 sub-band 할당 행렬을 찾는다. 그런 다음 주어진 sub-band 할당 행렬에 대해 유전 알고리즘(GA)을 사용하여 PCP1 또는 PCP2에 대한 최적의 전력 제어 벡터를 찾는다. 여기서 유전 알고리즘(GA)의 적합도 점수 함수는 전술한 손실함수를 사용하여 설정된다(예를 들면, 유전 알고리즘(GA)은 적합도 점수를 최대화하는 염색체를 찾는 동작을 수행하므로 이를 적용한 적합도 점수 함수는 -L1 또는 -L2로 설정된다.)- The search/GA method first considers all possible sub-band allocations to find the optimal sub-band allocation matrix for SAP. Then, given the sub-band allocation matrix, a genetic algorithm (GA) is used to find the optimal power control vector for PCP1 or PCP2. Here, the fitness score function of the genetic algorithm (GA) is set using the loss function described above (for example, the genetic algorithm (GA) performs an operation to find a chromosome that maximizes the fitness score, so the fitness score function applied is - It is set to L1 or -L2.)

- GA/GA 방식은 먼저 앞에서 설명한 바와 같이 제안된 유전 알고리즘(GA)을 사용하여 SAP에 대한 최적의 sub-band 할당 행렬을 검색한다. 그런 다음 search/GA와 동일한 방식으로 주어진 sub-band 할당 행렬에 대해 PCP에 대한 최적의 전력 제어 벡터를 찾는다.- The GA/GA method first searches for the optimal sub-band allocation matrix for SAP using the proposed genetic algorithm (GA) as described previously. Then, we find the optimal power control vector for PCP for a given sub-band allocation matrix in the same way as search/GA.

- GA/FPC(fractional power control) 방식은 제안된 알고리즘과 동일한 방식으로 최적의 sub-band 할당 행렬을 찾는다. 한편, 전력 제어 단계에서는 주어진 sub-band 할당에 대해 각 사용자의 채널 이득에 반비례하는 전력을 할당하여 경로 손실을 보상하기 위해 FPC를 수행한다. - The GA/FPC (fractional power control) method finds the optimal sub-band allocation matrix in the same way as the proposed algorithm. Meanwhile, in the power control step, FPC is performed to compensate for path loss by allocating power in inverse proportion to the channel gain of each user for a given sub-band allocation.

- GA/no power control(GA/NPC) 방식은 제안된 유전 알고리즘(GA)과 동일한 방식으로 최상의 sub-band 할당 행렬을 찾은 다음 단순히 전력제어 벡터 p를 p* = pmax로 설정한다.- The GA/no power control (GA/NPC) method finds the best sub-band allocation matrix in the same way as the proposed genetic algorithm (GA) and then simply sets the power control vector p to p* = p max .

또한, 직교 다중 액세스(orthogonal multiple access, OMA) 시나리오에서 본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 알고리즘의 성능을 평가한다. 본 발명자들은 IoT 기기 k에 대한 달성 가능한 전송률이 주어진 sub-band 할당에 대해 다음 식으로 주어지는 시분할 다중 접속(TDMA)-OMA 시스템을 고려하였다(J. Cui, Z. Ding, and P. Fan, “novel power allocation scheme under outage constraints in NOMA systems,”IEEE Signal Process. Lett., vol. 23, no. 9, pp. 1226-1230, 2016 참조)Additionally, the performance of the algorithm proposed according to an embodiment of the present invention is evaluated in an orthogonal multiple access (OMA) scenario. We considered a time division multiple access (TDMA)-OMA system where the achievable transmission rate for IoT device k is given by the following equation for a given sub-band allocation (J. Cui, Z. Ding, and P. Fan, “ (see “novel power allocation scheme under outage constraints in NOMA systems,” IEEE Signal Process. Lett., vol. 23, no. 9, pp. 1226-1230, 2016)

여기서 임.here and lim.

도 12 내지 15는 각각의 방식에 대해 각각 N=2 및 K=4일 때 총 전송 전력과 최대 전송 전력을 최소화하는 성능 비교를 나타낸 것이다.Figures 12 to 15 show a performance comparison of minimizing the total transmission power and maximum transmission power when N = 2 and K = 4 for each method, respectively.

