JP7557861B2 - Learning data generation method, signal type classification system, data collection system, and program - Google Patents
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Description
本発明は、電波環境の状況把握を可能とするための信号種別分類技術に関する。 The present invention relates to a signal type classification technology that enables understanding of the radio wave environment.
様々な機器の稼働状況の把握、制御などを目的として、工場、病院、商業施設などの屋内環境へのIoT(Internet of Things)デバイスの導入が進んでいる。このような環境下では、無線通信のトラフィックが場所的、時間的に集中しやすく、無線通信パケットの衝突や遅延が発生しやすい。このような状況下でも、安定した通信が望まれる。また、システム全体の動作状況を把握するため、監視対象の周波数帯域における混雑具合や電波強度などの情報を把握し、無線品質に問題が生じていないかを監視し、問題が生じている場合には、その原因の特定につながる情報を提供できるシステムが望まれる。このようなシステムを実現するために、電波環境の状況把握を可能とするための信号種別分類技術を確立させることが重要となる。 IoT (Internet of Things) devices are increasingly being introduced into indoor environments such as factories, hospitals, and commercial facilities for the purpose of grasping and controlling the operating status of various equipment. In such environments, wireless communication traffic is likely to be concentrated in terms of location and time, and collisions and delays of wireless communication packets are likely to occur. Even under such conditions, stable communication is desired. In addition, in order to grasp the operating status of the entire system, a system is desired that can grasp information such as the congestion level and radio wave strength in the monitored frequency band, monitor whether there is a problem with the wireless quality, and, if a problem occurs, provide information that leads to identifying the cause. In order to realize such a system, it is important to establish a signal type classification technology that enables the status of the radio wave environment to be grasped.
従来、ノイズ発生源を特定するための技術が開発されており、例えば、特許文献1には、雷放電により発生する雑音(単発パルスやバースト状パルス)を検知するための技術の開示がある。
Technologies have been developed to identify noise sources. For example,
特許文献1のような従来技術では、無線信号あるいは電磁ノイズの発生源の性質がある程度分かっていることが前提となっており、発生源から生じる無線信号や電磁ノイズの周波数スペクトルや信号(あるいは電磁ノイズ)の時間波形のパターン(例えば、単発パルスやバースト状パルス)をある程度予測できるため、発生源を特定することができる。
Conventional technologies such as those described in
しかしながら、無線信号や電磁ノイズの発生源が多数あり、かつ、その無線信号や電磁ノイズの周波数スペクトルや波形パターンが予測できない無線環境下においては、従来技術を適用して、無線環境の状況を把握することは極めて困難である。 However, in a wireless environment where there are many sources of wireless signals and electromagnetic noise and the frequency spectrum and waveform patterns of the wireless signals and electromagnetic noise are unpredictable, it is extremely difficult to grasp the state of the wireless environment using conventional technology.
そこで、周波数スペクトルや波形パターンの予測が困難な無線信号や電磁ノイズが多数飛び交う環境下であっても、無線環境の状況を適切に把握できる技術が求められている。このような技術を実現するために、周波数スペクトルや波形パターンの予測が困難な無線信号や電磁ノイズの種別を適切に分類する技術(信号種別分類技術)を確立させることが有効である。つまり、当該技術を用いることで、無線環境下において、どのような無線信号や電磁ノイズが存在しているかを把握でき、その結果、無線環境の状況を適切に把握できる。 Therefore, there is a demand for technology that can properly grasp the state of the wireless environment, even in an environment where there are many wireless signals and electromagnetic noise whose frequency spectra and waveform patterns are difficult to predict. In order to realize such technology, it is effective to establish technology (signal type classification technology) that properly classifies the types of wireless signals and electromagnetic noise whose frequency spectra and waveform patterns are difficult to predict. In other words, by using this technology, it is possible to grasp what types of wireless signals and electromagnetic noise are present in the wireless environment, and as a result, the state of the wireless environment can be properly grasped.
本発明は、上記課題に鑑み、周波数スペクトルや波形パターンの予測が困難な無線信号や電磁ノイズの種別を適切に分類する信号種別分類システム、および、信号種別分類システムに搭載される分類器を機械学習により構築するための学習用データ生成方法、データ収集システム、および、プログラムを実現することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention aims to provide a signal type classification system that appropriately classifies the types of wireless signals and electromagnetic noise whose frequency spectra and waveform patterns are difficult to predict, as well as a learning data generation method, data collection system, and program for constructing a classifier to be installed in the signal type classification system through machine learning.
上記課題を解決するために、第1の発明は、信号種別分類処理のための学習用データ生成方法であって、電波波形取得処理ステップと、特徴量取得処理ステップと、クラスタリング処理ステップと、学習用データ取得ステップと、を備える。 To solve the above problem, the first invention is a method for generating learning data for signal type classification processing, which includes a radio wave waveform acquisition processing step, a feature amount acquisition processing step, a clustering processing step, and a learning data acquisition step.
電波波形取得処理ステップは、アンテナにより受信した電波の電波波形データを取得する。 The radio wave waveform acquisition processing step acquires radio wave waveform data of the radio waves received by the antenna.
特徴量取得処理ステップは、電波波形データの時間領域または周波数領域の特徴を示すデータであって、電波波形データよりもデータ量が少ないデータである特徴量データを取得する。 The feature acquisition process step acquires feature data, which is data that indicates the characteristics of the time domain or frequency domain of the radio wave waveform data and has a smaller amount of data than the radio wave waveform data.
クラスタリング処理ステップは、特徴量データをクラスタに分類する。 The clustering process classifies the feature data into clusters.
学習用データ取得ステップは、クラスタリング処理により分類された特徴量データにラベルを付与することで、特徴量データとラベルとを対応付けたデータを学習用データとして取得する。 The learning data acquisition step assigns labels to the feature data classified by the clustering process, thereby acquiring data in which the feature data and the labels are associated as learning data.
この学習用データ生成方法では、電波波形の特徴を維持しつつ、データ量を低減させた特徴量データを取得するので、特徴量データを大量に取得し、データ送信しても、通信路にかかる負荷が少なくてすむ。これにより、この学習用データ生成方法では、大量のデータを収集し、収集したデータを用いて大量の学習用データを生成することができる。また、この学習用データ生成方法では、収集した特徴量データに対してクラスタリング処理により分類し、分類したクラスタにラベルを付与するので、電波波形データがどのようなものであっても適切に種別分類を行うことができる。その結果、この学習用データ生成方法では、多様な電波波形データに対応する信号種別分類器(例えば、ニューラルネットワークモデル)の学習処理を高精度かつ効果的に行うことができる学習用データを生成することができる。 This learning data generation method acquires feature data with a reduced amount of data while maintaining the characteristics of the radio wave waveform, so that even if a large amount of feature data is acquired and transmitted, the load on the communication path is small. As a result, this learning data generation method can collect a large amount of data and generate a large amount of learning data using the collected data. Furthermore, this learning data generation method classifies the collected feature data by clustering processing and assigns labels to the classified clusters, so that appropriate type classification can be performed regardless of the type of radio wave waveform data. As a result, this learning data generation method can generate learning data that can perform learning processing of a signal type classifier (e.g., a neural network model) that corresponds to a variety of radio wave waveform data with high accuracy and effectiveness.
第2の発明は、第1の発明であって、特徴量データは、ケプストラムから抽出されるデータである。 The second invention is the first invention, in which the feature data is data extracted from the cepstrum.
これにより、この学習用データ生成方法では、ケプストラムから抽出されるデータを特徴量データとして学習用データを生成することができる。 As a result, this learning data generation method can generate learning data using data extracted from the cepstrum as feature data.
第3の発明は、第1の発明であって、特徴量データは、ケプストラムの低次成分を抽出または加工したデータである。 The third invention is the first invention, in which the feature data is data obtained by extracting or processing low-order components of the cepstrum.
これにより、この学習用データ生成方法では、ケプストラムの低次成分を抽出または加工したデータを特徴量データとして学習用データを生成する処理を行うことができる。ケプストラムの低次成分を抽出したデータは、電波波形の特徴を維持しつつ、周波数領域での白色ノイズ成分を効果的に抑制したデータとなる。このため、この学習用データ生成方法において、ケプストラムの低次成分を抽出したデータを特徴量データとして学習用データを生成する処理を行うことで、非常に高精度な学習用データを生成することができる。
なお、ケプストラムの低次成分を「加工」するとは、例えば、ケプストラムの低次成分に対して、所定の処理(例えば、フィルタ処理)等を施すことを含む概念である。なお、「加工」は、電波波形の特徴を維持しつつ、周波数領域での白色ノイズ成分を効果的に抑制したデータを取得できる処理であれば、どのような処理でもよい。
As a result, in this training data generation method, it is possible to perform processing to generate training data using data obtained by extracting or processing low-order components of the cepstrum as feature data. Data obtained by extracting low-order components of the cepstrum is data in which white noise components in the frequency domain are effectively suppressed while maintaining the characteristics of the radio wave waveform. Therefore, in this training data generation method, by performing processing to generate training data using data obtained by extracting low-order components of the cepstrum as feature data, it is possible to generate training data with extremely high accuracy.
Note that "processing" the low-order components of the cepstrum is a concept that includes, for example, performing a predetermined process (for example, filter process) on the low-order components of the cepstrum. Note that the "processing" may be any process that can obtain data in which white noise components in the frequency domain are effectively suppressed while maintaining the characteristics of the radio wave waveform.
なお、ケプストラムから抽出する低次成分は、例えば、ケプストラムの全データをN1次元のベクトルで表現するとしたとき、例えば、ケプストラムの配列が高次元へ向けて0に収束するため、N1×0.1以下のデータ(低次元側のデータ)など、収束する前の低次元側の配列を設定することが好ましい。例えば、ケプストラムの全データを1000次元(N1=1000)のベクトルで表現するとしたとき、1次元~100次元のデータ(100=N1×0.1)の一部または全部をケプストラムから抽出する低次成分としてもよい。また、例えば、ケプストラムの全データを1500次元(N1=1500)のベクトルで表現するとしたとき、1次元~16次元のデータ(16次元分のデータ)をケプストラムから抽出する低次成分としてもよい。 For example, when all cepstrum data is expressed as an N1-dimensional vector, it is preferable to set the low-dimensional array before convergence, such as data of N1 x 0.1 or less (low-dimensional data), because the cepstrum array converges to 0 toward higher dimensions. For example, when all cepstrum data is expressed as a 1000-dimensional (N1 = 1000) vector, some or all of the 1- to 100-dimensional data (100 = N1 x 0.1) may be extracted as low-dimensional components from the cepstrum. Also, when all cepstrum data is expressed as a 1500-dimensional (N1 = 1500) vector, 1- to 16-dimensional data (16 dimensions' worth of data) may be extracted as low-dimensional components from the cepstrum.
第4の発明は、第1から第3のいずれかの発明であって、クラスタリング処理における分類数の最適数を取得する最適クラスタ数取得ステップをさらに備える。 The fourth invention is any one of the first to third inventions, further comprising an optimal cluster number acquisition step for acquiring the optimal number of classifications in the clustering process.
これにより、この学習用データ生成方法では、最適クラスタ数により、クラスタリング処理を実行することが可能となる。 As a result, this learning data generation method makes it possible to perform clustering processing using the optimal number of clusters.
第5の発明は、第4の発明であって、最適クラスタ数取得ステップは、クラスタリング処理の初期設定(例えば、乱数シード)を変更しながら、クラスタ数を変化させたときに、クラスタの分類状況が変化しないクラスタ数を検出し、検出したクラスタ数に基づいて、分類数の最適数を取得する。 The fifth invention is the fourth invention, and the optimal cluster number acquisition step detects the number of clusters for which the classification status of the clusters does not change when the number of clusters is changed while changing the initial settings (e.g., random number seeds) of the clustering process, and acquires the optimal number of classifications based on the detected number of clusters.
