KR20240029923A - Sub-Band Assignment and Power Control Method in IoT Cellular Networks - Google Patents

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KR20240029923A
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박현정
채성호
전상운
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광운대학교 산학협력단
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Abstract

IoT 셀룰러 네트워크의 시스템이 주파수 서브밴드 할당과 IoT기기의 송신전력을 제어하는 방법에 있어서,
상기 시스템은,
기지국;
상기 기지국과 상향링크 통신으로 연결된 IoT 기기; 및
상기 기지국과 통신으로 접속된 IoT 기기에 대한 송신전력을 제어하는 제어장치;를 포함하며,
상기 시스템의 제어장치가 주파수 서브밴드 할당과 IoT기기의 송신전력을 제어하는 방법은,
(a) 상기 기지국과 접속된 모든 IoT 기기에 대해, 각 IoT 기기의 송신전력을 최대로 설정한 상태에서 스펙트럼 누출로 인한 서브밴드 간의 간섭에 대해 총 전송률을 최대화하는 서브밴드 할당 세트를 유추하는 단계; 및
(b) 상기 (a)단계 에서 구한 서브밴드 할당 세트를 기반으로 하여 총 전송률을 최대화하는 송신전력 벡터를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
In the method of the IoT cellular network system controlling frequency subband allocation and transmission power of IoT devices,
The system is,
base station;
An IoT device connected to the base station through uplink communication; and
It includes a control device that controls transmission power for IoT devices connected to the base station through communication,
The method by which the control device of the system controls frequency subband allocation and transmission power of IoT devices is,
(a) For all IoT devices connected to the base station, inferring a subband allocation set that maximizes the total transmission rate against interference between subbands due to spectrum leakage while setting the transmission power of each IoT device to the maximum. ; and
(b) determining a transmission power vector that maximizes the total data rate based on the subband allocation set obtained in step (a).

Description

IoT 셀룰러 네트워크의 서브밴드 할당 및 전력 제어방법{Sub-Band Assignment and Power Control Method in IoT Cellular Networks}Sub-Band Assignment and Power Control Method in IoT Cellular Networks}

본 발명은 IoT 셀룰러 네트워크의 서브밴드 할당 및 송신전력 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for subband allocation and transmission power control in an IoT cellular network.

또한, 스펙트럼 누출이 존재하는 IoT 셀룰러 네트워크에서 서브밴드 할당 및 송신전력 제어방법을 제공하는 것이다.In addition, it provides a subband allocation and transmission power control method in an IoT cellular network where spectrum leakage exists.

사물인터넷(IoT)은 5세대(5G)와 미래 6세대(6G) 통신 시스템에서 큰 주목을 받고 있다. 구체적으로 사물인터넷은 대규모 디바이스 연결을 통해 스마트시티, 스마트홈, 교통, 감시, 재난 및 재난관리 등 다양한 서비스를 지원할 수 있다. 또한 최근에는 IoT를 의료용으로 활용하는 IoMT(Internet of Medical Things, 이하 IoMT), 인공위성을 통해 장거리 IoT 통신을 제공하는 기술에 대한 연구가 주목받고 있다. The Internet of Things (IoT) is receiving great attention in the 5th generation (5G) and future 6th generation (6G) communication systems. Specifically, the Internet of Things can support a variety of services such as smart cities, smart homes, transportation, surveillance, and disaster and disaster management through large-scale device connectivity. Additionally, research on the Internet of Medical Things (IoMT), which utilizes IoT for medical purposes, and technology that provides long-distance IoT communication through satellites is attracting attention.

이러한 새로운 IoT 기반 서비스에 대한 수요의 급격한 증가로 인해 연결된 IoT 장치의 총 수는 2030년까지 약 800억 개에 달할 것으로 예상됩니다. 따라서 제한된 자원으로 많은 수의 IoT 사용자에게 효율적으로 서비스를 제공할 수 있는 적합한 IoT 통신 프레임워크를 개발하는 것이 점점 더 중요해지고 있다.Due to the rapid growth in demand for these new IoT-based services, the total number of connected IoT devices is expected to reach approximately 80 billion by 2030. Therefore, it is becoming increasingly important to develop a suitable IoT communication framework that can efficiently serve a large number of IoT users with limited resources.

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 단말 별로 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. 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.

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. 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.

NOMA는 5G셀의 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. NOMA is a technology used to increase the capacity of 5G cells, breaking the orthogonality property of the existing orthogonal multiple access (OFDMA) method in terms of frequency resource allocation and simultaneously overlapping 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 with a large difference in channel quality and a terminal in the cell border area, small power is allocated to the terminal in the cell center area and high power is allocated to the terminal in the cell border area. do.

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. 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.

이를 위해 최근 IoT 네트워크를 비롯한 다양한 무선 네트워크의 자원 및 간섭 관리에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.To this end, much research is currently being conducted on resource and interference management of various wireless networks, including IoT networks.

최근 선행연구에서 총 전송률을 최대화하기 위한 서브밴드 할당 및 전력 제어의 공동 최적화에 대해 연구했는데(비특허문헌1 참조), 여기서 IoT 서브밴드 사이 및 IoT와 LTE(장기 진화) 대역 사이에 간섭이 존재하는 것을 문제로 지적하였다. Recent prior research has studied joint optimization of subband allocation and power control to maximize total transmission rate (see Non-Patent Document 1), where interference exists between IoT subbands and between IoT and LTE (Long Term Evolution) bands. This was pointed out as a problem.

또한, 선행연구(비특허문헌2, 3)에서는 불완전한 채널 상태 정보(CSI) 가정 하에서 라그랑주 이중 분해(LDD)를 사용하여 IoT 네트워크에서 자원 할당을 위한 에너지 효율 반복 알고리즘을 제안했다. Additionally, previous studies (Non-Patent Documents 2 and 3) proposed an energy-efficient iterative algorithm for resource allocation in IoT networks using Lagrange double decomposition (LDD) under the assumption of incomplete channel state information (CSI).

또한, 선행연구(비특허문헌4)에서는 NOMA 기반 IoT 하향링크 네트워크의 총 전력 소비를 최소화하기 위한 확률론적 최적화 문제가 연구되었다. Additionally, in prior research (non-patent document 4), a stochastic optimization problem to minimize the total power consumption of a NOMA-based IoT downlink network was studied.

또한, 선행연구(비특허문헌5)에서는 NOMA 네트워크에서 자원 블록 할당 및 전력 할당 문제를 해결하기 위해 각 단계에 유전자 알고리즘(GA)을 적용한 2단계 최적화 방식을 제안했다. In addition, a prior study (non-patent document 5) proposed a two-stage optimization method that applied genetic algorithm (GA) to each stage to solve resource block allocation and power allocation problems in the NOMA network.

또한, 선행연구(비특허문헌6)에서는 다중 반송파 NOMA(MC-NOMA) 시스템의 총 전송률을 최대화하기 위해 부반송파 할당 및 전송 전력 제어를 위한 볼록 완화 및 휴리스틱 탐욕 알고리즘을 사용하는 3단계 자원 할당 방식을 제안하였다. 또한, 선행연구(비특허문헌7)에서는 하향링크 다중 대역 NOMA에 대한 서브밴드 할당 및 전력 할당 문제를 해결하기 위해 반복적인 공동 사용자 선택 및 가변 전력 할당(VPA)을 기반으로 하는 효율적인 가중 총 전송률 최적화 알고리즘이 제안되었다. In addition, in prior research (non-patent document 6), a three-stage resource allocation method using convex relaxation and heuristic greedy algorithms for subcarrier allocation and transmission power control was used to maximize the total transmission rate of the multi-carrier NOMA (MC-NOMA) system. suggested. In addition, in prior research (non-patent document 7), efficient weighted total data rate optimization based on iterative joint user selection and variable power allocation (VPA) was conducted to solve subband allocation and power allocation problems for downlink multi-band NOMA. An algorithm was proposed.

최근에는 완전연결 신경망(FNN), 컨볼루션 신경망(CNN), 순환 신경망(RNN)을 이용한 딥러닝이 무선 통신에서 다양한 유형의 복잡한 조합 최적화 문제를 해결하기 위해 널리 채택되고 있다. Recently, deep learning using fully connected neural networks (FNNs), convolutional neural networks (CNNs), and recurrent neural networks (RNNs) has been widely adopted to solve various types of complex combinatorial optimization problems in wireless communications.

선행연구(비특허문헌8)에서는 스펙트럼 효율과 에너지 효율을 최대화하기 위해 CNN 기반의 송신전력 제어를 제안하였다. Previous research (non-patent document 8) proposed CNN-based transmission power control to maximize spectral efficiency and energy efficiency.

선행연구(비특허문헌9)에서는 불완전한 연속 간섭 제거(SIC)가 적용된다는 가정 하에 NOMA-IoT 네트워크에 대해 RNN 기반의 에너지 효율 자원 할당 알고리즘을 제안하였다. In a prior study (Non-Patent Document 9), an RNN-based energy-efficient resource allocation algorithm was proposed for the NOMA-IoT network under the assumption that imperfect continuous interference cancellation (SIC) is applied.

선행연구(비특허문헌10)에서는 정수 프로그래밍 제약 조건에 따라 선형 합 할당 문제를 해결하기 위해 FNN 기반 접근 방식을 제안하였다. In a prior study (non-patent document 10), an FNN-based approach was proposed to solve the linear sum allocation problem according to integer programming constraints.

선행연구(비특허문헌11)에서는 상향링크 셀룰러 대규모 다중 입력 다중 출력(MIMO) 시스템에서 총 스펙트럼 효율을 최대화하기 위해 심층 신경망에 기반한 공동 파일럿 및 데이터 전력제어 방식이 개발되었다. In prior research (non-patent document 11), a joint pilot and data power control method based on a deep neural network was developed to maximize total spectral efficiency in an uplink cellular massive multiple-input multiple-output (MIMO) system.

선행연구(비특허문헌12)에서는 다중 사용자 다중 입력 단일 출력(MU-MISO) 하향링크 셀룰러 시스템에서 상향링크-하향링크 이중성을 사용하여 빔포밍 벡터를 최적화하기 위해 FNN 기반 비지도 학습 접근 방식이 연구되었다. In a prior study (non-patent document 12), an FNN-based unsupervised learning approach was studied to optimize beamforming vectors using uplink-downlink duality in a multi-user, multiple-input, single-output (MU-MISO) downlink cellular system. It has been done.

또한, 선행연구(비특허문헌13)에서는 하향링크 동시 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT) 지원 MC-NOMA 시스템에서 DBN(Deep Belief Network) 기반 알고리즘을 제안하여 서브밴드 할당과 전력 할당 문제를 최적화하여 시스템 서비스의 품질(QoS)을 만족하면서 총 전송 전력을 최소화하는 방안이 제시되었다. In addition, in a prior study (Non-Patent Document 13), a DBN (Deep Belief Network)-based algorithm was proposed in an MC-NOMA system supporting downlink simultaneous wireless information and power transmission (SWIPT) to optimize subband allocation and power allocation problems, thereby optimizing the system. A method to minimize total transmission power while satisfying quality of service (QoS) was proposed.

또한, 선행연구(비특허문헌14)에서는 NOMA mmWave 이종 네트워크에서 에너지 효율을 최대화하기 위해 FNN 구조를 기반으로 LDD 및 반지도 학습을 적용하는 공동 자원 할당 문제에 대한 에너지 효율 알고리즘을 제시하였다. In addition, a prior study (non-patent document 14) presented an energy efficiency algorithm for the joint resource allocation problem that applies LDD and semi-supervised learning based on the FNN structure to maximize energy efficiency in the NOMA mmWave heterogeneous network.

이러한 최근 연구에서 딥러닝 기반 접근 방식은 기존 볼록 완화 알고리즘과 비교하여 무선 통신 시스템에서 다양한 공동 자원 할당 문제를 해결할 때 낮은 계산 복잡성으로 상당히 향상된 성능을 제공하는 것으로 나타났다.In these recent studies, deep learning-based approaches have been shown to provide significantly improved performance with lower computational complexity when solving various joint resource allocation problems in wireless communication systems compared to traditional convex relaxation algorithms.

본 발명의 일 실시 예에서는 상향링크 IoT 셀룰러 네트워크에서 주파수 서브밴드 할당 및 송신전력 제어를 위한 CNN 기반 공동 최적화 방법을 제시한다. 특히, 종래 유사한 서브밴드 할당 및 전력 제어 문제를 고려한 이전 연구와 달리, 본 발명의 일 실시 예에서는 이를 반영하기 위해 서브밴드 간의 스펙트럼 누출을 고려한 필요성에서 제어방법을 제시하였다.An embodiment of the present invention presents a CNN-based joint optimization method for frequency subband allocation and transmission power control in an uplink IoT cellular network. In particular, unlike previous studies that considered similar subband allocation and power control problems, an embodiment of the present invention presented a control method that took into account spectrum leakage between subbands to reflect this.

