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JP7642943B2 - Wireless communication method, wireless terminal, and program for wireless terminal - Google Patents
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Description

この開示は、無線通信方法、無線端末および無線端末用プログラムに係り、特に、複数の無線端末と複数の無線基地局等とを含むネットワークにおいて高い通信効率を得る上で好適な無線通信方法、無線端末および無線端末用プログラムに関する。 This disclosure relates to a wireless communication method, a wireless terminal, and a program for the wireless terminal, and in particular to a wireless communication method, a wireless terminal, and a program for the wireless terminal that are suitable for achieving high communication efficiency in a network that includes multiple wireless terminals and multiple wireless base stations, etc.

無線通信システムの発展に伴い、マルチバンド・マルチアクセスのシステムによるヘテロジニアスなネットワークが実用化の段階に至っている。セルラー通信では、第5世代移動通信(5G)が実用化されている。5Gの通信システムでは、1GHz以下の帯域からミリ波帯まで幅広い周波数が利用される。また、スモールセルからマクロセルまで、様々なサイズのセルが重畳するように提供される環境が整備されつつある。 As wireless communication systems develop, heterogeneous networks using multi-band, multi-access systems are reaching the stage of practical application. In cellular communications, fifth-generation mobile communications (5G) has been put to practical use. 5G communications systems use a wide range of frequencies, from sub-1 GHz bands to millimeter wave bands. In addition, an environment is being developed in which cells of various sizes, from small cells to macro cells, are provided in an overlapping manner.

もう一つの代表的な無線アクセスシステムである無線LANでは、2.4/5/60GHz帯の無線周波数が利用されており、更に、6GHz帯の利用も検討されている。スマートフォンなどの無線端末には、セルラーおよび無線LANの双方にアクセスするためのインターフェース(IF)が一般的に与えられている。また、それぞれのIFは複数の周波数帯に対応するように構成されている。 Wireless LANs, another typical wireless access system, use radio frequencies in the 2.4/5/60 GHz bands, and the use of the 6 GHz band is also being considered. Wireless terminals such as smartphones are generally provided with interfaces (IFs) for accessing both cellular and wireless LANs. Furthermore, each IF is configured to support multiple frequency bands.

無線端末は、複数の周波数帯およびアクセス方式から、接続する無線基地局或いはアクセスポイント(AP)を選択して、通信を確立することが一般的となっている。デュアルコネクティビティ等の機能により、1台の無線端末が複数の無線基地局を統合して利用することも行われる。このようなヘテロジニアス環境においては、無線端末がどのIFを用いてどの基地局を選択するかを、システム全体で制御し最適化することが、システムリソースを有効に利用するうえで重要である。 Wireless terminals generally select a wireless base station or access point (AP) to connect to from multiple frequency bands and access methods to establish communications. With functions such as dual connectivity, a single wireless terminal can also use multiple wireless base stations in an integrated manner. In such a heterogeneous environment, it is important to control and optimize across the entire system which IF a wireless terminal uses and which base station it selects in order to make effective use of system resources.

ヘテロジニアスな環境において、システムリソースを有効に利用する技術に関して、例えば下記非特許文献1や非特許文献2は、無線端末とAPとの接続を、強化学習により最適化する手法を開示している。より具体的には、非特許文献2は、Deep Q-Learning、或いはDouble Deep Q-Learningの手法を用いて、複数のIFを用いる無線端末と複数のAPとの接続を最適化する技術を開示している。 Regarding technology for effectively utilizing system resources in a heterogeneous environment, for example, Non-Patent Documents 1 and 2 below disclose a method for optimizing connections between wireless terminals and APs through reinforcement learning. More specifically, Non-Patent Document 2 discloses a technology for optimizing connections between wireless terminals using multiple IFs and multiple APs using Deep Q-Learning or Double Deep Q-Learning.

また、下記非特許文献3は高次元の入力を強化学習で取り扱う手法であるDeep Q-Network(DQN)についての開示を、また、下記非特許文献4はDouble Deep Q-Network(DDQN)についての開示を夫々提供している。 In addition, the following non-patent document 3 discloses Deep Q-Network (DQN), a method for handling high-dimensional inputs using reinforcement learning, and the following non-patent document 4 discloses Double Deep Q-Network (DDQN).

“Reinforcement Learning-aided Distributed User-to-Access Points Association in Interfering Networks”, Thi Ha Ly Dinh, Megumi Kaneko, Keisuke Wakao, Hirantha Abeysekera, Yasushi Takatori, IEEE Globecom, Waikoloa, Hawaii, USA, Dec. 2019“Reinforcement Learning-aided Distributed User-to-Access Points Association in Interfering Networks”, Thi Ha Ly Dinh, Megumi Kaneko, Keisuke Wakao, Hirantha Abeysekera, Yasushi Takatori, IEEE Globecom, Waikoloa, Hawaii, USA, Dec. 2019 “Deep Reinforcement Learning-based User Association in Sub6GHz/mmWave Integrated Networks”, Thi Ha Ly Dinh, Megumi Kaneko, Keisuke Wakao, Kenichi Kawamura, Takatsune Moriyama, Hirantha Abeysekera and Yasushi Takatori, in IEEE CCNC, Jan. 2021“Deep Reinforcement Learning-based User Association in Sub6GHz/mmWave Integrated Networks”, Thi Ha Ly Dinh, Megumi Kaneko, Keisuke Wakao, Kenichi Kawamura, Takatsune Moriyama, Hirantha Abeysekera and Yasushi Takatori, in IEEE CCNC, Jan. 2021 “Human-level control through deep reinforcement learning,”Volodymyr Mnih, Koray Kavukcuoglu, David Silver, Andrei A. Rusu, Joel Veness, Marc G. Bellemare, Alex Graves,Martin Riedmiller, Andreas K. Fidjeland, Georg Ostrovski, Stig Petersen, Charles Beattie, Amir Sadik, Ioannis Antonoglou,Helen King, Dharshan Kumaran, Daan Wierstra, Shane Legg & Demis Hassabis, Nature. 2015 Feb 26; Vol.518(7540): P529-533. doi: 10.1038/nature14236“Human-level control through deep reinforcement learning,” Volodymyr Mnih, Koray Kavukcuoglu, David Silver, Andrei A. Rusu, Joel Veness, Marc G. Bellemare, Alex Graves, Martin Riedmiller, Andreas K. Fidjeland, Georg Ostrovski, Stig Petersen, Charles Beattie, Amir Sadik, Ioannis Antonoglou, Helen King, Dharshan Kumaran, Daan Wierstra, Shane Legg & Demis Hassabis, Nature. 2015 Feb 26; Vol.518(7540): P529-533. doi: 10.1038/nature14236 “Deep Reinforcement Learning with Double Q-Learning,” H. Van Hasselt, A. Guez, and D. Silver, in Thirtieth AAAI conference on artificial intelligence, 2016“Deep Reinforcement Learning with Double Q-Learning,” H. Van Hasselt, A. Guez, and D. Silver, in Thirtieth AAAI conference on artificial intelligence, 2016

ところで、マルチバンド・マルチアクセスのテヘロジニアスな環境では、スマートフォンやタブレットのようなモバイル端末が無線端末として用いられることがある。モバイル端末を取り巻く通信環境は、モバイル端末の移動に伴って変化する。また、同じエリアの中に多数の無線端末が存在する場合は、個々の無線端末から発せられる要求の変化が、そのエリアに属する無線端末や無線基地局の負荷に影響を与える。その結果、個々の無線端末を取り巻く通信環境は、他の無線端末の状態によっても大きく変化する。これらの理由により、ヘテロジニアスな環境に置かれた無線端末が、どの無線基地局に対して、どのIFで接続するかに関する最適解は、安定的なものではなく、激しく変化する動的なものとなることがある。 In a multi-band, multi-access heterogeneous environment, mobile terminals such as smartphones and tablets may be used as wireless terminals. The communication environment surrounding the mobile terminal changes as the mobile terminal moves. In addition, when many wireless terminals exist in the same area, changes in the requests issued by each wireless terminal affect the load on the wireless terminals and wireless base stations belonging to that area. As a result, the communication environment surrounding each wireless terminal changes significantly depending on the state of other wireless terminals. For these reasons, the optimal solution regarding which wireless base station and which IF a wireless terminal placed in a heterogeneous environment should connect to may not be a stable one, but rather a dynamic one that changes drastically.

DQNやDDQNのような強化学習を用いて無線端末と無線基地局との接続を最適化しようとした場合、通信環境が変化すれば、変化後の環境に適合するように強化学習のパラメータを更新する必要がある。そして、通信環境が頻繁に変化する環境下では、そのような更新を高い頻度で実行する必要がある。 When trying to optimize connections between wireless terminals and wireless base stations using reinforcement learning such as DQN or DDQN, if the communication environment changes, it is necessary to update the reinforcement learning parameters to adapt to the changed environment. Furthermore, in an environment where the communication environment changes frequently, such updates need to be performed frequently.

無線端末を、複数のIFを用いて多数の無線基地局と接続させる環境下では、無線基地局の数、およびIFの数が増えるほど、上記の更新に伴って高い負荷が生ずる。無線端末の処理能力は有限であるため、無線基地局の数、並びに使用可能なIFの数が増えるに従って、高頻度でのパラメータ更新に追随することが無線端末にとって困難になる。 In an environment where a wireless terminal is connected to many wireless base stations using multiple IFs, the greater the number of wireless base stations and the number of IFs, the greater the load caused by the above updates. Because the processing capacity of a wireless terminal is finite, as the number of wireless base stations and the number of available IFs increase, it becomes difficult for the wireless terminal to keep up with the frequent parameter updates.

本開示は、上記の課題に着目してなされたものであり、複数の無線端末と複数の基地局等とを含むネットワークにおいて、最適化のために必要なパラメータ更新の演算負荷を軽減することのできる無線通信方法、無線端末および無線端末用プログラムを提供することを目的とする。 The present disclosure has been made in light of the above-mentioned problems, and aims to provide a wireless communication method, a wireless terminal, and a program for a wireless terminal that can reduce the computational load of updating parameters required for optimization in a network including multiple wireless terminals and multiple base stations, etc.

本開示の第1の態様は、上記の目的を達成するため、複数の無線基地局と無線端末との接続の組合せを決める無線通信方法であって、
複数の無線基地局に対応する入力層および出力層と、それらの間に位置する二以上の層を含む隠れ層とを備え、状態の入力に対して、当該状態の下で前記無線端末が採り得る行動夫々の価値を出力する価値関数として機能するニューラルネットワークを準備するステップと、
前記複数の無線基地局と前記無線端末との接続の状態を検知するステップと、
検知された状態を前記入力層に提供した結果、前記出力層に表れる結果に従って、当該状態の下で前記無線端末が採用する行動を決定するステップと、
採用する行動に対応する要求を前記複数の無線基地局に伝達するステップと、
前記要求に対する応答を複数の無線基地局から取得するステップと、
前記応答に基づいて、前記行動に対する報酬を算出するステップと、
前記報酬に基づいて、前記状態の下で前記行動を採用することについての価値を更新するステップと、
更新後の前記価値に基づいて、前記価値関数のパラメータを学習するステップと、
前記パラメータの更新範囲を、前記隠れ層のうち、少なくとも最前段の層を除く後段の一以上の層に結び付くパラメータに制限するステップと、
を含むことが望ましい。
In order to achieve the above object, a first aspect of the present disclosure is a wireless communication method for determining a combination of connections between a plurality of wireless base stations and a wireless terminal, the method comprising:
preparing a neural network that includes an input layer and an output layer corresponding to a plurality of wireless base stations, and a hidden layer including two or more layers located therebetween, and functions as a value function that outputs, in response to an input of a state, a value of each action that the wireless terminal can take under the state;
detecting a state of connection between the plurality of wireless base stations and the wireless terminal;
providing the sensed state to the input layer and determining, according to a result appearing at the output layer, a behavior to be adopted by the wireless terminal under the sensed state;
transmitting a request to said plurality of radio base stations corresponding to an action to be taken;
obtaining responses to the request from a plurality of wireless base stations;
calculating a reward for the behavior based on the response;
updating a value for adopting the behavior under the state based on the reward;
learning parameters of the value function based on the updated values;
limiting the update range of the parameters to parameters associated with one or more layers in the hidden layer, excluding at least the frontmost layer;
It is preferable that the present invention includes the following:

また、本開示の第2の態様は、複数の無線基地局と接続する機能を有する無線端末であって、
複数の無線基地局に対応する入力層および出力層と、それらの間に位置する二以上の層を含む隠れ層とを備え、状態の入力に対して、当該状態の下で前記無線端末が採り得る行動夫々の価値を出力する価値関数として機能するニューラルネットワークを格納したメモリ部と、CPUとを備え、
前記CPUが、
前記複数の無線基地局と当該無線端末との接続の状態を検知する処理と、
検知された状態を前記入力層に提供した結果、前記出力層に表れる結果に従って、当該状態の下で前記無線端末が採用する行動を決定する処理と、
採用する行動に対応する要求を前記複数の無線基地局に伝達する処理と、
前記要求に対する応答を複数の無線基地局から取得する処理と、
前記応答に基づいて、前記行動に対する報酬を算出する処理と、
前記報酬に基づいて、前記状態の下で前記行動を採用することについての価値を更新する処理と、
更新後の前記価値に基づいて、前記価値関数のパラメータを学習する処理と、
前記パラメータの更新範囲を、前記隠れ層のうち、少なくとも最前段の層を除く後段の一以上の層に結び付くパラメータに制限する処理と、
を実行することが望ましい。
A second aspect of the present disclosure is a wireless terminal having a function of connecting to a plurality of wireless base stations,
The neural network includes an input layer and an output layer corresponding to a plurality of wireless base stations, and a hidden layer including two or more layers located between them, and includes a memory unit storing a neural network that functions as a value function that outputs, in response to an input of a state, a value of each of the actions that the wireless terminal can take under the state, and a CPU;
The CPU,
A process of detecting a state of connection between the plurality of wireless base stations and the wireless terminal;
providing the sensed state to the input layer and determining the action to be taken by the wireless terminal under the sensed state according to the result appearing in the output layer;
transmitting a request corresponding to an action to be taken to said plurality of wireless base stations;
obtaining responses to the request from a plurality of wireless base stations;
calculating a reward for the behavior based on the response; and
updating a value for taking the action under the state based on the reward;
A process of learning parameters of the value function based on the updated value;
A process of limiting the update range of the parameters to parameters associated with one or more layers in the hidden layer, excluding at least the frontmost layer;
It is advisable to carry out the following:

また、本開示の第3の態様は、複数の無線基地局と接続する機能を実現するための無線端末用プログラムであって、
無線端末が備えるCPUに、
複数の無線基地局に対応する入力層および出力層と、それらの間に位置する二以上の層を含む隠れ層とを備え、状態の入力に対して、当該状態の下で前記無線端末が採り得る行動夫々の価値を出力する価値関数として機能するニューラルネットワークをメモリ部から読み出させる処理と、
前記複数の無線基地局と当該無線端末との接続の状態を検知する処理と、
検知された状態を前記入力層に提供した結果、前記出力層に表れる結果に従って、当該状態の下で前記無線端末が採用する行動を決定する処理と、
採用する行動に対応する要求を前記複数の無線基地局に伝達する処理と、
前記要求に対する応答を複数の無線基地局から取得する処理と、
前記応答に基づいて、前記行動に対する報酬を算出する処理と、
前記報酬に基づいて、前記状態の下で前記行動を採用することについての価値を更新する処理と、
更新後の前記価値に基づいて、前記価値関数のパラメータを学習する処理と、
前記パラメータの更新範囲を、前記隠れ層のうち、少なくとも最前段の層を除く後段の一以上の層に結び付くパラメータに制限する処理と、
を実行させるプログラムを含むことが望ましい。
A third aspect of the present disclosure is a program for a wireless terminal for realizing a function of connecting to a plurality of wireless base stations, comprising:
A CPU provided in the wireless terminal,
a process of reading from a memory unit a neural network that includes an input layer and an output layer corresponding to a plurality of wireless base stations, and a hidden layer including two or more layers located between them, and that functions as a value function that outputs, in response to an input of a state, a value of each action that the wireless terminal can take under the state;
A process of detecting a state of connection between the plurality of wireless base stations and the wireless terminal;
providing the sensed state to the input layer and determining the action to be taken by the wireless terminal under the sensed state according to the result appearing in the output layer;
transmitting a request corresponding to an action to be taken to said plurality of wireless base stations;
obtaining responses to the request from a plurality of wireless base stations;
calculating a reward for the behavior based on the response; and
updating a value for taking the action under the state based on the reward;
A process of learning parameters of the value function based on the updated value;
A process of limiting the update range of the parameters to parameters associated with one or more layers in the hidden layer, excluding at least the frontmost layer;
It is preferable that the program include a program for executing the above.

本開示によれば、複数の無線端末と複数の基地局等とを含むネットワークにおいて、無線端末の行動を決めるニューラルネットワークのパラメータ更新範囲を、隠れ層の後段の層に結び付くパラメータに制限することができる。このため、本開示によれば、全てのパラメータが更新される場合に比して、パラメータの更新に伴う計算負荷を軽減することができる。その結果、無線基地局の数、或いはそこで用いられる無線通信用のインターフェースの数が増えても、パラメータを高頻度で更新することが可能となり、システムリソースを常に有効に活用することが可能となる。 According to the present disclosure, in a network including multiple wireless terminals and multiple base stations, etc., the parameter update range of a neural network that determines the behavior of wireless terminals can be limited to parameters linked to layers subsequent to the hidden layer. Therefore, according to the present disclosure, it is possible to reduce the calculation load associated with parameter updates compared to when all parameters are updated. As a result, even if the number of wireless base stations or the number of wireless communication interfaces used there increases, it becomes possible to update parameters frequently, making it possible to always effectively utilize system resources.

本開示の実施の形態1の無線通信システムの全体構成を説明するための図である。1 is a diagram for explaining an overall configuration of a wireless communication system according to a first embodiment of the present disclosure. 本開示の実施の形態1における無線端末と無線基地局との接続状態の一例を説明するための図である。FIG. 2 is a diagram for explaining an example of a connection state between a wireless terminal and a wireless base station in the first embodiment of the present disclosure. 本開示の実施の形態1においてヘテロジニアスな環境下で無線端末が移動している様子を表す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a wireless terminal moving in a heterogeneous environment according to the first embodiment of the present disclosure. 本開示の実施の形態1で用いられる無線基地局の機能的な構成を説明するためのブロック図である。FIG. 2 is a block diagram for explaining a functional configuration of a radio base station used in the first embodiment of the present disclosure. 本開示の実施の形態1で用いられる無線端末の機能的な構成を説明するためのブロック図である。FIG. 2 is a block diagram for explaining a functional configuration of a wireless terminal used in the first embodiment of the present disclosure. 本開示の実施の形態1で用いられる無線端末のハードウェア構成を説明するための図である。2 is a diagram for explaining the hardware configuration of a wireless terminal used in the first embodiment of the present disclosure. FIG. 本開示の実施の形態1で用いられるDQNの概要を説明するための図である。FIG. 1 is a diagram for explaining an overview of DQN used in the first embodiment of the present disclosure. 本開示の実施の形態1で用いられるDQNの更新に関わる処理の内容を説明するための図である。FIG. 13 is a diagram for explaining the contents of a process related to updating a DQN used in the first embodiment of the present disclosure. 本開示の実施の形態1で用いられるDQNのパラメータの初期化を説明するための図である。FIG. 13 is a diagram for explaining the initialization of DQN parameters used in the first embodiment of the present disclosure. 本開示の実施の形態1で用いられるDQNのパラメータの部分更新を説明するための図である。FIG. 13 is a diagram for explaining partial update of parameters of DQN used in the first embodiment of the present disclosure. 本開示の実施の形態1における無線端末が、DQNのパラメータを初期化する際の処理の流れを説明するためのフローチャートである。11 is a flowchart for explaining the processing flow when a wireless terminal in the first embodiment of the present disclosure initializes DQN parameters. 本開示の実施の形態1における無線端末が、DQNのパラメータを部分更新する際の処理の流れを説明するためのフローチャートである。11 is a flowchart for explaining a processing flow when a wireless terminal according to the first embodiment of the present disclosure partially updates a DQN parameter.

実施の形態1.
[実施の形態1の全体構成]
図1は、本開示の実施の形態1の無線通信システム10の全体構成を説明するための図である。図1に示すように、無線通信システム10は、有線通信のネットワーク12を含んでいる。ネットワーク12には、スイッチ14を介して複数の無線基地局16が接続されている。無線基地局16は、ネットワーク12を介して、また無線の経路を介して、他の無線基地局16と通信することができる。
Embodiment 1.
[Overall Configuration of First Embodiment]
Fig. 1 is a diagram for explaining an overall configuration of a wireless communication system 10 according to a first embodiment of the present disclosure. As shown in Fig. 1, the wireless communication system 10 includes a wired communication network 12. A plurality of wireless base stations 16 are connected to the network 12 via a switch 14. Each wireless base station 16 can communicate with another wireless base station 16 via the network 12 and via a wireless path.

図1に示す無線通信システム10は、複数の無線端末18を含んでいる。本実施形態において、無線端末18は、スマートフォン、或いはタブレット端末のようなモバイル端末を含んでいるものとする。 The wireless communication system 10 shown in FIG. 1 includes multiple wireless terminals 18. In this embodiment, the wireless terminals 18 include mobile terminals such as smartphones or tablet terminals.

無線端末18は、夫々、無線通信用のアプリケーションとIFを、複数組み備えている。例えば、無線端末18は、1GHz以下での通信に用いるアプリケーション並びにIF、ミリ波帯での通信に用いるアプリケーション並びにIF、更には、無線LANで用いられる2.4/5/60GHz帯での通信に用いるアプリケーション並びにIFを備えている。 Each wireless terminal 18 has multiple sets of applications and IFs for wireless communication. For example, wireless terminal 18 has applications and IFs used for communication at 1 GHz or less, applications and IFs used for communication in the millimeter wave band, and applications and IFs used for communication in the 2.4/5/60 GHz bands used in wireless LANs.

上述した無線基地局16にも、それらに対応するIF等が備わっている。そして、個々の無線端末18は、上記のアプリケーションおよびIFを介して、単一または複数の無線基地局16と無線で通信することができる。これにより、本実施形態の無線通信システム10は、マルチバンド・マルチアクセスによるヘテロジニアスなネットワークとしての機能を実現する。 The above-mentioned wireless base stations 16 are also equipped with corresponding IFs, etc. Then, each wireless terminal 18 can wirelessly communicate with one or more wireless base stations 16 via the above-mentioned applications and IFs. In this way, the wireless communication system 10 of this embodiment realizes the function of a heterogeneous network with multi-band multi-access.

尚、本実施形態の無線通信システム10は、通信事業者が設置するセルラー通信用の無線基地局に加えて、無線LANのアクセスポイント(AP)にも対応している。以下、便宜上「無線基地局16」は両者を包括するものとして説明を進める。 The wireless communication system 10 of this embodiment is compatible with wireless LAN access points (APs) in addition to wireless base stations for cellular communication installed by telecommunications carriers. For the sake of convenience, the following description will be given assuming that "wireless base station 16" encompasses both.

[実施の形態1の特徴]
次に、図2乃至図12を参照して、本実施形態における無線端末18の特徴を説明する。以下の説明では、無線基地局16および無線端末18が、第一の周波数帯域での通信に対応するインターフェースIF1と、第二の周波数帯域での通信に対応するインターフェースIF2を備えていることとする。IF1は、例えば、1GHz以下の周波数帯に対応するインターフェースであり、IF2は、例えば、ミリ波帯の周波数に対応するインターフェースである。
[Features of the First Embodiment]
Next, the features of the wireless terminal 18 in this embodiment will be described with reference to Figures 2 to 12. In the following description, it is assumed that the wireless base station 16 and the wireless terminal 18 are provided with an interface IF1 corresponding to communication in a first frequency band and an interface IF2 corresponding to communication in a second frequency band. IF1 is an interface corresponding to a frequency band of, for example, 1 GHz or less, and IF2 is an interface corresponding to frequencies in the millimeter wave band, for example.

また、以下の説明では、無線端末18を複数の中の特定の一台として指し示す必要がある場合は、符号kを用いて「無線端末18」のように表示する。更に、複数の無線基地局16の夫々を区別して説明する必要がある場合は、16-1、16-2のように添え字を付した符号を用いることとする。 In the following description, when it is necessary to indicate a specific wireless terminal 18 among a plurality of terminals, the reference symbol k will be used to indicate the wireless terminal 18 k . Furthermore, when it is necessary to distinguish between the wireless base stations 16, reference symbols with suffixes, such as 16-1 and 16-2, will be used.