これにより、この学習用データ生成方法では、初期設定(例えば、乱数シード)を変更してもクラスタ数が変化しない数(例えば、初期設定(例えば、乱数シード)を変更してもクラスタ数が変化しない最大の数)を分類数の最適数(最適クラスタ数)として設定することができる。 As a result, in this learning data generation method, a number that does not change the number of clusters even if the initial setting (e.g., random number seed) is changed (e.g., the maximum number at which the number of clusters does not change even if the initial setting (e.g., random number seed) is changed) can be set as the optimal number of classifications (optimal number of clusters).
第6の発明は、第1から第5のいずれかの発明である学習用データ生成方法により生成された学習用データを用いて学習処理を行うことで取得した信号種別分類器の学習済みモデルを用いて信号種別分類処理を行う信号種別分類システムであって、無線通信機と、ホスト装置と、を備える。 The sixth invention is a signal type classification system that performs a signal type classification process using a trained model of a signal type classifier obtained by performing a learning process using training data generated by the training data generation method that is any one of the first to fifth inventions, and includes a wireless communication device and a host device.
無線通信機は、
アンテナにより受信した電波の電波波形データを取得する電波波形取得処理ステップと、
電波波形データの時間領域または周波数領域の特徴を示すデータであって、電波波形データよりもデータ量が少ないデータである特徴量データを取得する特徴量取得処理ステップと、
特徴量データをホスト装置に送信する送信ステップと、
を実行する。
The wireless communication device is
a radio wave waveform acquisition processing step for acquiring radio wave waveform data of radio waves received by an antenna;
a feature acquisition processing step of acquiring feature data which is data indicating features in a time domain or a frequency domain of the radio wave waveform data and has a smaller amount of data than the radio wave waveform data;
a transmitting step of transmitting the feature data to a host device;
Execute.
ホスト装置は、
無線通信機から送信される特徴量データを受信する受信ステップと、
無線通信機により取得された特徴量データを、信号種別分類器の学習済みモデルに入力することで、特徴量データのラベルを取得するラベル取得ステップと、
を実行する。
The host device
a receiving step of receiving feature data transmitted from a wireless communication device;
a label acquisition step of acquiring a label of the feature data by inputting the feature data acquired by the wireless communication device into a trained model of the signal type classifier;
Execute.
この信号種別分類システムでは、無線通信機において特徴量データ取得処理を行うことで、データ量を大幅に削減することができるので、無線信号や電磁ノイズの特徴を維持しつつ個々のデータ量が少ない特徴量データを大量に取得し、取得した大量の特徴量データを用いて、信号種別分類器の学習済みモデルにより信号種別分類処理を行うことができる。したがって、この信号種別分類システムでは、周波数スペクトルや波形パターンの予測が困難な無線信号や電磁ノイズであっても、その種別を適切に分類することができる。 In this signal type classification system, the amount of data can be significantly reduced by performing feature data acquisition processing in the wireless communication device, so that a large amount of feature data with small individual data amounts can be acquired while maintaining the characteristics of wireless signals and electromagnetic noise, and the acquired large amount of feature data can be used to perform signal type classification processing with the trained model of the signal type classifier. Therefore, with this signal type classification system, even wireless signals and electromagnetic noise whose frequency spectra and waveform patterns are difficult to predict can be appropriately classified.
第7の発明は、第6の発明であって、特徴量データは、ケプストラムから抽出されるデータである。 The seventh invention is the sixth invention, in which the feature data is data extracted from the cepstrum.
これにより、この信号種別分類システムでは、ケプストラムから抽出されるデータを特徴量データとして、処理を実行することができる。 As a result, this signal type classification system can perform processing using the data extracted from the cepstrum as feature data.
第8の発明は、第6の発明であって、特徴量データは、ケプストラムの低次成分を抽出または加工したデータである。 The eighth invention is the sixth invention, in which the feature data is data obtained by extracting or processing low-order components of the cepstrum.
これにより、この信号種別分類システムでは、ケプストラムの低次成分を抽出または加工したデータを特徴量データとして、処理を実行することができる。
なお、ケプストラムの低次成分を「加工」するとは、例えば、ケプストラムの低次成分に対して、所定の処理(例えば、フィルタ処理)等を施すことを含む概念である。なお、「加工」は、電波波形の特徴を維持しつつ、周波数領域での白色ノイズ成分を効果的に抑制したデータを取得できる処理であれば、どのような処理でもよい。
As a result, in this signal type classification system, processing can be performed using data obtained by extracting or processing low-order components of the cepstrum as feature data.
Note that "processing" the low-order components of the cepstrum is a concept that includes, for example, performing a predetermined process (for example, filter process) on the low-order components of the cepstrum. Note that the "processing" may be any process that can obtain data in which white noise components in the frequency domain are effectively suppressed while maintaining the characteristics of the radio wave waveform.
第9の発明は、N個(N:自然数)の第6から第8のいずれかの発明である信号種別分類システムと、N個の信号種別分類システムにより取得されたデータであって、特徴量データとラベルとを対応付けたデータである信号種別データを、N個の信号種別分類システムから収集するサーバと、を備えるデータ収集システム。 The ninth invention is a data collection system including N (N: natural number) signal type classification systems according to any one of the sixth to eighth inventions, and a server that collects signal type data from the N signal type classification systems, the signal type data being data obtained by the N signal type classification systems and associating feature data with labels.
これにより、このデータ収集システムでは、信号種別分類システムにより取得したデータをサーバに集約し、サーバで多様な処理(データ解析処理、データ可視化処理)を行うことができる。 As a result, this data collection system can aggregate data acquired by the signal type classification system on a server, where it can perform a variety of processes (data analysis, data visualization, etc.).
第10の発明は、第1から5のいずれかの発明である学習用データ生成方法をコンピュータに実行させるためのプログラムである。 The tenth invention is a program for causing a computer to execute the learning data generation method according to any one of the first to fifth inventions.
これにより、第1から第5の発明のいずれかの発明と同様の効果を奏する学習用データ生成方法をコンピュータに実行させるためのプログラムを実現することができる。 This makes it possible to realize a program for causing a computer to execute a learning data generation method that has the same effect as any one of the first to fifth inventions.
本発明によれば、周波数スペクトルや波形パターンの予測が困難な無線信号や電磁ノイズの種別を適切に分類する信号種別分類システム、および、信号種別分類システムに搭載される分類器を機械学習により構築するための学習用データ生成方法、データ収集システム、および、プログラムを実現することができる。 The present invention provides a signal type classification system that appropriately classifies the types of wireless signals and electromagnetic noise whose frequency spectra and waveform patterns are difficult to predict, as well as a learning data generation method, data collection system, and program for constructing a classifier to be installed in the signal type classification system through machine learning.
[第1実施形態]
第1実施形態について、図面を参照しながら、以下、説明する。
[First embodiment]
The first embodiment will be described below with reference to the drawings.
<1.1:信号種別分類システムの構成>
図1は、第1実施形態に係る信号種別分類システム100の概略構成図である。
<1.1: Configuration of signal type classification system>
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a signal
信号種別分類システム100は、図1に示すように、N個(N:自然数)の無線通信機S1_1~S1_Nと、ホスト装置H1と、N個の無線通信機S1_1~S1_N(N:自然数)とを備える。
As shown in FIG. 1, the signal
(1.1.1:無線通信機)
無線通信機S1_1は、図1に示すように、アンテナAnt_S1と、RF処理部11と、IQデータ取得部12と、特徴量取得部13と、第1通信インターフェース14と、無線通信機用制御部15と、を備える。
(1.1.1: Wireless Communication Device)
As shown in FIG. 1, the wireless communication device S1_1 includes an antenna Ant_S1, an
アンテナAnt_S1は、外部から放射(送信)された電波(RF信号)を受信するためのアンテナである。 The antenna Ant_S1 is an antenna for receiving radio waves (RF signals) radiated (transmitted) from outside.
RF処理部11は、アンテナAnt_S1を介して、外部からRF信号を受信し、受信したRF信号に対して受信用のRF処理(RF復調処理、AD変換等)を実行し、RF処理後の信号Sig0(RF復調信号Sig0(例えば、ベースバンドOFDM信号))を取得する。そして、RF処理部11は、RF処理後の信号Sig0をIQデータ取得部12に出力する。なお、RF処理部11は、無線通信機用制御部15から制御信号CTL1を入力し、当該制御信号CTL1により処理を行う。また、RF処理部11は、制御信号CTL1に従い、RF処理の対象とする周波数帯域(例えば、中心周波数fo、周波数帯域Δf)を設定し、受信用のRF処理を行うことで、上記で設定した周波数領域のRF信号のRF復調信号Sig0を取得する。
The
IQデータ取得部12は、無線通信機用制御部15から出力される制御信号CTL2と、RF処理部11から出力される信号Sig0とを入力する。IQデータ取得部12は、制御信号CTL2に従い、RF処理部11から出力される信号Sig0から、I成分信号(同相成分信号)のデータ(I成分データ)と、Q成分信号(直交成分信号)のデータ(Q成分データ)とを取得し、取得したデータをデータD1として、特徴量取得部13に出力する。
The IQ
特徴量取得部13は、無線通信機用制御部15から出力される制御信号CTL3と、IQデータ取得部12から出力されるデータD1とを入力する。特徴量取得部13は、制御信号CTL3に従い、IQデータ取得部12から出力されるデータD1に対して、特徴量取得処理を実行し、所定の特徴量を取得する(詳細については、後述)。そして、特徴量取得部13は、取得した特徴量を含むデータをデータD2として、第1通信インターフェース14に出力する。
The
第1通信インターフェース14は、例えば、有線のネットワーク(所定のシリアルバス規格(例えば、USBやPCI Express)等に準拠した通信路を含む)または無線のネットワークを介して、外部の装置とデータ送受信を行うための通信インターフェースである。そして、第1通信インターフェース14は、無線通信機S1_1とホスト装置H1との間で、コマンド、データ等を通信するための通信インターフェース(例えば、USBによる通信を行うための通信インターフェース)である。
The
第1通信インターフェース14は、特徴量取得部13から出力されるデータD2を入力し、入力したデータを有線または無線のネットワークを介して通信できる形式のデータにしてホスト装置H1に送信する。
The
また、第1通信インターフェース14は、ホスト装置H1から受信したコマンドCmd1を無線通信機用制御部15に出力する。
The
無線通信機用制御部15は、無線通信機S1_1の各機能部を制御するための機能部であり、ホスト装置H1から第1通信インターフェース14を介して受信したコマンドCmd1に従い、所定の制御信号を生成し、生成した制御信号を各機能部に出力することで、各機能部を制御する。例えば、無線通信機用制御部15は、RF処理部11を制御するための制御信号CTL1を生成し、当該制御信号CTL1をRF処理部11に出力する。また、無線通信機用制御部15は、IQデータ取得部12を制御するための制御信号CTL2を生成し、当該制御信号CTL2をIQデータ取得部12に出力する。また、無線通信機用制御部15は、特徴量取得部13を制御するための制御信号CTL3を生成し、当該制御信号CTL3を特徴量取得部13に出力する。
The wireless communication
無線通信機S1_2~S1_Nは、それぞれ、上記と同様の構成(無線通信機S1_1と同様の構成)を有している。なお、信号種別分類システム100に含まれる無線通信機は、1つであってもよいし、複数であってもよい。
The wireless communication devices S1_2 to S1_N each have the same configuration as described above (the same configuration as the wireless communication device S1_1). Note that the signal
(1.1.2:ホスト装置)
ホスト装置H1は、図1に示すように、第2通信インターフェース21と、ホスト装置用制御部22と、ROM23と、RAM24と、取得データ用バッファ25と、記憶部26と、第3通信インターフェース27と、バスBus_H1と、を備える。第2通信インターフェース21、ホスト装置用制御部22、ROM23、RAM24、取得データ用バッファ25、記憶部26、および、第3通信インターフェース27は、バスBus_H1に接続されており、バスBus_H1を介して、互いにデータ、コマンド等を送受信できる。なお、ホスト装置H1の上記機能部の一部または全部は、必ずしもバス接続されていなくてもよく、直接接続されるものであってもよい。
(1.1.2: Host Device)
1, the host device H1 includes a
第2通信インターフェース21は、例えば、有線または無線のネットワーク(所定のシリアルバス規格(例えば、USBやPCI Express)等に準拠した通信路を含む)を介して、外部の装置とデータ送受信を行うための通信インターフェースである。そして、第2通信インターフェース21は、無線通信機S1_1とホスト装置H1との間で、コマンド、データ等を通信するための通信インターフェース(例えば、USBによる通信を行うための通信インターフェース)である。
The
第2通信インターフェース21は、無線通信機S1_1~S1_Nから送信されるデータを受信する。そして、第2通信インターフェース21は、受信したデータを取得データ用バッファ25に出力する。また、第2通信インターフェース21は、ホスト装置用制御部22により生成されたコマンドCmd1を、ホスト装置用制御部22が指定する送信先(無線通信機S1_1~S1_Nの1つまたは複数)へ送信するための送信データを生成し、当該送信データを送信先に送信する。
The
ホスト装置用制御部22は、ホスト装置H1の各機能部を制御するための機能部であり、各機能部を制御するための制御信号を生成し、生成した制御信号を該当する機能部に出力することで、各機能部を制御する。また、ホスト装置用制御部22は、無線通信機S1_1~S1_Nの1つまたは複数を制御するためのコマンドCmd1を生成し、生成したコマンドCmd1を、第2通信インターフェース21を介して、該当する(指定した送信先の)無線通信機へ送信する。
The host device control unit 22 is a functional unit for controlling each functional unit of the host device H1, and controls each functional unit by generating a control signal for controlling each functional unit and outputting the generated control signal to the corresponding functional unit. The host device control unit 22 also generates a command Cmd1 for controlling one or more of the wireless communication devices S1_1 to S1_N, and transmits the generated command Cmd1 to the corresponding (specified destination) wireless communication device via the
また、ホスト装置用制御部22は、学習モードと予測モードとを切り替えるモード切替機能を有しており、ホスト装置用制御部22により、ホスト装置H1の動作モードが学習モード、または、予測モードに設定される。 The host device control unit 22 also has a mode switching function that switches between learning mode and prediction mode, and the host device control unit 22 sets the operating mode of the host device H1 to the learning mode or prediction mode.