[1] 대한민국 등록특허공보 10-2196546 호(IoT 환경에서 단말기의 전력소모 절감을 위한 drx 및 스케줄링 최적화 방법)[1] 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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[6] Y. Fu, L. Salan, C.W. Sung, and C.S. Chen, “Subcarrier and power allocation for the downlink of multicarrier NOMA systems”, IEEE Trans. Veh. Technol, vol. 67, no. 12, pp. 11833-11847, Dec. 2018. [7] D. Goswami and SS Das, “Iterative sub-band and power allocation in downlink multiband NOMA”, IEEE Syst. J., vol. 14, no. 4, pp. 5199-5209, Dec. 2020. [8] W. Lee, M. Kim, and D.-H. Cho, “Deep power control: Transmit power control scheme based on convolutional neural network”, IEEE Commun. Lett., vol. 22, no. 6, pp. 1276-1279, Jun. 2018. [9] M. Liu, T. Song, and G. Gui, “Deep cognitive perspective: Resource allocation for NOMA-based heterogeneous IoT with imperfect SIC”, IEEE Internet Things J., vol. 6, no. 2, pp. 2885-2894, Apr. 2019. [10] M. Lee, Y. Xiong, G. Yu, and G. Y. Li, “Deep neural networks for linear sum assignment problems”, IEEE Wireless Commun. Lett., vol. 7, no. 6, pp. 962-965, Dec. 2018. [11] TV Chien, TN Canh, E. Bjrnson, and EG Larsson, °Power control in cellular massive MIMO with varying user activity: A deep learning solution”, IEEE Trans. Wireless Commun, vol. 19, no. 9, pp. 5732-5748, 2020. [12] J. Kim, H. Lee, S.-E. Hong, and S.-H. Park, “Deep learning methods for universal MISO beamforming”, IEEE Wireless Commun. Lett., vol. 9, no. 11, pp. 1894-1898, Nov. 2020. [13] J. Luo, J. Tang, DKC So, G. Chen, K. Cumanan, and J. A. Chambers, “A deep learning-based approach to power minimization in multi-carrier NOMA with SWIPT”, IEEE Access, vol. 7, pp. 17450-17460, 2019. [14] H. Zhang, H. Zhang, K. Long, and G.K. Karagiannidis, “Deep learning based radio resource management in NOMA networks: User association, subchannel and power allocation”, IEEE Trans. Netw. Sci. Eng., vol. 7, no. 4, pp. 2406-2415, Oct. 2020.

본 발명의 목적은 IoT 기기의 서브밴드 할당 및 송신전력 제어를 공동으로 최적화하여 네트워크의 총 전송률을 최대화하는 제어방법을 제공하는 것이다.The purpose of the present invention is to provide a control method that maximizes the total transmission rate of the network by jointly optimizing subband allocation and transmission power control of IoT devices.

본 발명의 또 다른 목적은 스펙트럼 누출이 존재하는 IoT 셀룰러 네트워크 시스템에서 서브밴드 할당 및 송신전력 제어방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for subband allocation and transmission power control in an IoT cellular network system in which spectrum leakage exists.

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 일 측면에 따르면, IoT 셀룰러 네트워크의 시스템이 주파수 서브밴드 할당과 IoT기기의 송신전력을 제어하는 방법에 있어서, 상기 시스템은, 기지국; 및 상기 기지국과 상향링크 통신으로 연결된 IoT 기기;상기 기지국과 통신으로 접속된 IoT 기기에 대한 송신전력을 제어하는 제어장치;를 포함하며,상기 시스템의 제어장치가 주파수 서브밴드 할당과 IoT기기의 송신전력을 제어하는 방법은, (a) 상기 기지국과 접속된 모든 IoT 기기에 대해, 각 IoT 기기의 송신전력을 최대로 설정한 상태에서 스펙트럼 누출로 인한 서브밴드 간의 간섭에 대해 총 전송률을 최대화하는 서브밴드 할당 세트를 유추하는 단계; 및 (b) 상기 (a)단계에서 구한 서브밴드 할당 세트를 기반으로 하여 총 전송률을 최대화하는 송신전력 벡터를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention, in a method for an IoT cellular network system to control frequency subband allocation and transmission power of an IoT device, the system includes: a base station; And an IoT device connected to the base station through uplink communication; A control device that controls transmission power to the IoT device connected to the base station by communication, wherein the control device of the system allocates frequency subbands and transmits the IoT device. The method of controlling power is (a) for all IoT devices connected to the base station, setting the transmission power of each IoT device to the maximum and maximizing the total transmission rate against interference between subbands due to spectrum leakage. inferring a band allocation set; and (b) determining a transmission power vector that maximizes the total data rate based on the subband allocation set obtained in step (a).

또한, 상기 (a) 단계는 다음 수학식5의 다음 수학식5의 P1을 최대화하는 서브밴드 할당세트(C)를 유추하는 단계를 포함하며,In addition, step (a) includes inferring a subband allocation set (C) that maximizes P1 in Equation 5 below,

[수학식5] [Equation 5]

여기서 는 모든 IoT 기기가 최대 송신 전력(예: , )을 가질 때의 전력 제어 벡터를 나타내고, C는 서브밴드 할당 행렬 )이고, 는 스펙트럼 누출로 인한 서브밴드 간의 간섭을 고려한 IoT 기기 의 전송률을 나타내는 것이고, IoT 기기가K개 일 경우 임,here ensures that all IoT devices have a maximum transmit power, e.g. , ), and C is the subband allocation matrix. )ego, represents the transmission rate of IoT devices considering interference between subbands due to spectrum leakage, and when there are K IoT devices, lim,

상기 (b)단계는 상기 (a)에서 구한 서브밴드 할당 세트 C를 C*로 결정한 다음, 주어진 C*에 대해 다음 수학식6의 P2를 최대화하는 송신전력 벡터(P)를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. Step (b) includes determining the subband allocation set C obtained in (a) as C* , and then calculating the transmission power vector (P) that maximizes P2 in Equation 6 for the given C *. It is characterized by

[수학식6][Equation 6]

또한, 상기 (a) 단계는 각 서브밴드에는 하나의 IoT 기기만을 할당 가능하고, 각 IoT 기기는 하나의 서브밴드에만 할당 가능한 조건을 만족하도록 하는 것을 특징으로 한다.In addition, step (a) is characterized by satisfying the condition that only one IoT device can be assigned to each subband, and each IoT device can be assigned to only one subband.

또한, 상기 (a) 단계는 CNN 모델을 학습하여 예측값을 유추하는 것을 특징으로 하며, 상기 상기 CNN 모델에 의한 학습방법은, ① 임의의 서브밴드 할당에 대한 IoT 기기 행렬과 임의의 순열( )을 입력 데이터로 입력하고, 상기 CNN 모델의 서브밴드 할당 출력()을 바탕으로, 확률이 큰 순서대로 개의 IoT 기기들의 후보군을 선택하여 N개의 k-후보 집합을 구성한다. 이러한 방식으로 각 서브밴드에 할당될 IoT 기기들의 순서를 정하는 단계; ② 학습 모델의 입력데이터로 상기 정해진 할당 순서에 맞추어 두 개의 서브밴드를 고른 뒤, 각 후보 집합에서 IoT 기기를 하나씩 할당하는 단계 -여기서 두 서브밴드에 동일한 IoT 기기가 선택된다면, 앞 순서 서브밴드에 해당 IoT 기기를 할당하고, 뒤 순서 서브밴드에는 그 해당 IoT 기기를 할당하지 않는 것을 특징으로 함,; ③ 위 ② 단계에서, 상기 P1을 계산하여 상기 P1이 최대화되는 할당 집합을 선택하고, 이에 따라 해당 서브밴드에 IoT 기기를 할당하는 단계 - 여기서 모든 IoT 기기의 송신전력을 최대로 가정하고, 상기 P1을 최대화하는 서브밴드 할당 집합을 탐색하며, 그 후, 할당된 IoT 기기들을 남은 k-best 집합에서 제외시키는 고정을 포함함,; ④ 상기 ③단계에서 할당된 IoT 기기들을 고정하고, 다음 순서 서브밴드를 선택하여 해당 k-best 집합에서 IoT 기기를 하나씩 할당하며 상기 P1이 최대화하는 경우를 찾는 단계; 및 ⑤ 상기 ② - ④ 단계를 마지막 순서의 서브밴드까지 반복하여, 최종 서브밴드 할당 집합을 구하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, step (a) is characterized by learning a CNN model to infer a predicted value, and the learning method using the CNN model includes ① an IoT device matrix for random subband allocation and a random permutation ( ) is input as input data, and the subband allocation output of the CNN model ( ), select the candidate group of IoT devices in order of increasing probability to form N k -candidate sets. determining the order of IoT devices to be allocated to each subband in this manner; ② Selecting two subbands as input data for the learning model according to the above-described allocation order, and then assigning one IoT device from each candidate set - Here, if the same IoT device is selected for both subbands, it will be assigned to the previous subband Characterized by allocating the corresponding IoT device and not assigning the corresponding IoT device to the next subband; ③ In step ② above, calculating P1 and selecting an allocation set in which P1 is maximized, and assigning IoT devices to the corresponding subband accordingly - here, assuming that the transmission power of all IoT devices is maximum, and P1 Search for a subband allocation set that maximizes , and then include fixing to exclude assigned IoT devices from the remaining k-best set; ④ Fixing the IoT devices assigned in step ③, selecting the next subband, assigning IoT devices one by one from the corresponding k-best set, and finding the case where P1 maximizes; and ⑤ repeating steps ② - ④ up to the last subband to obtain a final subband allocation set; It is characterized by including.

또한, 상기 ② 단계에서 두 서브밴드에 동일한 IoT 기기이 선택된 경우, 앞 순서 서브밴드에 해당 IoT 기기를 할당하고, 뒤 순서 서브밴드에는 그 해당 IoT 기기를 할당하지 않는 것을 특징으로 한다.In addition, if the same IoT device is selected for both subbands in step ②, the corresponding IoT device is assigned to the first subband, and the corresponding IoT device is not assigned to the second subband.

또한, ③ 단계에서 할당된 IoT 기기들을 남은 k-후보 집합에서 제외시키는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로한다.In addition, it is characterized by further including a process of excluding IoT devices assigned in step ③ from the remaining k-candidate set.

또한, 상기 CNN 모델은,Convolution 부, Flattening 부 및 Activation 부를 포함하며, 상기 Convolution 부에서는 고차원 입력 데이터와 CNN 모델의 컨볼루션 필터를 컨볼루션 연산하여 상기 P1과 P2의 공간적 특징 맵을 추출하며, 상기 Convolution 부에서 추출한 특징 맵을 상기 Activation 부에 입력하기 위해 Flattening 부에서 벡터화하고, 상기 Flattening 부의 출력은 Activation 부의 출력단에서 최적화 문제에 적합한 활성화 함수를 사용하여 매핑되어 출력하는 것을 특징으로한다.In addition, the CNN model includes a convolution unit, a flattening unit, and an activation unit. The convolution unit performs a convolution operation between high-dimensional input data and a convolution filter of the CNN model to extract spatial feature maps of the P1 and P2, The feature map extracted from the convolution unit is vectorized in the flattening unit to be input to the activation unit, and the output of the flattening unit is mapped and output using an activation function suitable for the optimization problem at the output end of the activation unit.

또한, 상기 (b) 단계는 CNN 모델 기반의 학습 방법에 의해 구하는 것을 특징으로 하며, 상기 CNN 모델 기반의 학습방법은, (b-1) 상기 ⑤ 단계에서 구한 서브밴드 할당 집합으로부터 표준화된 채널 행렬 세트로 학습 데이터 세트를 구성하는 단계; 및 (b-2) 상기 CNN 모델로부터 다음 수학식 9의 평균제곱오차(mean squared error)를 최소화하도록 학습을 하여 p*에 가까운 정규화된 전력 벡터 을 예측하도록 학습하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 서브밴드 할당 및 전력 제어방법.In addition, step (b) is characterized in that it is obtained by a CNN model-based learning method, and the CNN model-based learning method includes a standardized channel matrix from the subband allocation set obtained in step ⑤ (b-1). Constructing a learning data set into sets; and (b-2) a normalized power vector close to p* by learning from the CNN model to minimize the mean squared error of Equation 9 below A subband allocation and power control method comprising the step of learning to predict.

[수학식9][Equation 9]

여기서 여기서, 는 CNN 모델의 손실함수를 나타내며, 는 각각 p*와 출력 벡터 의 i번째 요소를 나타내는 것임.here here, represents the loss function of the CNN model, and are p* and the output vector, respectively It represents the ith element of .