도 12는 Rth에 대한 총 전송 전력을 최소화하기 위한 outage 확률을 나타낸 것이다.Figure 12 shows the outage probability for minimizing the total transmission power for R th .

도 13은 Rth에 대한 평균 총 전송 전력을 나타낸 것이다.Figure 13 shows the average total transmit power for R th .

도 14는 Rth에 대한 최대 전송 전력을 최소화하기 위한 outage 확률을 나타낸 것이다. Figure 14 shows the outage probability for minimizing the maximum transmission power for R th .

도 15는 Rth에 대한 평균 최대 전송 전력을 나타낸 것이다.Figure 15 shows the average maximum transmission power for R th .

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 모든 방식에서 Rth에 따라 전송 전력 소비와 outage 확률이 증가함을 관찰할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it can be observed that transmission power consumption and outage probability increase according to R th in all methods.

표 3은 를 사용한 샘플 100개당 각 방식에 대한 시뮬레이션 시간(sec)을 나타낸 것이다. 표 3에서 GA/FPC[39]는 선행연구 12(비특허문헌 12 참조)를 참조한 것이다.Table 3 shows This shows the simulation time (sec) for each method per 100 samples using . In Table 3, GA/FPC [39] refers to prior research 12 (see non-patent document 12).

표 3을 참조하면, 제안된 조인트 DNN 모델 접근 방식은 표 3에서와 같이 복잡성이 훨씬 낮지만 결과는 outage 확률 최소화 측면에서 조인트 전체 검색 성능에 가까운 성능을 달성하고 다른 벤치마크 방식을 엄격하게 능가할 수 있음을 보여준다.Referring to Table 3, although the proposed joint DNN model approach has much lower complexity as shown in Table 3, the results achieve performance close to the joint full search performance in terms of minimizing outage probability and strictly outperform other benchmark methods. It shows that it can be done.

그리고 송신 전력. 또한, 제안한 알고리즘의 성능은 단일 DNN 모델을 사용하는 경우에도 우수한 것으로 나타났다. 또한, 전송 전력이 약간 증가하더라도 전력 제어 프로세스에서 p*= pmax를 허용함으로써 outage 확률을 낮출 수 있음을 관찰할 수 있다.and transmit power. Additionally, the performance of the proposed algorithm was found to be excellent even when using a single DNN model. Additionally, it can be observed that even if the transmission power increases slightly, the outage probability can be lowered by allowing p*=p max in the power control process.

했습니다. 또한, 도 6 및 7을 참조하면, 도 12 및 14에서 제안하는 방식은 GA/FPC 방식보다 outage 확률이 훨씬 낮은 것으로 분석된다. 이른 본 발명의 일 실시 예에 따른 방식이 GA/FPC 방식과 달리 학습 과정에서 Rth를 고려하여 전력 제어 벡터를 예측하기 때문에 더 우수한 성능을 가질 수 있는 것으로 분석된다. 또한, GA/FPC 방식은 outage 가능성이 너무 높기 때문에 전송 전력 성능을 플롯(plot)할 때 제외하였다. I did. Additionally, referring to Figures 6 and 7, the method proposed in Figures 12 and 14 is analyzed to have a much lower outage probability than the GA/FPC method. It is analyzed that the method according to an early embodiment of the present invention can have better performance because, unlike the GA/FPC method, it predicts the power control vector by considering R th during the learning process. In addition, the GA/FPC method was excluded when plotting transmission power performance because the possibility of outage was too high.

또한 NOMA는 특히 Rth가 클 때 OMA보다 훨씬 낮은 outage 확률을 달성할 수 있는 것을 알 수 있다. 이는 최소 전송률 제약을 달성하는 데 필요한 전송 전력이 및 Rth에 대해 기하급수적으로 비례하기 때문인 것으로 분석되었다. Additionally, it can be seen that NOMA can achieve a much lower outage probability than OMA, especially when R th is large. This means that the transmit power required to achieve the minimum rate constraint is It was analyzed that this is because it is exponentially proportional to and R th .

마지막으로, GA/NPC 방식의 열악한 성능은 전력 제어가 에너지 효율적인 통신에 필수적이라는 것을 분명히 보여준다.Finally, the poor performance of the GA/NPC scheme clearly shows that power control is essential for energy-efficient communication.