図2は、無線端末18が、二台の無線基地局16-1、16-2に帰属している様子を示している。無線端末18は、自己を取り巻く通信環境において、ハードウェアの制約により定まる上限数BUBの無線基地局16を通信対象として取り扱うことができる。図2は、それらBBU個の無線基地局16のうち、無線端末18が無線基地局16-1および16-2と接続している状態を示している。 Fig. 2 shows a state where a wireless terminal 18 k belongs to two wireless base stations 16-1 and 16-2. In the communication environment surrounding the wireless terminal 18 k , the wireless terminal 18 k can handle an upper limit number B BU of wireless base stations 16 as communication targets, which is determined by hardware constraints. Fig. 2 shows a state where the wireless terminal 18 k is connected to the wireless base stations 16-1 and 16-2 out of the B BU wireless base stations 16.

無線端末18および無線基地局16は、上記の通り、異なる帯域に対応する二つのインターフェース、IF1およびIF2を備えている。図2に示す例では、無線端末18が、IF1で第一の無線基地局16-1に帰属し、IF2で第二の無線基地局16-2に帰属する状態が形成されている。 As described above, the wireless terminal 18 k and the wireless base station 16 have two interfaces, IF1 and IF2, corresponding to different bands. In the example shown in Fig. 2, the wireless terminal 18 k is associated with the first wireless base station 16-1 at IF1 and is associated with the second wireless base station 16-2 at IF2.

図3は、マルチバンド・マルチアクセスによるヘテロジニアスな環境下で、無線端末18が移動している様子を示している。先ず、無線端末18が、図中最も左の位置に存在する環境を想定する。この環境において、無線端末18が、無線基地局16-1および16-2に帰属する状態が最適であれば、無線端末18からの接続要求は、その状態が実現されるように発せられることが望ましい。 3 shows a state where a wireless terminal 18 k is moving in a heterogeneous environment with multi-band multi-access. First, assume an environment in which the wireless terminal 18 k is located at the leftmost position in the figure. In this environment, if it is optimal for the wireless terminal 18 k to belong to the wireless base stations 16-1 and 16-2, it is desirable for the connection request from the wireless terminal 18 k to be issued so as to realize that state.

ここで、無線端末18が、図中最も左の位置から図の中央、更には図の右側へと移動すれば、最適な接続の組合せは当初の組合せから変化する。同様の変化は、無線端末18と同じ環境に属する他の無線端末18(図示略)の移動や、それらからの要求データレートの変化等によっても生ずる。このため、無線端末18は、通信環境が変化した場合には、変化後の環境下に最適な組み合わせで、接続要求を発することが望ましい。 If the wireless terminal 18k moves from the leftmost position in the figure to the center of the figure, or further to the right side of the figure, the optimal connection combination will change from the original combination. Similar changes also occur when other wireless terminals 18 (not shown) belonging to the same environment as the wireless terminal 18k move, or when the requested data rates from them change. For this reason, when the communication environment changes, it is desirable for the wireless terminal 18k to issue a connection request with a combination that is optimal for the changed environment.

本実施形態において、無線端末18は、接続を求める無線基地局16並びにIFを、Deep Q-Network(DQN)またはDouble Deep Q-Network(DDQN)を用いて決定する。このため、ここで用いられるDQN或いはDDQNは、安定した通信環境の下では、その環境に最適な状態に早期に収束し、かつ、動的な通信環境の下では、迅速に環境変化に追随するものであることが望まれる。 In this embodiment, the wireless terminal 18 determines the wireless base station 16 and IF to which it wishes to connect using Deep Q-Network (DQN) or Double Deep Q-Network (DDQN). For this reason, it is desirable that the DQN or DDQN used here quickly converges to an optimal state for a stable communication environment, and quickly follows environmental changes in a dynamic communication environment.

図4は、無線基地局16の一例を機能的に説明するためのブロック図である。無線基地局16は、アンテナ部20を備えている。アンテナ部20は、無線基地局16が、他の無線基地局16並びに周囲の無線端末18と無線信号を授受するために用いられる。 Figure 4 is a block diagram for functionally explaining an example of a wireless base station 16. The wireless base station 16 is equipped with an antenna unit 20. The antenna unit 20 is used by the wireless base station 16 to transmit and receive wireless signals to and from other wireless base stations 16 and surrounding wireless terminals 18.

アンテナ部20は、無線通信部22に接続されている。無線通信部22は、高周波の信号を処理するRF(Radio Frequency)部24と、無線通信におけるメディアアクセス制御の機能を備えたMAC(Media Access Control)機能部26とを備えている。無線通信部22は、複数の周波数帯域に対応する機能、具体的には、1GHz以下に対応するIF1としての機能と、ミリ波帯の周波数に対応するIF2としての機能を、共に実現することができるように構成されている。 The antenna unit 20 is connected to the wireless communication unit 22. The wireless communication unit 22 includes an RF (Radio Frequency) unit 24 that processes high-frequency signals, and a MAC (Media Access Control) function unit 26 that has a function of media access control in wireless communication. The wireless communication unit 22 is configured to be able to realize functions corresponding to multiple frequency bands, specifically, a function as IF1 corresponding to 1 GHz or less, and a function as IF2 corresponding to millimeter wave band frequencies.

無線基地局16は、また、品質測定部28を備えている。品質測定部28は、無線環境測定部30とトラヒック測定部32を備えている。無線環境測定部30は、無線基地局16を取り巻く無線通信の環境に関わる情報を取得する。トラヒック測定部32は、無線基地局16と無線端末18との間のトラヒックに関わる情報を取得する。品質測定部28は、それらの情報に基づいて、無線基地局16と無線端末18との間の通信品質の情報を算出する。通信品質情報には、例えば、無線端末18からの受信電力、無線端末18の要求データレート、現実の伝送レート、および無線基地局16における帯域使用率等が含まれる。 The wireless base station 16 also includes a quality measurement unit 28. The quality measurement unit 28 includes a wireless environment measurement unit 30 and a traffic measurement unit 32. The wireless environment measurement unit 30 acquires information related to the wireless communication environment surrounding the wireless base station 16. The traffic measurement unit 32 acquires information related to the traffic between the wireless base station 16 and the wireless terminal 18. The quality measurement unit 28 calculates information on the communication quality between the wireless base station 16 and the wireless terminal 18 based on the information. The communication quality information includes, for example, the received power from the wireless terminal 18, the requested data rate of the wireless terminal 18, the actual transmission rate, and the bandwidth usage rate in the wireless base station 16.

無線基地局16は、通信IF部34を備えている。通信IF部34は、ネットワーク12を経由する有線での通信に用いられる。無線基地局16は、通信IF部34を経由する有線通信により、或いは無線通信部22およびアンテナ部20を経由する無線通信により、他の無線基地局16が取得した通信品質情報を取得することができる。他の無線基地局16から取得した通信品質情報は、自らが取得した通信品質情報と共に、品質測定部28において一元的に管理される。 The wireless base station 16 includes a communication IF unit 34. The communication IF unit 34 is used for wired communication via the network 12. The wireless base station 16 can acquire communication quality information acquired by other wireless base stations 16 by wired communication via the communication IF unit 34, or by wireless communication via the wireless communication unit 22 and antenna unit 20. The communication quality information acquired from other wireless base stations 16 is managed centrally in the quality measurement unit 28 together with the communication quality information acquired by the wireless base station 16 itself.

無線基地局16は、情報通知部36を備えている。情報通知部36は、品質測定部28に集約された通信品質情報を読み出すことができる。情報通知部36は、読み出した通信品質情報を、通信IF部34並びに無線通信部22に提供することができる。これにより、無線基地局16は、有線または無線の経路で、自らが保有する通信品質情報を他の無線基地局16に提供することができる。 The wireless base station 16 includes an information notification unit 36. The information notification unit 36 can read out the communication quality information aggregated in the quality measurement unit 28. The information notification unit 36 can provide the read out communication quality information to the communication IF unit 34 and the wireless communication unit 22. This allows the wireless base station 16 to provide its own communication quality information to other wireless base stations 16 via a wired or wireless route.

無線基地局16は、無線通信部22およびアンテナ部20を介して、周辺に位置する無線端末18から帰属要求を受け付ける。帰属要求は、要求情報評価部38で処理される。要求情報評価部38は、無線端末18が要求する帯域およびデータレート、更には自らの負荷状態等に基づいて帰属の可否を判断する。 The wireless base station 16 receives an attribution request from a wireless terminal 18 located in the vicinity via the wireless communication unit 22 and the antenna unit 20. The attribution request is processed by the request information evaluation unit 38. The request information evaluation unit 38 determines whether or not to allow attribution based on the bandwidth and data rate requested by the wireless terminal 18, as well as its own load state, etc.

要求情報評価部38による判断の結果は、要求応答通知部40と、帰属情報記録部42に送られる。要求応答通知部40は、無線通信部22およびアンテナ部20を介して、帰属要求を発した無線端末18に向けて、帰属の可否に関する判断結果を提供する。帰属情報記録部42は、その判断の結果に基づいて、無線基地局16に如何なる無線端末18が帰属しているのかに関する情報を更新および記録する。 The result of the determination by the request information evaluation unit 38 is sent to the request response notification unit 40 and the belonging information recording unit 42. The request response notification unit 40 provides the result of the determination as to whether or not belonging is possible to the wireless terminal 18 that issued the belonging request via the wireless communication unit 22 and the antenna unit 20. The belonging information recording unit 42 updates and records information regarding which wireless terminal 18 belongs to the wireless base station 16 based on the result of the determination.

図5は、無線端末18の一例を機能的に説明するためのブロック図である。無線端末18は、アンテナ部44および無線通信部46を備えている。無線通信部46は、RF部24およびMAC機能部50を備えている。これらの機能は、無線基地局16が備える対応ブロックの機能と実質的に同じであるため、ここでは、その説明を省略する。 Figure 5 is a block diagram for explaining the functions of an example of a wireless terminal 18. The wireless terminal 18 includes an antenna unit 44 and a wireless communication unit 46. The wireless communication unit 46 includes an RF unit 24 and a MAC function unit 50. These functions are substantially the same as the functions of the corresponding blocks included in the wireless base station 16, so their explanation will be omitted here.

無線端末18は、制御情報算出部52を備えている。制御情報算出部52は、無線通信部46およびアンテナ部44を介して、帰属先の無線基地局16から通信品質情報を取得する。そして、制御情報算出部52は、通信品質情報に基づいて、DQNまたはDDQNにより、複数の無線通信用のIFの夫々を、どの無線基地局16に接続させるのが最適な行動aであるかを決める処理と、そのための学習とを行う。 The wireless terminal 18 includes a control information calculation unit 52. The control information calculation unit 52 acquires communication quality information from the wireless base station 16 to which the wireless terminal 18 belongs via the wireless communication unit 46 and the antenna unit 44. Then, the control information calculation unit 52 performs a process of determining, based on the communication quality information, an optimal action a k for connecting each of a plurality of wireless communication IFs to which wireless base station 16 by DQN or DDQN, and performs learning for this purpose.

制御情報算出部52は、状態算出部54を備えている。状態算出部54では、通信品質情報に基づいて、DQNまたはDDQNの入力層に提供する状態S(t)が算出される。 The control information calculation unit 52 includes a state calculation unit 54. The state calculation unit 54 calculates a state S k (t) to be provided to the input layer of the DQN or DDQN based on the communication quality information.

制御情報算出部52は、また、報酬算出部56を備えている。報酬算出部56は、通信品質情報に基づいて、採用された行動aにより得られる報酬Γを算出する。 The control information calculation unit 52 also includes a reward calculation unit 56. The reward calculation unit 56 calculates a reward Γ k obtained by the adopted action a k , based on the communication quality information.

制御情報算出部52は、更に、DQN/DDQN更新部58を備えている。DQN/DDQN更新部58では、強化学習に用いられるDQNまたはDDQNのパラメータθが更新される。より具体的には、DQNまたはDDQNの価値関数としての特徴を決める重み付けの係数やバイアス値(以下、「重み付け係数等」とする)が更新される。 The control information calculation unit 52 further includes a DQN/DDQN update unit 58. The DQN/DDQN update unit 58 updates the parameter θ of the DQN or DDQN used in reinforcement learning. More specifically, the weighting coefficient and bias value (hereinafter referred to as "weighting coefficient, etc.") that determine the characteristics of the DQN or DDQN as a value function are updated.