또한, 상기 (b-1) 단계에서 p*를 [0, 1] 범위로 정규화 한 뒤, 출력되는 최종 활성화 함수를 Sigmoid 함수로 설정하는 것을 특징으로 한다.In addition, in step (b-1) , p* is normalized to the range [0, 1], and then the output final activation function is set to the Sigmoid function.

또한, 상기 (b-1) 단계 후에 송신전력 제어 벡터는 로 결정되는 것을 특징으로 한다.Additionally, after step (b-1), the transmission power control vector is It is characterized by being determined as.

또한, 상기 (a) 단계는 FNN 모델 기반의 학습 방법으로 유추하는 것을 특징으로 하며, 상기 FNN 모델은 완전 연결 부(fully connected part)에서 직접 입력과 출력 관계를 학습하는 것을 특징으로 하고, 완전 연결부(fully connected part)는 다수의 은닉층을 포함하고, 각 은닉층은 ReLU 함수에 의해 활성화되며, 상기 완전 연결부(fully connected part)의 입력 데이터는 상기 P1을 구하기 위해 표준화된 채널 행렬을 벡터화하여 입력하는 것을 특징으로 한다.In addition, step (a) is characterized by inferring using an FNN model-based learning method, and the FNN model is characterized by learning the input and output relationship directly from a fully connected part, and the fully connected part (fully connected part) includes a plurality of hidden layers, each hidden layer is activated by the ReLU function, and the input data of the fully connected part is input by vectorizing a normalized channel matrix to obtain the P1. It is characterized by

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 스펙트럼 누출이 존재하는 IoT 셀룰러 네트워크 시스템에서IoT 기기의 서브밴드 할당 및 송신전력 제어를 공동으로 최적화하여 네트워크의 총 전송률을 최대화하는 제어방법을 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a control method for maximizing the total transmission rate of the network can be provided by jointly optimizing subband allocation and transmission power control of IoT devices in an IoT cellular network system where spectrum leakage exists.

본 발명의 일 실시 예에 따른 자원 할당 방법은, 직접 풀기 어려운 non-convex integer programming 문제를 두 단계 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 optimization problem.

또한, 제안된 접근 방식에서 CNN모델 또는 FNN모델을 적용하여 계산 복잡도가 증가하지 않으면서도 성능을 크게 향상시킬 수 있다.Additionally, by applying the CNN model or FNN model in the proposed approach, performance can be greatly improved without increasing computational complexity.

도 1a은 본 발명의 일 실시 예에 따른 IoT 셀룰러 네트워크의 시스템의 예를 도시한 것이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제어 장치의 예를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 최적의 서브밴드 할당 및 송신전력 제어의 해를 구하는 CNN 모델의 구조를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 최적화 문제에 대해 적용되는 표준화된 채널 행렬을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 서브밴드 할당 및 송신전력 제어를 위한 2단계 최적화 방법에 대한 전체적인 순서도를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 FNN 구조를 도시한 것이다.
도 6은 N = 5 및 ρ1 = -35dB일 때 K에 대한 총 전송률(sum rates)을 도시한 것이다.
도 7은 K = 12 및 ρ1 = -35dB일 때 N에 대한 총 전송률을 도시한 것이다.
도 8은 N = 4 및 K = 8일 때 ρ1에 대해 총 전송률을 도시한 것이다.
Figure 1A shows an example of an IoT cellular network system according to an embodiment of the present invention.
Figure 1B shows an example of a control device according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows the structure of a CNN model that finds the solution to optimal subband allocation and transmission power control according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows a standardized channel matrix applied to an optimization problem according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 shows an overall flowchart of a two-step optimization method for subband allocation and transmission power control according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 shows the FNN structure according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 shows the sum rates for K when N = 5 and ρ1 = -35dB.
Figure 7 shows the total transmission rate for N when K = 12 and ρ1 = -35dB.
Figure 8 shows the total transmission rate for ρ1 when N = 4 and K = 8.

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", “…유닛”, "…장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In addition, “…part”, “…gi”, “…” written in the specification. Terms such as “unit” and “…device” 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.

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 총 전송률 최대화를 위한 자원 할당 방법 및 시스템에 대해 상세하게 설명한다.Hereinafter, a resource allocation method and system for maximizing the total transmission rate 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. 또한, [1:N] = {1, 2, . . . , N } 이다. 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 Also, [1:N] = {1, 2, . . . , N }.

본 발명의 일 실시 예에서는 기지국이 IoT 사용자에게 서비스를 제공하기 위해 여러 서브밴드를 사용하고 스펙트럼 누출로 인한 서브밴드 간의 간섭이 존재하는 상향링크 IoT 셀룰러 네트워크에서 공동 자원 할당을 최적화하는 방법을 제공한다. One embodiment of the present invention provides a method for optimizing joint resource allocation in an uplink IoT cellular network where a base station uses multiple subbands to provide services to IoT users and there is interference between subbands due to spectrum leakage. .

일 예를 들면, 스펙트럼 누출이 존재하는 셀룰러 IoT 환경에서, 네트워크 내 기기의 총 전송률을 최대화하기 위한 자원 할당 방법을 제시한다. For example, in a cellular IoT environment where spectrum leakage exists, a resource allocation method is presented to maximize the total transmission rate of devices in the network.

IoT 기기들은 값싼 회로로 구성되어 있는 경우가 많기 때문에, 실제 구현된 IoT 송신신호는, 자신에게 할당된 자원인 주파수 대역(스펙트럼)에만 존재하는 것이 아니라 인접 스펙트럼에도 일부 존재하여 간섭을 미치게 된다. 본 발명에서는 이러한 현상을 스펙트럼 누출 현상이라고 정의한다.Since IoT devices are often composed of cheap circuits, the actual IoT transmission signal does not exist only in the frequency band (spectrum) that is the resource allocated to it, but also exists in some adjacent spectrum, causing interference. In the present invention, this phenomenon is defined as a spectral leakage phenomenon.

도 1a은 본 발명의 일 실시 예에 따른 IoT 셀룰러 네트워크의 시스템의 예를 도시한 것이다.Figure 1A shows an example of an IoT cellular network system according to an embodiment of the present invention.

도 1a을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 IoT 셀룰러 네트워크의 시스템은, 기지국(BS)과 각각 하나의 안테나를 갖는 IoT 기기(10-1, 10-2, … 10-K), 동일한 대역폭을 가진 총 N개의 서브밴드를 사용하는 상향링크 IoT 셀룰러 네트워크 및 이를 제어하는 제어장치(900)를 포함한다. Referring to FIG. 1A, the IoT cellular network system according to an embodiment of the present invention includes a base station (BS) and IoT devices 10-1, 10-2, ... 10-K, each having one antenna, the same It includes an uplink IoT cellular network using a total of N subbands with bandwidth and a control device 900 that controls it.

본 발명의 일 실시 예에 따른 제어장치(900)는 기지국(BS) 내에 내장되거나, 또는 기지국(BS) 외부의 원격 통제실 내에 설치되어 통신 네트워크를 통해 기지국(BS) 및 각 IoT 기기(10-1, 10-2, …10-K)의 통신 자원 및 전력을 제어한다.The control device 900 according to an embodiment of the present invention is built into the base station (BS) or installed in a remote control room outside the base station (BS) and communicates with the base station (BS) and each IoT device (10-1) through a communication network. , 10-2, …10-K) communication resources and power are controlled.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, IoT 기기는 전체 K개 존재하고, 주파수 서브밴드는 전체 N개 존재한다. 본 발명의 일 실시 예에서 IoT 기기들은 송신기, 기지국은 수신기인 상향링크 통신을 하는 것으로 가정한다.According to an embodiment of the present invention, there are a total of K IoT devices and a total of N frequency subbands. 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 기지국(BS)과의 통신을 위해, 하나의 서브밴드에 할당된다. (즉, 여러 사용자가 동 시간대에 같은 서브밴드에 할당될 수 없음, 즉 OMA) 각 서브밴드에 할당된 IoT 기기는 자신의 데이터를 기지국(BS)으로 전송한다. According to an embodiment of the present invention, IoT devices (10-1, 10-2, ...10-K) are allocated to one subband for communication with a base station (BS). (i.e., multiple users cannot be assigned to the same subband at the same time, i.e. OMA) IoT devices assigned to each subband transmit their data to the base station (BS).

본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 제어장치(900)는 컴퓨터 시스템 내에, 예를 들어, 컴퓨터 판독가능 기록 매체로 구현될 수 있다. The control device 900 according to an embodiment of the present invention may be implemented in a computer system, for example, as a computer-readable recording medium.

도 1b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제어장치의 예를 도시한 것이다.Figure 1b shows an example of a control device according to an embodiment of the present invention.

도 1b에 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. 1B, 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, 서브밴드 할당 및 송신전력 산출처리부(980)에서는 프로그램된 알고리즘에 따라 최적의 서브밴드 할당을 산출하고, 딥러닝 처리부(990)와 연계하여 최적의 송신전력을 산출할 수 있다. 상기 딥러닝 처리부(990)는 딥러닝 프로그램이 내재되어 프로그램된 알고리즘에 따라 학습을 하여 각 IoT 기기들의 서브밴드 할당 방법 및 송신전력 제어에 대한 최적의 해를 구하는 기능을 수행한다.For example, when the instructions are executed by the processor 910, the subband allocation and transmission power calculation processing unit 980 calculates the optimal subband allocation according to a programmed algorithm, and the deep learning processing unit 990 In conjunction with , the optimal transmission power can be calculated. The deep learning processing unit 990 has a built-in deep learning program and learns according to a programmed algorithm to find the optimal solution for subband allocation method and transmission power control for each IoT device.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, OMA 통신을 고려하며 서브밴드 간의 간섭이 발생할 수 있음을 고려한다. 본 발명의 일 실시 예에서는 기지국(BS)과 모든 IoT 기기는 각각 하나의 안테나를 가지고 있다고 가정한다. 또한, 각 IoT 기기는 N개의 서브밴드 중 하나만 액세스하여 데이터를 전송할 수 있으며 또한 OMA(orthogonal multiple access) 즉, 여러 IoT 기기가 동일한 주파수 대역에 할당될 수 없다고 가정한다. According to an embodiment of the present invention, OMA communication is considered and it is taken into account that interference between subbands may occur. In one embodiment of the present invention, it is assumed that the base station (BS) and all IoT devices each have one antenna. Additionally, it is assumed that each IoT device can transmit data by accessing only one of N subbands and that OMA (orthogonal multiple access), that is, multiple IoT devices cannot be assigned to the same frequency band.

본 발명의 일 실시 예에서는 각각 모든 IoT 기기의 집합과 모든 서브밴드의 집합을 나타낸다.In one embodiment of the present invention and It represents the set of all IoT devices and the set of all subbands, respectively.

또한, 은 사용자 에 할당되었는지 여부를 나타내는 것으로 정의된다. 즉, 은 IoT 기기 k가 서브밴드n에 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 subband n, otherwise am.

편의를 위해 를 다음과 같은 이진 표시기로 표시하게 되면, 서브밴드 m이 사용자 기기 i에 할당되면, , 그렇지 않으면 , 이때 이다.for your convenience Expressed as the following binary indicator, if subband m is assigned to user device i, , Otherwise , At this time and am.

위와 같은 가정으로 인해 는 다음 수학식 1의 두가지 제약조건을 만족해야 한다.Due to the above assumptions must satisfy the two constraints of Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

IoT 기기 가 서브밴드 에 할당되었다고 가정하면 는 표시된 시간(t)에서 IoT 기기(i)가 전송한 신호로, 다음 [수학식2]로 표현될 수 있다.IoT devices a subband Assuming it is assigned to is a signal transmitted by the IoT device (i) at the indicated time (t), and can be expressed as [Equation 2] below.

[수학식 2][Equation 2]

여기서 는 시간 t에서 IoT 기기 i의 독립 정보 심볼로, 라고 나타낸다. 그리고, 와 관련된 송신전력을 나타내며 전력 제약 조건 ()을 만족한다.here is an independent information symbol of IoT device i at time t, It indicates that and, Is It represents the transmission power related to the power constraint ( ) is satisfied.