도 16 내지 19는 각각의 방식에 대해 N= 4 및 K= 10일 때 총 전송 전력과 최대 전송 전력을 각각 최소화하는 성능 비교를 나타낸다.Figures 16 to 19 show performance comparisons for minimizing the total transmission power and maximum transmission power, respectively, when N = 4 and K = 10 for each method.

도 16은 각각의 방식에 대해 Rth에 대한 총 전송 전력을 최소화하기 위한 outage 확률 비교를 나타낸다.Figure 16 shows a comparison of outage probabilities for minimizing the total transmission power for R th for each method.

도 17은 각각의 방식에 대해 Rth에 대한 평균 총 전송 전력 비교를 나타낸다.Figure 17 shows the average total transmission power comparison for R th for each scheme.

도 18은 각각의 방식에 대해 Rth에 대한 최대 전송 전력을 최소화하기 위한 outage 확률 비교를 나타낸다.Figure 18 shows a comparison of outage probabilities for minimizing the maximum transmission power for R th for each method.

도 19는 각각의 방식에 대해 Rth에 대한 평균 최대 전송 전력 비교를 나타낸다.Figure 19 shows the average maximum transmission power comparison for R th for each scheme.

도 16 내지 19를 참조하면, N=2, K=4인 경우에 비해 K 대 N의 비율이 증가함에 따라 OMA의 outage 확률이 NOMA보다 훨씬 높음을 알 수 있다. 또한, IoT 기기 수가 sub-band 수를 초과함에 따라 OMA에 비해 NOMA의 성능 향상이 증가함을 보여준다. 이로부터 본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 할당 방법이 NOMA에서의 향상된 성능 향상을 알 수 있다 그 외에 전체적인 성능 경향은 N=2, K=4의 경우와 유사하다.Referring to Figures 16 to 19, it can be seen that the outage probability of OMA is much higher than that of NOMA as the ratio of K to N increases compared to the case of N = 2 and K = 4. Additionally, it shows that the performance improvement of NOMA increases compared to OMA as the number of IoT devices exceeds the number of sub-bands. From this, it can be seen that the allocation method proposed according to an embodiment of the present invention improves performance in NOMA. In addition, the overall performance trend is similar to the case of N = 2 and K = 4.

또한, 본 발명자들은 표 3에서 고려된 방식의 계산 복잡성을 필요한 시뮬레이션 시간 측면에서 비교하였다(DNN 모델을 학습하는 데 필요한 시간은 여기에서 고려되지 않았다.). 전체 시뮬레이션은 Tensorflow 2.7.0, Intel i7-10700F CPU, 32GB RAM 및 NVIDIA GeForce와 함께 python 3.8을 사용하여 수행하였다. 표 3에서 제안하는 방식은 전체 탐색 기반 접근 방식 및 GA/GA에 비해 계산 복잡도가 훨씬 낮고 기존 방법과 유사한 계산 복잡도를 가지고 있음을 알 수 있다. 또한, 전력 제어 과정에서 p* = pmax를 허용하거나 조인트 모델을 사용하는지 여부에 따라 제안된 기법의 시뮬레이션 시간이 거의 변하지 않음을 알 수 있다. 따라서 본 발명의 일 실시 예에 따라 제안하는 방법이 매우 낮은 계산 복잡도로 우수한 성능을 달성하며, 제안된 접근 방식에서 결합 모델을 사용하면 계산 복잡도가 거의 증가하지 않으면서도 성능을 크게 향상시킬 수 있다.Additionally, we compared the computational complexity of the methods considered in Table 3 in terms of the required simulation time (the time required to train the DNN model was not considered here). The entire simulation was performed using python 3.8 with Tensorflow 2.7.0, Intel i7-10700F CPU, 32GB RAM, and NVIDIA GeForce. Table 3 shows that the proposed method has much lower computational complexity than the full search-based approach and GA/GA, and has similar computational complexity to the existing method. Additionally, it can be seen that the simulation time of the proposed technique hardly changes depending on whether p* = p max is allowed or a joint model is used in the power control process. Therefore, the method proposed according to an embodiment of the present invention achieves excellent performance with very low computational complexity, and using a combined model in the proposed approach can significantly improve performance with little increase in computational complexity.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 최소 전송률 제약 조건에서 NOMA 기반 상향링크 IoT 셀룰러 네트워크의 전송 전력 최소화를 수행하는 방법을 제시하였다. 본 발명의 일 실시 예에서 구체적으로 제안하는 접근 방식은 유전 알고리즘(GA)을 활용하여 sub-band 할당을 수행하고 DNN 모델로 구현된 비지도학습(USL)에 의해 전력 제어를 결정하는 각 IoT 기기에 대해 sub-band 할당 및 전력 제어를 순차적으로 수행하는 단계를 포함한다.As described above, according to an embodiment of the present invention, a method for minimizing transmission power of a NOMA-based uplink IoT cellular network under minimum transmission rate constraints was presented. The approach specifically proposed in one embodiment of the present invention utilizes a genetic algorithm (GA) to perform sub-band allocation and determines power control for each IoT device by unsupervised learning (USL) implemented as a DNN model. It includes sequentially performing sub-band allocation and power control.