DQN/DDQN更新部58によって更新されたDQNまたはDDQNは、帰属先算出部60において用いられる。即ち、帰属先算出部60は、更新後のDQNまたはDDQNに従って、今回採用するべき行動a、つまり、どのIFをどの無線基地局16に帰属させるべきかを算出する。 The DQN or DDQN updated by the DQN/DDQN update unit 58 is used in the belonging calculation unit 60. That is, the belonging calculation unit 60 calculates the action a k to be adopted this time, that is, which IF should be attributed to which wireless base station 16, according to the updated DQN or DDQN.

DQNおよびDDQNは、入力層に状態Sが与えられると、無線端末18が採り得る行動aの夫々について、採用の価値を出力層に表出させる。従って、その価値が最も大きい値となる行動を選択すれば、現在の学習段階において最適と考えられる行動を選択することができる。但し、次の行動aが常に上記の価値に基づいて選択されるとすると、偶然選ばれた局所的な解に囚われてしまい、真の最適行動が永遠に選択されない事態に陥ることがある。 In DQN and DDQN, when a state S k is given to the input layer, the adoption value of each of the actions a k that the wireless terminal 18 can take is displayed in the output layer. Therefore, by selecting the action with the largest value, it is possible to select an action that is considered optimal at the current learning stage. However, if the next action a k is always selected based on the above value, it may become trapped in a local solution selected by chance, and the truly optimal action may never be selected.

帰属先算出部60は、そのような事態の発生を避けるため、ε-greedy法に従って行動aを算出する。このため、帰属先算出部60では、確率εで、DQNまたはDDQNによらずランダムに次の行動aが選択される。また、確率1-εで、DQNまたはDDQNが最適と判断する行動aが選択される。 In order to avoid such a situation, the assignment calculation unit 60 calculates the action a k according to the ε-greedy method. Therefore, the assignment calculation unit 60 randomly selects the next action a k with a probability ε, regardless of DQN or DDQN. Also, the assignment calculation unit 60 selects the action a k that DQN or DDQN judges to be optimal with a probability of 1-ε.

更に、帰属先算出部60は、学習が繰り返される毎に、εに減衰処理を施す。偶然選ばれた局所的解に陥る可能性は、学習初期の段階で大きく、学習が進行するに連れて小さくなる。このため、ランダムに行動aを選択する必要性は、学習が進むに連れて小さくなる。εに減衰処理を施すと、その必要性の低下に合わせて、行動aがランダムに選択される頻度を下げることができる。このため、本実施形態の帰属先算出部60によれば、効率よく学習を進めて、パラメータθを短期間で最適値に収束させることができる。 Furthermore, the destination calculation unit 60 performs a decay process on ε each time learning is repeated. The possibility of falling into a local solution selected by chance is large in the early stages of learning and decreases as learning progresses. Therefore, the necessity of randomly selecting an action a k decreases as learning progresses. By performing a decay process on ε, the frequency with which the action a k is randomly selected can be reduced in line with the decrease in the necessity. Therefore, according to the destination calculation unit 60 of this embodiment, learning can be efficiently advanced and the parameter θ can be converged to an optimal value in a short period of time.

ところで、DQNまたはDDQNのパラメータを学習する手法として、転移学習(Transfer Learning)が知られている。転移学習とは、学習済みモデルをベースに、最終の出力層を付け替えて学習させる手法である。転移学習では、入力層に近い部分のパラメータは学習済みの値から変化させず、付け替えた出力層へのパラメータ、およびその手前の幾つかの層のパラメータだけが自前のデータで学習し直される。転移学習によれば、一部のパラメータだけが更新の対象となるため、パラメータの全てを更新する場合に比して、更新に伴う計算負荷を軽減することができる。 By the way, transfer learning is known as a method for learning parameters for DQN or DDQN. Transfer learning is a method in which the final output layer is replaced and trained based on a trained model. In transfer learning, parameters close to the input layer are left unchanged from their trained values, and only the parameters for the replaced output layer and the parameters for several layers before that are retrained with original data. With transfer learning, only some parameters are subject to update, so the computational load associated with updating can be reduced compared to updating all parameters.

本実施形態の無線通信システム10では、上記の通り、動的な通信環境の下で、DQNまたはDDQNを迅速に環境変化に追随させることが望まれる。そのためには、DQNまたはDDQNの更新を高い頻度で繰り返す必要がある。そして、その更新を高い頻度で繰り返すためには、その更新に伴う計算負荷を十分に軽減することが必要である。 As described above, in the wireless communication system 10 of this embodiment, it is desirable to have the DQN or DDQN quickly follow environmental changes in a dynamic communication environment. To achieve this, it is necessary to repeatedly update the DQN or DDQN at a high frequency. And, in order to repeatedly update at a high frequency, it is necessary to sufficiently reduce the computational load associated with the updates.

本実施形態では、上記の観点の下、DQNまたはDDQNの更新に、転移学習の考え方を応用して、パラメータの部分更新を行う。つまり、パラメータの初期化が終了した後は、DQNまたはDDQNに含まれる隠れ層のうち、前段に対応するパラメータは固定して、その後段に対応するパラメータだけを更新する。この手法によれば、全てのパラメータが更新対象である場合に比して、DQNまたはDDQNの更新に伴う計算負荷を大幅に軽減することができる。 In this embodiment, based on the above viewpoint, the idea of transfer learning is applied to the update of the DQN or DDQN to perform partial parameter updates. In other words, after parameter initialization is completed, among the hidden layers included in the DQN or DDQN, the parameters corresponding to the previous stage are fixed, and only the parameters corresponding to the subsequent stages are updated. With this method, the computational load associated with updating the DQN or DDQN can be significantly reduced compared to when all parameters are subject to update.

また、本実施形態における無線端末18は、上記の通り、ハードウェアが許容するBUB個の無線基地局16を通信の対象として取り扱う。そして、BUB個の無線基地局16を通信対象としてDQNまたはDDQNを更新しようとすると、無線端末18が備える二つのIFと、BUB個の無線基地局16が備える二つのIFとの間に成立し得る可能な組み合わせの数が状態空間のサイズとなる。 As described above, the wireless terminal 18 in this embodiment handles the B UB wireless base stations 16 permitted by its hardware as communication targets. When an attempt is made to update the DQN or DDQN with the B UB wireless base stations 16 as communication targets, the number of possible combinations that can be established between the two IFs included in the wireless terminal 18 and the two IFs included in the B UB wireless base stations 16 becomes the size of the state space.

しかしながら、BUB個の無線基地局16には、無線端末18との間の信号強度が弱く、現実的には帰属先の対象とならないものが含まれる。そして、このような無線基地局16を帰属先から省けば、DQNまたはDDQNの更新において考慮すべき状態空間のサイズが小さくなり、更新に伴う演算負荷を下げることができる。 However, the B UB wireless base stations 16 include some that are not actually targets for belonging because the signal strength between them and the wireless terminal 18 is weak. If such wireless base stations 16 are excluded from the targets for belonging, the size of the state space to be considered in updating the DQN or DDQN becomes smaller, and the calculation load associated with the update can be reduced.

無線端末18は、上記の機能を実現するため、環境変化検出部62と、更新範囲制御部64を備えている。環境変化検出部62は、以下の三つの機能を果たす。
1.周囲の無線基地局16から受信する信号に基づいて、チャネル品質の状態を表すRSSI(Received Signal Strength Indicator)を計測する。
2.RSSIが示す強度が高い順にBmax個の無線基地局16を選択する。但し、Bmaxは、BUBより小さな数である。
3.Bmax個に含まれる無線端末18の組み合わせ、或いはそれらにおいて利用可能なIFの組み合わせが変化した場合に、環境の変化を認定する。
To achieve the above functions, the wireless terminal 18 includes an environmental change detection unit 62 and an update range control unit 64. The environmental change detection unit 62 performs the following three functions.
1. Based on the signal received from the surrounding wireless base stations 16, a received signal strength indicator (RSSI) indicating the channel quality is measured.
2. Select Bmax wireless base stations 16 in descending order of RSSI strength, where Bmax is a number smaller than BUB .
3. When the combination of wireless terminals 18 included in Bmax or the combination of IFs available thereto changes, a change in the environment is recognized.

更新範囲制御部64は、以下の三つの機能を果たす。
1.パラメータθを初期化する段階では、隠れ層の全てを更新の対象とすることをDQN/DDQN更新部58に指示する。同時に、BUB個の無線基地局6の全てをアクティブな対象として取り扱うことを、報酬算出部56およびDQN/DDQN更新部58に指示する。
2.初期化の終了後は、隠れ層の後段だけを更新の対象とすることをDQN/DDQN更新部58に指示する。同時に、RSSIの大きなBmax個の無線基地局16だけをアクティブな対象として扱うことを、報酬算出部56およびDQN/DDQN更新部58に指示する。
3.環境変化検出部62が環境変化を認定したら、学習済みのパラメータを保存して、アクティブな対象を新たなBmax個の無線基地局16に変更することを、報酬算出部56およびDQN/DDQN更新部58に指示する。
The update range control unit 64 performs the following three functions.
1. In the stage of initializing the parameter θ, the DQN/DDQN update unit 58 is instructed to update all of the hidden layers. At the same time, the reward calculation unit 56 and the DQN/DDQN update unit 58 are instructed to treat all of the B UB wireless base stations 6 as active targets.
2. After the initialization is completed, instruct the DQN/DDQN update unit 58 to update only the latter stages of the hidden layer. At the same time, instruct the reward calculation unit 56 and the DQN/DDQN update unit 58 to treat only the Bmax wireless base stations 16 with large RSSI as active targets.
3. When the environmental change detection unit 62 recognizes an environmental change, it instructs the reward calculation unit 56 and the DQN/DDQN update unit 58 to save the learned parameters and change the active targets to the new Bmax wireless base stations 16.

報酬算出部56およびDQN/DDQN更新部58は、更新範囲制御部64の指示に従ってパラメータθの更新手法を切り替える。これにより、初期化の終了後は、パラメータθの更新に伴う負荷が十分に軽減される。 The reward calculation unit 56 and the DQN/DDQN update unit 58 switch the update method for the parameter θ according to instructions from the update range control unit 64. This sufficiently reduces the load associated with updating the parameter θ after the initialization is completed.

本実施形態において、無線端末18は、メモリ部66を備えている。メモリ部66は、下記の情報を経験e(t)として格納する。
1.今回の学習でDQNまたはDDQNの入力層に提供された状態S(t)、
2.その状態S(t)に応じて決定された行動a(t)、
3.その行動a(t)により得られた報酬Γ(t)、
4.その行動a(t)により遷移した先の状態S(t+1)。
In this embodiment, the wireless terminal 18 includes a memory unit 66. The memory unit 66 stores the following information as experience e k (t):
1. The state S k (t) provided to the input layer of DQN or DDQN in this learning,
2. Action a k (t) determined according to the state S k (t),
3. The reward Γ k (t) obtained by the action a k (t),
4. State S k (t+1) to which the transition is made by the action a k (t).

無線端末18は、また、帰属先要求部68を備えている。帰属先要求部68は、帰属先算出部60から行動aを受け取り、その行動aに対応するリクエストを生成する。例えば、無線端末18をIF1で無線基地局16-1に接続する、或いは、無線端末18をIF2で無線基地局16-2に接続する、といったリクエストを生成する。生成されたリクエストは、無線通信部46およびアンテナ部20を介して、単一または複数の無線基地局16に送信される。 The wireless terminal 18 also includes an attachment request unit 68. The attachment request unit 68 receives the action a k from the attachment calculation unit 60 and generates a request corresponding to the action a k . For example, the request generated is to connect the wireless terminal 18 to the wireless base station 16-1 via IF1, or to connect the wireless terminal 18 to the wireless base station 16-2 via IF2. The generated request is transmitted to one or more wireless base stations 16 via the wireless communication unit 46 and the antenna unit 20.

