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Title in Portuguese: Decentralized algorithms for multicell multiuser MIMO wireless mobile networks
Author: Ardah, Khaled Nafez Rauf
Advisor(s): Cavalcanti, Francisco Rodrigo Porto
Co-advisor(s): Silva, Yuri Carvalho Barbosa
Keywords: Teleinformática
Programação linear
Sistemas de transmissão de dados - Potencialidade
Integer linear programming
Coordinated beamforming
Sum rate maximization
Issue Date: 9-Mar-2018
Citation: ARDAH, Khaled Nafez Rauf. Decentralized algorithms for multicell multiuser MIMO wireless mobile networks. 2018. 104 f. Tese (Doutorado em Engenharia de Teleinformática)-Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2018.
Abstract in Portuguese: Esta tese considera uma rede sem fio multicomponente multimídia MIMO e propõe algoritmos novos e descentralizados para resolver os seguintes problemas de pesquisa. Problema 1: como projetar os vetores de transmissão de feixe de transmissão que maximizam a taxa de soma ponderada do sistema (WSR), ao mesmo tempo em que satisfazem as restrições de energia nos transmissores, Problema 2: como projetar vetores robustos de transmissão de feixe de transmissão que minimizem a soma de potência de transmissão, satisfazendo Alvos de qualidade de serviço (QoS) dos usuários na presença de erros de canais e Problema 3: como selecionar de forma adaptável as direções de comunicação das células que maximizem o throughput dos usuários, considerando conjuntamente as condições de tráfego e os níveis de interferência. Em particular, são propostos três algoritmos diferentes e novos para resolver o Problema 1, que se baseiam na técnica de otimização alternada e garantidos para convergir para um ótimo local de WSR. Para facilitar a implementação dos algoritmos, um novo esquema de sinalização de OTA (over-the-air) é então proposto com base no modo de duplicação de divisão de tempo (TDD). Além disso, é proposto um novo algoritmo distribuído e robusto de formação de feixe coordenado (CBF) com base nas técnicas de programação semideterminada relaxada (SDP) e alternância de direção de multiplicadores (ADMM) para resolver o Problema 2, onde a forma de feixe robusta é abordada usando o pior caso criação de otimização. Além disso, propõe-se uma nova técnica de reconfiguração de células que maximiza o débito dos usuários, considerando conjuntamente tanto as condições de tráfego de IV como os níveis de interferência. As avaliações de algoritmos são realizadas usando simulador de computador, a partir do qual a eficácia dos algoritmos propostos é evidenciada, em comparação com os algoritmos de referência, em termos de eficiência espectral, eficiência de energia, taxa de convergência, sobrecarga de sinalização e complexidade. Os algoritmos propostos são descentralizados no sentido de que cada transmissor pode agir de forma independente, assim que tiver a informação necessária, o que torna os algoritmos propostos nesta tese especialmente adequados para redes sem fio atuais e futuras.
Abstract: Small cells deployment is one of key technologies that is introduced to improve cellular communication systems’ performance, since it provides a low-cost approach to reuse system resources. However, densifying cellular systems with small cells increases the inter-cell interference (ICI), which would degrade the system performance if not properly managed. Also, small cells are expected to have a burst-like traffic with strong fluctuation between uplink and downlink traffics, since the number of users served by small cells are expected to vary strongly with time and between adjacent cells. Complementing small cells with multiple-input multiple-output (MIMO) and dynamic TDD (DTDD) technologies can be seen as a key solution to cope with ICI effects and traffic fluctuations. While MIMO technology has great potential to achieve higher throughput, improve system capacity, and enhance spectral efficiency by serving multiple users and spatially eliminate/manage interference, DTDD technology allows each cell to adaptively reconfigure its communication direction based on the prevailing traffic demands and interference levels. This thesis considers a multicell multiuser MIMO wireless network and proposes novel and decentralized algorithms for solving the following research problems. Problem 1: how to design the transmit beamforming vectors that maximize the system weighted sum-rate (WSR), while satisfying the power constraints at transmitters, Problem 2: how to design a robust transmit beamforming vectors that minimize the sum transmit power, while satisfying the users’ qualityof-service (QoS) targets in the presence of channel errors, and Problem 3: how to adaptively select the cells communication directions that maximize the users’ throughput, while jointly considering their traffic conditions and interference levels. In particular, three different and novel algorithms are proposed for solving Problem 1, which are based on the alternating optimization technique and guaranteed to converge to a local WSR-optimum. Further, a novel distributed and robust coordinated beamforming (CBF) algorithm based on alternating direction method of multipliers (ADMM) technique is proposed for solving Problem 2, where the robust beamforming is tackled using a worst-case optimization criterion. For Problem 3, a novel cell reconfiguration technique is proposed that maximizes the users’ throughput, while jointly considering both the prevailing traffic conditions and interference levels. Algorithms evaluations are carried out using computer simulation, from which the effectiveness of the proposed algorithms is evidenced, as compared to reference algorithms, in terms of spectral-efficiency, power-efficiency, convergence rate, signaling overhead, and complexity. The proposed algorithms are decentralized in the sense that each transmitter can act independently, as soon as it has the required information, which makes the proposed algorithms in this thesis especially suitable for current and future wireless networks.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/30671
metadata.dc.type: Tese
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