또한, DNN을 훈련하는 동안 전송 전력을 최소화하고 최소 전송률 제약 조건을 충족하는 것 사이에서 좋은 균형을 얻을 수 있는 손실함수를 제시하였다.Additionally, we presented a loss function that can achieve a good balance between minimizing transmission power and satisfying minimum transmission rate constraints while training a DNN.

본 발명의 또 다른 실시 예에서는 더 나아가 손실함수가 다른 여러 조인트 DNN 모델을 사용하면 성능을 더욱 향상시킬 수 있음을 제시하였다. 조인트 DNN 모델은 단일 DNN 모델을 사용하는 것과 비교하여 계산 복잡성을 유지하면서 제안된 접근 방식의 수치 시뮬레이션을 통해 제안된 2단계 알고리즘이 전송 전력을 최소화하고 계산 복잡도를 낮추는 두 가지 측면에서 더 우수한 성능을 얻을 수 있다.Another embodiment of the present invention further suggests that performance can be further improved by using several joint DNN models with different loss functions. The joint DNN model maintains computational complexity compared to using a single DNN model. Numerical simulations of the proposed approach show that the proposed two-stage algorithm performs better in both aspects: minimizing transmission power and reducing computational complexity. You can get it.

추후에는 본 발명의 일 실시 예에 따른 IoT 기기들이 IoT 시스템에서 IoT 셀룰러 네트워크의 최소 전송률을 만족하면서 전송 전력 최소화를 위한 자원 할당 방법을 기지국(BS)이 다중 안테나를 갖는 경우까지 확장하여 적용할 수 있을 것이다. 또한, 제안된 접근 방식을 다중 셀 네트워크로 확장하는 것도 가치 있는 미래 연구 방향이 될 것이다. In the future, IoT devices according to an embodiment of the present invention can expand and apply the resource allocation method for minimizing transmission power while satisfying the minimum transmission rate of the IoT cellular network in the IoT system to the case where the base station (BS) has multiple antennas. There will be. Additionally, extending the proposed approach to multi-cell networks would also be a valuable future research direction.

10-1, 10-2, …10-K : IoT 기기
900: 제어장치
BS: 기지국
10-1, 10-2, … 10-K: IoT devices
900: Control device
BS: base station

Claims (11)

비직교 다중 접속방식(NOMA) IoT 셀룰러 네트워크의 시스템이 전송 전력을 제어하여 전송 전력 최소화를 위한 자원 할당 방법에 있어서,
상기 시스템은,
기지국 및
상기 기지국과 상향링크 통신으로 연결된 IoT 기기;
상기 기지국과 통신으로 접속된 IoT 기기에 대한 전송 전력을 제어하는 제어장치를 포함하며,
상기 제어장치는
(a) 상기 기지국과 접속된 모든 IoT 기기에 대해, 각 IoT 기기의 전송률을 임계 전송률 이상이 되도록 하면서, 각 IoT 기기들의 전송 전력의 합을 최소화하도록 제어하는 단계; 및
(b) 상기 기지국과 접속된 모든 IoT 기기에 대해, 각 IoT 기기의 전송률을 임계 전송률 이상이 되도록 하면서, IoT 기기들 중의 최대 전송 전력의 값을 최소화하도록 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자원 할당 방법.
In the resource allocation method for minimizing transmission power by controlling transmission power in a non-orthogonal multiple access (NOMA) IoT cellular network system,
The system is,
base station and
An IoT device connected to the base station through uplink communication;
It includes a control device that controls transmission power to IoT devices connected to the base station through communication,
The control device is
(a) controlling all IoT devices connected to the base station to minimize the sum of the transmission power of each IoT device while keeping the transmission rate of each IoT device above the threshold transmission rate; and
(b) for all IoT devices connected to the base station, controlling the transmission rate of each IoT device to be higher than the threshold transmission rate and minimizing the maximum transmission power among the IoT devices. Allocation method.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계는
다음 수학식5의 해를 구하여 제어하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 자원 할당 방법.
[수학식 5]

