Resource management in large-scale wireless networks via random matrix methods
Asgharimoghaddam, Hossein (2021-05-28)
https://urn.fi/URN:ISBN:9789526228785
Kuvaus
Tiivistelmä
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.
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.
Kokoelmat
- Avoin saatavuus [32008]