본 발명의 일 실시 예에서는 IoT 기기의 대역 외 방출로 인해 주파수 서브밴드 간의 스펙트럼 누출이 발생한다고 가정한다. IoT 기기 i의 서브밴드 m에서 서브밴드 n까지의 채널 계수를 로 표시하고 통신 중에 고정된 상태로 유지되고 기지국(BS)에 알려져 있다고 가정한다. 이는 IoT 통신의 경우 데이터 패킷의 크기가 작아 데이터 패킷을 전송하는 데 걸리는 시간이 상당히 짧다는 점을 감안한 것이다. In one embodiment of the present invention, it is assumed that spectral leakage between frequency subbands occurs due to out-of-band emissions from IoT devices. Channel coefficients from subband m to subband n of IoT device i It is denoted by and is assumed to remain fixed during communication and to be known to the base station (BS). This takes into account that in the case of IoT communication, the size of the data packet is small, so the time it takes to transmit the data packet is quite short.

또한, 본 발명의 일 실시 예에서는 상향링크 통신 시나리오를 고려하기 때문에 IoT 기기로부터 파일럿 신호를 수신하여 기지국(수신기 측)에서 채널 상태 정보(CSI)를 쉽게 추정할 수 있다.Additionally, in one embodiment of the present invention, since an uplink communication scenario is considered, the base station (receiver side) can easily estimate channel state information (CSI) by receiving a pilot signal from an IoT device.

그러면 로 표시된 시간 t에서 서브밴드 에서 기지국의 수신 신호는 then Subband at time t denoted by The received signal from the base station is

로 주어진다.is given as

여기서 는 서브밴드 n에서의 additive noise이다here is the additive noise in subband n.

[수학식 3][Equation 3]

여기서 Ri는 IoT 기기 의 전송률을 나타내고, 우측식은 스펙트럼 누출로 인한 서브밴드의 간섭을 나타낸 것이다.Here, Ri represents the transmission rate of the IoT device, and the equation on the right represents subband interference due to spectrum leakage.

비고 1: 모든 n ≠m 및 에 대해 를 설정함으로써, 본 발명의 일 실시 예에 따른 채널 모델은 서브밴드 간의 스펙트럼 누출이 없다고 가정하는 기존 시나리오를 복구할 수 있다. Remark 1: For all n ≠m and About By setting , the channel model according to an embodiment of the present invention can recover the existing scenario assuming that there is no spectrum leakage between subbands.

또한 제약 조건(1) 을 제거하여 NOMA와 하나의 IoT 기기가 여러 서브밴드에 액세스할 수 있도록 하여, 보다 일반적인 시나리오로 확장할 수 있다.Also constraint(1) By eliminating NOMA and allowing one IoT device to access multiple subbands, it can be expanded to more general scenarios.

본 발명의 일 실시 예에 따른 목적은 IoT 기기의 서브밴드 할당 및 송신전력 제어를 공동으로 최적화하여 네트워크의 총 전송률을 최대화하는 방법을 제공하는 것이다.The purpose of an embodiment of the present invention is to provide a method for maximizing the total transmission rate of a network by jointly optimizing subband allocation and transmission power control of IoT devices.

본 발명의 일 실시 예에서는 셀룰러 IoT 네트워크를 고려하기 때문에 기지국은 CSI를 활용하여 각 IoT 기기의 서브밴드 할당과 송신전력 제어를 중앙에서 관리할 수 있다.)In one embodiment of the present invention, since a cellular IoT network is considered, the base station can centrally manage subband allocation and transmission power control for each IoT device using CSI.)

본 발명의 명세서에서는 서브밴드 할당 행렬 의 (m, i)번째 요소는 로 정의한다.In the specification of the present invention, the subband allocation matrix The (m, i)th element of It is defined as

또한, i번째 요소가 pi 인 전력 제어 벡터는 로 정의한다. 본 발명의 일 실시 예에서 주파수 서브밴드 할당과 IoT 기기의 송신전력 제어를 통해 총 전송률을 최대화하는 제어방법은 [수학식4]와 같이 공식화할 수 있다.Additionally, the power control vector whose ith element is pi is It is defined as In one embodiment of the present invention, a control method for maximizing the total transmission rate through frequency subband allocation and transmission power control of IoT devices can be formulated as [Equation 4].

[수학식 4][Equation 4]

여기서 는 고정된 C 및 p에 대해 [수학식 3]에 의해 제공된다.here is given by [Equation 3] for fixed C and p.

수학식 4에서 (4a)는 네트워크 내 IoT 기기들의 총 전송률을 최대화에 관한 것이다. 또한, (4b)는 각 서브밴드에는 하나의 IoT 기기만을 할당 가능하도록 제어하는 것이다. In Equation 4, (4a) is about maximizing the total transmission rate of IoT devices in the network. Additionally, (4b) controls so that only one IoT device can be assigned to each subband.

또한, (4c)는 각 IoT 기기는 하나의 서브밴드에만 할당 가능하도록 제어하는 것이다. 또한, (4d)는 각 IoT 기기들의 전력 제한 조건을 나타낸다.Additionally, (4c) controls so that each IoT device can be assigned to only one subband. Additionally, (4d) represents the power limitation conditions for each IoT device.

최적화 문제(수학식4)는 서브밴드 할당의 특성과 서브밴드 사이의 스펙트럼 누출의 존재로 인해 볼록하지 않은 정수 프로그래밍 문제이다. 따라서 볼록 완화 전략을 사용하는 기존 최적화 방법으로는 쉽게 풀기가 어렵기 때문에 해를 구하는 데 계산의 복잡성으로 상당한 시간이 소요될 수 있다. The optimization problem (Equation 4) is a non-convex integer programming problem due to the nature of subband allocation and the existence of spectral leakage between subbands. Therefore, it is difficult to solve easily with existing optimization methods using convex relaxation strategies, so finding a solution may take a considerable amount of time due to computational complexity.

본 발명의 일 실시 예에서는 이 문제를 극복하기 위해 낮은 계산 복잡성으로 해를 구하는 총 전송률을 크게 향상시킬 수 있는 딥러닝 기반의 새로운 최적화 방법을 제시한다.In order to overcome this problem, an embodiment of the present invention proposes a new optimization method based on deep learning that can significantly improve the total transmission rate for finding a solution with low computational complexity.

[딥러닝 기반 알고리즘 제안][Deep learning-based algorithm proposal]

본 발명의 일 실시 예에서는 (수학식4)의 풀이의 계산 복잡도를 줄이기 위해 서브밴드 할당과 송신전력 제어를 순차적으로 수행하는 2단계 최적화 방법을 제안한다. In one embodiment of the present invention, a two-step optimization method is proposed in which subband allocation and transmission power control are sequentially performed to reduce the computational complexity of solving (Equation 4).

구체적으로, 온-오프(on-ff) 전력 제어만 적용된다고 가정하면, 먼저 다음과 같이 공식화된 서브밴드 할당 문제 P1의 해를 구한다. Specifically, assuming that only on-off (on-ff) power control is applied, first solve the subband allocation problem P1 formulated as follows.

본 발명의 일 실시 예에 따른 최적화 1단계는 모든 IoT 기기의 송신전력을 최대로 가정하고, P1을 최대화하는 서브밴드 할당 세트를 유추하는 것이다.The first step of optimization according to an embodiment of the present invention is to assume the maximum transmission power of all IoT devices and infer a subband allocation set that maximizes P1.

[수학식 5][Equation 5]

여기서 는 모든 IoT 기기가 최대 전송 전력(예: , )을 가질 때의 전력 제어 벡터를 나타낸다. 그런 다음, P1을 풀고, C를 C*로 결정한 다음, 주어진 C*에 대해 다음 최적화 문제 P2의 해를 구하면, 적절한 전력 제어 벡터가 검색될 수 있다.here ensures that every IoT device has a maximum transmit power, e.g. , ) represents the power control vector when having . Then, by solving P1, determining C to be C* , and then solving the following optimization problem P2 for a given C *, the appropriate power control vector can be found.

[수학식6][Equation 6]

본 발명의 일 실시 예에서 상기 최적화 문제 P1과 P2에 지도 학습 기반 딥러닝을 적용하는 것을 특징으로 한다. 다음에서는 제안된 접근 방식의 세부 단계를 설명합니다.In one embodiment of the present invention, supervised learning-based deep learning is applied to the optimization problems P1 and P2. In the following, we describe the detailed steps of the proposed approach.

[CNN의 구조][Structure of CNN]

본 발명의 일 실시 예에 따르면, CNN을 사용하여 수학식 (5)와 (6)의 공간적 특징을 효과적으로 추출할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the spatial features of equations (5) and (6) can be effectively extracted using CNN.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 최적의 서브밴드 할당 및 송신전력 제어의 해를 구하는 CNN 모델의 구조를 도시한 것이다.Figure 2 shows the structure of a CNN model that finds the solution to optimal subband allocation and transmission power control according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 CNN 모델의 구조는 Convolution 부(Convolution part), Flattening부(Flattening part) 및 Activation 부(Activation part)의 세 부분을 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 2, the structure of a CNN model according to an embodiment of the present invention includes three parts: a convolution part, a flattening part, and an activation part.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, Convolution 부에서는 고차원 입력 데이터와 CNN 모델의 컨볼루션 필터를 컨볼루션 연산하여 P1과 P2의 공간적 특징 맵을 추출한다. 그런 다음, 컨볼루션 부에서 추출한 특징 맵을 Activation 부에 입력하기 위해 Flattening 부에서 벡터화된다. 그런 다음, Flattening 부의 출력은 Activation 부의 출력단에서 각 최적화 문제에 적합한 활성화 함수를 사용하여 매핑되어 모델이 실행 가능한 출력을 효과적으로 추론할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the convolution unit extracts spatial feature maps of P1 and P2 by performing a convolution operation between high-dimensional input data and the convolution filter of the CNN model. Then, the feature map extracted from the convolution part is vectorized in the flattening part to be input to the activation part. Then, the output of the flattening part is mapped using an activation function appropriate for each optimization problem at the output of the activation part, allowing the model to effectively infer executable outputs.

구체적으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 Convolution 부는 Nc 연결 레이어로 구성된다. 각 레이어에 대해 필터의 크기는 3×3으로 설정되고 필터의 깊이는 Fc로 설정된다. Convolution 부의 출력은 Flattening 부의 최종 활성화를 위해 평탄화된다. 마지막으로 Flattening 부의 출력은 Activation 부에 공급된다. Specifically, the convolution unit according to an embodiment of the present invention is composed of N c connection layers. For each layer, the size of the filter is set to 3×3 and the depth of the filter is set to F c . The output of the convolution part is flattened for final activation of the flattening part. Finally, the output of the Flattening section is supplied to the Activation section.

본 발명의 일 실시 예에 따른 CNN 학습 방법은 기존 CNN 기반의 작업([비특허문헌8], [비특허문헌11] 참조)]과 달리 CNN 구조에서 복잡도를 줄이기 위해 추가적인 완전 연결 레이어(fully connected layer)가 convolution 부 뒤에 연결되지 않는다는 점에 기술적 특징이 있다. Unlike existing CNN-based operations (see [Non-patent Document 8] and [Non-patent Document 11]), the CNN learning method according to an embodiment of the present invention provides an additional fully connected layer to reduce complexity in the CNN structure. A technical feature is that the layers are not connected after the convolution part.

완전 연결 레이어가 존재하는 경우, 모델 매개변수의 수를 늘려 모델 복잡성을 증가시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에서는 추가 완전 연결 레이어 없이도 최적의 성능을 얻을 수 있어서, 딥러닝 학습의 효율성을 높일 수 있다.If fully connected layers exist, model complexity can be increased by increasing the number of model parameters. In one embodiment of the present invention, optimal performance can be obtained without an additional fully connected layer, thereby increasing the efficiency of deep learning learning.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, P1과 P2를 푸는 데 사용되는 CNN 구조는 Activation 부만 다르고, 나머지 부는 동일하다.According to one embodiment of the present invention, the CNN structures used to solve P1 and P2 are different only in the Activation part, and the remaining parts are the same.

구체적으로, P1의 경우, 최종 출력은 다중 클래스 분류를 위해 softmax 함수에 의해 활성화되는 것을 특징으로 한다. 즉, Activation 부의 입력이 x로 주어질 때 최종 출력의 i번째 요소는 가 된다.Specifically, in the case of P1, the final output is characterized by being activated by the softmax function for multi-class classification. That is, when the input of the Activation unit is given as x, the ith element of the final output is It becomes.

여기서 xi는 x의 i번째 요소를 나타낸다.Here, xi represents the ith element of x.

