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A study on applications of artificial intelligence techniques to control systems for mobile communications

Research Project

Project/Area Number 18H01437
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 21020:Communication and network engineering-related
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

府川 和彦  東京工業大学, 工学院, 教授 (00323775)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 張 裕淵  東京工業大学, 工学院, 助教 (00725616)
Project Period (FY) 2018-04-01 – 2023-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2019: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2018: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Keywords次世代移動通信 / へトロジーニアス・ネットワーク / 干渉抑圧技術 / 機械学習 / 強化学習 / 教師無し学習 / 移動通信 / システム制御 / ニューラルネットワーク / 干渉抑圧 / 送信電力制御 / 送信ビームフォーミング制御 / Deep Learning / 誤差逆伝搬法 / Dropout / 変分法的ベイズ推定 / 干渉キャンセル / 送信制御 / EMアルゴリズム / Message-Passing アルゴリズム / 人工知能
Outline of Annual Research Achievements

次世代移動通信のへトロジーニアス・ネットワークにおいて,受信機も干渉キャンセル機能を有することを前提に,複雑かつ膨大な演算量を要する統合送信技術を低演算量で,かつ最適システム容量を達成するように制御することを検討した.
具体的には,MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) 通信で7セル以上のセルラーシステムを想定し,受信機の干渉キャンセル機能として,線形受信では最適な MMSE (Minimum Mean Square Error) を検討した.全システムの通信路容量を最大にするよう,昨年度と同様,機械学習の強化学習 (Reinforcement Learning)を送信電力及び送信ビームフォーミングの制御に適用した.計算機シミュレーションにより,演算量が膨大となる最適化手法(全探索)に較べ,システム容量の劣化を抑えられ,かつ全探索よりも演算量を大幅に削減できることを確認した.
さらに,教師信号の情報を不要とするため,機械学習の教師無し学習 (Unsupervised Learning) を適用し,Adam Algorithmを用いて学習の収束速度向上を図った.加えて,3セル以上にも適用できるように,評価関数を修正して自律分散制御法の導入を検討した.計算機シミュレーションにより,7セル,3セクターアンテナのセルラーシステムにおいて,同様にシステム容量を改善できることを確認した.
上記の検討例は MMSE を前提にしていたが,現在,固有モード伝送及び注水定理に基づく送信電力制御を行い,1セルでの通信路容量を局小的に最大化し,これを他セルでも繰り返し行うことでシステム全体の通信路容量の最大化を検討しており,自律分散制御のための計算機シミュレーション・プログラムを作成中である.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

計算機シミュレーションの計算時間短縮のため,ニューラルネットワークの層やニューロンの数をできる限り抑え,かつ学習の収束速度を向上できる各種アルゴリズムを検討して,機械学習の学習速度向上に努めた.計算時間が短くなったため,各種アルゴリズムの比較がスムーズに出来るようになり,研究が順調に進展している.

Strategy for Future Research Activity

より現実に近い移動通信システムをシミュレーションできるように,移動端末の移動,到来角を含む伝搬モデルの改善を図り,大規模システムでも適用可能な様に自律分散制御法の精度向上に努める.

Report

(4 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report

Research Products

(61 results)

All 2021 2020 2019 2018 Other

All Journal Article (7 results) (of which Peer Reviewed: 7 results,  Open Access: 1 results) Presentation (52 results) (of which Int'l Joint Research: 14 results,  Invited: 1 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] Metric-Combining Multiuser Detection Using Replica Cancellation with RTS and Enhanced CTS for High-Reliable and Low-Latency Wireless Communications2021

    • Author(s)
      Hideya SO, Kazuhiko FUKAWA, Hayato SOYA, and Yuyuan CHANG
    • Journal Title

      IEICE Trans. Commun.

      Volume: Vol.E104-B, No.11 Issue: 11 Pages: 1441-1453

    • DOI

      10.1587/transcom.2020ebp3150

      10.1587/transcom.2020EBP3150

    • NAID

      130008109983

    • ISSN
      0916-8516, 1745-1345
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  • [Journal Article] Spectrum Sensing Scheme Measuring Packet Lengths of Interfering Systems for Dynamic Spectrum Sharing2021

    • Author(s)
      Hideya So;Hayato Soya, and Kazuhiko Fukawa
    • Journal Title

      IEEE Access

      Volume: Volume 9 Pages: 135160-135166

    • DOI

      10.1109/access.2021.3116951

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Low-Complexity MIMO Signal Detection and Evaluation of its Characteristics using Dual-Polarized Channel Measurement2019

    • Author(s)
      朝倉慎悟 ,宮坂宏明 ,中村円香 ,村山研一 ,土田健一 ,府川和彦
    • Journal Title

      Eizo Joho Media Gakkaishi

      Volume: vol.73, no.5 Issue: 5 Pages: 993-1003

    • DOI

      10.3169/itej.73.993

    • NAID

      130007695523

    • ISSN
      1342-6907, 1881-6908
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      2019 Annual Research Report
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  • [Journal Article] Low-complexity MIMO signal detection employing multi-stream constrained search2018

    • Author(s)
      Katsuya Kato, Kazuhiko Fukawa, Ryota Yamada, Hiroshi Suzuki, and Satoshi Suyama
    • Journal Title

      IEEE Trans. Veh. Techno.