ホスト装置用制御部22は、学習モードにおいて、ホスト装置H1にて、学習処理(または、学習用データの生成得処理)が実行されるように、各機能部を制御する。また、ホスト装置用制御部22は、予測モードにおいて、ホスト装置H1にて、予測処理(例えば、信号種別分類処理)が実行されるように、各機能部を制御する。 In the learning mode, the host device control unit 22 controls each functional unit so that the host device H1 executes a learning process (or a process for generating learning data). In the prediction mode, the host device control unit 22 controls each functional unit so that the host device H1 executes a prediction process (e.g., a signal type classification process).
また、ホスト装置用制御部22は、ROM23に記憶されているデータ(命令、コード等)を読み出し、ROMに記憶されているプログラム等を実行する。また、ホスト装置用制御部22は、RAM24に、所定のデータ、コード等を記憶し、所定のタイミングでRAM24に記憶されているデータ、コード等を読み出すことで、所定の処理(プログラム等)を実行する。
The host device control unit 22 also reads out data (instructions, codes, etc.) stored in
ROM23は、読み出し専用メモリであり、ホスト装置H1で実行されるプログラム、ライブラリ、命令、コード等が記憶される。ROM23に記憶されているデータは、ホスト装置用制御部22により読み出される。
The
RAM24は、ランダムアクセスメモリであり、ホスト装置H1で所定の処理を実行するためのデータ、コマンド、コード等が記憶される。RAM24に記憶されているデータ、コマンド、コード等は、ホスト装置用制御部22により読み出される。
取得データ用バッファ25は、第2通信インターフェース21により受信した無線通信機S1_1~S1_Nからの送信データを記憶するためのバッファである。なお、取得データ用バッファ25は、例えば、無線通信機S1_1~S1_Nごとのデータを分けて記憶管理するために、無線通信機の数と同数のバッファ(例えば、図1のバッファBuf_1~Buf_N)を含むものであってもよい。また、取得データ用バッファ25は、1つのバッファを含むものであり、当該1つのバッファにおいて、記憶領域を無線通信機の数と同数のメモリ領域に分けて、メモリ管理を行うものであってもよい。
The acquired
記憶部26は、データを記憶するための装置である。記憶部26には、例えば、ホスト装置H1により取得された学習用データが記憶される。
The
第3通信インターフェース27は、例えば、有線または無線のネットワーク(例えば、LAN)を介して、外部の装置とデータ送受信を行うための通信インターフェースである。ホスト装置H1は、例えば、外部に設置されたサーバと、第3通信インターフェース27を介して、データ通信を行う。
The
<1.2:信号種別分類システムの動作>
以上のように構成された信号種別分類システム100の動作について、以下、図面を参照しながら説明する。
<1.2: Operation of the signal type classification system>
The operation of the signal
図2は、信号種別分類システム100の学習時の処理(学習用データ生成処理)を説明するためのシーケンス図である。
Figure 2 is a sequence diagram for explaining the process during learning (learning data generation process) of the signal
図3は、信号種別分類システム100で実行される特徴量取得処理を説明するための図である。
Figure 3 is a diagram for explaining the feature acquisition process performed by the signal
図4は、信号種別分類システム100で実行される特徴量取得処理を説明するための図であり、無線信号(狭帯域通信の信号)、電磁ノイズ(タイプ1)、および、電磁ノイズ(タイプ2)のスペクトルおよびケプストラムを示した図である(920MHz帯を対象とする処理)。
Figure 4 is a diagram for explaining the feature acquisition process executed by the signal
図5は、信号種別分類システム100で実行される特徴量取得処理を説明するための図であり、無線信号(狭帯域通信の信号)、電磁ノイズ(タイプ1)、および、電磁ノイズ(タイプ2)のスペクトルおよびケプストラム(低次元領域(16次元分の領域)を拡大したケプストラム)を示した図である。
Figure 5 is a diagram for explaining the feature acquisition process executed by the signal
図6は、クラスタリング処理におけるクラスタ数(分類数)の最適数の取得処理のフローチャートである。 Figure 6 is a flowchart showing the process of obtaining the optimal number of clusters (number of classifications) in the clustering process.
図7は、クラスタリング処理におけるクラスタ数(分類数)の最適数の取得処理を説明するための図である。 Figure 7 is a diagram explaining the process of obtaining the optimal number of clusters (number of classifications) in the clustering process.
以下では、説明便宜のため、狭空間(例えば、工場内)に、N=3として、3台の無線通信機S1_1、S1_2、S1_3、および、ホスト装置H1が設置されており、(1)無線通信機S1_1において、920MHz帯域の無線信号および電磁ノイズのデータを取得し、(2)無線通信機S1_2において、2.4GHz帯域の信号および電磁ノイズのデータを取得し、(3)無線通信機S1_3において、5.2GHz帯域の信号および電磁ノイズのデータを取得する場合(一例)について説明する。 For ease of explanation, the following describes a case (one example) where N=3, three wireless communication devices S1_1, S1_2, S1_3, and a host device H1 are installed in a small space (e.g., inside a factory), and (1) wireless communication device S1_1 acquires wireless signal and electromagnetic noise data in the 920 MHz band, (2) wireless communication device S1_2 acquires signal and electromagnetic noise data in the 2.4 GHz band, and (3) wireless communication device S1_3 acquires signal and electromagnetic noise data in the 5.2 GHz band.
また、信号種別分類システム100の動作について、(1)学習時の処理と、(2)予測時の処理とに分けて、以下、説明する。
The operation of the signal
(1.2.1:学習時の処理)
まず、信号種別分類システム100の学習時の処理について説明する。
(1.2.1: Processing during learning)
First, the learning process of the signal
(ステップS1):
ステップS1において、ホスト装置H1は、初期化処理を実行する。具体的には、以下のように処理が実行される。
(Step S1):
In step S1, the host device H1 executes an initialization process. Specifically, the process is executed as follows.
ホスト装置H1のホスト装置用制御部22は、無線通信機S1_1に対して、中心周波数fo=920MHz、周波数帯域Δf=15MHzの周波数帯域(920MHz帯域)の無線信号および電磁ノイズのデータを取得させるためのコマンドCmd1(fo=920MHz,Δf=15MHz)を生成し、当該コマンドCmd1(fo=920MHz,Δf=15MHz)を含むデータを、第2通信インターフェース21を介して、当該コマンドの送信先である無線通信機S1_1に送信する。
The host device control unit 22 of the host device H1 generates a command Cmd1 (fo=920MHz, Δf=15MHz) for the wireless communication device S1_1 to acquire data on wireless signals and electromagnetic noise in a frequency band (920MHz band) with a center frequency fo=920MHz and a frequency band Δf=15MHz, and transmits data including the command Cmd1 (fo=920MHz, Δf=15MHz) via the
また、ホスト装置H1のホスト装置用制御部22は、無線通信機S1_2に対して、中心周波数fo=2.4GHz、周波数帯域Δf=15MHzの周波数帯域(2.4GHz帯域)の無線信号および電磁ノイズのデータを取得させるためのコマンドCmd1(fo=2.4GHz,Δf=15MHz)を生成し、当該コマンドCmd1(fo=2.4GHz,Δf=15MHz)を含むデータを、第2通信インターフェース21を介して、当該コマンドの送信先である無線通信機S1_2に送信する。
The host device control unit 22 of the host device H1 also generates a command Cmd1 (fo=2.4 GHz, Δf=15 MHz) for the wireless communication device S1_2 to acquire data on wireless signals and electromagnetic noise in a frequency band (2.4 GHz band) with a center frequency fo=2.4 GHz and a frequency band Δf=15 MHz, and transmits data including the command Cmd1 (fo=2.4 GHz, Δf=15 MHz) to the wireless communication device S1_2, which is the destination of the command, via the
また、ホスト装置H1のホスト装置用制御部22は、無線通信機S1_3に対して、中心周波数fo=5.2GHz、周波数帯域Δf=15MHzの周波数帯域(5.2GHz帯域)の無線信号および電磁ノイズのデータを取得させるためのコマンドCmd1(fo=5.2GHz,Δf=15MHz)を生成し、当該コマンドCmd1(fo=5.2GHz,Δf=15MHz)を含むデータを、第2通信インターフェース21を介して、当該コマンドの送信先である無線通信機S1_3に送信する。
The host device control unit 22 of the host device H1 also generates a command Cmd1 (fo=5.2 GHz, Δf=15 MHz) for the wireless communication device S1_3 to acquire data on wireless signals and electromagnetic noise in a frequency band (5.2 GHz band) with a center frequency fo=5.2 GHz and a frequency band Δf=15 MHz, and transmits data including the command Cmd1 (fo=5.2 GHz, Δf=15 MHz) to the wireless communication device S1_3, which is the destination of the command, via the
(ステップS1.1):
無線通信機S1_1は、ホスト装置H1から送信されたコマンドCmd1(fo=920MHz,Δf=15MHz)を含む通信データを受信する。無線通信機S1_1の第1通信インターフェース14は、受信した通信データからホスト装置H1から送信されたコマンドCmd1(fo=920MHz,Δf=15MHz)を抽出し、抽出したコマンドCmd1(fo=920MHz,Δf=15MHz)を、無線通信機用制御部15に出力する。
(Step S1.1):
The wireless communication device S1_1 receives communication data including the command Cmd1 (fo=920 MHz, Δf=15 MHz) transmitted from the host device H1. The
無線通信機S1_1の無線通信機用制御部15は、コマンドCmd1(fo=920MHz,Δf=15MHz)に従い、RF処理部11において、fo=920MHz,Δf=15MHzの周波数帯域の無線信号(および電磁ノイズ)が受信するように指示する制御信号CTL1を生成し、当該制御信号CTL1をRF処理部11に出力する。
In accordance with the command Cmd1 (fo=920 MHz, Δf=15 MHz), the wireless communication
無線通信機S1_1のRF処理部11は、制御信号CTL1に従い、受信可能周波数帯域を、fo=920MHz,Δf=15MHzの周波数帯域に設定する。
The
上記周波数帯域の設定処理を行った後、無線通信機S1_1の無線通信機用制御部15は、ホスト装置H1から受信したコマンドCmd1に対応する処理が完了したことを示すAck信号を、第1通信インターフェース14を介して、ホスト装置H1へ送信する。
