基于BSUM的多天线系统非凸效用优化方法

It is well-known that spectral efficiency and energy efficiency are two important efficiency measures for multi-antenna systems. Extensive research indicates that, utility-based wireless resource allocation could leverage the performance of multi-antenna systems. However, with the development of many new type multi-antenna systems, such as cooperative communication system, full-duplex system, large-scale antenna system, millimeter wave system, etc., many spectral/energy efficiency optimization problems become extremely hard, and the classical nonlinear optimization method doesn't apply well to the multi-antenna system utility optimization problems due to the complicated problem structures. Based on a recently proposed nonconvex optimization method---BSUM, this project aims to propose a set of novel efficient nonconvex optimization methods with guaranteed convergence for two classes of multi-antenna system utility optimization problems, including throughput optimization under coupling constraints and energy efficiency optimization. It is envisioned that this project could lay a firm algorithmic foundation for the utility-based design of many typical multi-antenna systems, such as multi-antenna full-duplex system, multi-cell MIMO system, millimeter wave system, etc.

众所周知，频谱效率和能量效率是衡量多天线通信系统效率时经常使用的两种效用函数。已有研究表明，基于效用优化的无线资源配置可以极大地提升多天线系统的效率。然而，随着合作通信系统、全双工通信系统、大规模天线系统、毫米波通信系统等新型的多天线通信系统的出现，很多频效/能效优化问题都成为不易解决的“难问题”，而传统的非线性优化方法由于没有考虑多天线系统效用优化问题的特殊结构而变得效率不高。本项目以非凸优化新方法——BSUM算法为基础，围绕具有耦合约束时的多天线系统速率优化和系统能效优化两类问题，研究新型、高效、且具有理论保障的多天线系统非凸效用优化方法。通过本项目的实施，希望能为基于效用的典型多天线系统包括多天线全双工中继系统、MIMO多小区系统、毫米波通信系统等的优化设计提供有力的技术支持和理论保障。

众所周知，频谱效率和能量效率是衡量多天线通信系统效率时经常使用的两种效用函数。已有研究表明，基于效用优化的无线资源配置可以极大地提升多天线系统的效率。然而，随着合作通信系统、全双工通信系统、大规模天线系统、毫米波通信系统等新型的多天线通信系统的出现，很多频效/能效优化问题都成为不易解决的“难问题”，而传统的非线性优化方法由于没有考虑多天线系统效用优化问题的特殊结构而变得效率不高。本课题针对多天线通信系统典型效用优化问题中所存在的两类“难问题”，包括 1）具有矩阵耦合约束的多天线系统速率优化问题和 2）多天线系统能效优化问题，探索新型的效用优化理论与方法。截至目前项目组已完成既定的研究目标，提出了能够处理复杂耦合约束的惩罚对偶分解算法，该算法已经广泛应用于通信、电网、信号处理等领域的优化问题求解中，并在国际通信及信号处理领域权威期刊（如IEEE TSP、TWC、TCOM等）上发表期刊会议论文47篇，其中第一作者或通信作者论文27篇，包括IEEE TSP 8篇，TCOM 6篇，TWC 5篇，发表的论文在国际上产生了较大的影响，一篇论文入选ESI高被引论文。同时，受本项目资助，申请发明专利6项，培养研究生15名，参加国内外学术会议8人次，邀请了五位国内外专家进行学术交流。此外，项目负责人在项目执行期间获得了2018年日内瓦国际发明展发明金奖，2018年中国通信学会自然科学一等奖，2020年华为优秀研究成果奖。