Unsupervised learning for parametric optimization in wireless networks

Abstract

This thesis studies parametric optimization in cellular and cell-free networks, exploring data-based and expert-based paradigms. Power allocation and power control, which adjust the transmit power to meet different fairness criteria such as max-min or max-product, are crucial tasks in wireless communications that fall into the parametric optimization category. The state-of-the-art approaches for power control and power allocation often demand huge computational costs and are not suitable for real-time applications. To address this issue, we develop a general-purpose unsupervised-learning approach for solving parametric optimizations; and extend the well-known fractional power control algorithm. In the data-based paradigm, we create an unsupervised learning framework that defines a custom neural network (NN), incorporating expert knowledge to the NN loss function to solve the power control and power allocation problems. In this approach, a feedforward NN is trained by repeatedly sampling the parameter space, but, rather than solving the associated optimization problem completely, a single step is taken along the gradient of the objective function. The resulting method is applicable for both convex and non-convex optimization problems. It offers two-to-three orders of magnitude speedup in the power control and power allocation problems compared to a convex solver—whenever appliable. In the expert-driven paradigm, we investigate the extension of fractional power control to cell-free networks. The resulting closed-form solution can be evaluated for uplink and downlink effortlessly and reaches an (almost) optimum solution in the uplink case. In both paradigms, we place a particular focus on large scale gains—the amount of attenuation experienced by the local-average received power. The slow-varying nature of the large-scale gains relaxes the need for a frequent update of the solutions in both the data-driven and expert-driven paradigms, enabling real-time application for both methods.

Aqueta tesis estudia l’optimització paramètrica a les xarxes cel.lulars i xarxes cell-free, explotant els paradigmes basats en dades i basats en experts. L’assignació i control de la potencia, que ajusten la potencia de transmissió per complir amb diferents criteris d’equitat com max-min o max-product, son tasques crucials en les telecomunicacions inalàmbriques pertanyents a la categoria d’optimització paramètrica. Les tècniques d’última generació per al control i assignació de la potència solen exigir enormes costos computacionals i no son adequats per aplicacions en temps real. Per abordar aquesta qüestió, desenvolupem una tècnica de propòsit general utilitzant aprenentatge no supervisat per resoldre optimitzacions paramètriques; i al mateix temps ampliem el reconegut algoritme de control de potencia fraccionada. En el paradigma basat en dades, creem un marc d’aprenentatge no supervisat que defineix una xarxa neuronal (NN, sigles de Neural Network en Anglès) especifica, incorporant coneixements experts a la funció de cost de la NN per resoldre els problemes de control i assignació de potència. Dins d’aquest enfocament, s’entrena una NN de tipus feedforward mitjançant el mostreig repetit en l’espai de paràmetres, però, en lloc de resoldre completament el problema d’optimització associat, es pren un sol pas en la direcció del gradient de la funció objectiu. El mètode resultant ´es aplicable tant als problemes d’optimització convexos com no convexos. Això ofereix una acceleració de dos a tres ordres de magnitud en els problemes de control i assignació de potencia en comparació amb un algoritme de resolució convexa—sempre que sigui aplicable. En el paradigma dirigit per experts, investiguem l’extensió del control de potencia fraccionada a les xarxes sense cèl·lules. La solució tancada resultant pot ser avaluada per a l’enllaç de pujada i el de baixada sense esforç i assoleix una solució (gaire) òptima en el cas de l’enllaç de pujada. En ambdós paradigmes, ens centrem especialment en els guanys a gran escala—la quantitat d’atenuació que experimenta la potencia mitja local rebuda. La naturalesa de variació lenta dels guanys a gran escala relaxa la necessitat d’una actualització freqüent de les solucions tant en el paradigma basat en dades com en el basat en experts, permetent d’aquesta manera l’ús dels dos mètodes en aplicacions en temps real.

Esta tesis estudia la optimización paramétrica en las redes celulares y redes cell-free, explorando los paradigmas basados en datos y en expertos. La asignación y el control de la potencia, que ajustan la potencia de transmisión para cumplir con diferentes criterios de equidad como max-min o max-product, son tareas cruciales en las comunicaciones inalámbricas pertenecientes a la categoría de optimización paramétrica. Los enfoques más modernos de control y asignación de la potencia suelen exigir enormes costes computacionales y no son adecuados para aplicaciones en tiempo real. Para abordar esta cuestión, desarrollamos un enfoque de aprendizaje no supervisado de propósito general que resuelve las optimizaciones paramétricas y a su vez ampliamos el reconocido algoritmo de control de potencia fraccionada. En el paradigma basado en datos, creamos un marco de aprendizaje no supervisado que define una red neuronal (NN, por sus siglas en inglés) específica, incorporando conocimiento de expertos a la función de coste de la NN para resolver los problemas de control y asignación de potencia. Dentro de este enfoque, se entrena una NN de tipo feedforward mediante el muestreo repetido del espacio de parámetros, pero, en lugar de resolver completamente el problema de optimización asociado, se toma un solo paso en la dirección del gradiente de la función objetivo. El método resultante es aplicable tanto a los problemas de optimización convexos como no convexos. Ofrece una aceleración de dos a tres órdenes de magnitud en los problemas de control y asignación de potencia, en comparación con un algoritmo de resolución convexo—siempre que sea aplicable. Dentro del paradigma dirigido por expertos, investigamos la extensión del control de potencia fraccionada a las redes cell-free. La solución de forma cerrada resultante puede ser evaluada para el enlace uplink y el downlink sin esfuerzo y alcanza una solución (casi) óptima en el caso del enlace uplink. En ambos paradigmas, nos centramos especialmente en las large-scale gains— la cantidad de atenuación que experimenta la potencia media local recibida. La naturaleza lenta y variable de las ganancias a gran escala relaja la necesidad de una actualización frecuente de las soluciones tanto en el paradigma basado en datos como en el basado en expertos, permitiendo el uso de ambos métodos en aplicaciones en tiempo real.