优化理论 | Time-Sharing Condition

news2024/10/5 13:07:51

版权声明

原创作品,整理不易,转载请标明出处。本篇推送更详细的内容介绍,可参见本人微信公众号“优化与博弈的数学原理”,公众号二维码参见文末。

编者按

OFDM系统中的功率分配问题是通信领域中的研究热点。本文重点考虑了面向同频干扰场景下OFDM系统的功率分配问题,该问题通常被建模为含复杂多耦合变量的非凸优化问题,因此现有方法难以求得该问题的最优解(即存在对偶间隙)。本篇推送通过文献阅读及相关调研,学习并记录了基于 Time-Sharing Condition 及 General Duality Theory 的求解思路,该方法可有效解决同频干扰场景下OFDM系统功率分配问题的非凸性,相关文献证明了在特定的条件下,该方法可以完全消除对偶间隙。


一、问题描述

问题1:无干扰场景下的信道容量最大化

先让我们回顾一下MIMO无线通信领域的一个常见问题,受限功率下最大化信道容量问题,即注水问题:
P 1 : min ⁡ p ∑ n = 1 N l o g ( 1 + p n σ n 2 ) s . t . { p ⪰ 0 ∑ n = 1 N p n ≤ P \begin{align} {P_1:}&\mathop{\min}_{p}{ \sum\limits_{n=1}^N log(1+\frac{p_n}{\sigma_n^2}) } \nonumber \\ &s.t. \begin{cases} p \succeq 0 \nonumber \\ \sum\limits_{n=1}^{N}p_n \leq P \nonumber \end{cases} \end{align} P1:minpn=1Nlog(1+σn2pn)s.t. p0n=1NpnP

其中,目标函数表示包含 N N N 个并行子信道的系统信道容量(如OFDM系统)。 p = [ p 1 , p 2 , … , p N ] p=\left[ p_1, p_2, \dots, p_N \right] p=[p1,p2,,pN] 表示信号功率且为决策变量, p n p_n pn是子信道 n n n中的信号功率, σ n 2 \sigma_n^2 σn2是子信道 n n n中的噪声功率。

问题2:有干扰场景下的信道容量最大化

今天主要想介绍,在存在干扰的情况下,如何求解其优化问题,并确保对偶间隙为0。 仍然考虑K个用户,N个子信道的优化问题,如下:
P 2 : min ⁡ p ∑ k = 1 K w k ∑ n = 1 N l o g ( 1 + p k n σ k n + ∑ j ≠ k α j k n p j n ) s . t . { p k n ≥ 0 ,    ∀ k , n ∑ n = 1 N p n k ≤ P k ,    ∀ k \begin{align} {P_2:}&\mathop{\min}_{p}{ \sum\limits_{k=1}^K w_k \sum\limits_{n=1}^N log(1+\frac{p^n_k}{\sigma_k^n+\sum_{j \neq k}\alpha_{jk}^n p_j^n)} } \nonumber \\ &s.t. \begin{cases} p_k^n \geq 0, \ \ \forall k,n \nonumber \\ \sum\limits_{n=1}^{N}p_n^k\leq P_k, \ \ \forall k \nonumber \end{cases} \end{align} P2:minpk=1Kwkn=1Nlog(1+σkn+j=kαjknpjn)pkns.t. pkn0,  k,nn=1NpnkPk,  k
注1:上述问题摘自 Multiuser DSLs 场景,与 OFDM 类似,后文不予区分 DSL 与 OFDM 的区别;
注2:为方便符号表述, σ k n \sigma_k^n σkn表示噪声功率,这里不写平方了。

下文,我们将回顾问题1的经典求解方法[1],并详细介绍针对问题2的研究现状、理论证明及求解方法。

二、问题1的求解方法(基础回顾)

由于问题1满足 Slater 条件,故具有强对偶性,且其 Lagrange 函数为:

L ( p , λ , ν ) = − ∑ n = 1 N l o g ( 1 + p n σ n 2 ) − λ T p + ν ( ∑ n = 1 N p n − P ) L(p,\lambda,\nu)=-\sum\limits_{n=1}^{N}log(1+\frac{p_n}{\sigma_n^2}) -\lambda^Tp+\nu(\sum\limits_{n=1}^{N}p_n-P) L(p,λ,ν)=n=1Nlog(1+σn2pn)λTp+ν(n=1NpnP)
计算其KKT条件:
∂ L ( p , λ , ν ) ∂ p n = − 1 1 + p n σ n 2 1 σ n 2 − λ n + ν = 0 \frac{\partial L(p,\lambda,\nu)}{\partial p_n}=\frac{-1}{1+\frac{p_n}{\sigma_n^2}}\frac{1}{\sigma_n^2}-\lambda_n+\nu=0 pnL(p,λ,ν)=1+σn2pn1σn21λn+ν=0
可得:
λ n = ν − 1 p n + σ n 2 \lambda_n = \nu - \frac{1}{p_n+\sigma_n^2} λn=νpn+σn21