After performing the above-mentioned frequency band setting process, the wireless communication
(ステップS1.2):
無線通信機S1_2は、ホスト装置H1から送信されたコマンドCmd1(fo=2.4GHz,Δf=15MHz)を含む通信データを受信する。無線通信機S1_2の第1通信インターフェース14は、受信した通信データからホスト装置H1から送信されたコマンドCmd1(fo=2.4GHz,Δf=15MHz)を抽出し、抽出したコマンドCmd1(fo=2.4GHz,Δf=15MHz)を、無線通信機用制御部15に出力する。
(Step S1.2):
The wireless communication device S1_2 receives communication data including the command Cmd1 (fo=2.4 GHz, Δf=15 MHz) transmitted from the host device H1. The
無線通信機S1_2の無線通信機用制御部15は、コマンドCmd1(fo=2.4GHz,Δf=15MHz)に従い、RF処理部11において、fo=2.4GHz,Δf=15MHzの周波数帯域の無線信号(および電磁ノイズ)が受信するように指示する制御信号CTL1を生成し、当該制御信号CTL1をRF処理部11に出力する。
In accordance with the command Cmd1 (fo=2.4 GHz, Δf=15 MHz), the wireless communication
無線通信機S1_2のRF処理部11は、制御信号CTL1に従い、受信可能周波数帯域を、fo=2.4GHz,Δf=15MHzの周波数帯域に設定する。
The
上記周波数帯域の設定処理を行った後、無線通信機S1_2の無線通信機用制御部15は、ホスト装置H1から受信したコマンドCmd1に対応する処理が完了したことを示すAck信号を、第1通信インターフェース14を介して、ホスト装置H1へ送信する。
After performing the above-mentioned frequency band setting process, the wireless communication
(ステップS1.3):
無線通信機S1_3は、ホスト装置H1から送信されたコマンドCmd1(fo=5.2GHz,Δf=15MHz)を含む通信データを受信する。無線通信機S1_3の第1通信インターフェース14は、受信した通信データからホスト装置H1から送信されたコマンドCmd1(fo=5.2GHz,Δf=15MHz)を抽出し、抽出したコマンドCmd1(fo=5.2GHz,Δf=15MHz)を、無線通信機用制御部15に出力する。
(Step S1.3):
The wireless communication device S1_3 receives communication data including the command Cmd1 (fo=5.2 GHz, Δf=15 MHz) transmitted from the host device H1. The
無線通信機S1_3の無線通信機用制御部15は、コマンドCmd1(fo=5.2GHz,Δf=15MHz)に従い、RF処理部11において、fo=5.2GHz,Δf=15MHzの周波数帯域の無線信号(および電磁ノイズ)が受信するように指示する制御信号CTL1を生成し、当該制御信号CTL1をRF処理部11に出力する。
In accordance with the command Cmd1 (fo=5.2 GHz, Δf=15 MHz), the wireless communication
無線通信機S1_3のRF処理部11は、制御信号CTL1に従い、受信可能周波数帯域を、fo=5.2GHz,Δf=15MHzの周波数帯域に設定する。
The
上記周波数帯域の設定処理を行った後、無線通信機S1_3の無線通信機用制御部15は、ホスト装置H1から受信したコマンドCmd1に対応する処理が完了したことを示すAck信号を、第1通信インターフェース14を介して、ホスト装置H1へ送信する。
After performing the above-mentioned frequency band setting process, the wireless communication
ホスト装置H1は、無線通信機S1_1~S1_3から、送信したコマンドCmd1に対するAck信号を受信したら、無線通信機S1_1~S1_3において、送信したコマンドCmd1に従う設定が完了したと判断し、処理をステップS2に進める。 When the host device H1 receives an Ack signal in response to the transmitted command Cmd1 from the wireless communication devices S1_1 to S1_3, it determines that the settings according to the transmitted command Cmd1 have been completed in the wireless communication devices S1_1 to S1_3, and proceeds to step S2.
(ステップS2):
ステップS2において、ホスト装置H1は、データ取得指示処理を実行する。具体的には、以下のように処理が実行される。
(Step S2):
In step S2, the host device H1 executes a data acquisition instruction process. Specifically, the process is executed as follows.
ホスト装置H1のホスト装置用制御部22は、無線通信機S1_1~S1_3のぞれぞれに対してデータ取得開始を指示するコマンドCmd1(Data_get_start)を生成する。そして、ホスト装置用制御部22は、第2通信インターフェース21を介して、生成したコマンドCmd1(Data_get_start)を含む通信データを、無線通信機S1_1~S1_3のそれぞれに送信する。
The host device control unit 22 of the host device H1 generates a command Cmd1 (Data_get_start) that instructs each of the wireless communication devices S1_1 to S1_3 to start acquiring data. The host device control unit 22 then transmits communication data including the generated command Cmd1 (Data_get_start) to each of the wireless communication devices S1_1 to S1_3 via the
無線通信機S1_1は、ホスト装置H1から送信されたコマンドCmd1(Data_get_start)を含む通信データを受信する。無線通信機S1_1の第1通信インターフェース14は、受信した通信データからホスト装置H1から送信されたコマンドCmd1(Data_get_start)を抽出し、抽出したコマンドCmd1(Data_get_start)を、無線通信機用制御部15に出力する。
The wireless communication device S1_1 receives communication data including the command Cmd1 (Data_get_start) sent from the host device H1. The
無線通信機S1_1の無線通信機用制御部15は、コマンドCmd1(Data_get_start)に従い、データ取得処理を実行(開始)するための制御信号CTL1~CTL3を生成し、生成した制御信号CTL1をRF処理部11に、生成した制御信号CTL2をIQデータ取得部12に、生成した制御信号CTL3を特徴量取得部13に出力する。
The wireless communication
無線通信機S1_1のRF処理部11、IQデータ取得部12、および、特徴量取得部13は、無線通信機用制御部15から入力した制御信号CTL1~CTL3に従い、データ取得処理を実行(開始)する。
The
また、無線通信機S1_2、および、無線通信機S1_3においても、上記と同様の処理が実行され、データ取得処理が実行(開始)される。 The same process as described above is also executed in wireless communication device S1_2 and wireless communication device S1_3, and data acquisition processing is executed (started).
(ステップS3):
ステップS3において、無線通信機S1_1~S1_3のそれぞれにおいて、特徴量データ取得処理が実行される。具体的には、以下のように処理が実行される。
(Step S3):
In step S3, a feature amount data acquisition process is executed in each of the wireless communication devices S1_1 to S1_3. Specifically, the process is executed as follows.
無線通信機S1_1のRF処理部11は、アンテナAnt_S1を介して、外部からRF信号を受信し、受信したRF信号に対して受信用のRF処理(920MHz帯のRF復調処理、AD変換等)を実行し、RF処理後の信号Sig0(RF復調信号Sig0(例えば、ベースバンドOFDM信号))を取得する。そして、RF処理部11は、RF復調信号Sig0をIQデータ取得部12に出力する。
The
無線通信機S1_1のIQデータ取得部12は、RF処理部11から出力される信号Sig0から、I成分信号(同相成分信号)のデータ(I成分データ)と、Q成分信号(直交成分信号)のデータ(Q成分データ)とを取得し、取得したデータをデータD1として、特徴量取得部13に出力する。
The IQ
無線通信機S1_1の特徴量取得部13は、IQデータ取得部12から出力されるデータD1に対して、特徴量取得処理を実行し、所定の特徴量を取得する。具体的には、特徴量取得部13は、データD1の所定の期間のサンプル(所定数のサンプル)からケプストラムを計算し、計算したケプストラムの低次成分のみのデータを特徴量として取得する。
The
つまり、特徴量取得部13は、データD1から、所定の期間に含まれるk個のサンプル(I成分データ、および/または、Q成分データのk個のサンプル)をRx信号サンプル集合xn(1≦n≦Nmax)して取得し、取得したRx信号サンプル集合xnに対して、下記数式に相当する処理を行うことで、ケプストラムのデータ(集合)cnを取得する(図3を参照)。
sn=log(|DFT(xn)|)
cn=DFT-1(sn)
DFT():離散フーリエ変換
DFT-1():逆離散フーリエ変換
|x|:xの絶対値
log():対数をとる関数
さらに、特徴量取得部13は、上記により取得したケプストラムのデータ(集合)cnの要素のうち低次元の要素のみを抽出する処理、すなわち、下記数式に相当する処理を実行し、特徴量データcfnを取得する(図3を参照)。
cfn=LPF_cep(cn)
LPF_cep():ケプストラムの低次成分のデータ(低次元要素)を抽出する関数
例えば、特徴量取得部13は、ケプストラムのデータ(集合)cnが15000次元のベクトルである場合、ケプストラムのデータ(集合)cnの16次元分のデータ(ケプストラムのデータ(ベクトル)の1~16次元のデータ(15000次元のベクトルの1番目の要素から16番目の要素を取り出したデータ)を取り出したデータ)を特徴量データとして取得する。なお、特徴量取得部13は、ケプストラムの低次成分のデータに対して加工したデータ(例えば、所定のフィルタを施したデータ)を特徴量データとして取得するようにしてもよい。
In other words, the
s n =log(|DFT(x n )|)
c n =DFT -1 (s n )
DFT(): Discrete Fourier Transform DFT −1 (): Inverse Discrete Fourier Transform |x|: Absolute value of x log(): Function to take logarithm Furthermore, the
c fn =LPF_cep(c n )
LPF_cep(): function for extracting low-order component data (low-dimensional elements) of the cepstrum For example, when the cepstrum data (set) cn is a 15000-dimensional vector, the
このように特徴量データ取得処理を行うことで、データ量を大幅に削減することができるため、無線通信機S1_1~S1_3からホスト装置H1への送信データ量を大幅に削減することができ、さらに、ホスト装置H1でのクラスタリング処理で使用するデータ量も大幅に削減される。したがって、ホスト装置H1でのクラスタリング処理を高速化することができる。 By performing the feature data acquisition process in this manner, the amount of data can be significantly reduced, and therefore the amount of data transmitted from the wireless communication devices S1_1 to S1_3 to the host device H1 can be significantly reduced. Furthermore, the amount of data used in the clustering process in the host device H1 is also significantly reduced. This makes it possible to speed up the clustering process in the host device H1.
さらに、上記のように特徴量データ取得処理を行うことで、ホスト装置H1でのクラスタリング処理の精度を向上させることができる。これについて、図4、図5を用いて説明する。 Furthermore, by performing the feature data acquisition process as described above, the accuracy of the clustering process in the host device H1 can be improved. This will be explained using Figures 4 and 5.