P1에서 사용된 딥러닝 모델에서 모델의 출력은 각 서브밴드에 할당될 수 있는 IoT 기기들의 확률 값을 나타낸다. 따라서 이러한 다중 클래스 분류가 가능하도록 softmax 함수를 활성화 부분에 연결한다. 이는 본 발명의 일 실시 예에 따른 해에서 최종 예측 값이 확률 값이므로, 최종 출력 벡터의 모든 원소의 합이 1이 되도록 하기 위함이다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 각 서브밴드에 IoT 기기가 하나만 할당되는 상황을 가정하므로, 각 서브밴드에 어떤 IoT 기기가 할당될 지 예측하는 N개의 모델을 구성하여 문제 해결이 가능하다. →예를 들면, N개의 다중 분류 문제로 원래 문제를 치환하는 것이다.In the deep learning model used in P1, the model's output represents the probability value of IoT devices that can be assigned to each subband. Therefore, the softmax function is connected to the activation part to enable such multi-class classification. This is to ensure that the sum of all elements of the final output vector is 1 because the final predicted value in the solution according to an embodiment of the present invention is a probability value. According to an embodiment of the present invention, since it is assumed that only one IoT device is allocated to each subband, the problem can be solved by constructing N models that predict which IoT device will be allocated to each subband. →For example, replacing the original problem with N multiple classification problems.

따라서 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 기지국과 IoT 기기 사이의 채널을 입력으로 받아, 각 IoT 기기 당 주파수 서브밴드에 할당될 확률이 예측할 수 있다. 따라서 딥러닝 모델의 예측값을 활용함으로써, 풀고자 하는 문제의 정수 제약 조건을 효과적으로 다룰 수 있다.Therefore, according to an embodiment of the present invention, the probability of being assigned to a frequency subband for each IoT device can be predicted by receiving the channel between the base station and the IoT device as input. Therefore, by utilizing the predicted values of the deep learning model, the integer constraints of the problem to be solved can be effectively handled.

한편, P2의 경우, 송신전력 제약(4d)을 보다 쉽게 만족시키기 위해 활성화 부분에서 sigmoid 함수를 사용한다. 즉, 출력 벡터의 i번째 요소는 로 설정된다.Meanwhile, in the case of P2, the sigmoid function is used in the activation part to more easily satisfy the transmission power constraint (4d). That is, the ith element of the output vector is is set to .

보다 구체적으로, P2에 적용된 딥러닝 모델은 정규화된 최적의 전력 제어 벡터를 예측해야 하므로 출력 값을 범위 [0, 1]에 매핑하는 sigmoid 함수를 활성화 함수로 사용하는 것을 특징으로 한다.More specifically, the deep learning model applied to P2 must predict the normalized optimal power control vector, so it is characterized by using the sigmoid function that maps the output value to the range [0, 1] as an activation function.

[딥러닝 기반 서브밴드 할당 방법][Deep learning-based subband allocation method]

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 최적화 문제에 대한 표준화된 채널 행렬을 도시한 것이다.Figure 3 shows a standardized channel matrix for an optimization problem according to an embodiment of the present invention.

학습을 위한 데이터 세트를 생성하기 위해 먼저 각 채널 구현에 대한 검색을 통해 수학식(5)를 최대화하는 최적의 서브밴드 할당 행렬 C*을 찾고 전력 제어 벡터는 로 고정이 된다.To generate a data set for training, we first search for each channel implementation to find the optimal subband allocation matrix C* that maximizes equation (5), and the power control vector is It is fixed with .

그런 다음 도 4(a)의 표준화된 채널 행렬 에 의해 데이터 세트를 생성시킨다. Then the normalized channel matrix in Figure 4(a) A data set is created by .

여기서 도 3(a)의 는 다음 [수학식 7]로 주어진다.Here in Figure 3(a) is given by [Equation 7] below.

[수학식 7][Equation 7]

여기에서 본 발명의 일 실시 예에 따른 입력 데이터에 대한 이러한 표준화 방법은, 학습 프로세스가 빠르게 수렴되도록 하고 모델 매개변수를 업데이트하기 위해 경사하강법을 적용할 때 로컬 최적 솔루션으로 떨어지는 문제에 대해 견고하게 만들 수 있다.Here, this normalization method for input data according to an embodiment of the present invention ensures that the learning process converges quickly and is robust against the problem of falling to a local optimal solution when applying gradient descent to update model parameters. You can make it.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제약 조건 수학식(4b)으로 인해 원래 문제는 C*의 각 열을 요소 중 하나만 1이고 나머지 요소는 모두 0인 one-hot 타깃 벡터로 간주하여 N개의 분류 문제로 분해될 수 있다. According to one embodiment of the present invention, due to the constraint equation (4b), the original problem is N classification problems by considering each column of C* as a one-hot target vector in which only one of the elements is 1 and all remaining elements are 0. can be decomposed into

또한, 본 발명의 일 실시 예에서는 주어진 서브밴드에 IoT 기기가 할당되지 않은 경우에도 one-hot 인코딩을 적용하기 위해 C*의 왼쪽에 열이 모두 0인 벡터를 추가하는 단계를 수행한다. 따라서 최적의 서브밴드 할당 행렬은 이제 가 된다. 그런 다음 C*에 기반한 학습을 통해 적절한 서브밴드 할당 행렬을 찾기 위해 N개의 분산 모델을 구성하는 과정이 수행된다.Additionally, in one embodiment of the present invention, a step of adding a vector with all 0 columns to the left of C* is performed to apply one-hot encoding even when an IoT device is not assigned to a given subband. Therefore, the optimal subband allocation matrix is now It becomes. Then, the process of constructing N distributed models is performed to find an appropriate subband allocation matrix through C* -based learning.

구체적으로, 각 모델 은 다중 클래스 분류 문제에 널리 채택된 범주형 교차 엔트로피인 손실 함수[수학식 8]를 최소화하도록 개별적으로 학습된다.Specifically, each model are individually learned to minimize the loss function [Equation 8], which is a categorical cross-entropy widely adopted in multi-class classification problems.

[수학식 8][Equation 8]

여기서 는 one-hot 타깃 벡터로, 의 i번째 요소를 나타내고, 여기서 C*의 m번째 행 벡터이고, 는 출력 벡터로, 의 j번째 요소를 나타낸다. 이는 수학식8의 최소화 과정에서 모든 훈련 epoch의 마지막에 업데이트된 모델의 예측 벡터이다.here is a one-hot target vector, represents the ith element of , where is the mth row vector of C* , is the output vector, Represents the jth element of . This is the model's prediction vector updated at the end of every training epoch in the minimization process of Equation 8.

손실 함수를 수학식(8)과 같이 설정하면 학습된 모델의 출력이 특정 정수 클래스에 할당될 확률을 효과적으로 나타낼 수 있으며 결과적으로 최적화 과정에서 (수학식 4)의 정수 제약 조건을 효과적으로 고려할 수 있다. Setting the loss function as in Equation (8) can effectively represent the probability that the output of the learned model is assigned to a specific integer class, and as a result, the integer constraint of (Equation 4) can be effectively considered in the optimization process.

그러나 앞서 언급한 분해 접근법에서 얻은 결과적인 서브밴드 할당 행렬이 수학식 (4c)를 만족한다는 보장은 없다. 이는 각 모델이 독립적으로 학습되기 때문에 각 모델의 추론이 경우에 따라 동일할 수 있으므로 하나의 IoT 기기가 동시에 여러 서브밴드에 할당될 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에서는 이 문제를 해결하기 위해 검색 공간에서 최적의 k 후보를 찾고 k를 조정하여 계산 복잡도를 제어하는 k-best후보 알고리즘 기반의 순차 최적화 알고리즘을 적용한다.However, there is no guarantee that the resulting subband allocation matrix obtained from the aforementioned decomposition approach satisfies equation (4c). This is because each model is trained independently, so the inference of each model may be the same in some cases, so one IoT device can be assigned to multiple subbands at the same time. In one embodiment of the present invention, to solve this problem, a sequential optimization algorithm based on the k-best candidate algorithm is applied to find the optimal k candidates in the search space and control computational complexity by adjusting k.

본 발명의 일 실시 예에 따른 알고리즘의 동작 순서는 다음과 같다.The operation sequence of the algorithm according to an embodiment of the present invention is as follows.

① 임의의 서브밴드 할당에 대한 IoT 기기 행렬과 임의의 순열( )을 입력 데이터로 입력하고, 상기 CNN 모델의 서브밴드 할당 출력()을 바탕으로, 확률이 큰 순서대로 개의 IoT 기기들의 후보군을 선택하여 N 개의 k-best후보 집합을 구성한다. 이러한 방식으로 각 서브밴드에 할당될 IoT 기기들의 순서를 정한다.① IoT device matrix and random permutation for random subband allocation ( ) is input as input data, and the subband allocation output of the CNN model ( ) Based on this, a candidate group of IoT devices is selected in order of increasing probability to form a set of N k-best candidates. In this way, the order of IoT devices to be assigned to each subband is determined.

② 학습 모델의 입력데이터로 상기 정해진 할당 순서에 맞추어 두 개의 서브밴드를 고른 뒤, 각 후보 집합에서 IoT 기기를 하나씩 할당한다. 이때, 두 서브밴드에 동일한 IoT 기기가 선택된다면, 앞 순서 서브밴드에 해당 IoT 기기를 할당하고, 뒤 순서 서브밴드에는 그 해당 IoT 기기를 할당하지 않는다.② As input data for the learning model, select two subbands according to the above-described allocation order, and then assign one IoT device from each candidate set. At this time, if the same IoT device is selected for both subbands, the corresponding IoT device is assigned to the previous subband, and the corresponding IoT device is not assigned to the next subband.

③ 위 ② 단계에서, P1을 계산하여 P1이 최대화되는 할당 집합을 선택하고, 이에 따라 해당 서브밴드에 IoT 기기를 할당한다(이 단계에서는 모든 IoT 기기의 송신전력을 최대로 가정하고, P1을 최대화하는 서브밴드 할당 집합을 탐색한다.). 그 후, 할당된 IoT 기기들을 남은 k-best후보 집합에서 제외시킨다.③ In step ② above, P1 is calculated to select an allocation set where P1 is maximized, and IoT devices are assigned to the corresponding subband accordingly (in this step, the transmission power of all IoT devices is assumed to be maximum, and P1 is maximized) (searches for a set of subband allocations). Afterwards, the assigned IoT devices are excluded from the remaining k-best candidate set.

④ ③단계에서 할당된 IoT 기기들을 고정하고, 다음 순서 서브밴드를 선택하여 해당 k-best후보 집합에서 IoT 기기를 하나씩 할당하며 P1이 최대화하는 경우를 찾는다.④ Fix the IoT devices assigned in step ③, select the next subband, assign IoT devices one by one from the corresponding k-best candidate set, and find the case where P1 maximizes.

⑤ ② - ④ 단계를 마지막 순서의 서브밴드까지 반복하여, 최종 서브밴드 할당 집합을 얻는다.⑤ Steps ② - ④ are repeated up to the last ordered subband to obtain the final subband allocation set.

위 알고리즘을 가능한 모든 순서 (!) 에 대해 수행하여, 그 중 P1을 최대화하는 서브밴드 할당 집합을 얻는다.By performing the above algorithm for all possible orders (!), we obtain a set of subband allocations that maximize P1 among them.

다음 표1은 주어진 s에 대한 서브밴드 할당을 위한 제안된 순차적 알고리즘을 코드로 나타낸 것이다.Table 1 below shows the proposed sequential algorithm for subband allocation for a given s in code.

앞서 설명한 알고리즘의 동작 순서는 구체적으로, 출력 벡터 의 각 요소가 해당 서브밴드 m에 IoT 기기가 할당될 확률을 나타낸다는 사실을 이용하여, k 후보 IoT 기기들의 확률을 내림차순으로 선택하고, 선택된 IoT 기기를 순차적으로 수학식(4c)를 만족하도록 최적화 학습을 수행한다.The operation sequence of the algorithm described above is specifically, the output vector Using the fact that each element of represents the probability of an IoT device being assigned to the corresponding subband m, the probabilities of k candidate IoT devices are selected in descending order, and the selected IoT devices are sequentially optimized to satisfy Equation (4c). Perform learning.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 집합 의 가능한 모든 순열 집합을 로 표시한다. 또한 의 n번째 요소를 으로 나타낸다. 주어진 순열 에 대해 본 발명의 일 실시 예에 따른 k -best 알고리즘은 구체적인 예는 다음과 같은 단계의 방법으로 수행된다.According to one embodiment of the present invention, the set The set of all possible permutations of It is displayed as also The nth element of It is expressed as given permutation and For a specific example, the k-best algorithm according to an embodiment of the present invention is performed in the following step method.

1) 의 가장 큰 k개의 요소가 1로 설정되고 다른 요소가 0으로 설정되도록 수정된 버전의 를 나타낸다.One) Is A modified version of represents.

2) k -best 후보 IoT 기기 행렬을 로 정의한다. 를 C의 (i, j)번째 요소라고 한다. 또한 를 각각 의 i번째 행 벡터라고 한다.2) k -best candidate IoT device matrix It is defined as is called the (i, j)th element of C. also and respectively and It is called the ith row vector of .