여기서 는 k번째 요소로 를 갖는 모든 IoT기기에 대한 전력 제어 벡터를 나타내고, Rth는 모든 IoT기기가 달성해야 하는 임계 데이터 전송률, 은 (k,n)번째 요소로 을 갖는 sub-band 할당을 위한 행렬임.
According to paragraph 1,
The step (a) is
A resource allocation method comprising obtaining and controlling the solution of Equation 5 below.
[Equation 5]

here is the kth element represents the power control vector for all IoT devices with , and R th is the critical data rate that all IoT devices must achieve, is the (k,n)th element. It is a matrix for sub-band allocation with .
제2항에 있어서,
상기 (b) 단계는
다음 수학식6의 해를 구하여 제어하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 자원 할당 방법.
[수학식 6]
According to paragraph 2,
Step (b) above is
A resource allocation method comprising obtaining and controlling the solution of Equation 6 below.
[Equation 6]
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계는
(a-1) 모든 IoT 기기가 임계 전송률 조건을 만족하도록 하기 위한 조건에서, 상기 IoT 기기들 중에서 최소 전송률을 최대화시키는 sub-band 할당을 산출하는 단계; 및
(a-2) 상기 산출한 sub-band 할당을 바탕으로, 상기 IoT 기기들의 전송 전력의 합을 최소화시키는 각 IoT 기기들의 전송 전력을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자원 할당 방법.
According to paragraph 1,
The step (a) is
(a-1) calculating a sub-band allocation that maximizes the minimum transmission rate among the IoT devices under conditions for ensuring that all IoT devices satisfy a threshold transmission rate condition; and
(a-2) A resource allocation method comprising calculating the transmission power of each IoT device to minimize the sum of the transmission powers of the IoT devices, based on the calculated sub-band allocation.
제1항에 있어서,
상기 (b) 단계는
(b-1) 모든 IoT 기기가 임계 전송률 조건을 만족하도록 하기 위해, 상기 IoT 기기들 중에서 최소 전송률을 최대화 시키는 sub-band 할당을 산출하는 단계; 및
(b-2) 상기 산출한 sub-band 할당을 바탕으로, 상기 IoT 기기들 중에서 최대 전송 전력을 최소화시키는 각 IoT 기기들의 전송 전력을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자원 할당 방법.
According to paragraph 1,
Step (b) above is
(b-1) calculating a sub-band allocation that maximizes the minimum transmission rate among the IoT devices in order to ensure that all IoT devices satisfy the threshold transmission rate condition; and
(b-2) A resource allocation method comprising calculating the transmission power of each IoT device that minimizes the maximum transmission power among the IoT devices, based on the calculated sub-band allocation.
제4항에 있어서,
상기 (a-1) 단계는 다음 수학식7의 SAP 해를 구하고, 상기 (a-2) 단계는 다음 수학식8의 PCP1 해를 구하는 단계를 포함하며,
[수학식 7]

[수학식 8]

여기서 는 k번째 요소로 를 갖는 모든 IoT기기에 대한 전력 제어 벡터를 나타내고, Rth는 모든 IoT기기가 달성해야 하는 임계 데이터 전송률, 은 (k,n)번째 요소로 을 갖는 sub-band 할당을 위한 행렬이고, 는 SAP에서 구한 sub-band 할당 행렬로써, 최소 전송률을 최대화시키는 sub-band 할당 행렬이며, 는 모든 IoT 기기가 최대 전송 전력 Pmax를 사용할 때의 전력 제어 벡터임.
상기 (b-1) 단계는 상기 수학식7의 SAP 해를 구하고, 상기 (b-2) 단계는 다음 수학식9의 PCP2 해를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자원 할당 방법.
[수학식 9]