無線端末18は、帰属先記録部70を備えている。無線基地局16から受け取る情報には、リクエストに対する可否の応答が含まれている。例えば、その情報には、新たな接続を許可する旨の応答、或いは接続の更新を許可する旨の応答等が含まれている。帰属先記録部70は、これらの応答に基づいて、帰属先の無線基地局16についての情報を更新して記録する。 The wireless terminal 18 is equipped with an attachment destination recording unit 70. The information received from the wireless base station 16 includes a response to the request as to whether it is OK or not. For example, the information includes a response to allow a new connection, or a response to allow an update of a connection. Based on these responses, the attachment destination recording unit 70 updates and records information about the wireless base station 16 to which it is attached.

図6は、無線端末18のハードウェア構成を説明するための図である。ここでは、無線端末18がスマートフォンである場合について説明する。但し、無線端末18は、スマートフォンに限定されるものではなく、タブレット端末や汎用のコンピュータシステムであってもよい。 Figure 6 is a diagram for explaining the hardware configuration of the wireless terminal 18. Here, a case where the wireless terminal 18 is a smartphone will be explained. However, the wireless terminal 18 is not limited to a smartphone, and may be a tablet terminal or a general-purpose computer system.

無線端末18は、CPU(Central Processing Unit)72を備えている。CPU72は、バス配線74を介して、無線端末18が備える各種のハードウェア要素と接続されている。バス配線74には、例えば、ROM(Read Only Memory)76、RAM(Random Access Memory)78、ストレージ80等の各種メモリ装置が接続されている。 The wireless terminal 18 is equipped with a CPU (Central Processing Unit) 72. The CPU 72 is connected to various hardware elements equipped in the wireless terminal 18 via a bus wiring 74. Various memory devices, such as a ROM (Read Only Memory) 76, a RAM (Random Access Memory) 78, and a storage 80, are connected to the bus wiring 74.

ストレージ80は、フラッシュROM等の不揮発性メモリを含んでいる。各種のアプリケーションの実行に必要なプログラムやデータは、ストレージ80に格納されている。上述したメモリ部66および帰属先記録部70は、ストレージ80により実現される。また、CPU72は、ストレージ80に格納されているプログラムに沿って処理を進めることにより、図5に示す制御情報算出部52、環境変化検出部62および更新範囲制御部64等の機能を実現する。 The storage 80 includes a non-volatile memory such as a flash ROM. Programs and data necessary for executing various applications are stored in the storage 80. The memory unit 66 and the destination recording unit 70 described above are realized by the storage 80. The CPU 72 also realizes the functions of the control information calculation unit 52, the environmental change detection unit 62, the update range control unit 64, and the like shown in FIG. 5 by carrying out processing in accordance with the programs stored in the storage 80.

無線端末18は、通信インターフェース82を備えている。通信インターフェース82は、上記のアンテナ部44および無線通信部46に相当する。無線端末18は、更に、操作部84および表示部86を備えている。操作部84は、各種の機械的なスイッチ機構および電子的なセンサ機構に加えて、表示部86と一体化されたタッチパネルを含んでいる。 The wireless terminal 18 includes a communication interface 82. The communication interface 82 corresponds to the antenna unit 44 and wireless communication unit 46 described above. The wireless terminal 18 further includes an operation unit 84 and a display unit 86. The operation unit 84 includes a touch panel integrated with the display unit 86, in addition to various mechanical switch mechanisms and electronic sensor mechanisms.

[DQNの概要]
図7は、DQNの概要を説明するための図である。以下、図7を参照して、無線端末18が用いる深層強化学習の一例であるDQNの概要を説明する。本実施形態で用いられるDQNは、入力層と、隠れ層と、出力層を有している。また、DQNには、現時点tの学習状態に対応するパラメータθ が設定されている。DQNの価値関数としての特性は、パラメータθ により決定される。
[Overview of DQN]
Fig. 7 is a diagram for explaining an overview of DQN. Hereinafter, an overview of DQN, which is an example of deep reinforcement learning used by the wireless terminal 18 k , will be explained with reference to Fig. 7. The DQN used in this embodiment has an input layer, a hidden layer, and an output layer. In addition, a parameter θ i t corresponding to the learning state at the current time t is set in the DQN. The characteristics of the DQN as a value function are determined by the parameter θ i t .

図7において、DQNの入力層は、M個のノードS~Sを有している。これらのノードには、無線端末18の状態Sを構成する要素が夫々入力される。状態Sの要素には、例えば、以下のような要素が含まれる。
1.無線基地局16-bの帯域利用率φb、
2.無線端末18のインターフェースfの要求データレートRkf
3.無線端末18と無線基地局16-bとの帰属の関係xbkf(帰属していれば1、そうでなければ0)、
4.無線端末18のインターフェースfの無線基地局16-bに対する帰属の要求abkf(要求有りなら1、そうでなければ0)、
5.無線端末18のインターフェースfと無線基地局16-bとの間に成立している伝送レートrbkf
7, the input layer of the DQN has M nodes S 1 to S M. Elements constituting the state S k of the wireless terminal 18 k are input to these nodes. The elements of the state S k include, for example, the following elements:
1. Bandwidth utilization rate φb of wireless base station 16-b,
2. The required data rate R kf of the interface f of the wireless terminal 18 k ,
3. The relationship x bkf between the wireless terminal 18 k and the wireless base station 16-b (1 if the wireless terminal 18 k belongs to the wireless base station 16-b, 0 if not),
4. A request a bkf for association of the interface f of the wireless terminal 18 k to the wireless base station 16-b (1 if there is a request, 0 if not),
5. The transmission rate r bkf established between the interface f of the wireless terminal 18 k and the wireless base station 16-b.

隠れ層の層数とノード数は任意である。但し、本実施形態では、隠れ層の層数は二以上であるものとする。出力層は、無線端末18が、状態Sの下で取ることのできる行動aの総数Nと等しいノード数を有している。行動aの一部を以下に例示する。
・IF1だけを無線基地局16-1に帰属させる。
・IF1およびIF2の双方を無線基地局16-1に帰属させる。
・IF2だけを無線基地局16-1に帰属させる。
・IF1を無線基地局16-1に帰属させ、IF2を無線基地局16-2に帰属させる。


The number of hidden layers and the number of nodes are arbitrary. However, in this embodiment, the number of hidden layers is two or more. The output layer has a number of nodes equal to the total number N of actions ai that the wireless terminal 18k can take in the state Sk . Some of the actions ai are shown below.
-Only IF1 is associated with the wireless base station 16-1.
Both IF1 and IF2 are associated with the wireless base station 16-1.
-Only IF2 is associated with the wireless base station 16-1.
- IF1 is associated with the wireless base station 16-1, and IF2 is associated with the wireless base station 16-2.


出力層の各ノードには、無線端末18が取り得る行動a(i=1~N)の夫々についてのQ値=Q(S,a;θ )が表出する。Q値は、パラメータθ の下でDQNが算出した行動aについての採用価値である。 Each node in the output layer displays a Q value = Q (S k , a i ; θ i t ) for each action a i (i = 1 to N) that the wireless terminal 18 k can take. The Q value is the adoption value for the action a i calculated by the DQN under the parameter θ i t .

DQNを用いる手法では、出力層に表れたQ値の中から最も大きな値を選択して、そのQ値を生じさせる行動a(t)を、現時点tでの最適な行動a(t)と決定する。DQNによれば、このようにして、個々の学習段階において、その時点tで最適と判断できる行動a(t)を決定することができる。 In a method using DQN, the largest value is selected from the Q values appearing in the output layer, and the action a i (t) that produces that Q value is determined as the optimal action a k (t) at the current time t. In this way, DQN makes it possible to determine an action a k (t) that can be determined as optimal at the time t in each learning stage.

図8は、無線端末18の制御情報算出部52がDQNのパラメータθを更新する流れを説明するため図である。尚、図8では、行動a(t)を、便宜上DQN/DDQNの後段に示しているが、行動a(t)がDQNまたはDDQNにより決定されるのは、上記の通り確率1-εの場合に限られる。そして、確率εの下では、行動a(t)がランダムに決定される。パラメータθには、それら双方の場合に得られた経験e(t)が反映される。 Fig. 8 is a diagram for explaining the flow in which the control information calculation unit 52 of the wireless terminal 18 k updates the parameter θ i of the DQN. Note that in Fig. 8, the action a k (t) is shown after the DQN/DDQN for convenience, but the action a k (t) is determined by the DQN or DDQN only when the probability is 1-ε, as described above. Under the probability ε, the action a k (t) is determined randomly. The parameter θ i reflects the experience e k (t) obtained in both cases.

無線端末18では、行動a(t)が決定された後、その行動a(t)に対する報酬Γ(t)が算出される。報酬Γ(t)は、例えば、次式(1)により算出される。 After the action a k (t) is determined in the wireless terminal 18 k , the reward Γ k (t) for the action a k (t) is calculated. The reward Γ k (t) is calculated, for example, by the following formula (1).

Figure 0007642943000001
Figure 0007642943000001

上記(1)式中、右辺第一項は加点項目であり、第二項は減点項目である。両者に付されたω1k、ω2kは、それらに対する配分比率を決める係数である。また、νは、IF1が対応するべき1GHz以下(sub)の項と、IF2が対応するべきミリ波(mW)の項とを区別するための識別子である。 In the above formula (1), the first term on the right side is a point-adding item, and the second term is a point-deducting item. ω 1k and ω 2k attached to both are coefficients that determine the allocation ratio for them. Also, ν is an identifier to distinguish between the 1 GHz or lower (sub) term that IF1 should support and the millimeter wave (mW) term that IF2 should support.

更に、上記(1)式中、右辺第一項中のc1k ν(t)は、要求データレートRkfを満たす伝送レートrbkf(t)が得られた場合の加点分を意味している。その値は、次式(2)により算出される。 Furthermore, in the above formula (1), c 1k v (t) in the first term on the right side means the added point when a transmission rate r bkf (t) that satisfies the required data rate R kf is obtained. The value is calculated by the following formula (2).

Figure 0007642943000002
Figure 0007642943000002

上記(2)式は、以下の場合に、伝送レートrbkf(t)に応じた加点rbkf(t)/Wνが与えられることを意味している。但し、末項中のWνは(sub)と(mW)の周波数帯の違いを相殺して正規化するための因子である。
1.無線端末18のインターフェースfが無線基地局16-bへの帰属を要求していること(abkf(t)=1)。
2.無線端末18のインターフェースfの帰属を無線基地局16-bが認めており(xbkf(t)=1)、かつ、要求データレートRkfを超える伝送レートrbkf(t)が得られていること(rbkf(t)>Rkf)。
The above formula (2) means that an additional point r bkf (t)/W v is given according to the transmission rate r bkf (t) in the following cases: where W v in the last term is a factor for offsetting and normalizing the difference between the (sub) and (mW) frequency bands.
1. The interface f of the wireless terminal 18 k is requesting to belong to the wireless base station 16-b (a bkf (t)=1).
2. The wireless base station 16-b recognizes the association of the interface f of the wireless terminal 18 k (x bkf (t) = 1), and a transmission rate r bkf (t) exceeding the requested data rate R kf is obtained (r bkf (t) > Rkf).

上記(1)式中、右辺第二項中のc2k ν(t)は、以下の二つの場面における減点分を意味している。
1.帰属の要求が出され(abkf(t)=1)、帰属は許可されたが(xbkf(t)=1)、要求データレートRkfを満たす伝送レートrbkf(t)が得られなかった場合(rbkf(t)<Rkf)。
2.帰属の要求が出されたが(abkf(t)=1)、無線基地局16から帰属がドロップされてしまった場合(xbkf ν(t)=0)。
In the above formula (1), c 2k v (t) in the second term on the right side means the points deducted in the following two cases.
1. A request for association is made (a bkf (t)=1) and association is granted (x bkf (t)=1), but a transmission rate r bkf (t) that satisfies the requested data rate R kf is not available (r bkf (t)<R kf ).
2. An association request is made (a bkf (t)=1), but the association is dropped by the radio base station 16 (x bkf v (t)=0).

(sub)の場合の減点c2k sub(t)は、例えば下記(3)式のように表すことができる。また、(mW)の場合の減点c2k mW(t)は、例えば下記(4)式および(5)式のように表すことができる。 The deduction point c 2k sub (t) in the case of (sub) can be expressed, for example, as in the following formula (3). Also, the deduction point c 2k mW (t) in the case of (mW) can be expressed, for example, as in the following formulas (4) and (5).