図4は、920MHz帯を処理対象とした場合の(1)無線信号(狭帯域通信の信号)、(2)電磁ノイズ(タイプ1)、および、(3)電磁ノイズ(タイプ2)の
(A)Rx信号サンプル集合xn(IQサンプルの集合に相当)のスペクトルsn(=log(|DFT(xn)|))(図4の上段のSptr()で示したデータ)、
(B)ケプストラムcn(=DFT-1(sn))(図4の下段のCepstrum()で示したデータ)、および、
(C)リフタードスペクトル(図4の上段のLiftered_sptr()で示したデータ)
を示した図である。
FIG. 4 shows the spectrum s n (=log(|DFT(x n )|)) of (A) Rx signal sample set x n (corresponding to a set of IQ samples) of (1) wireless signal (narrowband communication signal), (2) electromagnetic noise (type 1), and (3) electromagnetic noise (type 2) when the 920 MHz band is processed (data shown as Sptr() in the upper part of FIG. 4 ),
(B) Cepstrum c n (=DFT −1 (s n )) (data shown as Cepstrum() in the lower part of FIG. 4), and
(C) Lifted spectrum (data shown as Lifted_sptr() in the upper part of FIG. 4)
FIG.
なお、リフタードスペクトルは、ケプストラムの低次元側の16次元のみを抽出し、17次元以降のデータを「0」にしたデータ(低域ケプストラム)に対して、離散フーリエ変換を施して取得したデータ(スペクトル)である。 The lifted spectrum is data (spectrum) obtained by extracting only the lower 16 dimensions of the cepstrum and setting the data from the 17th dimension onwards to "0" (low-pass cepstrum) and applying a discrete Fourier transform to the data.
図4から分かるように、(1)無線信号(狭帯域通信の信号)、(2)電磁ノイズ(タイプ1)、および、(3)電磁ノイズ(タイプ2)のリフタードスペクトルは、互いに明確に区別可能なデータ(グラフ)となっている。つまり、ケプストラムの低次元側の16次元のみを抽出することで取得される特徴量データは、(1)無線信号(狭帯域通信の信号)、(2)電磁ノイズ(タイプ1)、および、(3)電磁ノイズ(タイプ2)を区別し、異なる種類のデータとして明確に分類できるデータである。ケプストラムの低次元側のデータ(例えば、低次元側の16次元のデータ)は、リフタードスペクトラムに変換したときのデータから分かるように(図4の上段のグラフを参照)、白色ノイズ成分(周波数領域において略一様に生じるノイズ成分)を抑制しつつ、無線信号または電磁ノイズの特徴的な部分を効果的に抽出した(反映させた)データとなる。図5の下段のケプストラムの低次元側の16次元のデータにおいても、無線信号および電磁ノイズ(例えば、図5の無線信号、電磁ノイズ(タイプ1)、および、電磁ノイズ(タイプ2))の特徴的な部分が反映されており、無線信号および電磁ノイズ(例えば、図5の無線信号、電磁ノイズ(タイプ1)、および、電磁ノイズ(タイプ2))の種別分け(区別)が十分可能であることが分かる。 As can be seen from FIG. 4, the lifted spectra of (1) wireless signal (narrowband communication signal), (2) electromagnetic noise (type 1), and (3) electromagnetic noise (type 2) are clearly distinguishable from each other (graphs). In other words, the feature data obtained by extracting only the 16 dimensions on the lower dimensional side of the cepstrum distinguishes between (1) wireless signal (narrowband communication signal), (2) electromagnetic noise (type 1), and (3) electromagnetic noise (type 2), and can be clearly classified as different types of data. As can be seen from the data converted to a lifted spectrum (see the upper graph of FIG. 4), the data on the lower dimensional side of the cepstrum (for example, the 16-dimensional data on the lower dimensional side) is data that effectively extracts (reflects) the characteristic parts of the wireless signal or electromagnetic noise while suppressing white noise components (noise components that occur approximately uniformly in the frequency domain). Even in the 16-dimensional data on the lower dimensional side of the cepstrum in the lower part of Figure 5, characteristic parts of the wireless signal and electromagnetic noise (e.g., the wireless signal, electromagnetic noise (type 1), and electromagnetic noise (type 2) in Figure 5) are reflected, and it can be seen that it is quite possible to classify (distinguish) the wireless signal and electromagnetic noise (e.g., the wireless signal, electromagnetic noise (type 1), and electromagnetic noise (type 2) in Figure 5).
すなわち、ケプストラムの低次元側の16次元のみを抽出することで取得される特徴量データは、無線信号または電磁ノイズの区別を困難にする白色ノイズ成分の影響を抑えることができ、かつ、無線信号または電磁ノイズの特徴的部分を効果的に抽出した(反映させた)データとなる。 In other words, the feature data obtained by extracting only the lower 16 dimensions of the cepstrum can suppress the influence of white noise components that make it difficult to distinguish between wireless signals and electromagnetic noise, and is data that effectively extracts (reflects) the characteristic parts of wireless signals or electromagnetic noise.
したがって、上記のように、ケプストラムの低次元側のデータのみ(低次元側の16次元のデータ)を抽出することで特徴量データを取得する処理を行い、当該処理により取得された特徴量データを用いて、クラスタリング処理を行うことで、クラスタリング処理の精度を向上させることができる。 Therefore, as described above, the process of obtaining feature data is performed by extracting only the low-dimensional data of the cepstrum (the 16-dimensional data on the low-dimensional side), and the feature data obtained by this process is used to perform clustering processing, thereby improving the accuracy of the clustering process.
無線通信機S1_1の特徴量取得部13は、上記により取得した特徴量データを、データD2として、第1通信インターフェース14に出力する。第1通信インターフェース14は、特徴量取得部13により取得されたデータD2を含む通信データ(これを送信データDtx(D2,S1_1)と表記する)をホスト装置H1に送信する。
The
無線通信機S1_2、S1_3においても、上記と同様の処理が実行され、無線通信機S1_2、S1_3により、それぞれ取得された特徴量データD2を含む通信データ(送信データDtx(D2,S1_2)、Dtx(D2,S1_3))が、ホスト装置H1に送信される。 The same process as above is performed in the wireless communication devices S1_2 and S1_3, and communication data (transmission data Dtx(D2, S1_2), Dtx(D2, S1_3)) including the feature data D2 acquired by the wireless communication devices S1_2 and S1_3 are transmitted to the host device H1.
(ステップS4):
ステップS4において、ホスト装置H1は、無線通信機S1_1~S1_3のそれぞれから、送信されてくる通信データDtx(D2,S1_1)、Dtx(D2,S1_2)、Dtx(D2,S1_3)を、第2通信インターフェース21により受信する。そして、第2通信インターフェース21は、受信した通信データから、各無線通信機により取得された特徴量データD2を取得し、取得した特徴量データD2を取得データ用バッファ25に出力する。なお、このとき、ホスト装置H1のホスト装置用制御部22は、取得した特徴量データD2がどの無線通信機により取得されたデータであるかが分かるように、取得データ用バッファ25に記憶し管理する。例えば、ホスト装置H1のホスト装置用制御部22は、無線通信機S1_1から取得された特徴量データD2を、取得データ用バッファ25のバッファBuf_1に記憶し、無線通信機S1_2から取得された特徴量データD2を、取得データ用バッファ25のバッファBuf_2に記憶し、無線通信機S1_3から取得された特徴量データD2を、取得データ用バッファ25のバッファBuf_3に記憶するようにしてもよい。
(Step S4):
In step S4, the host device H1 receives the communication data Dtx (D2, S1_1), Dtx (D2, S1_2), and Dtx (D2, S1_3) transmitted from each of the wireless communication devices S1_1 to S1_3 through the
なお、無線通信機S1_1~S1_3において、大量の特徴量データを取得するために、ステップS3、S4の処理は、繰り返し実行されるものであってもよい。 In addition, in order to acquire a large amount of feature data in the wireless communication devices S1_1 to S1_3, the processes of steps S3 and S4 may be executed repeatedly.
(ステップS5):
ステップS5において、ホスト装置H1は、無線通信機S1_1~S1_3により取得され、取得データ用バッファ25に記憶された特徴量データに対して、クラスタリング処理を行う。具体的には、ホスト装置H1のホスト装置用制御部22は、例えば、k-means++法により、取得データ用バッファ25に記憶された特徴量データをクラスタに分類する処理を実行する。
(Step S5):
In step S5, the host device H1 performs clustering processing on the feature data acquired by the wireless communication devices S1_1 to S1_3 and stored in the acquired
ここで、クラスタリング処理におけるクラスタ数(分類数)の最適数の取得処理(取得方法)について、図6のフローチャート、および、図7の説明図を用いて説明する。 Here, the process (method) of obtaining the optimal number of clusters (number of classifications) in the clustering process will be explained using the flowchart in FIG. 6 and the explanatory diagram in FIG. 7.
(ステップSA101~SA104):
ホスト装置H1は、乱数シードをseed1に設定し(ステップSA101)、クラスタ数kの初期値を「2」に設定する(ステップSA102)。
(Steps SA101 to SA104):
The host device H1 sets a random number seed to seed1 (step SA101), and sets the initial value of the number of clusters k to "2" (step SA102).
ステップSA103において、ホスト装置H1は、例えば、k-means++法により、取得データ用バッファ25に記憶された特徴量データをクラスタに分類する処理(クラスタリング処理)を実行する。
In step SA103, the host device H1 performs a process (clustering process) to classify the feature data stored in the acquired
そして、ステップSA104において、ホスト装置H1は、ステップSA103のクラスタリング結果のデータをデータRst(k,seed1)として取得する。 Then, in step SA104, the host device H1 acquires the data resulting from the clustering in step SA103 as data Rst(k, seed1).
(ステップSB101~SB104):
ホスト装置H1は、乱数シードをseed2(seed1とは異なる値)に設定し(ステップSB101)、クラスタ数kの初期値を「2」に設定する(ステップSB102)。
(Steps SB101 to SB104):
The host device H1 sets the random number seed to seed2 (a value different from seed1) (step SB101), and sets the initial value of the number of clusters k to "2" (step SB102).
ステップSB103において、ホスト装置H1は、例えば、k-means++法により、取得データ用バッファ25に記憶された特徴量データ(ステップSA103で処理対象としたデータと同じデータ)をクラスタに分類する処理(クラスタリング処理)を実行する。 In step SB103, the host device H1 performs a process (clustering process) to classify the feature data stored in the acquired data buffer 25 (the same data as the data to be processed in step SA103) into clusters, for example, using the k-means++ method.
そして、ステップSB104において、ホスト装置H1は、ステップSB103のクラスタリング結果のデータをデータRst(k,seed2)として取得する。 Then, in step SB104, the host device H1 acquires the data of the clustering result of step SB103 as data Rst(k, seed2).
(ステップS106)
ステップS106において、ホスト装置H1は、乱数シードをseed1としたときのクラスタリング結果データRst(k,seed1)と、乱数シードをseed2としたときのクラスタリング結果データRst(k,seed2)とが同一であるか否かを判定する。そして、判定の結果、クラスタリング結果データRst(k,seed1)とクラスタリング結果データRst(k,seed2)とが同一である場合、ホスト装置は、変数k0に現在設定されているクラスタ数kを代入し(ステップS106)、さらに、kの値を+1だけインクリメントする処理を行う(ステップS107)。そして、処理をSA103およびSB103に戻す。そして、ステップSA103~SA104、SB103~SB104、S105の処理が繰り返し実行される。
(Step S106)
In step S106, the host device H1 judges whether the clustering result data Rst(k, seed1) when the random number seed is set to seed1 is the same as the clustering result data Rst(k, seed2) when the random number seed is set to seed2. If the result of the judgment is that the clustering result data Rst(k, seed1) and the clustering result data Rst(k, seed2) are the same, the host device assigns the currently set number of clusters k to the variable k0 (step S106), and further performs a process of incrementing the value of k by +1 (step S107). Then, the process returns to SA103 and SB103. Then, the processes of steps SA103 to SA104, SB103 to SB104, and S105 are repeatedly executed.
