This paper considers the multi-group multicast beamforming optimization problem, for which the optimal solution has been unknown due to the non-convex and NP-hard nature of the problem. By utilizing the successive convex approximation numerical method and Lagrangian duality, we obtain the optimal multicast beamforming solution structure for both the quality-of-service (QoS) problem and the max-min fair (MMF) problem. The optimal structure brings valuable insights into multicast beamforming: We show that the notion of uplink-downlink duality can be generalized to the multicast beamforming problem. The optimal multicast beamformer is a weighted MMSE filter based on a group-channel direction: a generalized version of the optimal downlink multi-user unicast beamformer. We also show that there is an inherent low-dimensional structure in the optimal multicast beamforming solution independent of the number of transmit antennas, leading to efficient numerical algorithm design, especially for systems with large antenna arrays. We propose efficient algorithms to compute the multicast beamformer based on the optimal beamforming structure. Through asymptotic analysis, we characterize the asymptotic behavior of the multicast beamformers as the number of antennas grows, and in turn, provide simple closed-form approximate multicast beamformers for both the QoS and MMF problems. This approximation offers practical multicast beamforming solutions with a near-optimal performance at very low computational complexity for large-scale antenna systems.


翻译:本文审视了多组多频波形优化问题, 这一问题的最佳解决方案之所以未知, 是因为这一问题的非 convex 和 NP- 硬性。 通过使用连续的 convex 近似数字法和 Lagrangian 双向性, 我们为服务质量问题( Qos) 和 最大量交易( MMF) 问题获得了最佳的多组多频波形优化解决方案结构。 最佳结构为多频谱形优化带来宝贵的洞察力: 我们显示, 上链接- 下链接双向性能的概念可以普遍化为多频相形组合化的问题。 最佳多频谱化的多频谱形双向的高级 MMSE 过滤器是一种加权的 MMSE 过滤器: 最佳下传多用户单向型双向下传的最佳版本 。 我们还显示, 最佳多频谱化的多频谱式解决方案具有内在的低维度结构, 导致高效的数字算法设计, 特别是用于大型天线阵列的系统。 我们提议高效的算算法, 将多频谱化的多频谱式的多频谱直径直径直径直径直径进行我们作为最接近的直径直径直径直径直径直径直径分析, 。

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