여기서 는 k번째 요소로 를 갖는 모든 IoT기기에 대한 전력 제어 벡터를 나타내고, Rth는 모든 IoT기기가 달성해야 하는 임계 데이터 전송률, 은 (k,n)번째 요소로 을 갖는 sub-band 할당을 위한 행렬이고, 는 SAP에서 구한 sub-band 할당 행렬이며, 최소 전송률을 최대화시키는 sub-band 할당 행렬이며, 는 모든 IoT 기기가 최대 전송 전력 Pmax를 사용할 때의 전력 제어 벡터임.
According to paragraph 4,
Step (a-1) includes obtaining the SAP solution of Equation 7, and step (a-2) includes obtaining the PCP1 solution of Equation 8,
[Equation 7]

[Equation 8]

here is the kth element represents the power control vector for all IoT devices with , and R th is the critical data rate that all IoT devices must achieve, is the (k,n)th element. It is a matrix for sub-band allocation with is a sub-band allocation matrix obtained from SAP, which maximizes the minimum transmission rate, is the power control vector when all IoT devices use the maximum transmission power P max .
The step (b-1) includes obtaining a SAP solution of Equation 7, and the step (b-2) includes obtaining a PCP2 solution of Equation 9.
[Equation 9]

here is the kth element represents the power control vector for all IoT devices with , and R th is the critical data rate that all IoT devices must achieve, is the (k,n)th element. It is a matrix for sub-band allocation with is the sub-band allocation matrix obtained from SAP, and is the sub-band allocation matrix that maximizes the minimum transmission rate, is the power control vector when all IoT devices use the maximum transmission power P max .
제6항에 있어서,
상기 (a-1) 단계는
(a1-1) 각각의 가능한 sub-band 할당 벡터를 염색체로 간주하고, 유전자라고 하는 염색체의 각 요소가 [1, N] 범위의 불연속 균일 분포를 따르는 초기 염색체 세트를 무작위로 생성하여 초기 모집단으로 sub-band 할당 벡터 세트를 설정하는 단계;
(a1-2) 유전 알고리즘의 fitness evaluation 단계에 대응하여 상기 sub-band 할당 벡터 세트에 대한 적합도 점수를 계산하는 단계;- 유전 알고리즘(GA)을 적용한 적합도 점수는 고정된 전송 전력 제어 벡터(Pmax)를 사용하여 모든 IoT 기기들의 전송률 중 최소 전송률로 정의되며, 각 염색체에 대응한 각 IoT 기기 의 전송률( )은 수학식 4(, 여기서 는 IoT 기기()의 신호 대 간섭 플러스 노이즈 비율을 나타냄)를 적용하여 모든 IoT 기기의 전송률을 산출하여 얻는 것을 특징으로 함.
(a1-3) 상기 sub-band 할당 벡터 세트를 적합도 점수에 따라 내림차순으로 정렬하여 상위 그룹을 모 그룹으로, 하위 그룹을 후대 그룹으로 분류하는 단계;
(a1-4) 모 그룹의 일부 염색체를 교차하기 위한 교차 단계;
(a1-5) 이전 단계에서 생성된 sub-band 할당 벡터의 다양성을 증가시키기 위한 변이 단계;
(a1-6) 새로운 후대 군을 형성하여 모집단인 상기 sub-band 할당 벡터 세트를 업데이트 하는 단계;
(a1-7) 업데이트된 모집단 중에서 최고의 적합도 점수를 산출하는 단계;
(a1-8) 연속 10세대 동안 최고 적합도 점수가 증가하는 지를 판단하고, 증가하지 않을 때까지 (a1-3) ~(a1-8) 단계를 반복하는 단계; 및
(a1-9) 최종 모집단에서 가장 좋은 적합도 점수를 주는 염색체를 sub-band 할당 벡터에 대한 최종 솔루션으로 설정하고 최적의 sub-band 할당 행렬로 산출하는 단계를 포함하는 유전 알고리즘을 적용하여 상기 [수학식 7]의 해는 구하는 것을 포함하는 자원 할당 방법.
According to clause 6,
The step (a-1) is
(a1-1) Consider each possible sub-band allocation vector as a chromosome, and randomly generate an initial set of chromosomes in which each element of the chromosome, called a gene, follows a discrete uniform distribution in the range [1, N] as the initial population. Establishing a sub-band allocation vector set;
(a1-2) calculating a fitness score for the sub-band allocation vector set in response to the fitness evaluation step of the genetic algorithm; - the fitness score applying the genetic algorithm (GA) is calculated using a fixed transmission power control vector (P max ) is defined as the minimum transmission rate among all IoT devices, and each IoT device corresponding to each chromosome Transmission rate ( ) is Equation 4 ( , here is an IoT device ( ) is characterized by calculating and obtaining the transmission rate of all IoT devices by applying (representing the signal-to-interference plus noise ratio).