3) C 모든 0 행렬, n = 1 및 로 초기화한다. 여기서 에서 1의 위치 집합을 나타낸다. 예를 들어, = [1, 0, 1, 0, 1, 1]이면 = {1, 3, 5, 6} 이다.3) C all zero matrices, n = 1 and Initialize with here silver represents the set of positions of 1. for example, If = [1, 0, 1, 0, 1, 1] = {1, 3, 5, 6}.

4) 주어진 n에 대해, 서브밴드 할당은 서브밴드 Sn 및 Sn=1에 순차적으로 수행된다. 의 첫 번째 열은 IoT 기기가 각 서브밴드에 할당되었는지 여부를 나타낸다.4) For a given n, subband allocation is performed sequentially on subbands S n and S n = 1 . The first column of indicates whether an IoT device is assigned to each subband.

즉, 은 서브밴드 sn에 기기가 할당되지 않았음을 의미한다. 이 경우로 설정한다. in other words, means that the device is not assigned to subband s n . in this case Set to .

그렇지 않으면 에 대해 로 설정하여 에서 후보 기기 중 하나를 선택하고 서브밴드 sn에 할당한다.Otherwise About By setting it to Select one of the candidate devices from and assign it to subband s n .

5) 에 후보 IoT 기기를 하나씩 할당한다. 4단계와 유사하게 인 경우 를 설정한다. 또한, IoT 기기가 이미 서브밴드 sn에 할당된 경우, 서브밴드 sn+1에는 기기가 할당되지 않는다. 예를 들어, 인 경우 를 설정한다. 여기서 이다.5) Assign candidate IoT devices one by one. Similar to step 4 If Set . Additionally, if an IoT device is already assigned to subband s n , the device is not assigned to subband s n+1 . for example, If Set . here and am.

또한 다음 반복을 위해서 이러한 경우에 대해 에 {1}을 추가한다. 그렇지 않으면 에 대해 를 설정한다. 그런 다음 모든 에 대해, 를 계산한다.Also, for the next iteration, Add {1} to . Otherwise About Set . Then all and About, Calculate .

6) 이전 단계에서 j를 최대화하는 (i, j) 쌍을 찾고 그에 따라 서브밴드 sn 및 서브밴드 sn+1에 IoT 기기를 할당한다. 그런 다음 나머지 후보 IoT 기기 집합에서 이러한 할당된 IoT 기기를 제외한다. 이전 단계에서 이미 할당된 IoT 기기는 수학식(4c)를 만족하기 위해 더 이상 다른 서브밴드에 할당될 수 없기 때문이다.6) From the previous step Find the (i, j) pair that maximizes j and assign IoT devices to subband s n and subband s n+1 accordingly. We then exclude these assigned IoT devices from the remaining set of candidate IoT devices. This is because IoT devices already allocated in the previous step can no longer be allocated to other subbands to satisfy Equation (4c).

7) 다음 n을 n+1로 설정하고 n = 이 될 때까지 상기 5) - 6)단계를 반복합니다.7) Next set n to n+1 and n = Repeat steps 5) - 6) above until this is achieved.

8) 서브밴드 할당 행렬 C에 대한 최종 결과를 반환한다.8) Returns the final result for the subband allocation matrix C.

마지막으로 알고리즘 1은 가능한 모든 s에 대해 수행되어 수학식(5)를 최대화하는 최적의 서브밴드 할당 행렬 C를 얻을 수 있다.Finally, Algorithm 1 can be performed for all possible s to obtain the optimal subband allocation matrix C that maximizes Equation (5).

비고 3: 알고리즘 1의 계산 복잡도는 k-인자와 N에 의해 결정된다. 주어진 순열 에 대해 후보 IoT 기기 집합의 크기는 k-인자에 비례하므로 복잡도를 갖는다. 또한 전체 알고리즘은 모든 에 대해 반복한다. 결과적으로 가능한 모든 순열을 고려한 알고리즘 1의 전체 계산 복잡도는 에 의해 제공된다.Remark 3: The computational complexity of Algorithm 1 is determined by k-factor and N. given permutation Since the size of the set of candidate IoT devices is proportional to the k-factor, It has complexity. Also, the entire algorithm is Repeat for. As a result, the overall computational complexity of Algorithm 1 considering all possible permutations is provided by .

[딥러닝 기반 송신전력 할당 방법][Deep learning-based transmission power allocation method]

본 발명의 일 실시 예에 따르면, [딥러닝 기반 서브밴드 할당 방법]에 의해 P1을 해결한 후, 결정된 서브밴드 할당 행렬에 대해 총 전송률을 최대화하기 위한 송신전력 제어 문제 P2를 해결하는 방법을 수행한다.According to an embodiment of the present invention, after solving P1 by [deep learning-based subband allocation method], a method of solving the transmission power control problem P2 to maximize the total data rate for the determined subband allocation matrix is performed. do.

본 발명의 일 실시 예에 따른 송신전력 할당 방법은 지도학습 기반의 CNN (Convolutional Neural Network) 모델을 구성하여, 최적화를 수행하는 것을 특징으로 한다.The transmission power allocation method according to an embodiment of the present invention is characterized by configuring a supervised learning-based CNN (Convolutional Neural Network) model and performing optimization.

서브밴드 할당 행렬은 이전 단계에서 결정되기 때문에 송신전력 제어를 위한 표준화된 채널 행렬 는 도 3(b)와 같이 주어진다. 여기서 는 이전 단계에서 서브밴드 에 할당된 IoT 기기들의 인덱스를 나타낸다.Since the subband allocation matrix is determined in the previous step, it is a standardized channel matrix for transmission power control. is given as in Figure 3(b). here is the subband in the previous step Indicates the index of IoT devices assigned to .

학습 데이터 세트를 구성하기 위해, 무작위로 생성된 채널에 대한 서브밴드 할당을 다시 한번 수행하여 표준화된 채널 행렬 세트를 얻는다. To construct a training data set, subband assignment to randomly generated channels is performed once again to obtain a set of standardized channel matrices.

학습 대상의 경우, 수학식(6)을 최대화하는 최적의 전력 벡터는 충분히 작은 양자화 수준을 갖는 전력 범위(4d)에서 철저하게 검색된 다음 범위에서 정규화된다. For the learning target, the optimal power vector that maximizes equation (6) is searched exhaustively in the power range (4d) with sufficiently small quantization levels, then the range It is normalized in .

결과적으로 학습을 위한 데이터 세트는 표준화된 채널 행렬 와 표준화된 최적의 전력 벡터 로 구성된다.As a result, the data set for training is a normalized channel matrix and the normalized optimal power vector. It consists of

학습 데이터세트가 구성된 후 전력 제어 모델은 손실함수인 수학식9의 MSE(평균 제곱 오차)를 최소화하도록 학습된다.After the training dataset is constructed, the power control model is trained to minimize the mean square error (MSE) of Equation 9, which is the loss function.

[수학식9] [Equation 9]

여기서 는 CNN 모델의 손실함수를 나타내며 는 각각 p*와 출력 벡터 의 i번째 요소를 나타낸다.here represents the loss function of the CNN model. and are p* and the output vector, respectively Represents the ith element of .

P2 최적화를 위한 모델의 최종 출력은 sigmoid 함수에 의해 활성화되므로 수학식(9)를 최소화하여 p*에 가장 가까운 정규화된 전력 벡터 을 예측하도록 모델을 학습할 수 있다. 위 학습에 의해 최적의 송신전력 벡터 p*와 가장 근접한 을 예측할 수 있다.The final output of the model for P2 optimization is activated by the sigmoid function, so that equation (9) is minimized to obtain the normalized power vector closest to p* A model can be trained to predict. The closest to the optimal transmission power vector p* according to the above learning can be predicted.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, CNN 모델 학습 과정에서, p*를 [0, 1] 범위로 정규화한 뒤, 제안 모델의 최종 활성화 함수를 sigmoid 함수로 설정함으로써, 풀고자 하는 문제의 최대 송신전력 조건을 효과적으로 만족시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in the CNN model training process, p* is normalized to the range [0, 1], and then the final activation function of the proposed model is set to the sigmoid function to obtain the maximum transmission power of the problem to be solved. The conditions can be satisfied effectively.

마지막으로, 송신전력 제어 벡터는 학습 과정 후에 로 결정된다.Finally, the transmission power control vector is calculated after the learning process. is decided.

전술한 최적화 방법의 전체적인 절차는 도 4에 요약된다.The overall procedure of the above-described optimization method is summarized in Figure 4.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 서브밴드 할당 및 송신전력 제어를 위한 2단계 최적화 방법에 대한 전체적인 순서도를 도시한 것이다.Figure 4 shows an overall flowchart of a two-step optimization method for subband allocation and transmission power control according to an embodiment of the present invention.

[FNN 기반 제안 알고리즘][FNN-based proposed algorithm]

앞서 설명한 내용은 CNN을 기반으로 한 자원 할당 방식이다.What was explained above is a resource allocation method based on CNN.

본 발명의 또 다른 실시 예에서는 FNN을 통해서도 구현될 수 있다.In another embodiment of the present invention, it can also be implemented through FNN.

Convolutional 부에서 입력 데이터의 인접 요소들 간의 로컬 정보를 추출하여 학습하는 CNN 모델과 달리 FNN 모델은 추출 과정 없이 완전 연결부(fully connected part)에서 직접 입력과 출력 관계를 학습한다는 차이점이 있다. Unlike the CNN model, which learns by extracting local information between adjacent elements of the input data in the convolutional part, the FNN model is different in that it learns the input and output relationship directly from the fully connected part without an extraction process.

본 발명의 일 실시 예에 따른 FNN 기반 방법은 CNN 기반 방식에 비해 간단한 모델 구조로 입력과 출력 관계를 효과적으로 분석할 수 있다. The FNN-based method according to an embodiment of the present invention can effectively analyze the input and output relationship with a simpler model structure than the CNN-based method.

설명의 중복을 피하기 위해 FNN이 도입한 수정 사항을 중점으로 설명한다. To avoid duplication of explanation, we will focus on the modifications introduced by FNN.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 FNN 구조를 도시한 것이다.Figure 5 shows the FNN structure according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 FNN 모델에는 CNN 모델과 같이 Nc 개의 은닉층이 있으며 각 층에는 64개의 뉴런이 포함됩니다. 각 은닉층은 ReLU 함수에 의해 활성화되며 활성화 부분은 CNN 모델과 동일하다. Referring to Figure 5, the FNN model according to an embodiment of the present invention has Nc hidden layers like the CNN model, and each layer includes 64 neurons. Each hidden layer is activated by the ReLU function, and the activation part is the same as the CNN model.

또한 FNN 기반 접근 방식은 CNN 모델 대신 FNN 모델을 적용하여 서브밴드 할당 및 송신전력 제어 문제를 순차적이고, 개별적으로 해결한다.Additionally, the FNN-based approach solves subband allocation and transmission power control problems sequentially and individually by applying the FNN model instead of the CNN model.

반면에, 행렬 형태의 데이터는 FNN 구조의 입력으로 입력될 수 없기 때문에 도 5와 같이 FNN 구조에 들어가기 전에 도 3의 표준화된 채널 행렬을 벡터화해야 한다. 나머지 부분의 부분은 CNN 기반 방식과 동일하게 적용된다.On the other hand, since data in the form of a matrix cannot be input as an input to the FNN structure, the normalized channel matrix of Figure 3 must be vectorized before entering the FNN structure as shown in Figure 5. The remaining parts are applied in the same way as the CNN-based method.

[수치적 평가][Numerical evaluation]

본 발명의 일 실시 예에 따른 최적화 방법에 대해 총 전송률을 수치적으로 평가하여 보았다.The total transmission rate was numerically evaluated for the optimization method according to an embodiment of the present invention.

각 서브밴드의 대역폭은 15kHz, σ2 = -168dBm/Hz, Pmax = 23dBm로 설정된다. 가정합니다. 또한 셀 D의 반경을 D[km] = 0.1로 설정하고 기지국은 셀의 중앙에 위치하며 IoT 기기는 셀 내에 무작위로 균일하게 위치한다.The bandwidth of each subband is set to 15kHz, σ 2 = -168dBm/Hz, and P max = 23dBm. Assume: Additionally, the radius of cell D is set to D[km] = 0.1, the base station is located in the center of the cell, and IoT devices are located randomly and uniformly within the cell.

di[km]로 표시되는 기지국과 IoT 기기 i는 모든 에 대해 범위 내에 있다. The base station and IoT device i, denoted by di[km], are all About It's within range.

IoT 기기 i의 경로 손실은 에 의해 제공된다.The path loss of IoT device i is provided by .