Figure 0007642943000003
Figure 0007642943000003

Figure 0007642943000004
Figure 0007642943000004

Figure 0007642943000005
Figure 0007642943000005

このように、行動a(t)の結果として要求データレートRkfを満たす伝送レートrbkf(t)が得られれば報酬Γ(t)は大きな値となる。他方、十分な伝送レートrbkf(t)が得られなければ、報酬Γ(t)は小さな値となる。 In this way, if the action a k (t) results in a transmission rate r bkf (t) that satisfies the required data rate R kf , the reward Γ k (t) will be a large value. On the other hand, if a sufficient transmission rate r bkf (t) is not obtained, the reward Γ k (t) will be a small value.

報酬Γ(t)が算出されると、今回の経験e(t)がメモリに格納される(ステップ88)。具体的には、現在の状態S(t)、選択された行動a(t)、得られた報酬Γ(t)、並びに遷移後の状態S(t+1)が、経験e(t)としてメモリに格納される。 Once the reward Γk (t) is calculated, the current experience e( t ) is stored in memory (step 88). Specifically, the current state S(t), the selected action a (t), the obtained reward Γk ( t), and the state S( t +1) after the transition are stored in memory as the experience e (t).

サンプルの系列に時間的な相関があると学習が適切に進まないことがある。この問題を解決するために、パラメータθの更新にあたっては、メモリに格納された経験eからランダムにメモリサンプルを取得し、それらをバッチ的に処理する(ステップ90)。 If there is a time correlation in the sample sequence, learning may not proceed properly. To solve this problem, when updating the parameter θ i , memory samples are randomly taken from the experience e k stored in the memory and processed in batches (step 90).

ランダムに取得したメモリサンプル、つまり(S、a、Γ、S´)を含む経験eを用いて、DQN/DDQNのパラメータθを更新する(ステップ92)。但し、S´は、行動aにより遷移した先の状態を指すものとする。本ステップ92の処理は、具体的には、以下のように進められる。 The parameter θi of the DQN/DDQN is updated using the randomly acquired memory sample, i.e., the experience e k including (S k , a k , Γ k , S k ′) (step 92). Here, S k ′ refers to the state to which the transition is made by the action a k . Specifically, the process of this step 92 proceeds as follows.

行動aに対する報酬Γが決まると、その報酬Γに基づいて、状態Sの下で行動aを選択することについての「新たなQ値」=Q(S,a)が算出できる。新たなQ値は、例えば下記(6)式のように算出される。 When the reward Γ k for the action a k is determined, a "new Q value" = Q(S k , a k ) for selecting the action a k in the state S k can be calculated based on the reward Γ k . The new Q value is calculated, for example, as shown in the following formula (6).

Q(S,a)←Γk+γ*maxQ(S´,a´) ・・・(6)
但し、γは、時間割引率である。
Q(S k , a k )←Γk+γ*maxQ(S k ′, a k ′) ・・・(6)
where γ is the time discount rate.

上記(6)式の右辺、Γ+γ*maxQ(S´,a´)は、(S,a)の組合せに対して、「学習後のDQN」にQ値として算出して貰いたい値である。従って、DQNのパラメータθは、(S,a)の入力に対して出力層にその値が表出するように更新すればよい。 The right-hand side of the above equation (6), Γk +γ*maxQ( Sk ', ak '), is the value that you want the "trained DQN" to calculate as the Q value for the combination of ( Sk , ak ). Therefore, the parameter θi of the DQN can be updated so that the value appears in the output layer for the input of ( Sk , ak ).

下記(7)式は、本実施形態においてDQNのパラメータθを更新する際に用いる損失関数Lを示す。 The following equation (7) shows a loss function L k used when updating the DQN parameter θ i in this embodiment.

Figure 0007642943000006
Figure 0007642943000006

但し、上記(7)式、右辺第一項のQ(S,a;θ)は、パラメータθを持つメインネットワークが(S,a)の組合せに対して算出するQ値である。また、右辺第二項中のQ(S´,a´;θ )は、パラメータθ を持つターゲットネットワークが(S´,a´)の組合せに対して算出するQ値である。 In the above formula (7), Q( S , a ; θ ) in the first term on the right side is the Q value calculated by the main network having the parameter θ for the combination of ( S , a ), and Q(S ' , a '; θ- ) in the second term on the right side is the Q value calculated by the target network having the parameter θ- for the combination of (S ' , a ').

DQNを更新する際に、更新するネットワークの値を更新中のネットワークで計算すると、学習が安定しないことがある。このため、DQNの更新では、更新対象であるメインネットワークの他に、更新値を計算するためのターゲットネットワークを用いるのが通常である。本実施形態においても、上記通常の手法に従い、新たなQ値に当たる(7)式第二項は、ターゲットネットワークを用いて計算する。 When updating a DQN, if the values of the network to be updated are calculated using the network being updated, learning may not be stable. For this reason, when updating a DQN, it is common to use a target network for calculating the update values in addition to the main network to be updated. In this embodiment, the second term of equation (7), which corresponds to the new Q value, is calculated using the target network, following the above-mentioned normal method.

本ステップ92では、上記(7)式に示す損失関数Lが最小化されるように、DQNのパラメータθ、つまりメインネットワークのパラメータθが更新される。その結果、DQNは、状態Sの入力に対して、行動aのQ値として、上記(6)式右辺の値を表出するように学習される。 In this step 92, the parameters θ i of the DQN, i.e., the parameters θ i of the main network, are updated so as to minimize the loss function L k shown in the above equation (7). As a result, the DQN learns to express the value on the right side of the above equation (6) as the Q value of the action a k for the input of the state S k .

ターゲットネットワークは、更新の直後を除いて、過去のメインネットワークと同一である。そして、ターゲットネットワークは、既定の周期で更新される(ステップ94)。即ち、既定の周期で更新時期が到来すると、ターゲットネットワークのパラメータθ が、メインネットワークのパラメータθにより上書きされる。以上の処理により、DQNの更新が完了する。 The target network is the same as the previous main network except immediately after the update. The target network is then updated at a predetermined cycle (step 94). That is, when the time for updating arrives at the predetermined cycle, the parameter θ i of the target network is overwritten by the parameter θ i of the main network. The above process completes the update of the DQN.

尚、下記(8)式は、本実施形態で、DDQNの手法が用いられる場合に、上記ステップ92において用いられる損失関数Lを示す。更新の原理は、DQNの場合と同様であるため、これについての詳細は説明は省略する。 In addition, the following formula (8) shows the loss function L k used in the above step 92 when the DDQN method is used in this embodiment. The principle of the update is the same as that of the DQN, so a detailed explanation of this will be omitted.

Figure 0007642943000007
Figure 0007642943000007

[パラメータθの初期化]
図9は、パラメータθを初期化する際のDQNの特徴を模式的に表した図である。ここでは、隠れ層の層数を「二」に設定している。パラメータθには、隠れ層のhノードが出力層のaノードを選択するための重み付け係数Wh等が含まれる。パラメータθの初期化の際には、上記の通り、更新範囲制御部64が、隠れ層の全てを更新の対象とすること、およびBUB個の無線基地局16の全てをアクティブなものとして取り扱うことを指示する。
[Initialization of parameter θi ]
9 is a diagram showing a schematic diagram of the characteristics of DQN when the parameter θi is initialized. Here, the number of hidden layers is set to "two". The parameter θi includes a weighting coefficient Wh 1 a 1 for the h 1 node of the hidden layer to select the a 1 node of the output layer , etc. When the parameter θi is initialized, as described above, the update range control unit 64 instructs that all of the hidden layers are to be updated and that all of the B UB wireless base stations 16 are to be treated as active.

DQNおよびDDQNの入力層並びに出力層には、BUB個の無線基地局16を取り扱うために必要な数のノードが準備されている。例えば、出力層には、無線端末18が備える二つのIFと、BUB個の無線基地局16が夫々有するIFとの間に成り立つ組合せの総数に等しい数のノードa~a|A|が準備される。パラメータθを初期化する段階では、それらのノードの全てがアクティブな状態とされる。そして、DQNまたはDDQNのノード間に夫々設定される重み付け係数W等の全てが学習により更新される。 The input layer and output layer of DQN and DDQN are provided with the number of nodes necessary to handle B UB wireless base stations 16. For example, the output layer is provided with nodes a 1 to a|A k | equal in number to the total number of combinations between the two IFs of the wireless terminal 18 and the IFs of each of the B UB wireless base stations 16. At the stage of initializing the parameter θ i , all of these nodes are set to an active state. Then, all of the weighting coefficients W and the like set between the nodes of DQN or DDQN are updated by learning.

この際、報酬Γ(t)の計算も、BUB個の無線基地局16を処理の対象として計算される。即ち、上記(1)式~(4)式に示すように、報酬Γ(t)の計算は、無線基地局16の集合Bに対して実行される。ここでは、その集合BがBUB個の無線基地局16を含むものとして、上記(1)式~(4)式の計算が行われる。 At this time, the reward Γ k (t) is also calculated for B UB wireless base stations 16. That is, as shown in the above formulas (1) to (4), the reward Γ k (t) is calculated for set B of wireless base stations 16. Here, the calculations of the above formulas (1) to (4) are performed assuming that set B includes B UB wireless base stations 16.

[パラメータθの部分更新]
図10は、パラメータθが部分更新される際のDQNの特徴を模式的に表した図である。初期化の終了後は、上記の通り、更新範囲制御部64が、隠れ層の後段だけを更新の対象とすることを指示する。この指示を受けて、初期化の終了後は、隠れ層の二層のうち後段の層96だけが更新の対象となり、隠れ層の前段の層に関わる重み付け係数W等は固定される。前段の層に関わる重み付け係数W等が固定されれば、更新するべきパラメータθの数が少なくなる。このため、パラメータθの更新に伴う計算負荷は、初期化の際の計算負荷に比して軽減される。
[Partial update of parameter θi ]
FIG. 10 is a diagram showing the characteristics of DQN when the parameter θ i is partially updated. After the initialization is completed, as described above, the update range control unit 64 instructs that only the rear hidden layer is to be updated. In response to this instruction, after the initialization is completed, only the rear layer 96 of the two hidden layers is to be updated, and the weighting coefficients W and the like related to the layer before the hidden layer are fixed. If the weighting coefficients W and the like related to the layer before the hidden layer are fixed, the number of parameters θ i to be updated is reduced. Therefore, the calculation load associated with the update of the parameter θ i is reduced compared to the calculation load during initialization.

更新範囲制御部64は、また、初期化の終了後に、RSSIの大きなBmax個の無線基地局16だけをアクティブなものとして取り扱うことを指示する。DQNおよびDDQNの入力層並びに出力層には、Bmaxに含まれない無線基地局16を取り扱うためのノードが準備されている。この段階では、それらのノードが非アクティブな状態とされる。例えば、無線基地局16-1がBmaxに含まれない場合は、「無線端末18のIF1を無線基地局16-1に接続する」、或いは「無線端末18のIF1およびIF2の双方を無線基地局16-1に接続する」といった行動aを収容するためのノードが非アクティブとされる。 The update range control unit 64 also instructs that only Bmax wireless base stations 16 with large RSSIs are treated as active after the initialization is completed. Nodes for handling wireless base stations 16 not included in Bmax are prepared in the input layer and output layer of DQN and DDQN. At this stage, those nodes are made inactive. For example, if the wireless base station 16-1 is not included in Bmax, the node for accommodating the action a k such as "connecting IF1 of the wireless terminal 18 k to the wireless base station 16-1" or "connecting both IF1 and IF2 of the wireless terminal 18 k to the wireless base station 16-1" is made inactive.

この場合、非アクティブなノードに関わる重み付け係数W等は固定され、アクティブなノードに関わるパラメータθだけが更新される。非アクティブなノードに関わる重み付け係数W等が固定されれば、更新するべきパラメータθの数が少なくなる。このため、パラメータθの更新に伴う計算負荷は、初期化の際の計算負荷に比して、更に軽減される。 In this case, the weighting coefficients W etc. related to the inactive nodes are fixed, and only the parameters θi related to the active nodes are updated. If the weighting coefficients W etc. related to the inactive nodes are fixed, the number of parameters θi to be updated is reduced. Therefore, the calculation load involved in updating the parameters θi is further reduced compared to the calculation load at the time of initialization.