      Volume: 67 Pages: 1217-1230

    • DOI

      10.1109/tvt.2017.2751255

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      2018 Annual Research Report
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    • Author(s)
      Ahmet Ihsan Canbolat and Kazuhiko Fukawa
    • Journal Title

      IEEE Trans. Commun.

      Volume: 66 Pages: 1399-1410

    • DOI

      10.1109/tcomm.2017.2780246

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      Huiyu Ye and Kazuhiko Fukawa
    • Journal Title

      IEICE Trans. Commun.

      Volume: E101-B Issue: 1 Pages: 232-241

    • DOI

      10.1587/transcom.2017ebp3058

      10.1587/transcom.2017EBP3058

    • NAID

      130006301145

    • ISSN
      0916-8516, 1745-1345
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  • [Journal Article] Semi-Blind Interference Cancellation with Multiple Receive Antennas for MIMO Heterogeneous Networks2018

    • Author(s)
      Huiyu Ye and Kazuhiko Fukawa
    • Journal Title

      IEICE Trans. Commun.

      Volume: E101-B Issue: 5 Pages: 1299-1310

    • DOI

      10.1587/transcom.2017ebp3201

      10.1587/transcom.2017EBP3201

    • NAID

      130006729755

    • ISSN
      0916-8516, 1745-1345
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      2018 Annual Research Report
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      野﨑航平,張 裕淵,府川和彦,平原大地
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      柘植健太,張 裕淵,府川和彦,須山 聡,浅井孝浩
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    • Author(s)
      京嶋裕幸,張 裕淵,府川和彦
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      Huiying Song,Yuyuan Chang,Kazuhiko Fukawa
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      野﨑 航平,張 裕淵,府川 和彦,平原 大地
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      野崎航平,張 裕淵,府川和彦,平原大地
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      野崎航平,高根沢優和,張 裕淵,府川和彦,平原大地
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      京嶋裕幸,張 裕淵,府川和彦
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      Shuaifeng Jiang, Yuyuan Chang, and Kazuhiko Fukawa
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      Yuyuan Chang and Kazuhiko Fukawa
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    • Author(s)
      京嶋裕幸, 張裕淵, 府川和彦
    • Organizer
      2019年電子情報通信学会ソサイエティ大会,B-5-82
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 高信頼低遅延無線通信におけるシステム干渉の観測に基づくコンテンションウィンドウの適応制御法2019

    • Author(s)
      宗 秀哉,征矢隼人,府川和彦,張 裕淵
    • Organizer
      2019年電子情報通信学会ソサイエティ大会,B-5-83
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Phase Rotated Non-Orthogonal Multiple Access for 3-User Superposition Signals2019

    • Author(s)
      Yuyuan Chang and Kazuhiko Fukawa
    • Organizer
      VTC2019-Fall
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Parameter Estimation for Block Diagonalization based Hybrid Beamforming in Massive MIMO Communications2019

    • Author(s)
      Kenta Tsuge, Yuyuan Chang, Kazuhiko Fukawa, Satoshi Suyama, and Yukihiko Okumura
    • Organizer
      VTC2019-Fall
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Evaluation for Wireless Sensor Networks with LT Codes Considering Probabilities of Transmission Failure2018

    • Author(s)
      Yuyuan Chang and Kazuhiko Fukawa
    • Organizer
      RWW
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Non-Orthogonal Multiple Access with Phase Rotation Employing Joint MUD and SIC2018

    • Author(s)
      Yuyuan Chang and Kazuhiko Fukawa
    • Organizer
      VTC2018 Spring
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Phase Noise Compensation for mm-Wave MU-MIMO OFDM Systems2018

    • Author(s)
      Yuyuan Chang and Kazuhiko Fukawa
    • Organizer
      SmartCom2018
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Phase Rotated Non-Orthogonal Multiple Access for Superposition of 3-User Signals Employing Joint MUD and SIC2018

    • Author(s)
      Yuyuan Chang and Kazuhiko Fukawa
    • Organizer
      ISPACS 2018
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 時間情報を用いた無線信号処理2018

    • Author(s)
      府川 和彦
    • Organizer
      電子情報通信学会 無線通信システム研究会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Invited
  • [Remarks] Fukawa Laboratory

    • URL

      http://www.radio.ce.titech.ac.jp/

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Remarks] Publications

    • URL

      http://www.radio.ce.titech.ac.jp/prof_suzuki__thesis/thesis-j_main.html

    • Related Report
      2019 Annual Research Report

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Published: 2018-04-23   Modified: 2022-12-28  

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