(a1-3) sorting the sub-band allocation vector set in descending order according to the fitness score to classify the upper group as the parent group and the lower group as the successor group;
(a1-4) Crossover step to cross over some chromosomes of the parent group;
(a1-5) Mutation step to increase the diversity of the sub-band allocation vector generated in the previous step;
(a1-6) forming a new progeny group and updating the sub-band allocation vector set, which is the population;
(a1-7) calculating the best fitness score among the updated population;
(a1-8) determining whether the highest fitness score increases over 10 consecutive generations, and repeating steps (a1-3) to (a1-8) until it does not increase; and
(a1-9) By applying the genetic algorithm including the step of setting the chromosome giving the best fitness score in the final population as the final solution for the sub-band allocation vector and calculating the optimal sub-band allocation matrix, the above [mathematics] A resource allocation method that includes finding the solution to [Equation 7].
제6항에 있어서,
상기 (a-2) 단계의 PCP1 및 (b-2) 단계의 PCP2는 상기 제어장치가 내장된 딥러닝 처리부의 심층 신경망(DNN) 모델을 적용한 비지도학습(USL)을 통하여 해를 구하는 것을 특징으로 하며,
상기 심층 신경망(DNN) 모델을 적용한 비지도학습을 통하여 해를 구하는 방법은,
순방향 전파에서 상기 IoT 기기의 전송 전력의 표준화된 채널 이득이 입력으로 상기 DNN 모델에 입력되며, 주어진 바이어스 벡터와 가중치 행렬을 기반으로 전력제어 벡터가 DNN의 출력으로 예측되며,
역방향 전파에서는 상기 예측된 전력 제어 벡터와 주어진 sub-band 할당 행렬(C*)을 기반으로 손실함수 L1 또는 L2를 계산하고 손실함수를 최소화하기 위해 가중치 행렬과 바이어스 벡터를 기울기 하강법으로 업데이트하는 과정이 수행되고,
상기 순방향 및 역방향 전파의 연산은 손실함수가 수렴될 때까지 반복적으로 학습하여 수행되는 것을 포함하는 자원 할당 방법.
According to clause 6,
PCP1 in step (a-2) and PCP2 in step (b-2) are characterized by finding a solution through unsupervised learning (USL) applying a deep neural network (DNN) model of the deep learning processing unit with the control device built-in. and
The method of finding a solution through unsupervised learning applying the deep neural network (DNN) model is:
In forward propagation, the normalized channel gain of the transmission power of the IoT device is input to the DNN model, and the power control vector is predicted as the output of the DNN based on the given bias vector and weight matrix,
In reverse propagation, the loss function L1 or L2 is calculated based on the predicted power control vector and the given sub-band allocation matrix (C*), and the weight matrix and bias vector are updated using gradient descent to minimize the loss function. This is done,
A resource allocation method including performing the forward and backward propagation operations by repeatedly learning the loss function until it converges.
제6항에 있어서
상기 (a-2) 단계의 PCP1 및 (b-2) 단계의 PCP2는 상기 제어장치에 내장된 딥러닝 처리부의 심층 신경망(DNN) 모델을 적용한 비지도학습(USL)을 통하여 해를 구하는 것을 특징으로 하며,
상기 심층 신경망(DNN) 모델은 K개의 노드가 있는 하나의 입력 레이어, K개의 노드가 있는 하나의 출력 레이어, 200개의 노드가 있는 두 개의 은닉 레이어를 포함하고,
상기 심층 신경망(DNN) 모델을 적용한 비지도학습(USL)을 통하여 해를 구하는 방법은,
상기 SAP의 해를 구한 다음, 주어진 최적의 sub-band 할당 행렬(C*)에 대해 각 IoT 기기의 전송 전력을 표준화된 채널 이득으로 구성된 벡터로 입력 데이터()로 입력하면, ℓ ∈{1, 2}인 ℓ번째 층에서 출력 벡터는 출력 계층(Sigmoid)을 통하여 0과 1 사이의 값을 갖는 정규화된 전력 제어 벡터 ()로 출력되며,
상기 비지도 학습은 상기 최적의 sub-band 할당 행렬(C*)과 순방향 전파에 의해 결정된 전송 전력(p*)에 대해 IoT 기기(k)의 전송률()을 달성하는 최소 신호 대 간섭 플러스 노이즈 비율(SINR)은 라 할 때,
상기 PCP1에 대한 상기 수학식15로 산출되는 손실함수 L1과 상기 PCP2에 대한 손실함수 상기 수학식16으로 산출되는 L2에서, α와 β는 0≤ α, β≤ 1 범위에서 전체 전송 전력을 최소화하고 최대 전송 전력을 최소화하도록 학습을 하는 것 포함하는 자원 할당 방법.
[수학식 15]