報酬Γ(t)の計算についても、集合Bの要素数がBUB個からBmax個に減少することで、上記(1)式から(4)式で取り扱うべき変数の数が減少する。これにより、報酬Γ(t)の計算負荷も、初期化の場合に比して大幅に軽減される。 Regarding the calculation of reward Γ k (t), the number of variables to be handled in the above formulas (1) to (4) is reduced by reducing the number of elements in set B from B UB to Bmax, and the calculation load of reward Γ k (t) is also significantly reduced compared to the initialization case.

このように、本実施形態では、パラメータθの初期化が終了すると、その後は、パラメータθの全数更新が部分更新に切り替えられる。そして、上記の部分更新によれば、最適な行動aを導出するためのDQNまたはDDQNの特徴を損なうことなく、その学習に伴う演算負荷を大幅に低下させることができる。 In this manner, in this embodiment, when the initialization of the parameter θ i is completed, the full update of the parameter θ i is switched to a partial update thereafter. According to the partial update, the computation load associated with the learning can be significantly reduced without compromising the characteristics of the DQN or DDQN for deriving the optimal action a k .

[無線端末のCPUによる処理]
図11は、上記の機能を実現するために無線端末18のCPU72において実行される処理の流れを説明するためのフローチャートである。図11に示すルーチンは、無線端末18が、初めての通信環境下で起動された場合に実行される。尚、ここでは、強化学習の手法としてDQNが用いられる場合について説明する。
[Processing by the wireless terminal CPU]
Fig. 11 is a flowchart for explaining the flow of processing executed by the CPU 72 of the wireless terminal 18 to realize the above function. The routine shown in Fig. 11 is executed when the wireless terminal 18k is started up in a communication environment for the first time. Note that, here, a case where DQN is used as the reinforcement learning method will be explained.

図11に示すルーチンでは、先ず、周辺の無線基地局16から取得した通信品質情報等に基づいて、DQNの入力層に提供する状態S(t)が設定される(ステップ100)。 In the routine shown in FIG. 11, first, a state S k (t) to be provided to the input layer of DQN is set based on communication quality information and the like acquired from surrounding wireless base stations 16 (step 100).

次に、今回の学習で用いるεが設定される(ステップ102)。εには、例えば初期値として0.1程度の値が与えられ、その後、本ルーチンが繰り返される毎に減衰処理が施される。 Next, ε to be used in this learning is set (step 102). For example, a value of about 0.1 is given to ε as an initial value, and then a decay process is performed each time this routine is repeated.

次に、0~1の範囲に収まる乱数を発生させる。更に、その乱数がε以下であるかが判別される(ステップ104)。 Next, a random number between 0 and 1 is generated. It is then determined whether the random number is less than or equal to ε (step 104).

乱数≦εの成立が認められた場合は、現在の状態S(t)に対して、次の行動a(t)がランダムに決定される(ステップ106)。 If it is determined that the random number≦ε holds, the next action a k (t) for the current state S k (t) is determined randomly (step 106).

これに対して、上記ステップ104で乱数≦εの成立が認められなかった場合は、DQNの入力層に状態S(t)が入力される(ステップ108)。そして、DQNの出力層に表れたQ値が比較され、最も大きなQ値を示す行動a(t)が、現時点での最適な行動a(t)として選択される(ステップ110)。 On the other hand, if it is not determined in step 104 that the random number ≦ ε holds, the state S k (t) is input to the input layer of the DQN (step 108). Then, the Q values appearing in the output layer of the DQN are compared, and the action a i (t) showing the largest Q value is selected as the optimal action a k (t) at the current time (step 110).

次に、上記の処理により選択された行動a(t)に基づいて、周囲の無線基地局16に対して帰属のリクエストが出される(ステップ112)。 Next, based on the action a k (t) selected by the above process, an association request is issued to the surrounding wireless base stations 16 (step 112).

リクエストに対する応答を受信すると、その応答に含まれている情報に基づいて、選択した行動a(t)に対する報酬Γ(t)が算出される(ステップ114)。 When a response to the request is received, a reward Γ k (t) for the selected action a k (t) is calculated based on the information contained in the response (step 114).

次いで、メモリ部66を構成するRAM78に、今回のルーチンで取得した経験e(t)、即ち、(S(t)、a(t)、Γ(t)、S(t+1))のセットが格納される(ステップ116)。 Next, the experience e k (t) acquired in the current routine, that is, the set of (S k (t), a k (t), Γ k (t), S k (t+1)), is stored in the RAM 78 constituting the memory unit 66 (step 116).

以後、バッチ処理によるDQNの更新が実行されて(ステップ118)、今回のルーチンが終了される。ここでは、DQNを特徴付けるパラメータθの全数が更新される。以上の処理は、パラメータθの初期化終了が認められるまで繰り返し実行される。 Thereafter, the DQN is updated by batch processing (step 118), and the current routine is terminated. Here, all the parameters θi characterizing the DQN are updated. The above process is repeated until the initialization of the parameters θi is completed.

図12は、初期化の終了後に、パラメータθの部分更新のためにCPU72が実行する処理の流れを説明するためのフローチャートである。尚、図12において、上記図11に示すステップと実質的に同一のステップについては、共通する符号を付してその説明を省略または簡略する。 12 is a flow chart for explaining the flow of processing executed by the CPU 72 for partially updating the parameter θi after the initialization is completed. In FIG. 12, steps that are substantially the same as those shown in FIG. 11 are denoted by the same reference numerals and their explanations are omitted or simplified.

図12に示すルーチンでは、先ず、周辺の無線基地局16の中から、RSSIの優れたBmax個の無線基地局16が選定される(ステップ120)。 In the routine shown in FIG. 12, first, Bmax wireless base stations 16 with superior RSSI are selected from the surrounding wireless base stations 16 (step 120).

次に、Bmax個の無線基地局16の選定結果に変化が生じたか否かが判別される(ステップ122)。より具体的には、選定されたBmax個の無線基地局16において利用可能な通信インターフェースの組み合わせが変化したか否かが判別される。 Next, it is determined whether or not a change has occurred in the selection results of the Bmax wireless base stations 16 (step 122). More specifically, it is determined whether or not a change has occurred in the combination of communication interfaces available in the selected Bmax wireless base stations 16.

初期化の終了後、Bmax個の無線基地局16が初めて選定された場合は、上記の「変化」が生じたと判断される。また、今回のサイクルで選定されたBmax個の無線基地局16および利用可能なIFの組み合わせが、前回のサイクルで選定された組合せと異なる場合も「変化」が生じたと判断される。これらの場合は、次に、その時点で学習されていたパラメータθの全てが保存される(ステップ124)。 After the initialization is completed, if Bmax wireless base stations 16 are selected for the first time, it is determined that the above-mentioned "change" has occurred. Also, if the combination of Bmax wireless base stations 16 and available IFs selected in the current cycle is different from the combination selected in the previous cycle, it is determined that a "change" has occurred. In these cases, next, all of the parameters θ i that have been learned at that time are saved (step 124).

次いで、入出力層のノードのうち、可能な行動に関わるノードだけが活性化設定される(ステップ126)。より具体的には、DQNの入力層および出力層のノードのうち、選定されたBmax個の無線基地局16について起こり得る行動に対応するものだけが活性化され、他の入出力ノードが非活性化される。 Next, among the nodes in the input/output layer, only those nodes related to possible actions are activated (step 126). More specifically, among the nodes in the input and output layers of the DQN, only those that correspond to possible actions for the selected Bmax wireless base stations 16 are activated, and the other input/output nodes are deactivated.

尚、上記ステップ120において、Bmax個の組み合わせに変化が生じなかったと判別された場合は、上記ステップ124および126の処理がジャンプされる。そして、それらの処理に続いて、DQNの隠れ層のうち後段の層だけを更新対象とし、前段の層を更新対象から外す処理が実行される(ステップ128)。 If it is determined in step 120 that no changes have occurred to the Bmax combinations, steps 124 and 126 are skipped. Following these steps, a process is executed in which only the latter hidden layers of the DQN are updated, and the earlier hidden layers are not updated (step 128).

以後、図11に示す場合と同様に、ステップ100以降の処理が実行される。尚、図12に示すルーチンでは、Bmax個の組み合わせについて変化が検知される毎に、ステップ102において、減衰していたεを初期値に戻すこととしてもよい。εが初期値にリセットされると、ランダムな探索の実行頻度が回復するため、パラメータθを、通信環境の変化に追随させ易くすることができる。 Thereafter, the processes from step 100 onwards are executed in the same manner as in the case shown in Fig. 11. In the routine shown in Fig. 12, each time a change is detected for the Bmax combinations, the attenuated ε may be returned to its initial value in step 102. When ε is reset to its initial value, the frequency of random search execution is restored, making it easier for the parameter θi to follow changes in the communication environment.

図12に示すルーチンでは、ステップ118において、隠れ層の前段の層に関わるパラメータは固定値として保持される。そして、隠れ層の後段の層に関わるパラメータが、学習の進行に合わせて更新される。 In the routine shown in FIG. 12, in step 118, the parameters related to the layer before the hidden layer are held at fixed values. Then, the parameters related to the layer after the hidden layer are updated as the learning progresses.

更に、図12に示すルーチンでは、ステップ118において、Bmax個の無線基地局16に対応する入出力ノードだけがアクティブなものとして、パラメータθが部分的に更新される。換言すると、それらアクティブな入出力ノードの間に位置する重み付け係数W等だけが更新され、他のパラメータは固定値のまま保持される。 12, in step 118, the parameter θi is partially updated by regarding only the input/output nodes corresponding to the Bmax wireless base stations 16 as active. In other words, only the weighting coefficients W etc. located between the active input/output nodes are updated, and the other parameters are maintained at fixed values.

また、図12に示すルーチンによれば、無線端末18を取り巻く通信環境が変化して、Bmax個の無線基地局16の組み合わせ、或いはそれらにおいて利用可能なIFの組み合わせが変化すると、その時点で学習済みのパラメータθが保管される。そして、以後、新たなBmax個の無線基地局16を対象として、最適な行動aを導出するためのパラメータθの部分更新が行われる。 12, when the communication environment surrounding the wireless terminal 18k changes and the combination of the Bmax wireless base stations 16 or the combination of IFs available therein changes, the learned parameter θi at that point is stored. Then, thereafter, a partial update of the parameter θi is performed for the new Bmax wireless base stations 16 to derive the optimal action a k .

上記の処理によれば、無線端末18を取り巻く環境に属する無線基地局16の数が増えても、また、それらにおいて利用可能なIFの数が増えても、過剰な計算負荷を課することなく、無線端末18kにおいてDQNのパラメータθを頻繁に学習させることができる。このため、本実施形態によれば、マルチバンド・マルチアクセスによるヘテロジニアスな環境下で、システムリソースを常に有効に活用し続けることができる。 According to the above process, even if the number of wireless base stations 16 belonging to the environment surrounding the wireless terminal 18 k increases, or even if the number of IFs available therein increases, the wireless terminal 18 k can frequently learn the DQN parameter θ i without imposing an excessive calculation load. Therefore, according to the present embodiment, in a heterogeneous environment with multi-band multi-access, system resources can be constantly and effectively utilized.

ところで、上述した実施の形態1では、無線端末18および無線基地局16が、無線通信に二つのIFを用いることとしているが、本開示はこれに限定されるものではない。例えば、無線通信用のIFは三つ以上であってもよい。更には、無線通信用のIFには、ライセンス帯を対象とするものと、無線LAN等に用いる非ライセンス帯を対象とするものとが混在していてもよい。或いは、無線通信用のIFは一つだけとして、DQN等の深層強化学習は、無線端末18が、どの無線基地局16に接続を求めるのが最適かを決定するために用いることとしてもよい。 In the above-described first embodiment, the wireless terminal 18 and the wireless base station 16 use two IFs for wireless communication, but the present disclosure is not limited to this. For example, there may be three or more IFs for wireless communication. Furthermore, the IFs for wireless communication may include a mixture of IFs for licensed bands and IFs for unlicensed bands used for wireless LANs and the like. Alternatively, there may be only one IF for wireless communication, and deep reinforcement learning such as DQN may be used to determine which wireless base station 16 the wireless terminal 18 should optimally request a connection to.

