Convex optimization based resource allocation in multi-antenna systems

Abstract The use of multiple antennas is a fundamental requirement in future wireless networks as it helps to increase the reliability and spectral efficiency of mobile radio links. In this thesis, we study convex optimization based radio resource allocation methods for the downlink of multi-antenna systems. First, the problem of admission control in the downlink of a multicell multiple-input single-output (MISO) system has been considered. The objective is to maximize the number of admitted users subject to a signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) constraint at each admitted user and a transmit power constraint at each base station (BS). We have cast the admission control problem as an ℓ0 minimization problem; it is known to be combinatorial, NP-hard. Centralized and distributed algorithms to solve this problem have been proposed. To develop the centralized algorithm, we have used sequential convex programming (SCP). The distributed algorithm has been derived by using the consensus-based alternating direction method of multipliers in conjunction with SCP. We have shown numerically that the proposed admission control algorithms achieve a near-to-optimal performance. Next, we have extended the admission control problem to provide fairness, where long-term fairness among the users has been guaranteed. We have focused on proportional and max-min fairness, and proposed dynamic control algorithms via Lyapunov optimization. Results show that these proposed algorithms guarantee fairness. Then, the problem of admission control for the downlink of a MISO heterogeneous networks (hetnet) has been considered, and the proposed centralized and distributed algorithms have been adapted to find a solution. Numerically, we have illustrated that the centralized algorithm achieves a near-to-optimal performance, and the distributed algorithm’s performance is closer to the optimal value. Finally, an algorithm to obtain the set of all achievable power-rate tuples for a multiple-input multiple-output hetnet has been provided. The setup consists of a single macrocell and a set of femtocells. The interference power to the macro users from the femto BSs has been kept below a threshold. To find the set of all achievable power-rate tuples, a two-dimensional vector optimization problem is formulated, where we have considered maximizing the sum-rate while minimizing the sum-power, subject to maximum power and interference threshold constraints. This problem is known to be NP-hard. A solution method is provided by using the relationship between the weighted sum-rate maximization and weighted-sum-mean-squared-error minimization problems. The proposed algorithm was used to evaluate the impact of imposing interference threshold constraints and the co-channel deployments in a hetnet.Tiivistelmä Monen antennin käyttö on perusvaatimus tulevissa langattomissa verkoissa, koska se auttaa lisäämään matkaviestinyhteyksien luotettavuutta ja spektritehokkuutta. Tässä väitöskirjassa tutkitaan konveksiin optimointiin perustuvia radioresurssien allokointimenetelmiä moniantennijärjestelmien alalinkin suunnassa. Ensiksi on käsitelty pääsynvalvonnan ongelmaa alalinkin suuntaan monen solun moni-tulo yksi-lähtö (MISO) -verkoissa. Tavoitteena on maksimoida hyväksyttyjen käyttäjien määrä, kun hyväksytyille käyttäjille on asetettu signaali-häiriö-kohinasuhteen (SINR) rajoitus, ja tukiasemille lähetystehon rajoitus. Pääsynvalvonnan ongelma on muotoiltu ℓ0-minimointiongelmana, jonka tiedetään olevan kombinatorinen, NP-vaikea ongelma. Ongelman ratkaisemiseksi on ehdotettu keskitettyjä ja hajautettuja algoritmeja. Keskitetty optimointialgoritmi perustuu sekventiaaliseen konveksiin optimointiin. Hajautettu algoritmi pohjautuu konsensusoptimointimenetelmään ja sekventiaaliseen konveksiin optimointiin. Ehdotettujen pääsynvalvonta-algoritmien on numeerisesti osoitettu saavuttavan lähes optimaalinen suorituskyky. Lisäksi pääsynvalvontaongelma on laajennettu takaamaan pitkän aikavälin oikeudenmukaisuus käyttäjien välillä. Työssä käytetään erilaisia määritelmiä oikeudenmukaisuuden takaamiseen, ja ehdotetaan dynaamisia algoritmeja pohjautuen Lyapunov-optimointiin. Tulokset osoittavat, että ehdotetuilla algoritmeilla taataan käyttäjien välinen oikeudenmukaisuus. Tämän jälkeen käsitellään heterogeenisen langattoman MISO-verkon pääsynvalvonnan ongelmaa. Edellä ehdotettuja keskitettyjä ja hajautettuja algoritmeja on muokattu tämän ongelman ratkaisemiseksi. Työssä osoitetaan numeerisesti, että sekä keskitetyllä että hajautetulla algoritmilla saavutetaan lähes optimaalinen suorituskyky. Lopuksi on laadittu algoritmi, jolla löydetään kaikki saavutettavissa olevat teho-datanopeusparit heterogeenisessä langattomassa moni-tulo moni-lähtö (MIMO) -verkossa. Verkko koostuu yhdestä makrosolusta ja useasta piensolusta. Piensolutukiasemista makrokäyttäjiin kohdistuvan häiriön teho on pidetty tietyn rajan alapuolella. Kaikkien saavutettavien teho-datanopeusparien löytämiseksi on laadittu kaksiulotteinen vektorioptimointiongelma, jossa maksimoidaan summadatanopeus pyrkien minimoimaan kokonaisteho, kun enimmäisteholle ja häiriökynnykselle on asetettu rajoitukset. Tämän ongelman tiedetään olevan NP-vaikea. Ongelman ratkaisemiseksi käytetään painotetun summadatanopeuden maksimointiongelman, ja painotetun keskineliövirheen minimointiongelman välistä suhdetta. Ehdotettua algoritmia käytettiin arvioimaan häiriörajoitusten ja saman kanavan käyttöönoton vaikutusta heterogeenisessä langattomassa verkossa