Decentralized strategies for beamforming optimization in wireles mobile networks

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Cavalcante, Eduardo de Olivindo
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Tese
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC)
Texto Completo: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/74222
Resumo: CAVALCANTE, Eduardo de Olivindo. DECENTRALIZED STRATEGIES FOR BEAMFORMING OPTIMIZATION IN WIRELESS MOBILE NETWORKS. 2023. 115 f. Tese (Doutorado em Engenharia de Teleinformática) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2023.
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Among strategies to enhance network efficiency, we highlight beamforming, which aims to focus a signal beam in a specific direction while avoiding others, and user scheduling, which optimizes the selection of users to transmit using a given resource. Network-wide efficient algorithms must consider cooperative optimization in order to coordinate network entities into a common global objective. Due to the distributed nature of networked systems, centralized coordination is in many cases not suitable, and decentralized solutions are desired. Based on that, the main objective of this thesis is to design decentralized strategies for optimizing beamforming and user scheduling in scenarios of next-generation mobile systems. We divide this thesis contents into two independent parts: In the first, we focus on a multi-cell, multiuser, multi-stream, multiple-input multiple-output (MIMO), dynamic time division duplexing (TDD) scenario, where we consider bidirectional beamforming optimization with the objective of minimizing network sum-power expenditure with per-stream signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) constraints. A first approach to solve this problem assumes centralized processing and requires the availability of global channel state information (CSI). A second approach is performed in an iterative decentralized manner, based on the alternating direction method of multipliers (ADMM), which requires local CSI and has a reduced signaling load. Both approaches converge to a minimum network power expenditure, while close-to-optimum performance can be obtained when limiting the number of iterations. In the second part, we focus on the downlink (DL) of a multi-cell, multi-user multiple-input single-output (MISO) network in the presence of CSI errors, where we consider the development of two distributed-execution user scheduling schemes based on multi-agent deep Q-learning (DQL) to solve the beamforming problem of sum-rate maximization with per base station (BS) power constraints. Simulation results show that in the presence of CSI errors the proposed schemes outperform state-of-the-art algorithms both in terms of average spectral efficiency and execution time.O sempre-crescente aumento em demanda de redes móveis sem fio impulsiona a evolução e molda futuras tecnologias de comunicação. As próximas gerações de rede devem lidar com requisitos cada vez mais rigorosos em relação ao número de dispositivos conectados, taxa de transferência de dados, latência e confiabilidade. Dentre as estratégias para aumentar a eficiência da rede, destacamos a formatação de feixes, que visa focar um feixe de sinal em uma direção específica evitando outras, e o escalonamento de usuários, que otimiza a seleção de usuários a transmitir utilizando um determinado recurso. Algoritmos eficientes ao ponto de vista da rede devem considerar otimização cooperativa de forma a coordenar as entidades da rede em direção a um objetivo global comum. Devido à natureza distribuída dos sistemas em rede, uma coordenação centralizada em muitos casos não é adequada e soluções descentralizadas são desejadas. Com base nisso, o principal objetivo desta tese é projetar estratégias descentralizadas para otimizar a formatação de feixes e o escalonamento de usuários em cenários de sistemas móveis de próximas gerações. Dividimos o conteúdo desta tese em duas partes independentes: Na primeira, focamos em um cenário multi-célula, multi-usuário, multi-fluxo, MIMO (do inglês, multiple-input multiple-output) com duplexação por divisão de tempo (TDD) dinâmica, onde consideramos a otimização da formatação de feixes bidirecional com o objetivo de minimizar a soma do consumo de energia da rede com restrições de relação sinal-interferência mais ruído (SINR) por fluxo. Uma primeira abordagem para solução deste problem assume processamento centralizado e requer a disponibilidade de informação de estado de canal (CSI) global. Uma segunda abordagem é realizada de forma descentralizada, baseada em ADMM (do inglês, alternating direction method of multipliers) e requer CSI local e uma carga de sinalização reduzida. Ambas as abordagens convergem para um gasto mínimo de energia da rede, enquanto um desempenho próximo ao ideal pode ser obtido ao limitar o número de iterações. Na segunda parte, focamos no enlace direto (DL) de uma rede multi-célula, multi-usuário, MISO (do inglês, multiple-input single-output) na presença de erros de CSI, onde consideramos o desenvolvimento de dois esquemas de escalonamento de usuários com execução distribuída baseados em DQL (do inglês, deep Q-learning) multi-agente para resolver o problema de formatação de feixes com intuito de maximizar a soma das taxas com restrições de potência por base. Os resultados das simulações mostram que na presença de erros de CSI os esquemas propostos superam os algoritmos de última geração tanto em termos de eficiência espectral média, quanto de tempo de execução.Este documento está disponível online com base na Portaria nº 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas.Silva, Yuri Carvalho BarbosaCavalcante, Eduardo de Olivindo2023-09-06T13:49:47Z2023-09-06T13:49:47Z2023info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfCAVALCANTE, Eduardo de Olivindo. Decentralized strategies for beamforming optimization in wireles mobile networks. 2023. 115 f. 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