また、上述した実施の形態1では、行動を決める価値関数として、DQNまたはDDQNを用いることとしている。しかしながら、それらはあくまで例示であり、本開示はこれに限定されるものではない。特定の状態の下で取り得る行動毎の価値を判断することのできるものであれば、何れも本開示の価値関数として用いることができる。 In addition, in the above-mentioned first embodiment, DQN or DDQN is used as the value function that determines the action. However, these are merely examples, and the present disclosure is not limited to these. Any function that can determine the value of each action that can be taken under a specific state can be used as the value function of the present disclosure.

また、上述した実施の形態1では、隠れ層の後段だけを更新対象とする技術と、信号強度の強いBmax個の無線基地局16だけをアクティブなものとして取り扱う技術とを組み合わせて用いているが、それらを組み合わせて用いることは必須ではない。例えば、BUB個の無線基地局16の全てをアクティブなものとして取り扱い、隠れ層の後段の層だけを更新対象とすることで計算負荷の軽減を図ることとしてもよい。 In the above-mentioned first embodiment, the technique of updating only the rear of the hidden layer and the technique of treating only Bmax wireless base stations 16 with strong signal strength as active are combined, but it is not essential to use them in combination. For example, it is also possible to reduce the calculation load by treating all B UB wireless base stations 16 as active and updating only the rear of the hidden layer.

また、上述した実施の形態1では、隠れ層が二層の場合を説明しているが、隠れ層は、二層に限られるものではなく、上記の通り二層以上であればよい。そして、隠れ層が三層以上である場合、更新の対象となる層は最終段の層に限定されるものではない。この場合、再前段の層が除かれている限り、後段の幾つかの層が更新対象であってもよい。 In addition, in the above-mentioned embodiment 1, the case where there are two hidden layers is described, but the number of hidden layers is not limited to two, and as mentioned above, there may be two or more layers. Furthermore, when there are three or more hidden layers, the layer to be updated is not limited to the final layer. In this case, as long as the layer immediately preceding it is excluded, some of the later layers may be updated.

10 無線通信システム
16、16-1、16-2、16-3 無線基地局
18、18 無線端末
52 制御情報算出部
60 帰属先算出部
62 環境変化検出部
64 更新範囲制御部
Γ(t) 報酬
(t) 行動
(t) 経験
(t) 状態
(t+1) 遷移後の状態
kf 要求データレート
bkf 伝送レート
θ パラメータ
10 Wireless communication system 16, 16-1, 16-2, 16-3 Wireless base station 18, 18 k Wireless terminal 52 Control information calculation unit 60 Destination calculation unit 62 Environmental change detection unit 64 Update range control unit Γ k (t) Reward a k (t) Action e k (t) Experience S k (t) State S k (t+1) State after transition R kf Requested data rate r bkf Transmission rate θ i Parameter

Claims (8)

複数の無線基地局と無線端末との接続の組合せを決める無線通信方法であって、
複数の無線基地局に対応する入力層および出力層と、それらの間に位置する二以上の層を含む隠れ層とを備え、状態の入力に対して、当該状態の下で前記無線端末が採り得る行動夫々の価値を出力する価値関数として機能するニューラルネットワークを準備するステップと、
前記複数の無線基地局と前記無線端末との接続の状態を検知するステップと、
検知された状態を前記入力層に提供した結果、前記出力層に表れる結果に従って、当該状態の下で前記無線端末が採用する行動を決定するステップと、
採用する行動に対応する要求を前記複数の無線基地局に伝達するステップと、
前記要求に対する応答を複数の無線基地局から取得するステップと、
前記応答に基づいて、前記行動に対する報酬を算出するステップと、
前記報酬に基づいて、前記状態の下で前記行動を採用することについての価値を更新するステップと、
更新後の前記価値に基づいて、前記価値関数のパラメータを学習するステップと、
前記パラメータの更新範囲を、前記隠れ層のうち、少なくとも最前段の層を除く後段の一以上の層に結び付くパラメータに制限するステップと、
を前記無線端末が実行することを含む無線通信方法。
A wireless communication method for determining a combination of connections between a plurality of wireless base stations and a wireless terminal, comprising:
preparing a neural network that includes an input layer and an output layer corresponding to a plurality of wireless base stations, and a hidden layer including two or more layers located therebetween, and functions as a value function that outputs, in response to an input of a state, a value of each action that the wireless terminal can take under the state;
detecting a state of connection between the plurality of wireless base stations and the wireless terminal;
providing the sensed state to the input layer and determining, according to a result appearing at the output layer, a behavior to be adopted by the wireless terminal under the sensed state;
transmitting a request to said plurality of radio base stations corresponding to an action to be taken;
obtaining responses to the request from a plurality of wireless base stations;
calculating a reward for the behavior based on the response;
updating a value for adopting the behavior under the state based on the reward;
learning parameters of the value function based on the updated values;
limiting the update range of the parameters to parameters associated with one or more layers in the hidden layer, excluding at least the frontmost layer;
The wireless terminal executes the wireless communication method.
前記パラメータを初期化する段階で、前記パラメータの更新範囲を、前記ニューラルネットワークの全パラメータとするステップと、
前記初期化の終了後に前記全パラメータを保管するステップと、を前記無線端末が実行することを含み、
前記パラメータの更新範囲を制限した状態での前記学習は、前記初期化の終了後、かつ前記保管の終了後に実行される請求項1に記載の無線通信方法。
In the step of initializing the parameters, an update range of the parameters is set to all parameters of the neural network;
and storing all of the parameters after the initialization is completed ,
The wireless communication method according to claim 1 , wherein the learning in a state in which the update range of the parameter is limited is executed after the initialization is completed and after the storage is completed.
前記ニューラルネットワークは、BUB個の無線基地局に対応する入力層および出力層を備え、
前記BUB個の無線基地局の中から、通信品質の優れた無線基地局を、前記BUB個より少ないBmax個だけ選定するステップと、
前記パラメータの更新範囲を、前記Bmax個の無線基地局に関わる行動に結びつくパラメータに更に制限するステップと、
を前記無線端末が実行することを含む請求項1または2に記載の無線通信方法。
the neural network includes an input layer and an output layer corresponding to B UB wireless base stations;
selecting, from among the B UB radio base stations, only Bmax radio base stations having excellent communication quality, the number of which is smaller than the B UB radio base stations;
further limiting the update range of the parameters to parameters associated with actions related to the Bmax radio base stations;
The wireless communication method according to claim 1 or 2, further comprising the step of :
前記ニューラルネットワークは、Deep Q-NetworkまたはDouble Deep Q-Networkである請求項1乃至3の何れか1項に記載の無線通信方法。 The wireless communication method according to any one of claims 1 to 3, wherein the neural network is a Deep Q-Network or a Double Deep Q-Network. 複数の無線基地局と接続する機能を有する無線端末であって、
複数の無線基地局に対応する入力層および出力層と、それらの間に位置する二以上の層を含む隠れ層とを備え、状態の入力に対して、当該状態の下で前記無線端末が採り得る行動夫々の価値を出力する価値関数として機能するニューラルネットワークを格納したメモリ部と、CPUとを備え、
前記CPUが、
前記複数の無線基地局と当該無線端末との接続の状態を検知する処理と、
検知された状態を前記入力層に提供した結果、前記出力層に表れる結果に従って、当該状態の下で前記無線端末が採用する行動を決定する処理と、
採用する行動に対応する要求を前記複数の無線基地局に伝達する処理と、
前記要求に対する応答を複数の無線基地局から取得する処理と、
前記応答に基づいて、前記行動に対する報酬を算出する処理と、
前記報酬に基づいて、前記状態の下で前記行動を採用することについての価値を更新する処理と、
更新後の前記価値に基づいて、前記価値関数のパラメータを学習する処理と、
前記パラメータの更新範囲を、前記隠れ層のうち、少なくとも最前段の層を除く後段の一以上の層に結び付くパラメータに制限する処理と、
を実行する無線端末。
A wireless terminal having a function of connecting to a plurality of wireless base stations,
The neural network includes an input layer and an output layer corresponding to a plurality of wireless base stations, and a hidden layer including two or more layers located between them, and includes a memory unit storing a neural network that functions as a value function that outputs, in response to an input of a state, a value of each of the actions that the wireless terminal can take under the state, and a CPU;
The CPU,
A process of detecting a state of connection between the plurality of wireless base stations and the wireless terminal;
providing the sensed state to the input layer and determining the action to be taken by the wireless terminal under the sensed state according to the result appearing in the output layer;
transmitting a request corresponding to an action to be taken to said plurality of wireless base stations;
obtaining responses to the request from a plurality of wireless base stations;
calculating a reward for the behavior based on the response; and
updating a value for taking the action under the state based on the reward;
A process of learning parameters of the value function based on the updated value;
A process of limiting the update range of the parameters to parameters associated with one or more layers in the hidden layer, excluding at least the frontmost layer;
A wireless terminal that runs
前記CPUは、
前記パラメータを初期化する段階で、前記パラメータの更新範囲を、前記ニューラルネットワークの全パラメータとする処理、
前記初期化の終了後に前記全パラメータを保管する処理とを更に実行し、
前記パラメータの更新範囲を制限した状態での前記学習は、前記初期化の終了後、かつ前記保管の終了後に実行される請求項5に記載の無線端末。
The CPU includes:
A process of setting the update range of the parameters to all parameters of the neural network in the step of initializing the parameters;
and storing all the parameters after the initialization is completed.
The wireless terminal according to claim 5 , wherein the learning in a state in which the update range of the parameter is limited is executed after the initialization is completed and after the storage is completed.
前記ニューラルネットワークは、BUB個の無線基地局に対応する入力層および出力層を備え、
前記CPUは、
前記BUB個の無線基地局の中から、通信品質の優れた無線基地局を、前記BUB個より少ないBmax個だけ選定する処理と、
前記パラメータの更新範囲を、前記Bmax個の無線基地局に関わる行動に結びつくパラメータに更に制限する処理と、
を更に実行する請求項5または6に記載の無線端末。
the neural network includes an input layer and an output layer corresponding to B UB wireless base stations;
The CPU includes:
a process of selecting, from among the B radio base stations, only Bmax radio base stations having excellent communication quality, the Bmax being smaller than the B radio base stations;
further limiting the update range of the parameters to parameters associated with actions related to the Bmax wireless base stations;
7. The wireless terminal according to claim 5 or 6, further comprising:
複数の無線基地局と接続する機能を実現するための無線端末用プログラムであって、
無線端末が備えるCPUに、
複数の無線基地局に対応する入力層および出力層と、それらの間に位置する二以上の層を含む隠れ層とを備え、状態の入力に対して、当該状態の下で前記無線端末が採り得る行動夫々の価値を出力する価値関数として機能するニューラルネットワークをメモリ部から読み出させる処理と、
前記複数の無線基地局と当該無線端末との接続の状態を検知する処理と、
検知された状態を前記入力層に提供した結果、前記出力層に表れる結果に従って、当該状態の下で前記無線端末が採用する行動を決定する処理と、
採用する行動に対応する要求を前記複数の無線基地局に伝達する処理と、
前記要求に対する応答を複数の無線基地局から取得する処理と、
前記応答に基づいて、前記行動に対する報酬を算出する処理と、
前記報酬に基づいて、前記状態の下で前記行動を採用することについての価値を更新する処理と、
更新後の前記価値に基づいて、前記価値関数のパラメータを学習する処理と、
前記パラメータの更新範囲を、前記隠れ層のうち、少なくとも最前段の層を除く後段の一以上の層に結び付くパラメータに制限する処理と、
を実行させるプログラムを含む無線端末用プログラム。
A program for a wireless terminal for realizing a function of connecting to a plurality of wireless base stations,
A CPU provided in the wireless terminal,
a process of reading from a memory unit a neural network that includes an input layer and an output layer corresponding to a plurality of wireless base stations, and a hidden layer including two or more layers located between them, and that functions as a value function that outputs, in response to an input of a state, a value of each action that the wireless terminal can take under the state;
A process of detecting a state of connection between the plurality of wireless base stations and the wireless terminal;
providing the sensed state to the input layer and determining the action to be taken by the wireless terminal under the sensed state according to the result appearing in the output layer;
transmitting a request corresponding to an action to be taken to said plurality of wireless base stations;
obtaining responses to the request from a plurality of wireless base stations;
calculating a reward for the behavior based on the response; and
updating a value for taking the action under the state based on the reward;
A process of learning parameters of the value function based on the updated value;
A process of limiting the update range of the parameters to parameters associated with one or more layers in the hidden layer, excluding at least the frontmost layer;
A program for a wireless terminal including a program for executing the above.
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