Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4454
Main Title: Performance limits and distributed optimization in wireless interference and multicast networks
Translated Title: Performanzgrenzen und verteilte Optimierung in drahtlosen Interferenz- und Multicastnetzen
Author(s): Kaliszan, Michał
Advisor(s): Stanczak, Slawomir
Referee(s): Caire, Giuseppe
Bambos, Nicholas
Stanczak, Slawomir
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die Broadcast-Eigenschaft des Übertragungskanals führt im Kontext der Mehrnutzer-Funkkommunikation zu den wichtigen Modellen die als Interferenz- und Multicast-Netzwerke bekannt sind. Anhand dieser lässt sich die Performanz eines jeden Nutzers durch das am Empfänger gemessene Signal-zu-Interferenz Verhältnis (SIR) ausdrücken, oder aber durch allgemeinere Quality-of-Service (QoS) Maße. Angewendet auf einige konkrete Szenarien, untersuchen wir in dieser Arbeit welche Performanzsteigerungen sich durch eine angemessene Ressourcenallokation (z. B. Sendeleistungskontrolle, Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Signalverarbeitung) erzielen lassen. Ein besonderes Augenmerk wird dabei auf die verteilte Implementierung der resultierenden Optimierungs-Strategien gelegt. Im ersten Teil der Arbeit betrachten wir das sogenannte max-min SIR-balancing Problem in linearen Interferenznetzen unter der Annahme, dass die Wahl der Sendeleistungsvektoren auf ein beliebiges aber konvexes Polytop beschränkt ist. Die Allgemeinheit dieser Modellierung erlaubt uns die einheitliche Behandlung von sowohl individuellen, als auch Summenleistungsbeschränkungen. Mit Hilfe der Theorie der nichtnegativen Matrizen sind wir dann in der Lage den optimalen Leistungsvektor als Lösung eines Eigenwertproblems zu charakterisieren, dessen Dimension exakt der Dimension des ursprünglichen Problems ohne Leistungsbeschränkungen entspricht. Zudem erlaubt uns dieses Resultat die erreichbaren SIR- und QoS-Regionen zu bestimmen. Darüber hinaus wird für eine Klasse von Nutzenfunktionen für die die Inverse log-konvex ist, die resultierende strenge Konvexität der QoS-Region ausgenutzt um eine Verbindung zwischen dem max-min SIR-balancing Problem und der nutzenbasierten Leistungskontrolle herzustellen. Ohne explizit die Differenzierbarkeit der Nutzenfunktionen zu fordern, können wir so dann vollständig die Gewichtsvektoren charakterisieren, für die die Lösung des korrespondierenden Problems der Maximierung der gewichteten Summe von Nutzenfunktionen der Lösung des max-min SIR-balancing Problems entspricht. Dieses Resultat bildet in Verbindung mit der Sattelpunktcharakterisierung einer Klasse von irreduziblen Matrizen die Basis für die Entwicklung eines verteilten Algorithmus zur Leistungskontrolle, der zu den optimalen Leistungs- und Gewichtsvektoren konvergiert. Der zweite Teil der Arbeit erweitert die bisherigen Betrachtungen zum linearen Interferenznetzwerk auf den Fall, dass die einzelnen Verbindungen langsamem Rayleigh-Kanalschwund unterliegen. Mit dem Ziel die Erreichbarkeit gegebener QoS-Anforderungen zu bestimmen, führen wir den Begriff der Netzausfallwahrscheinlichkeit ein und spezifizieren die Menge der QoS-Anforderungen, die mit einer Netzausfallwahrscheinlichkeit unterhalb einer festgelegten Schwelle erreichbar sind. Dabei besteht das Problem im Wesentlichen in der Berechnung der Wahrscheinlichkeit, dass der spektrale Radius einer gewissen nichtnegativen Zufallsmatrix eins nicht überschreitet. Durch die Analyse einer Reihe von Schranken für den spektralen Radius, sind wir dann in der Lage notwendige und hinreichende Bedingungen für die Erreichbarkeit anzugeben. Die Resultate erlauben uns zudem Schlussfolgerungen hinsichtlich der Skalierung der Ressourcen mit der Anzahl der Nutzer, so dass die QoS pro Nutzer konstant bleibt. Der dritte Teil der Arbeit widmet sich dem Problem der Zugangskontrolle in Interferenznetzen, welches entsteht sobald neue Nutzer versuchen auf ein bereits bestehendes Netz aus aktiven Verbindungen zuzugreifen. In diesem Zusammenhang untersuchen wir einen verteilten Algorithmus zur Zugangskontrolle, in dem die Nutzer ihre Sendeleistungen entsprechend ihrer SIRs iterativ anpassen. Mittels des Frameworks der Standardinterferenzfunktionen, werden die Schlüsseleigenschaften des Algorithmus nachgewiesen, was gleichzeitig eine Verallgemeinerung des Falles der linearen Interferenz bedeutet. Auf Grund dieser Tatsache ist der Algorithmus für eine große Klasse von Systemen geeignet, wie etwa MIMO-Netzwerke mit optimalen linearen Empfängern oder imperfekter Kanalkenntnis. Darüber hinaus zeigen wir, dass der Schutz von bereits aktiven Nutzern während der Zugriffsphase neuer Nutzer auch dann gewährleistet werden kann, wenn die einzelnen Verbindungen individuellen Leistungsbeschränkungen unterliegen. Um für die entsprechende Zugangskontrolle in MIMO-Interferenznetzwerken auch die Optimierung der Sendefilter mit einzubeziehen, schlagen wir eine iterative "forward-backward" Optimierung der Sende- und Empfangssignalverarbeitung vor und bewerten deren Leistungsfähigkeit. Im letzten Teil der Arbeit untersuchen wir MIMO-Multicast-Netzwerke, wobei der Fokus auf die sendeseitige Optimierung gerichtet ist. Auf Grund der Analogie zu linearen Interferenznetzwerken, schlagen wir für ein Szenario bestehend aus mehreren Multicast-Gruppen ein Verfahren zur nutzenbasierten Optimierung vor. Anschließend betrachten wir Verfahren des opportunistischen Multicast in Verbindung mit einer äußeren Kodierung, da diese Kombination einen effizienten Ansatz bildet um für den Fall einer anwachsenden Nutzerzahl eine pro Nutzer asymptotisch konstante Performanz zu gewährleisten. Die Optimalität der entsprechenden Sendestrategien wird analysiert, was unter der Annahme der Symmetrie zwischen Nutzern zu einem neuartigen Beamforming-Problem führt, das lediglich von der aktuellen Realisierung des Kanals abhängt. Der Algorithmus, der zur näherungsweisen Lösung des Problems vorgeschlagen wird, demonstriert, dass die Verwendung einer äußeren Kodierung zu nennenswerten Verbesserungen der Rate führen kann.
