University of Oulu

Resource management in large-scale wireless networks via random matrix methods

Saved in:
Author: Asgharimoghaddam, Hossein1,2,3
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering, Communications Engineering, CWC - Radio Technologies (CWC-RT)
3Centre for Wireless Communications
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 5.1 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526228785
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2021
Publish Date: 2021-05-28
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Information Technology and Electrical Engineering of the University of Oulu for public defence in the OP auditorium (L10), Linnanmaa, on 4 June 2021, at 12 noon
Tutor: Associate Professor Antti Tölli
Reviewer: Professor Ralf Müller
Professor Erik Larsson
Opponent: Professor Jyri Hämäläinen
Description:

Abstract

Random matrix (RM) methods are exploited to develop radio resource management techniques for future wireless networks wherein the dimensions of the system, including bandwidth, the number of nodes and antennas, are expected to be large. RM methods provide deterministic approximations of network performance, which become arbitrarily tight as the dimensions increase in size. The focus areas of this thesis include non-orthogonal multiple access (NOMA); coordinated multi-point (CoMP); and two-stage beamforming (TSB), which combines large-dimensional statistical pre/postprocessing with lower dimensional digital processing.

A multi-carrier NOMA system based on low density spreading (LDS) in the frequency dimension is considered. The allocation of resources, solely based on statistical channel-state-information (CSI), is studied to maximize the ergodic sum-rate subject to constraints on the sparsity of the LDS-codes. While the optimum is attainable only via exhaustive search, a low complexity method with minimal coordination overhead is proposed that yield close-to-optimum resource allocation solutions.

Minimum power beamforming with user-specific rate constraints is considered in a downlink CoMP network. Deterministic expressions in terms of statistical CSI are derived for user-specific inter-cell interference (ICI) strength. Relying on the deterministic ICI terms as coordination messages, low-complexity distributed coordination algorithms, suitable for dense networks with limited backhaul, are proposed. The algorithms decouple the sub-problems at base stations (BSs) as long as the CSI statistics remain unchanged.

The maximization of minimum signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) is considered in a dense CoMP network with random topology. Deterministic approximations are derived for the optimal SINR assignment in terms of system parameters such as cell radius, load, and power-budgets at BSs. The results enable the assessment of network performance based on given system parameters.

Finally, complexity reduction of the optimal linear receiver via TSB is considered in the uplink of a cellular system. A novel TSB method is proposed that adjusts the structure and dimension of outer-beamforming matrices based on CSI statistics and the amount of overlap among users in the angular domain. The proposed method yields close-to-optimum SINRs while the computational burden of obtaining the beamformers is greatly reduced.

see all

Tiivistelmä

Satunnaismatriiseja (RM) käyttäviä menetelmiä hyödynnetään kehitettäessä radioresurssien hallintatekniikoita tuleville langattomille verkoille, joissa järjestelmän mittojen, kuten kaistanleveyden sekä verkkoelementtien ja antennien määrän, odotetaan olevan suuria. RM-menetelmät tarjoavat deterministisiä arvioita verkon suorituskyvystä, jotka tarkentuvat järjestelmän ulottuvuuksien kasvaessa suuriksi. Erityistä huomiota kiinnitetään seuraaviin: ei-ortogonaaliseen monipääsytekniikkaan (NOMA); koordinoituihin monipistelähetyksiin (CoMP); ja kaksivaiheiseen keilanmuodostukseen (TSB), jossa yhdistyvät suuriulotteinen tilastollinen esi-/jälkikäsittely ja alemman ulottuvuuden digitaalinen käsittely.

Aluksi tarkastellaan monen kantoaallon NOMA-järjestelmä, joka perustuu matalatiheyksiseen hajautukseen taajuustasossa (LDS). Resurssien allokointia, joka perustuu yksinomaan tilastolliseen kanavatilatietoon (CSI), tutkitaan ergodisen kokonaistiedonsiirtonopeuden maksimoimiseksi ottaen huomioon LDS-koodien tiheysrajoitukset. Koska optimaalinen ratkaisu on saavutettavissa vain täydellisen haun avulla, tässä työssä ehdotetaan matalan monimutkaisuuden menetelmää, joka vaatii minimaalista koordinointia ja joka tuottaa lähes-optimaalisia resurssien allokointiratkaisuja.

Seuraavaksi kehitetään lähetystehon minimoivia keilanmuodostusmenetelmiä laskevan siirtotien CoMP-verkossa ottaen huomioon käyttäjäkohtaiset vähimmäistiedonsiirtovaatimukset. Työssä johdetaan tilastolliseen kanavatietoon pohjautuvia deterministisiä matemaattisia lausekkeita käyttäjäkohtaisille solujen välistä häiriötä kuvaaville (ICI) termeille. Determinististen ICI-termien käyttö koordinointisanomina mahdollistaa matalan monimutkaisuuden hajautetun toteutuksen tiheissä verkoissa, joiden runkoliityntäyhteys on rajallinen.

Signaali-häiriö-plus-kohinasuhteen (SINR) maksimointia tarkastellaan tiheässä satunnaistopologiaan perustuvassa CoMP-verkossa. Deterministisiä lausekkeita johdetaan optimaalisille SINR-arvoille järjestelmäparametrien, kuten solusäteen, kuorman ja tehobudjettien funktiona. Tulokset mahdollistavat verkon suorituskyvyn arvioinnin annettujen järjestelmäparametrien perusteella.

Lopuksi tarkastellaan optimaalisen lineaarisen vastaanottimen monimutkaisuuden vähentämistä hyödyntäen kaksivaiheista keilanmuodostusta nousevan siirtotien solukkoverkkojärjestelmässä. Työssä ehdotetaan uutta TSB-menetelmää, jolla säädellään ulompien keilanmuodostusmatriisien rakennetta ja dimensioita perustuen tilastolliseen kanavatietoon ja käyttäjien päällekkäisyyksiin kulmatasossa. Ehdotettu menetelmä tuottaa lähellä optimaalisia SINR-arvoja, samalla kun keilanmuodostuksen laskennallinen rasite vähenee huomattavasti.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-2878-5
ISBN Print: 978-952-62-2877-8
Issue: 781
Type of Publication: G4 Doctoral dissertation (monograph)
Field of Science: 213 Electronic, automation and communications engineering, electronics
Subjects:
Funding: I have had the great privilege to work in many CWC projects including LOCON, CRUCIAL, and 5Gto10G. These projects were funded by Finnish Funding Agency for Technology and Innovation, Nokia Networks, Elektrobit, and many other industrial partners. I also received personal funding from the Infotech Oulu Doctoral Program and a personal grant from the Riitta and Jorma J. Takanen Foundation. Furthermore, this thesis has been financially supported by the Academy of Finland 6Genesis Flagship (grant 318927). I would like to acknowledge all of these financial supporters.
Academy of Finland Grant Number: 318927
Detailed Information: 318927 (Academy of Finland Funding decision)
Copyright information: © University of Oulu, 2021. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.