[수학식 16]

여기서 의 k번째 요소임.
In paragraph 6
PCP1 in step (a-2) and PCP2 in step (b-2) are characterized by finding a solution through unsupervised learning (USL) applying a deep neural network (DNN) model of the deep learning processor built into the control device. and
The deep neural network (DNN) model includes one input layer with K nodes, one output layer with K nodes, two hidden layers with 200 nodes,
The method of finding a solution through unsupervised learning (USL) applying the deep neural network (DNN) model is:
After solving the SAP, the transmission power of each IoT device is converted into a vector composed of normalized channel gains for the given optimal sub-band allocation matrix (C*) as input data ( ), the output vector from the ℓth layer where ℓ ∈ {1, 2} is a normalized power control vector ( ) is output,
The unsupervised learning is performed on the optimal sub-band allocation matrix (C*) and the transmission power (p*) determined by forward propagation. ) is the minimum signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) that achieves When you say,
In the loss function L1 calculated by Equation 15 for the PCP1 and L2 calculated by the loss function Equation 16 above for the PCP2, α and β minimize the total transmission power in the range of 0≤α, β≤1, and A resource allocation method that includes learning to minimize the maximum transmission power.
[Equation 15]

[Equation 16]

here Is It is the kth element of .
제8항에 있어서,
상기 DNN 모은 각각 손실함수가 다른 M개의 다중 DNN 모델이며,
상기 제어장치는 M개의 모델에 의해 예측된 전력 제어 벡터 중 각 채널 사례에 대해에 대해 성능이 최상의 것을 선택하여 상기 PCP1 및 PCP2의 해를 구하는 것을 포함하는 자원 할당 방법.
According to clause 8,
The DNN collection is M multiple DNN models, each with a different loss function,
The resource allocation method includes the control device selecting the one with the best performance for each channel case among the power control vectors predicted by M models to obtain solutions for the PCP1 and PCP2.
제8항에 있어서,
상기 비지도학습(USL)을 통해 예측된 전력 제어 벡터가 주어진 sub-band 할당 행렬(C*)에 적용될 때, 최소 전송률 제약(minimum rate constraint) 조건이 충족되지 않으면 순방향 전파에 의해 결정된 전송 전력(p*)을 최대 전송 전력(pmax)로 설정하여 상기 PCP1 및 PCP2의 해를 구하는 것을 포함하는 자원 할당 방법.
According to clause 8,
When the power control vector predicted through unsupervised learning (USL) is applied to the given sub-band allocation matrix (C*), if the minimum rate constraint condition is not met, the transmission power determined by forward propagation ( A resource allocation method including determining the solution of PCP1 and PCP2 by setting p*) to the maximum transmission power (p max ).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102196546B1 (en) 2020-04-20 2020-12-29 최승규 DRX and scheduling optimization method to reduce the power consumption of the terminal in the IOT environment

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