In multi-user wireless communication, the broadcast property of the channel leads to important models of interference and multicast networks. The performance of each user can be then expressed in terms of the signal-to-interference ratio (SIR) at the receiver, or more generally, using Quality-of-Service (QoS) measures. In this thesis, for a number of specific scenarios, we study the performance achievable by appropriate resource allocation techniques, including transmit power control and Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO) processing. Furthermore, we put emphasis on distributed implementation of the resulting optimization schemes. In the first part of the thesis, we consider the max-min SIR-balancing problem in linear interference networks, under the assumption that the transmit power vector is constrained to belong to an arbitrary convex polytope. This modeling is general enough to encompass individual and sum power constraints as special cases. By using tools from the theory of non-negative matrices, we characterize the optimal power vector as a solution to an eigenvalue problem of the same dimension as the original problem (without power constraints). This also allows for determining the feasible SIR and QoS regions. Furthermore, for a class of utility functions for which the inverse functions are log-convex, the resulting strict convexity of the QoS region is used to establish the connection between the max-min SIR-balancing problem and the utility-based power control. Without requiring differentiability of the utility functions, we provide a complete characterization of the weight vectors for which solving the corresponding weighted sum utility maximization problem results in a max-min SIR-balancing power allocation. This result, together with a saddle-point characterization of a class of irreducible matrices, is the basis for designing a distributed power control algorithm converging to both optimal power and weight vectors. By continuing the study of the linear interference network, we consider the case of slow Rayleigh fading on the links. Aiming to determine the feasibility of the given QoS targets, we introduce the notion of network outage probability, and define the QoS targets to be feasible if this outage probability is below some predefined level. The essential problem amounts to computing the probability that the spectral radius of a certain non-negative random matrix does not exceed one. Then, by analyzing a number of bounds on the spectral radius, sufficient and necessary conditions for feasibility are provided. The results allow us also to conclude how the available resources should scale with the number of users, if a constant QoS performance per user is required. The admission control problem in interference networks arises when new users attempt to join a set of already operating links. We analyze a distributed admission scheme in which all users iteratively update their transmit powers based on their receive SIRs. The key properties of the algorithm are proven under the axiomatic framework of standard interference functions, which extends the linear interference case. This makes the scheme applicable in a broad class of systems, including MIMO networks under optimal linear reception or imperfect channel knowledge. Furthermore, we show that the protection of already active users during the transient admission phase can also be maintained in the case of individual power constraints on the links. In order to incorporate the optimization of transmit beamformers of a MIMO interference network into the admission control algorithm, we propose and evaluate an iterative "forward-backward" transceiver optimization scheme. In the final part of the thesis, we analyze the MIMO multicast networks and focus on the transmitter-side optimization. By drawing analogies to the linear interference network, we propose a utility-based optimization scheme for the scenario of multiple multicast groups. Subsequently, we consider opportunistic multicast schemes with additional outer coding as an efficient approach to maintaining an asymptotically constant performance per user as the number of users is growing. The optimality of transmission strategies is analyzed which, under a symmetry assumption among the users, results in a novel beamforming problem depending only on the current channel realization. The proposed algorithms for approximately solving the problem demonstrate that using outer coding, significant rate improvements in multicast networks can be achieved.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-66136
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4751
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4454
Exam Date: 15-Dec-2014
Issue Date: 3-Jun-2015
Date Available: 3-Jun-2015
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Erreichbare QoS-Region
Sendeleistungs- und Kanalzugriffskontrolle
verteilte Algorithmen
Feasible QoS region
power and admission control
distributed algorithms
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/
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