다음 식 10과 같이 로 표시된 서브밴드 m에서 서브밴드 n까지의 스펙트럼 누설률을 가정한다.As shown in Equation 10: Assume the spectral leakage rate from subband m to subband n, denoted by .

[수학식10][Equation 10]

여기서 ρ1은 나중에 지정되며, ρ2 = ρ1 - 20dB, ρ3 = ρ1 - 30dB, 의 경우 이다. 그러면 채널 계수 를 따르는 것으로 가정된다. where ρ1 is specified later, ρ2 = ρ1 - 20 dB, ρ3 = ρ1 - 30 dB, In the case of am. Then the channel coefficient go is assumed to follow.

표2는 샘플당 시뮬레이션 시간(초) 및 ( N, K )=(5, 12)의 k-인자에 대한 상대적 총 전송률 성능을 나타낸 것이다.Table 2 shows the relative total throughput performance for simulation time per sample (seconds) and k-factor of ( N, K ) = (5, 12).

표3은 ( N, K )=(4, 8)모델 구조에 대한 학습시간(초) 및 상대 총 전송률 성능을 나타낸 것이다.Table 3 shows the learning time (seconds) and relative total transfer rate performance for the ( N, K ) = (4, 8) model structure.

표 2에서 제안한 알고리즘의 상대적 총 전송률은 k-인자에 따른 백분율로 표시되어 있다. 알고리즘 1은 계산 복잡성과 총 전송률 성능 사이에 좋은 균형을 제공하고 k가 충분히 클 때(즉, k ≥ 6인 경우) 최적에 가까운 성능을 달성할 수 있는 것으로 분석되었다.In Table 2, the relative total transmission rate of the proposed algorithm is expressed as a percentage according to the k-factor. It was analyzed that Algorithm 1 provides a good balance between computational complexity and total throughput performance and can achieve close to optimal performance when k is sufficiently large (i.e., k ≥ 6).

총 전송률은 k = 6에서 거의 수렴하기 때문에 본 발명의 일 실시 예에서는 전체 시뮬레이션에 대해 k-factor를 6으로 설정하였다.Since the total transmission rate almost converges at k = 6, in one embodiment of the present invention, k-factor is set to 6 for the entire simulation.

또한 FNN 기반 방식과 CNN 기반 방식을 표 3에서 비교하였다. 표 3을 참조하면, FNN 모델이 CNN 모델에 비해 더 짧은 학습 시간으로 학습될 수 있음을 알 수 있다. 그러나 학습 과정에서 공간적 특징 추출이 없기 때문에 FNN 기반 방식은 CNN 기반 방식보다 성능이 떨어지는 것으로 분석되었다.Additionally, the FNN-based method and the CNN-based method are compared in Table 3. Referring to Table 3, it can be seen that the FNN model can be trained with shorter training time than the CNN model. However, because there is no spatial feature extraction during the learning process, the FNN-based method was analyzed to have lower performance than the CNN-based method.

또한 CNN 모델은 FNN 모델보다 모델 매개변수가 현저히 적기 때문에 일반적으로 과적합 문제에 대해 더 적합한 것으로 분석되었다. Additionally, the CNN model was generally found to be more suitable for overfitting problems because it has significantly fewer model parameters than the FNN model.

비교를 위해 다음과 같은 벤치마크 체계가 고려되었다.The following benchmark schemes were considered for comparison:

- 전체 탐색 방식은 서브밴드 할당 행렬 C와 충분히 작은 양자화 레벨을 갖는 이산화된 전력 제어 벡터 p의 모든 가능한 조합을 고려하여 수학식(4)를 최대화한다.- The global search method maximizes Equation (4) by considering all possible combinations of the subband allocation matrix C and the discretized power control vector p with a sufficiently small quantization level.

- 2단계 전체 탐색 방식은 먼저 문제 P1에 대한 최상의 서브밴드 할당 행렬을 철저하게 찾는다. 그런 다음 주어진 서브밴드 할당 행렬에 대해 문제 P2에 대한 최적의 p를 철저하게 찾는다.- The two-step global search method first exhaustively finds the best subband allocation matrix for problem P1. Then, given the subband allocation matrix, we exhaustively find the optimal p for problem P2.

- WMMSE PC(Weighted Minimum Mean Square Error Power Control) 방식은 제안된 방식과 동일한 방식으로 적절한 서브밴드 할당 행렬을 결정한다. 반면, 전력 제어 벡터는 주어진 서브밴드 할당 행렬에 대해 학습 과정 대신 MMSE 기반 반복 계산에 의해 획득된다.- The WMMSE PC (Weighted Minimum Mean Square Error Power Control) method determines an appropriate subband allocation matrix in the same way as the proposed method. On the other hand, the power control vector is obtained by MMSE-based iterative calculation instead of a learning process for a given subband allocation matrix.

- 각 IoT 기기가 온-오프(on-off) 전원 제어만 수행할 수 있는 무 전력 제어(No PC) 방식을 고려한다. WMMSE PC 방식에서와 같이 제안된 방식과 동일한 방식으로 서브밴드 할당 행렬을 선택한다.- Consider a no-power control (No PC) method in which each IoT device can only perform on-off power control. As in the WMMSE PC method, the subband allocation matrix is selected in the same manner as the proposed method.

- 단순화된 서브밴드 할당 방식은 학습 과정 없이, 스펙트럼 누설로 인한 inter-band 간섭을 고려하지 않고 가장 큰 채널 이득을 가진 IoT 기기를 각 서브밴드에 간단히 할당할 수 있다. 수학식(4c)의 조건을 만족하기 위해 알고리즘 1을 이용하여 각 서브밴드에 IoT 기기를 순차적으로 할당한다. 주어진 서브밴드 할당에 대해 제안하는 방식과 동일한 방법으로 전력 제어 벡터를 구한다.- The simplified subband allocation method can simply assign the IoT device with the largest channel gain to each subband without a learning process and without considering inter-band interference due to spectrum leakage. To satisfy the conditions of Equation (4c), IoT devices are sequentially assigned to each subband using Algorithm 1. For a given subband allocation, the power control vector is obtained using the same method as the proposed method.

- 기존의 헝가리 알고리즘[(비특허문헌1) 참조]에 기반한 볼록 완화 방식을 고려한다.- Consider a convex relaxation method based on the existing Hungarian algorithm [see (non-patent document 1)].

K, N 및 ρ1에 대한 고려된 방식의 평균 총 전송률이 각각 도 6, 7 및 8에 도시되어 있다.The average total transmission rates of the considered schemes for K, N and ρ1 are shown in Figures 6, 7 and 8, respectively.

도 6은 N = 5 및 ρ1 = -35dB일 때 K에 대한 총 전송률(sum rates)을 도시한 것이다.Figure 6 shows the sum rates for K when N = 5 and ρ1 = -35dB.

도 7은 K = 12 및 ρ 1 = -35dB일 때 N에 대한 총 전송률을 도시한 것이다.Figure 7 shows the total transmission rate for N when K = 12 and ρ 1 = -35 dB.

도 8은 N = 4 및 K = 8일 때 ρ1에 대해 총 전송률을 도시한 것이다.Figure 8 shows the total transmission rate for ρ1 when N = 4 and K = 8.

전반적으로 결과는 CNN을 사용하여 제안된 방식이 훨씬 더 낮은 복잡성에도 불구하고 전체 검색 또는 2단계 전체 검색 방식에 가까운 성능을 제공하고 종래 기술[(비특허문헌1) 참조]의 방식보다 훨씬 우수한 성능을 제공함을 보여준다.Overall, the results show that the proposed method using CNN provides performance close to the full search or two-stage full search method despite much lower complexity, and performs much better than the method of the prior art [see (Non-Patent Document 1)]. It shows that it provides.

구체적으로, 도 6에서 제안된 서브밴드 할당 알고리즘을 사용하여 CNN 기반 방식의 총 전송률은 단순화된 서브밴드 할당과 대조적으로 K에 따라 증가함을 관찰할 수 있다. Specifically, it can be observed that using the subband allocation algorithm proposed in Figure 6, the total data rate of the CNN-based method increases with K in contrast to the simplified subband allocation.

스펙트럼 누출로 인한 참조는 학습 과정에서 적절하게 고려되었다. References due to spectral leakage were appropriately taken into account during the learning process.

또한 제안된 전력 제어 알고리즘은 WMMSE PC 또는 No PC 방식에 비해 총 전송률을 상당히 향상시키는 것으로 나타났다. 그러나 K가 증가함에 따라 FNN 기반 방식의 성능이 향상되지 않는 것으로 관찰되었다. 이는 입력 채널 행렬의 깊이가 K에 비례하여 증가하기 때문으로 분석된다.Additionally, the proposed power control algorithm was shown to significantly improve the total transfer rate compared to the WMMSE PC or No PC methods. However, it was observed that the performance of the FNN-based method did not improve as K increased. This is analyzed to be because the depth of the input channel matrix increases in proportion to K.

좀 더 구체적으로 말하면, 입력 채널 행렬의 깊이가 깊어질수록 FNN 구조의 학습 과정에서 반영되지 않는 공간적 특징이 더 많이 존재하게 되어 성능 저하로 이어진다. 반면, CNN 기반 방식은 K가 증가하더라도 입력 채널 행렬의 숨겨진 공간적 특징이 학습 단계에서 더 많이 학습될 수 있기 때문에 K가 증가함에 따라 총 전송률 성능을 향상시킬 수 있다.More specifically, as the depth of the input channel matrix increases, there are more spatial features that are not reflected in the learning process of the FNN structure, leading to performance degradation. On the other hand, CNN-based methods can improve total throughput performance as K increases because more hidden spatial features of the input channel matrix can be learned in the learning stage even if K increases.

또한 제안된 2단계 최적화 방법은 완전 탐색(exhaustive joint optimizer)인 전체 탐색에 가까운 성능을 달성할 수 있음을 도 8에서 확인할 수 있었다. Additionally, it was confirmed in Figure 8 that the proposed two-stage optimization method can achieve performance close to full search, which is an exhaustive joint optimizer.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 모든 고려된 방식의 총 전송률은 도 7과 같이 N에 따라 증가하고 도 8과 같이 스펙트럼 누출이 더 심해짐에 따라 감소하는 것으로 나타난다.According to one embodiment of the present invention, the total transmission rate of all considered schemes increases with N as shown in Figure 7 and decreases as spectrum leakage becomes more severe as shown in Figure 8.

또한 일부 선택된 경우에 필요한 시뮬레이션 시간이 표 4에 요약되었다.Additionally, the simulation times required for some selected cases are summarized in Table 4.

표 4에서는 의 100개 샘플에 대한 시뮬레이션 시간(초)을 나타낸다.In Table 4 Indicates the simulation time (seconds) for 100 samples.

본 발명의 일 실시 예에 따른 시뮬레이션은 Tensorflow 2.5.0, Intel i7-10700F CPU, 32GB RAM 및 NVIDIA GeForce RTX 3060 Ti GPU가 있는 Python 3.8에서 수행되었다.Simulations according to one embodiment of the present invention were performed in Python 3.8 with Tensorflow 2.5.0, Intel i7-10700F CPU, 32GB RAM, and NVIDIA GeForce RTX 3060 Ti GPU.

표 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 방식은 2단계 전체 탐색보다 계산 복잡도가 훨씬 낮고 이전의 볼록 완화 방법과 유사한 수준의 계산 복잡도를 가지고 있음을 알 수 있다.Referring to Table 4, it can be seen that the method proposed according to an embodiment of the present invention has much lower computational complexity than the two-stage full search and has a similar level of computational complexity to the previous convex relaxation method.

또한 FNN 기반 방식과 CNN 기반 방식 사이의 시뮬레이션 시간 차이는 무시할 수 있는 반면 CNN 기반 방식은 FNN 기반 방식보다 성능이 훨씬 우수하므로 성능과 복잡성을 모두 고려한 제안된 방식인 CNN이 더 효율적인 딥러닝 구조라고 분석된다. In addition, the simulation time difference between the FNN-based method and the CNN-based method is negligible, while the CNN-based method has much better performance than the FNN-based method, so it is analyzed that CNN, the proposed method that considers both performance and complexity, is a more efficient deep learning structure. do.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 스펙트럼 누출이 있는 경우 상향링크 IoT 셀룰러 네트워크의 총 전송률을 최대화하기 위해 서브밴드 할당 및 송신전력 제어방법 및 이를 순차적으로 최적화하는 딥러닝 기반 알고리즘 방법을 제시하였다.According to an embodiment of the present invention, a subband allocation and transmission power control method and a deep learning-based algorithm method for sequentially optimizing the same are presented to maximize the total transmission rate of an uplink IoT cellular network in the case of spectrum leakage.