一方、判定の結果、クラスタリング結果データRst(k,seed1)とクラスタリング結果データRst(k,seed2)とが同一ではない場合、ホスト装置H1は、クラスタ数の最適数k_optに、現在設定されているクラスタ数の1つ前に設定されたクラスタ数k0を設定する。これにより、乱数シードを変えた場合に、クラスタリング結果が同一である最大のクラスタ数がクラスタ数の最適数に設定される。つまり、上記処理により、クラスタ数の最適数k_optを取得できる。 On the other hand, if the result of the determination is that the clustering result data Rst(k, seed1) and the clustering result data Rst(k, seed2) are not identical, the host device H1 sets the optimal number of clusters k_opt to the number of clusters k0 that is set immediately before the currently set number of clusters. As a result, when the random number seed is changed, the maximum number of clusters that results in the same clustering results is set as the optimal number of clusters. In other words, the above process makes it possible to obtain the optimal number of clusters k_opt.
図7は、上記のクラスタ数の最適数を求める処理の一例を示しており、
(A)乱数シードを「35」に設定したときの
(A1)クラスタ数=3(k=3)の場合のクラスタリング結果、
(A2)クラスタ数=3(k=4)の場合のクラスタリング結果、
(A3)クラスタ数=3(k=5)の場合のクラスタリング結果、および、
(B)乱数シードを「171」に設定したときの
(B1)クラスタ数=3(k=3)の場合のクラスタリング結果、
(B2)クラスタ数=3(k=4)の場合のクラスタリング結果、
(B3)クラスタ数=3(k=5)の場合のクラスタリング結果、
を示している。図7のグラフにおいて、横軸は時間であり、縦軸はクラスタ番号である。
FIG. 7 shows an example of a process for determining the optimum number of clusters.
(A) Clustering result when the random number seed is set to “35” (A1) number of clusters = 3 (k = 3)
(A2) Clustering result when the number of clusters is 3 (k=4),
(A3) Clustering result when the number of clusters is 3 (k=5), and
(B) Clustering result when the random number seed is set to “171” (B1) number of clusters=3 (k=3)
(B2) Clustering result when the number of clusters is 3 (k=4),
(B3) Clustering result when the number of clusters is 3 (k=5),
In the graph of Fig. 7, the horizontal axis represents time and the vertical axis represents cluster number.
図7の場合、クラスタ数=4(k=4)としたときの乱数シード=35のクラスタリング結果(Rst(k=4,seed1=35))と、乱数シード=171のクラスタリング結果(Rst(k=4,seed2=171))とは、同一データであるが、クラスタ数=5(k=5)としたときの乱数シード=35のクラスタリング結果(Rst(k=5,seed1=35))と、乱数シード=171のクラスタリング結果(Rst(k=5,seed2=171))とは、同一データではない(図中の点線で囲んだ部分、および、一点鎖線で囲んだ部分のクラスタリングの結果が異なる)。 In the case of Figure 7, when the number of clusters is 4 (k=4), the clustering result (Rst(k=4, seed1=35)) of random number seed = 35 and the clustering result (Rst(k=4, seed2=171)) of random number seed = 171 are the same data, but when the number of clusters is 5 (k=5), the clustering result (Rst(k=5, seed1=35)) of random number seed = 35 and the clustering result (Rst(k=5, seed2=171)) of random number seed = 171 are not the same data (the clustering results of the part surrounded by the dotted line and the part surrounded by the dashed line in the figure are different).
したがって、図7の場合、乱数シードを変更したときに同一のクラスタリング結果が得られるクラスタ数の最大数が「4」となり、この値がクラスタ数の最適数k_optに設定される。 Therefore, in the case of Figure 7, the maximum number of clusters that will give the same clustering result when the random number seed is changed is "4", and this value is set as the optimal number of clusters k_opt.
つまり、ホスト装置H1では、上記処理により、クラスタ数の最適数k_optを取得し、取得したクラスタ数の最適数k_optにより、例えば、k-means++法により、クラスタリング処理を実行する。これにより、ホスト装置H1では、精度の高いクラスタリング処理を実行することができる。 In other words, the host device H1 obtains the optimal number of clusters k_opt through the above process, and performs clustering processing using the obtained optimal number of clusters k_opt, for example, by the k-means++ method. This allows the host device H1 to perform clustering processing with high accuracy.
なお、クラスタ数の最適数k_optを取得する処理は、図6に示すフローチャートの手順に限定されることなく、例えば、変更する乱数シードの数を「3」以上にしてもよい。この場合、SA101~SA104と同様の処理(乱数シードは、seed1、seed2とは異なる値に設定)を乱数シードの数分だけ並列に実行し、設定した乱数シードの数がN1である場合、ステップS105において、N1個のクラスタリング結果データが全て同一か否かを判定するようにすればよい。また、図6の並列処理で実行されるステップ(SA101~SA104、SB101~SB104)は、直列に処理(シリアルに処理)されるものであってもよい。 The process of obtaining the optimal number of clusters k_opt is not limited to the procedure of the flowchart shown in FIG. 6, and for example, the number of random number seeds to be changed may be "3" or more. In this case, the same process as SA101 to SA104 (the random number seeds are set to values different from seed1 and seed2) is executed in parallel for the number of random number seeds, and when the number of random number seeds set is N1, in step S105, it is determined whether or not all N1 clustering result data are the same. Also, the steps (SA101 to SA104, SB101 to SB104) executed in the parallel process of FIG. 6 may be processed in series (serial processing).
(ステップS6):
ステップS6において、ホスト装置H1では、教師データ生成処理が実行される。具体的には、ホスト装置H1では、ステップS5のクラスタリング処理の結果に基づいて、例えば、同一クラスタに分類されたデータに対して、(自動または手動で)同一のラベルを付与することで学習用データ(教師データ)を生成する。つまり、ホスト装置H1では、特徴量データと、その特徴量データが分類されたクラスタに付与されたラベルとを対応付けたデータを学習用データとすることで、特徴量データから信号種別を分類する分類器のニューラルネットワークモデルを学習させるためのデータ(学習用データ(教師データ))を生成する。
(Step S6):
In step S6, the host device H1 executes a teacher data generation process. Specifically, the host device H1 generates training data (teacher data) by (automatically or manually) assigning the same label to data classified into the same cluster based on the result of the clustering process in step S5. In other words, the host device H1 generates data (training data (teacher data)) for training a neural network model of a classifier that classifies signal types from feature data by using data in which feature data and labels assigned to clusters into which the feature data is classified as training data.
ステップS6で生成された学習用データを用いて、特徴量データから信号種別を分類する分類器をニューラルネットワークなどの分類モデルで学習させることで、特徴量データから信号種別を分類する分類器の学習済みモデルを取得する。なお、この学習処理は、ホスト装置H1で実行してもよいし、サーバ等の処理能力の高いコンピュータにより実行してもよい。 Using the learning data generated in step S6, a classifier that classifies signal types from feature data is trained using a classification model such as a neural network, thereby acquiring a trained model of the classifier that classifies signal types from feature data. Note that this learning process may be executed by the host device H1, or may be executed by a computer with high processing power such as a server.
上記学習処理により取得された、特徴量データから信号種別を分類する分類器の学習済みモデルを、ホスト装置H1のROM23、あるいは、RAM24に構築する。つまり、上記学習処理により取得された、特徴量データから信号種別を分類する分類器の学習済みモデルにより処理を実行するためのプログラム、コード、および、パラメータのデータ等を、ホスト装置H1のROM23、あるいは、RAM24に記憶させる。
The trained model of the classifier that classifies the signal type from the feature data obtained by the above learning process is constructed in the
(1.2.2:予測時の処理)
次に、信号種別分類システム100の予測時の処理について説明する。
(1.2.2: Processing during prediction)
Next, the prediction process of the signal
図8は、予測時における信号種別分類システム100の概略構成図である。
Figure 8 is a schematic diagram of the signal
なお、図8に示すように、上記の学習処理により取得された、特徴量データから信号種別を分類する分類器の学習済みモデルを、ホスト装置H1のROM23に構築されているものとする。つまり、上記の学習処理により取得された、特徴量データから信号種別を分類する分類器の学習済みモデルにより処理を実行するためのプログラム、コード、および、パラメータのデータ等は、ホスト装置H1のROM23に記憶されているものとする。
As shown in FIG. 8, the trained model of the classifier that classifies the signal type from the feature data, obtained by the above learning process, is constructed in the
図9は、信号種別分類システム100の予測時の処理(信号種別分類処理)を説明するためのシーケンス図である。
Figure 9 is a sequence diagram to explain the processing (signal type classification processing) during prediction by the signal
図10は、n個の信号種別分類システム100_1~100_nを含むデータ収集システム1000の概略構成図である。
Figure 10 is a schematic diagram of a
(ステップS21~S24):
ステップS21~S24において、信号種別分類システム100では、学習時のステップS1~S4と同様の処理が実行される。
(Steps S21 to S24):
In steps S21 to S24, the signal
(ステップS25):
ステップS25において、ホスト装置H1は、信号種別分類処理を実行する。具体的には、ホスト装置H1は、取得データ用バッファ25に記憶されている特徴量データを、ホスト装置H1において構築されている信号種別分類器の学習済みモデルに入力し、信号種別分類器の学習済みモデルから出力されるデータを取得する。信号種別分類器の学習済みモデルから出力されるデータは、入力された特徴量データにラベルを付与したデータであり、付与されたラベルにより、入力された特徴量データの取得元の無線信号、または、電磁ノイズの種別を特定することができる(信号種別を分類することができる)。
(Step S25):
In step S25, the host device H1 executes a signal type classification process. Specifically, the host device H1 inputs the feature data stored in the acquired
なお、ホスト装置H1は、上記により取得した信号種別を分類したデータ(ラベルを付与されたデータ)を、第3通信インターフェース27を介して、例えば、外部に設置されているサーバに送信するようにしてもよい。
The host device H1 may transmit the data (labeled data) of the signal types acquired as described above to, for example, an external server via the
例えば、図10に示すように、ホスト装置H1を、ネットワークNW1(例えば、LAN)を介して、サーバSvr1に接続し、ホスト装置H1は、上記により取得した信号種別を分類したデータ(ラベルを付与されたデータ)を、第3通信インターフェース27、ネットワークNW1を介して、サーバSvr1に送信するようにしてもよい。
For example, as shown in FIG. 10, the host device H1 may be connected to the server Svr1 via a network NW1 (e.g., a LAN), and the host device H1 may transmit data (labeled data) that classifies the signal types acquired as described above to the server Svr1 via the
また、図10に示すように、n個(n:2以上の自然数)の信号種別分類システム100_1~100_nを設け、各信号種別分類システム100_1~100_nのホスト装置H1~Hnを、ネットワークNW1を介してサーバSvr1に接続することで、データ収集システム1000を構築するようにしてもよい。
Also, as shown in FIG. 10, a
このように構築したデータ収集システム1000では、例えば、狭空間の別々の位置に、信号種別分類システム100_1~100_nを設置することで、当該狭空間を飛び交う無線信号や電磁ノイズの特徴量データから学習済みモデル(分類器)により取得した信号種別を分類したデータ(ラベルを付与されたデータ)を大量に取得でき、かつ、取得した大量のデータをサーバSvr1に集めることができる。なお、サーバSvr1は、図10に示すように、大量のデータを記憶保持することができるデータ記憶部Strgに接続されているものであってもよく、この場合、サーバSvr1は、信号種別分類システム100_1~100_nから収集したデータ(信号種別分類データ)をデータ記憶部Strgに記憶させる。
In the
さらに、サーバSvr1は、上記により収集したデータ(信号種別分類データ)を解析し、例えば、解析結果を可視化する処理を行うことで、データ取得した対象の狭空間の電波状況を適切に把握することができる。 Furthermore, the server Svr1 analyzes the data (signal type classification data) collected as described above, and, for example, performs a process to visualize the analysis results, thereby enabling the radio wave conditions in the narrow space of the subject from which the data was acquired to be properly understood.
また、データ収集システム1000において、信号種別分類システム100_1~100_n信号種別分類システム100_1~100_nのそれぞれに含まれる無線通信機S1_1~S1_N、S2_1~S2_N、・・・、Sn_1~Sn_Nのデータ取得対象の周波数帯域を様々な値に設定することで、データ取得した対象の狭空間の多様な周波数帯域の無線信号、電磁ノイズのデータを取得することができる。その結果、データ収集システム1000において、データ取得した対象の狭空間の多様な周波数帯域の電波状況を適切に把握することができる。
In addition, in the
≪まとめ≫
以上のように、信号種別分類システム100では、各無線通信機において特徴量データ取得処理を行うことで、データ量を大幅に削減することができるため、各無線通信機からホスト装置H1への送信データ量を大幅に削減することができる。そして、信号種別分類システム100では、ホスト装置H1でのクラスタリング処理で使用するデータ量も大幅に削減されるので、ホスト装置H1でのクラスタリング処理を高速化することができる。さらに、信号種別分類システム100では、クラスタリング処理の最適クラスタ数を取得し、主とした最適クラスタ数により、クラスタリング処理が実行されるため、高精度なクラスリング処理を実行することができる。また、信号種別分類システム100では、各無線通信機にて、ケプストラムの低次元側のデータのみ(低次元側の16次元のデータ)を抽出することで特徴量データを取得する処理を行い、ホスト装置H1にて、当該処理により取得された特徴量データを用いて、クラスタリング処理を行うことで、クラスタリング処理の精度を向上させることができる。
<Summary>
As described above, in the signal
そして、信号種別分類システム100では、上記の高精度なクラスタリング処理により分類されたデータに対してラベルを付与し、特徴量データと、その特徴量データが分類されたクラスタに付与されたラベルとを対応付けたデータを学習用データとすることで、特徴量データから信号種別を分類する分類器のニューラルネットワークモデルを学習させるためのデータ(学習用データ(教師データ))を生成することができる。
Then, in the signal
このように、信号種別分類システム100では、周波数スペクトルや波形パターンの予測が困難な無線信号や電磁ノイズの種別を適切に分類する信号種別分類システム100に搭載される分類器(機械学習の対象にできるニューラルネットワークなどを用いて実現されるモデルであって、特徴量データから信号種別を分類する分類器のモデル)を機械学習により構築するための学習用データ生成方法を行うことができる。
In this way, the signal
また、上記により生成した学習用データを用いて、特徴量データから信号種別を分類する分類器のモデル(機械学習の対象にできるニューラルネットワークなどを用いて実現されるモデルであって、特徴量データから信号種別を分類する分類器のモデル)を学習させることで、特徴量データから信号種別を分類する分類器の学習済みモデルを取得することができる。そして、信号種別分類システム100において、取得した学習済みモデル(信号種別分類器)を用いて、各無線通信機により取得された特徴量データに対して、信号種別分類処理を行うことで、周波数スペクトルや波形パターンの予測が困難な無線信号や電磁ノイズであっても、その種別を適切に分類することができる。
In addition, by using the training data generated as described above to train a classifier model that classifies signal types from feature data (a model that is realized using a neural network that can be the subject of machine learning, and is a classifier model that classifies signal types from feature data), a trained model of the classifier that classifies signal types from feature data can be acquired. Then, in the signal
つまり、信号種別分類システム100では、各無線通信機において特徴量データ取得処理を行うことで、データ量を大幅に削減することができるので、学習時においても予測時においても、無線信号や電磁ノイズの特徴を維持しつつ個々のデータ量が少ない特徴量データを大量に取得し、取得した大量の特徴量データを用いて、学習用データの生成、分類器(機械学習の対象にできるニューラルネットワークなどを用いて実現されるモデルであって、特徴量データから信号種別を分類する分類器のモデル)の学習処理、信号種別分類器の学習済みモデルにより信号種別分類処理を行うことができる。したがって、信号種別分類システム100では、周波数スペクトルや波形パターンの予測が困難な無線信号や電磁ノイズであっても、その種別を適切に分類することができる。
In other words, in the signal
≪第1変形例≫
次に、第1実施形態の第1変形例について、説明する。なお、上記実施形態と同様の部分については、同一符号を付し、詳細な説明を省略する。
First Modified Example
Next, a first modified example of the first embodiment will be described. Note that the same reference numerals are used to designate the same parts as those in the above embodiment, and detailed descriptions thereof will be omitted.
図11は、第1実施形態の第1変形例の信号種別分類システム100Aの概略構成図である。
Figure 11 is a schematic diagram of a signal
本変形例の信号種別分類システム100Aでは、図11に示すように、1つのアンテナAnt_S1が、N個の無線通信機S1A_1~S1A_Nに接続されている。つまり、信号種別分類システム100Aでは、1つのアンテナAnt_S1(共通のアンテナ)により受信信号をN個の無線通信機S1A_1~S1A_Nで処理するため、受信信号をN個の無線通信機S1A_1~S1A_Nで受信信号の位相差、レベル差を合わせることができる。
In the signal
また、信号種別分類システム100Aは、第1実施形態の信号種別分類システム100において、発振器Osc1と、分配器Dist1とを追加し、無線通信機S1_1を無線通信機S1A_1に置換し、無線通信機S1_2~S1_Nをそれぞれ無線通信機S1A_1~S1_Nに置換した構成を有している。
The signal
発振器Osc1は、リファレンス信号sig_refを発生させるための発振器である。発振器Osc1により発生させたリファレンス信号sig_refは、無線通信機S1A_1に出力される。 The oscillator Osc1 is an oscillator for generating a reference signal sig_ref. The reference signal sig_ref generated by the oscillator Osc1 is output to the wireless communication device S1A_1.
無線通信機S1A_1は、図11に示すように、第1実施形態の無線通信機S1_1において、同期信号生成部16を追加した構成を有している。
As shown in FIG. 11, the wireless communication device S1A_1 has a configuration in which a synchronization
同期信号生成部16は、発振器Osc1から出力されるリファレンス信号sig_refを入力し、リファレンス信号sig_refに同期した同期信号sig_sync(例えば、クロック信号)を生成する。そして、同期信号生成部16は、生成した同期信号sig_refを、無線通信機S1A_1の各機能部に出力し、各機能部は、同期信号sig_refに基づいて、処理(サンプリング処理を含む)を行う。
The synchronization
また、同期信号生成部16は、生成した同期信号sig_syncを分配器Dist1に出力する。
In addition, the synchronization
分配器Dist1は、無線通信機S1A_1の同期信号生成部16から出力される同期信号sig_syncを入力し、当該同期信号sig_syncを、無線通信機S1A_2~S1A_Nのそれぞれに出力(分配)する。
The distributor Dist1 receives the synchronization signal sig_sync output from the synchronization
無線通信機S1A_2~S1A_Nのそれぞれは、分配器Dist1から出力される同期信号sig_syncを入力し、当該同期信号sig_syncに基づいて(当該同期信号sig_syncに同期させて)各機能部での処理を実行する。 Each of the wireless communication devices S1A_2 to S1A_N receives the synchronization signal sig_sync output from the distributor Dist1, and executes processing in each functional unit based on the synchronization signal sig_sync (synchronized with the synchronization signal sig_sync).
このように、信号種別分類システム100Aでは、共通のリファレンス信号sig_refから生成した同期信号sig_syncをN個の無線通信機S1A_1~S1A_Nで使用するので、N個の無線通信機S1A_1~S1A_Nにおいて、サンプリングタイミングを合わせることができ、また、共通の同期信号sig_syncに同期した処理を実行することができる。これにより、さらに、信号種別分類システム100Aでは、高精度な処理を実行することができる。
In this way, in the signal
≪第2変形例≫
次に、第1実施形態の第2変形例について、説明する。なお、上記実施形態と同様の部分については、同一符号を付し、詳細な説明を省略する。
<Second Modified Example>
Next, a second modification of the first embodiment will be described. Note that the same parts as those in the above embodiment are given the same reference numerals and detailed description will be omitted.
図12は、第1実施形態の第2変形例の信号種別分類システム100Bの概略構成図である。
Figure 12 is a schematic diagram of a signal
本変形例の信号種別分類システム100Bは、図12に示すように、第1実施形態の信号種別分類システム100のホスト装置H1を、ホスト装置H1の機能を有するサーバSvr1に置換した構成を有している。
As shown in FIG. 12, the signal
信号種別分類システム100Bでは、例えば、サーバSvr1をホスト装置H1よりも高機能なものとすることで、各無線通信機から送信される特徴量データを、さらに高機能なサーバSvr1を用いて処理を行うことができる。
In the signal
≪第3変形例≫
次に、第1実施形態の第3変形例について、説明する。なお、上記実施形態と同様の部分については、同一符号を付し、詳細な説明を省略する。
<Third Modified Example>
Next, a third modified example of the first embodiment will be described. Note that the same reference numerals are used to designate the same parts as those in the above embodiment, and detailed description thereof will be omitted.
図13は、第1実施形態の第3変形例のデータ収集システム1000Aの概略構成図である。
Figure 13 is a schematic diagram of a
本変形例のデータ収集システム1000Aは、第1実施形態のデータ収集システム1000(図10を参照)において、さらに、サーバSvr1を、他のサーバを接続可能なネットワークNW2に接続した構成を有している。
The
これにより、データ収集システム1000Aでは、例えば、サーバSvr1で取得したデータを、ネットワークNW2を介して、他のサーバ(例えば、図13では、サーバSvr2)に送信することができ、ネットワークNW2に接続された複数サーバにより、信号種別分類システムで取得されたデータに対する分析処理、データ収集処理、データ保存管理処理等を行うことができる。なお、データ収集システム1000Aにおいて、図13に示した場合に限定されることはなく、ネットワークNW2に複数のサーバ(3台以上のサーバ)が接続される構成であってもよい。また、データ収集システム1000Aにおいて、所定のサーバにデータを集約させるようにしてもよいし、データを複数のサーバで分散するようにしてもよい。また、取得したデータに対する処理(例えば、分析処理、可視化処理)等を複数のサーバで分散して行うようにしてもよい(エッジ処理、クラウド処理を行うようにしてもよい)。
In this way, in the
このように、信号種別分類システムにおいて、無線信号や電磁ノイズの特徴を維持しつつ個々のデータ量が少ない特徴量データを大量に取得することができるため、複数の信号種別分類システムを含む多様な構成のシステムを構築することが容易となる。つまり、信号種別分類システムで個々のデータ量が少ない特徴量データが取得できるので、その特徴量データを大量に通信により、他の装置に送信しても、従来に比べると通信負荷が劇的に少ない。このため、特徴量データを大量に扱うことができるシステムを、多様な構成により構築することができる。つまり、本発明を用いることで、システム構成の拡張性が多様なものとなり、かつ、システム構成の拡張変更が容易となる。 In this way, the signal type classification system can acquire large amounts of feature data with small individual data volumes while maintaining the characteristics of wireless signals and electromagnetic noise, making it easy to build systems with diverse configurations that include multiple signal type classification systems. In other words, because the signal type classification system can acquire feature data with small individual data volumes, even if a large amount of that feature data is transmitted to other devices via communication, the communication load is dramatically smaller than in the past. For this reason, systems capable of handling large amounts of feature data can be built with diverse configurations. In other words, by using the present invention, the scalability of the system configuration becomes diverse, and the system configuration can be easily expanded and modified.
[他の実施形態]
上記実施形態(変形例を含む)において、信号種別分類システム、データ収集システムに用いられる無線通信機は、SDR(software defined radio)により実現してもよい。この場合、無線通信機の各機能部の一部または全部は、例えば、FPGAにより実現されるものであってもよい。
[Other embodiments]
In the above embodiment (including the modified example), the wireless communication device used in the signal type classification system and the data collection system may be realized by an SDR (software defined radio). In this case, some or all of the functional units of the wireless communication device may be realized by, for example, an FPGA.