본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 알고리즘을 NOMA로 확장하고 추가 이점을 분석하는 것에 적용할 수 있을 것이다. According to one embodiment of the present invention, the proposed algorithm can be extended to NOMA and applied to analyze additional benefits.

또한 본 발명의 일 실시 예에 따른 서브밴드 할당 및 송신전력 제어방법을 기지국이 다중 안테나를 갖는 경우로 확장하는 적용하는 것도 향후 가능한 방향이다.In addition, it is also possible in the future to extend and apply the subband allocation and transmission power control method according to an embodiment of the present invention to the case where the base station has multiple antennas.

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)

IoT 셀룰러 네트워크의 시스템이 주파수 서브밴드 할당과 IoT기기의 송신전력을 제어하는 방법에 있어서,
상기 시스템은,
기지국;
상기 기지국과 상향링크 통신으로 연결된 IoT 기기; 및
상기 기지국과 통신으로 접속된 IoT 기기에 대한 송신전력을 제어하는 제어장치;를 포함하며,
상기 시스템의 제어장치가 주파수 서브밴드 할당과 IoT기기의 송신전력을 제어하는 방법은,
(a) 상기 기지국과 접속된 모든 IoT 기기에 대해, 각 IoT 기기의 송신전력을 최대로 설정한 상태에서 스펙트럼 누출로 인한 서브밴드 간의 간섭에 대해 총 전송률을 최대화하는 서브밴드 할당 세트를 유추하는 단계; 및
(b) 상기 (a)단계 에서 구한 서브밴드 할당 세트를 기반으로 하여 총 전송률을 최대화하는 송신전력 벡터를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 서브밴드 할당 및 송신전력 제어방법.
In the method of the IoT cellular network system controlling frequency subband allocation and transmission power of IoT devices,
The system is,
base station;
An IoT device connected to the base station through uplink communication; and
It includes a control device that controls transmission power for IoT devices connected to the base station through communication,
The method by which the control device of the system controls frequency subband allocation and transmission power of IoT devices is,
(a) For all IoT devices connected to the base station, inferring a subband allocation set that maximizes the total transmission rate against interference between subbands due to spectrum leakage while setting the transmission power of each IoT device to the maximum. ; and
(b) A subband allocation and transmission power control method comprising the step of obtaining a transmission power vector that maximizes the total transmission rate based on the subband allocation set obtained in step (a).
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계는
다음 수학식5의 다음 수학식5의 P1을 최대화하는 서브밴드 할당세트(C)를 유추하는 단계를 포함하며,
[수학식5]

여기서 는 모든 IoT 기기가 최대 송신 전력(예: , )을 가질 때의 전력 제어 벡터를 나타내고, C는 서브밴드 할당 행렬 )이고, 는 스펙트럼 누출로 인한 서브밴드 간의 간섭을 고려한 IoT 기기의 전송률을 나타내는 것이고, IoT 기기가 K개 일 경우 임,
상기 (b)단계는 상기 (a)에서 구한 서브밴드 할당 세트 C를 C*로 결정한 다음, 주어진 C*에 대해 다음 수학식6의 P2를 최대화하는 송신전력 벡터(P)를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 서브밴드 할당 및 송신전력 제어방법.
[수학식6]
According to paragraph 1,
The step (a) is
It includes the step of inferring a subband allocation set (C) that maximizes P1 in Equation 5 below,
[Equation 5]

here ensures that all IoT devices have a maximum transmit power, e.g. , ), and C is the subband allocation matrix. )ego, represents the transmission rate of IoT devices considering interference between subbands due to spectrum leakage, and when there are K IoT devices, lim,
Step (b) includes determining the subband allocation set C obtained in (a) as C* , and then calculating the transmission power vector (P) that maximizes P2 in Equation 6 for the given C *. A subband allocation and transmission power control method characterized by:
[Equation 6]
제2항에 있어서,
상기 (a) 단계는 각 서브밴드에는 하나의 IoT 기기만을 할당 가능하고, 각 IoT 기기는 하나의 서브밴드에만 할당 가능한 조건을 만족하도록 하는 것을 특징으로 하는 서브밴드 할당 및 송신전력 제어방법.
According to paragraph 2,
In step (a), only one IoT device can be assigned to each subband, and each IoT device satisfies the condition that only one subband can be assigned.
제2항에 있어서,
상기 (a) 단계는 CNN 모델을 학습하여 예측값을 유추하는 것을 특징으로 하며,
상기 CNN 모델에 의한 학습방법은,
① 임의의 서브밴드 할당에 대한 IoT 기기 행렬과 임의의 순열( )을 입력 데이터로 입력하고, 상기 CNN 모델의 서브밴드 할당 출력()을 바탕으로, 확률이 큰 순서대로 k개의 IoT 기기들의 후보군을 선택하여 N개의 k-후보 집합을 구성하는 방식으로 각 서브밴드에 할당될 IoT 기기들의 순서를 정하는 단계;
② 학습 모델의 입력데이터로 상기 정해진 할당 순서에 맞추어 두 개의 서브밴드를 고른 뒤, 각 후보 집합에서 IoT 기기를 하나씩 할당하는 단계 -여기서 두 서브밴드에 동일한 IoT 기기가 선택된다면, 앞 순서 서브밴드에 해당 IoT 기기를 할당하고, 뒤 순서 서브밴드에는 그 해당 IoT 기기를 할당하지 않는 것을 특징으로 함, ;
③ 상기 위 ② 단계에서, 상기 P1을 계산하여 상기 P1이 최대화되는 할당 집합을 선택하고, 이에 따라 해당 서브밴드에 IoT 기기를 할당하는 단계 - 여기서 모든 IoT 기기의 송신전력을 최대로 가정하고, 상기 P1을 최대화하는 서브밴드 할당 집합을 탐색하며, 그 후, 할당된 IoT 기기들을 남은 k-후보t 집합에서 제외시키는 고정을 포함함,;
④ 상기 ③단계에서 할당된 IoT 기기들을 고정하고, 다음 순서 서브밴드를 선택하여 해당 k-후보 집합에서 IoT 기기를 하나씩 할당하며 상기 P1이 최대화하는 경우를 찾는 단계; 및
⑤ 상기 ② - ④ 단계를 마지막 순서의 서브밴드까지 반복하여, 최종 서브밴드 할당 집합을 구하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 서브밴드 할당 및 송신전력 제어방법.
According to paragraph 2,
Step (a) is characterized by learning a CNN model to infer a predicted value,
The learning method using the CNN model is,
① IoT device matrix and random permutation for random subband allocation ( ) is input as input data, and the subband allocation output of the CNN model ( ), determining the order of IoT devices to be assigned to each subband by selecting a candidate group of k IoT devices in order of increasing probability to form N k -candidate sets;
② Selecting two subbands as input data for the learning model according to the above-described allocation order, and then assigning one IoT device from each candidate set - Here, if the same IoT device is selected for both subbands, it will be assigned to the previous subband Characterized by allocating the corresponding IoT device and not assigning the corresponding IoT device to the next subband;
③ In step ② above, calculating P1 and selecting an allocation set in which P1 is maximized, and allocating IoT devices to the corresponding subband accordingly - here, assuming that the transmission power of all IoT devices is maximum, Search for a set of subband allocations that maximize P1, and then include fixing to exclude assigned IoT devices from the remaining k -candidate set;
④ Fixing the IoT devices allocated in step ③, selecting the next subband, assigning IoT devices one by one from the corresponding k -candidate set, and finding the case where P1 maximizes; and
⑤ Repeating steps ② - ④ above to the last subband in order to obtain a final subband allocation set; A subband allocation and transmission power control method comprising:
제4항에 있어서,
상기 ② 단계에서 두 서브밴드에 동일한 IoT 기기이 선택된 경우, 앞 순서 서브밴드에 해당 IoT 기기를 할당하고, 뒤 순서 서브밴드에는 그 해당 IoT 기기를 할당하지 않는 것을 특징으로 하는 서브밴드 할당 및 송신전력 제어방법.
According to paragraph 4,
In step ②, if the same IoT device is selected in both subbands, the corresponding IoT device is assigned to the previous subband, and the corresponding IoT device is not assigned to the next subband. Subband allocation and transmission power control method.
제4항에 있어서,
상기 ③ 단계에서 할당된 IoT 기기들을 남은 k-후보 집합에서 제외시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 서브밴드 할당 및 송신전력 제어방법.
According to paragraph 4,
A subband allocation and transmission power control method further comprising the step of excluding IoT devices allocated in step ③ from the remaining k-candidate set.
제4항에 있어서,
상기 CNN 모델은,
Convolution 부, Flattening 부 및 Activation 부를 포함하며, 상기 Convolution 부에서는 고차원 입력 데이터와 CNN 모델의 컨볼루션 필터를 컨볼루션 연산하여 상기 P1과 P2의 공간적 특징 맵을 추출하며, 상기 Convolution 부에서 추출한 특징 맵을 상기 Activation 부에 입력하기 위해 Flattening 부에서 벡터화되며, 상기 Flattening 부의 출력은 Activation 부의 출력단에서 최적화 문제에 적합한 활성화 함수를 사용하여 매핑되어 출력하는 것을 특징으로 하는 서브밴드 할당 및 송신전력 제어방법.
According to paragraph 4,
The CNN model is,
It includes a convolution unit, a flattening unit, and an activation unit. The convolution unit performs a convolution operation between high-dimensional input data and the convolution filter of the CNN model to extract spatial feature maps of P1 and P2, and the feature maps extracted from the convolution unit are A method for subband allocation and transmission power control, characterized in that it is vectorized in the flattening unit for input to the activation unit, and the output of the flattening unit is mapped and output at the output end of the activation unit using an activation function suitable for the optimization problem.
제4항에 있어서,
상기 (b) 단계는 CNN 모델 기반의 학습 방법에 의해 구하는 것을 특징으로 하며,
상기 학습방법은,
(b-1) 상기 ⑤ 단계에서 구한 서브밴드 할당 집합으로부터 표준화된 채널 행렬 세트로 학습 데이터 세트를 구성하는 단계; 및
(b-2) 상기 CNN 모델로부터 다음 수학식 9의 평균제곱오차(mean squared error)를 최소화하도록 학습을 하여 p*에 가까운 정규화된 전력 벡터 을 예측하도록 학습하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 서브밴드 할당 및 전력 제어방법.
[수학식9]

여기서 여기서, 는 CNN 모델의 손실함수를 나타내며, 는 각각 p*와 출력 벡터 의 i번째 요소를 나타내는 것임.
According to clause 4,
Step (b) is characterized in that it is obtained by a CNN model-based learning method,
The learning method is,
(b-1) constructing a learning data set with a standardized channel matrix set from the subband allocation set obtained in step ⑤; and
(b-2) Normalized power vector close to p* by learning from the CNN model to minimize the mean squared error of Equation 9 below A subband allocation and power control method comprising the step of learning to predict.
[Equation 9]

here here, represents the loss function of the CNN model, and are p* and the output vector, respectively It represents the ith element of .
제8항에 있어서,
상기 (b-1)단계에서 p*를 [0, 1] 범위로 정규화 한 뒤, 출력되는 최종 활성화 함수를 Sigmoid 함수로 설정하는 것을 특징으로 하는 서브밴드 할당 및 송신전력 제어방법.
According to clause 8,
A subband allocation and transmission power control method characterized by normalizing p* to the range [0, 1] in step (b-1) and then setting the output final activation function to the Sigmoid function.
제8항에 있어서,
상기 (b-1)단계 후에 송신전력 제어 벡터는 로 결정되는 것을 특징으로 하는 서브밴드 할당 및 송신전력 제어방법.
According to clause 8,
After step (b-1), the transmission power control vector is A subband allocation and transmission power control method, characterized in that determined.
제2항에 있어서,
상기 (a) 단계는 FNN 모델 기반의 학습 방법으로 유추하는 것을 특징으로 하며,
상기 FNN 모델은 완전 연결부(fully connected part)에서 직접 입력과 출력 관계를 학습하는 것을 특징으로 하고,
완전 연결부(fully connected part)는 다수의 은닉층을 포함하고, 각 은닉층은 ReLU 함수에 의해 활성화되며,
상기 완전 연결부(fully connected part)의 입력 데이터는 상기 P1을 구하기 위해 표준화된 채널 행렬을 벡터화하여 입력하는 것을 특징으로 하는 서브밴드 할당 및 송신전력 제어방법.
According to paragraph 2,
Step (a) is characterized by inference using an FNN model-based learning method,
The FNN model is characterized by learning the input and output relationship directly from a fully connected part,
The fully connected part includes multiple hidden layers, and each hidden layer is activated by the ReLU function,
A subband allocation and transmission power control method, characterized in that the input data of the fully connected part is input by vectorizing a standardized channel matrix to obtain the P1.
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