また、上記実施形態(変形例を含む)の一部または全部を組み合わせて、信号種別分類システム、データ収集システム、無線通信機、ホスト装置、サーバ等を構成するようにしてもよい。 In addition, some or all of the above embodiments (including variations) may be combined to configure a signal type classification system, a data collection system, a wireless communication device, a host device, a server, etc.
また、上記実施形態(変形例を含む)において、特徴量データとして、ケプストラムのデータの低次元部分を抽出したデータを取得する場合について、説明したが、これに限定されることはなく、例えば、特徴量データとして、無線信号および/または電磁ノイズの時間領域の信号の特徴、あるいは、周波数領域でのスペクトルの特徴を反映させたデータあれば、他のデータを特徴量データとして採用し、特徴量データ取得処理を実行するようにしてもよい。例えば、所定の期間(所定の時間)において取得したIQデータ(IQサンプル)の値のヒストグラムのデータを特徴量データとして採用してもよい。この場合、例えば、インパルス状のノイズが所定の期間のどのタイミングで発生しても、ヒストグラムデータとしては、類似のデータとなるため、インパルス状のノイズの特徴を顕著に表す特徴量データを取得することが可能となる。 In the above embodiment (including the modified example), the case where data obtained by extracting the low-dimensional part of the cepstrum data is obtained as the feature data has been described, but the present invention is not limited to this. For example, if the feature data reflects the signal characteristics of the time domain of the wireless signal and/or electromagnetic noise, or the spectrum characteristics in the frequency domain, other data may be adopted as the feature data and the feature data acquisition process may be performed. For example, histogram data of the values of IQ data (IQ samples) acquired during a specified period (specified time) may be adopted as the feature data. In this case, for example, regardless of the timing of the occurrence of impulse-like noise during the specified period, the histogram data will be similar data, so that it is possible to acquire feature data that prominently represents the characteristics of the impulse-like noise.
また、上記実施形態(変形例を含む)で説明した信号種別分類システム、データ収集システム、無線通信機、ホスト装置、サーバにおいて、各ブロックは、LSIなどの半導体装置により個別に1チップ化されても良いし、一部又は全部を含むように1チップ化されても良い。 In addition, in the signal type classification system, data collection system, wireless communication device, host device, and server described in the above embodiments (including modified examples), each block may be individually integrated into a single chip using a semiconductor device such as an LSI, or may be integrated into a single chip to include some or all of the blocks.
なお、ここでは、LSIとしたが、集積度の違いにより、IC、システムLSI、スーパーLSI、ウルトラLSIと呼称されることもある。 Note that although we refer to it as an LSI here, it may also be called an IC, system LSI, super LSI, or ultra LSI depending on the level of integration.
また、集積回路化の手法はLSIに限るものではなく、専用回路又は汎用プロセサで実現してもよい。LSI製造後に、プログラムすることが可能なFPGA(Field Programmable Gate Array)や、LSI内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサーを利用しても良い。 In addition, the method of integration is not limited to LSI, but may be realized by a dedicated circuit or a general-purpose processor. It is also possible to use a field programmable gate array (FPGA) that can be programmed after LSI manufacturing, or a reconfigurable processor that can reconfigure the connections and settings of circuit cells inside the LSI.
また、上記各実施形態の各機能ブロックの処理の一部または全部は、プログラムにより実現されるものであってもよい。そして、上記各実施形態の各機能ブロックの処理の一部または全部は、コンピュータにおいて、中央演算装置(CPU)により行われる。また、それぞれの処理を行うためのプログラムは、ハードディスク、ROMなどの記憶装置に格納されており、ROMにおいて、あるいはRAMに読み出されて実行される。 In addition, some or all of the processing of each functional block in each of the above embodiments may be realized by a program. And some or all of the processing of each functional block in each of the above embodiments is performed by a central processing unit (CPU) in a computer. Also, the programs for performing each process are stored in a storage device such as a hard disk or ROM, and are read out and executed in the ROM or RAM.
また、上記実施形態の各処理をハードウェアにより実現してもよいし、ソフトウェア(OS(オペレーティングシステム)、ミドルウェア、あるいは、所定のライブラリとともに実現される場合を含む。)により実現してもよい。さらに、ソフトウェアおよびハードウェアの混在処理により実現しても良い。 The processes in the above embodiments may be implemented by hardware or software (including cases where they are implemented together with an operating system (OS), middleware, or a specified library). Furthermore, they may be implemented by a combination of software and hardware.
また、例えば、上記実施形態(変形例を含む)の各機能部を、ソフトウェアにより実現する場合、図14に示したハードウェア構成(例えば、CPU、ROM、RAM、入力部、出力部等をバスBusにより接続したハードウェア構成)を用いて、各機能部をソフトウェア処理により実現するようにしてもよい。 For example, when each functional unit of the above embodiment (including the modified example) is realized by software, each functional unit may be realized by software processing using the hardware configuration shown in FIG. 14 (for example, a hardware configuration in which a CPU, ROM, RAM, input unit, output unit, etc. are connected by a bus).
また、上記実施形態(変形例)の各機能部をソフトウェアにより実現する場合、当該ソフトウェアは、図14に示したハードウェア構成を有する単独のコンピュータを用いて実現されるものであってもよいし、複数のコンピュータを用いて分散処理により実現されるものであってもよい。 In addition, when each functional unit of the above embodiment (variation example) is realized by software, the software may be realized by using a single computer having the hardware configuration shown in FIG. 14, or may be realized by distributed processing using multiple computers.
また、上記実施形態における処理方法の実行順序は、必ずしも、上記実施形態の記載に制限されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で、実行順序を入れ替えることができるものである。 In addition, the execution order of the processing methods in the above embodiment is not necessarily limited to that described in the above embodiment, and the execution order can be changed without departing from the spirit of the invention.
前述した方法をコンピュータに実行させるコンピュータプログラム及びそのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、本発明の範囲に含まれる。ここで、コンピュータ読み取り可能な記録媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、CD-ROM、MO、DVD、DVD-ROM、DVD-RAM、大容量DVD、次世代DVD、半導体メモリを挙げることができる。 The scope of the present invention includes a computer program that causes a computer to execute the above-mentioned method and a computer-readable recording medium on which the program is recorded. Here, examples of computer-readable recording media include flexible disks, hard disks, CD-ROMs, MOs, DVDs, DVD-ROMs, DVD-RAMs, large-capacity DVDs, next-generation DVDs, and semiconductor memories.
上記コンピュータプログラムは、上記記録媒体に記録されたものに限られず、電気通信回線、無線又は有線通信回線、インターネットを代表とするネットワーク等を経由して伝送されるものであってもよい。 The computer program is not limited to one recorded on the recording medium, but may be one transmitted via a telecommunications line, a wireless or wired communication line, a network such as the Internet, etc.
また、上記実施形態(変形例を含む)において、「同じ」は、概ね同じであることを含む概念である。「同時」は、概ね同時であることを含む概念である。「一致」は、概ね一致していることを含む概念である。 In addition, in the above embodiment (including the modified examples), "same" is a concept that includes being roughly the same. "Simultaneous" is a concept that includes being roughly the same. "Matched" is a concept that includes being roughly the same.
なお、本発明の具体的な構成は、前述の実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更および修正が可能である。 The specific configuration of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various changes and modifications are possible without departing from the spirit of the invention.
100、100A、100B 信号種別分類システム
S1_1~S1_N、S1A_1~S1A_N 無線通信機
H1 ホスト装置
1000 データ収集システム
Svr1、Svr2 サーバ
100, 100A, 100B Signal type classification systems S1_1 to S1_N, S1A_1 to S1A_N Wireless communication device
Claims (8)
前記電波波形データの時間領域または周波数領域の特徴を示すデータであって、前記電波波形データよりもデータ量が少ないデータである特徴量データを取得する特徴量取得処理ステップと、
前記特徴量データをクラスタに分類するクラスタリング処理ステップと、
前記クラスタリング処理により分類された前記特徴量データにラベルを付与することで、前記特徴量データと前記ラベルとを対応付けたデータを学習用データとして取得する学習用データ取得ステップと、
前記クラスタリング処理における分類数の最適数を取得する最適クラスタ数取得ステップと、
を備え、
前記最適クラスタ数取得ステップは、
クラスタ数を変化させながら、クラスタリング処理の初期設定を変更してもクラスタの分類状況が変化しないクラスタ数を検出し、検出したクラスタ数に基づいて、前記分類数の最適数を取得する、
信号種別分類処理のための学習用データ生成方法。 a radio wave waveform acquisition processing step for acquiring radio wave waveform data of radio waves received by an antenna;
a feature acquisition processing step of acquiring feature data which indicates a feature in a time domain or a frequency domain of the radio wave waveform data and is smaller in amount than the radio wave waveform data;
a clustering process step of classifying the feature amount data into clusters;
a learning data acquisition step of acquiring data in which the feature amount data and the labels are associated with each other as learning data by assigning labels to the feature amount data classified by the clustering process;
an optimal cluster number acquisition step for acquiring an optimal number of classifications in the clustering process;
Equipped with
The optimal cluster number acquisition step includes:
While changing the number of clusters, a number of clusters is detected that does not change the classification state of the clusters even if the initial setting of the clustering process is changed, and an optimal number of classifications is obtained based on the detected number of clusters.
A method for generating learning data for signal type classification processing.
請求項1に記載の学習用データ生成方法。 The feature data is data extracted from a cepstrum.
The learning data generating method according to claim 1 .
請求項1に記載の学習用データ生成方法。 The feature data is data obtained by extracting or processing low-order components of a cepstrum.
The learning data generating method according to claim 1 .
無線通信機と、
ホスト装置と、
を備え、
前記無線通信機は、
アンテナにより受信した電波の電波波形データを取得する電波波形取得処理ステップと、
前記電波波形データの時間領域または周波数領域の特徴を示すデータであって、前記電波波形データよりもデータ量が少ないデータである特徴量データを取得する特徴量取得処理ステップと、
前記特徴量データをホスト装置に送信する送信ステップと、
を実行し、
前記ホスト装置は、
前記無線通信機から送信される前記特徴量データを受信する受信ステップと、
前記無線通信機により取得された前記特徴量データを、前記信号種別分類器の学習済みモデルに入力することで、前記特徴量データのラベルを取得するラベル取得ステップと、
を実行する、
信号種別分類システム。 A signal type classification system that performs a signal type classification process using a trained model of a signal type classifier acquired by performing a learning process using training data generated by the training data generation method according to any one of claims 1 to 3 ,
A wireless communication device;
A host device;
Equipped with
The wireless communication device includes:
a radio wave waveform acquisition processing step for acquiring radio wave waveform data of radio waves received by an antenna;
a feature acquisition processing step of acquiring feature data which indicates a feature in a time domain or a frequency domain of the radio wave waveform data and is smaller in amount than the radio wave waveform data;
a transmitting step of transmitting the feature amount data to a host device;
Run
The host device is
a receiving step of receiving the feature data transmitted from the wireless communication device;
a label acquisition step of acquiring a label of the feature data by inputting the feature data acquired by the wireless communication device into a trained model of the signal type classifier;
Execute
Signal type classification system.
請求項4に記載の信号種別分類システム。 The feature data is data extracted from a cepstrum.
5. The signal type classification system according to claim 4 .
請求項4に記載の信号種別分類システム。 The feature data is data obtained by extracting or processing low-order components of a cepstrum.
5. The signal type classification system according to claim 4 .
前記N個の信号種別分類システムにより取得されたデータであって、特徴量データとラベルとを対応付けたデータである信号種別データを、前記N個の信号種別分類システムから収集するサーバと、
を備えるデータ収集システム。 N signal type classification systems according to any one of claims 4 to 6 (N: natural number);
A server that collects signal type data from the N signal type classification systems, the signal type data being data obtained by the N signal type classification systems and including feature amount data associated with a label;
A data collection system comprising:
A program for causing a computer to execute the learning data generating method according to any one of claims 1 to 3 .
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