  • 情况1: λ n > 0 \lambda_n >0 λn>0 p n = 0 p_n=0 pn=0 λ n = ν − 1 σ n 2 > 0 \lambda_n = \nu - \frac{1}{\sigma_n^2}>0 λn=νσn21>0 1 ν < σ n 2 \frac{1}{\nu}<\sigma_n^2 ν1<σn2
  • 情况2: λ n = 0 \lambda_n =0 λn=0 p n ≥ 0 p_n\geq0 pn0 ν = 1 p n + σ n 2 \nu = \frac{1}{p_n + \sigma_n^2} ν=pn+σn21 p n = 1 ν − σ n 2 ≥ 0 p_n=\frac{1}{\nu}-\sigma_n^2\geq 0 pn=ν1σn20

因此:
p n ∗ = max ⁡ { 0 , 1 ν ∗ − σ n 2 } p_n^*=\max\{0,\frac{1}{\nu^*}-\sigma_n^2\} pn=max{0,ν1σn2}

其中,最优解 1 ν ∗ \frac{1}{\nu^*} ν1 可由下式解出:【记下式为 ( ∗ ) (*) ()式】
∑ n = 1 n p n ∗ = max ⁡ { 0 , 1 ν ∗ − σ n 2 } = P \sum\limits_{n=1}^n p_n^* = \max\{0,\frac{1}{\nu^*}-\sigma_n^2\}=P n=1npn=max{0,ν1σn2}=P

显然求和约束在最优解处一定为紧约束,故取等。现求解 ( ∗ ) (*) () 式的方法如下:

首先,假设对任意 n n n 都有 p n > 0 p_n>0 pn>0(即对任意 n n n 都有 1 ν − σ n 2 > 0 \frac{1}{\nu}-\sigma_n^2>0 ν1σn2>0),然后找到 ( ∗ ) (*) ()式的解 1 ν ∗ \frac{1}{\nu^*} ν1。若不存在可行解,则可得 p l ∗ = 0 p_l^*=0 pl=0,其中 l = a r g m a x { σ n 2 } l=argmax\{\sigma_n^2\} l=argmax{σn2},再次求解 ( ∗ ) (*) () 式得到 1 ν ∗ \frac{1}{\nu^*} ν1 。重复上述步骤,使得每次循环的时候,在剩余子信道中至少有一个子信道(对应于噪声功率最大的子信道)的功率为0,直到获得最优的 1 ν ∗ \frac{1}{\nu^*} ν1 p n ∗ > 0 p_n^*>0 pn>0 为止。上述方法获得的解称作集中式解,记作向量 p ∗ p^* p 。这个解也是 λ 1 = ⋯ = λ N \lambda_1=\dots=\lambda_N λ1==λN 时, ( ∗ ) (*) () 式的最优解;也是凸矢量优化问题式 ( ∗ ) (*) () 的 Pareto 最优解,其在 Pareto 边界上的目标函数值为:

( R 1 ∗ = l o g ( 1 + p 1 ∗ σ 1 2 , … , R n ∗ = l o g ( 1 + p N ∗ σ N 2 ) ) (R_1^*=log(1+\frac{p_1^*}{\sigma_1^2},\dots,R_n^*=log(1+\frac{p_N^*}{\sigma_N^2})) (R1=log(1+σ12p1,,Rn=log(1+σN2pN))

上述思想的核心原理如下图所示:

三、问题2的研究现状(文献综述)

现状 1 :

Iterative waterfilling (迭代注水,后文简称 IWF) [2] 是早期的多用户频谱优化技术之一,它利用DSL调制解调器进行频谱整形。在IWF算法中,每个用户通过执行单用户注水,将来自所有其他用户的串扰干扰视为噪声,迭代地最大化自己的可实现速率。但是,IWF进程并不寻求为整个DSL包找到全局最优。该方法只是将每个用户都看成一个非合作博弈的参与者,最终IWF会收敛至一个均衡点。虽然IWF不是最优的,但该方法已被证明优于传统的SSM方案。
解释:
这里以OFDM为例,解释一下上述加粗字体的含义。首先,信道容量可计算为: C = l o g ( 1 + P N ) C=log(1+\frac{P}{N}) C=log(1+NP),其中 P P P 是信号功率, N N N 是噪声功率。如果总信号功率被拆为两部分,即: P = P 1 + P 2 P=P_1+P_2 P=P1+P2,则可以验证以下公式:

C = l o g ( 1 + P 1 + P 2 N ) = l o g ( ( 1 + P 1 N ) + P 2 N ) = l o g [ ( 1 + P 1 N ) ( 1 + P 2 P 1 + N ) ] = l o g ( 1 + P 1 N ) + l o g ( 1 + P 2 P 1 + N ) \begin{align} C&=log(1+\frac{P_1+P_2}{N})=log((1+\frac{P_1}{N})+\frac{P_2}{N}) \nonumber \\ &=log\left[(1+\frac{P_1}{N})(1+\frac{P_2}{P_1+N})\right] \nonumber \\ &=log(1+\frac{P_1}{N}) +log(1+\frac{P_2}{P_1+N}) \nonumber \end{align} C=log(1+NP1+P2)=log((1+NP1)+NP2)=log[(1+NP1)(1+P1+NP2)]=log(1+NP1)+log(1+P1+NP2)
也就是说,在这两部分功率中,第一份功率 P 1 P_1 P1 产生了一个容量 l o g ( 1 + P 1 N ) log(1+\frac{P_1}{N}) log(1+NP1) ,功率 P 1 P_1 P1 同时等效成了对第二份功率的噪声。了解了这个原理,不难读懂 IWF 算法中,“每个用户通过执行单用户注水,将来自所有其他用户的串扰干扰视为噪声,迭代地最大化自己的可实现速率”的原理及算法思想了。

现状 2 :

[3]提出精确OSB算法,可实现全局最优解,该方法的基本策略是将信道容量优化问题 P 2 P_2 P2 转化为对偶域,转换成拉格朗日对偶的形式:

P 3 : min ⁡ p ∑ k = 1 K w k ∑ n = 1 N l o g ( 1 + p k n σ k n + ∑ j ≠ k α j k n p j n ) + ∑ k = 1 K λ k ( P k − ∑ n = 1 N p n ) s . t . p k n ≥ 0 ,    ∀ k \begin{align} {P_3:}&\mathop{\min}_{p}{ \sum\limits_{k=1}^K w_k \sum\limits_{n=1}^N log(1+\frac{p^n_k}{\sigma_k^n+\sum_{j \neq k}\alpha_{jk}^n p_j^n)} + \sum\limits_{k=1}^K \lambda_k (P_k - \sum\limits_{n=1}^{N}p_n) } \nonumber \\ &s.t. p_k^n \geq 0, \ \ \forall k \nonumber \end{align} P3:minpk=1Kwkn=1Nlog(1+σkn+j=kαjknpjn)pkn+k=1Kλk(Pkn=1Npn)s.t.pkn0,  k

该文献的核心思想是为每个非负且固定的 ( λ 1 , λ 2 , … , λ K ) (\lambda_1,\lambda_2,\dots,\lambda_K) (λ1,λ2,,λK) 集合,分别求解其拉格朗日函数。然后,原优化问题 P 2 P_2 P2 的解,可在 λ \lambda λ 空间内,通过嵌套式的二分法搜索找到。可以看出,OSB算法的计算复杂度与载波数 N N N 呈线性关系。如[3]所示,与IWF相比,OSB算法可以提供显著的性能改进。
OSB算法的缺点:OSB算法的计算复杂度虽然对载波数 N N N 是线性的,但在用户数量 K K K 上仍然是指数级的。即:OSB算法的复杂性变得令人望而却步。

四、问题2的求解方法(优化理论)

在本节我将先后介绍时域共享条件(Time-Sharing Condition)及其证明[4],随后说明有干扰场景下的信道容量最大化问题 P 2 P_2 P2 满足 Time-Sharing Condition。

PART I : Time-Sharing Condition

在多载波系统中,优化目标和约束通常由大量单独的函数组成,每个函数对应于一个频率载波。因此,优化问题具有以下一般形式:【记下式为 ( ∗ ∗ ) (**) () 式】
P 4 : max ⁡ p ∑ n = 1 N f n ( x n ) s . t .   ∑ n = 1 N h n ( x n ) ≤ P \begin{align} {P_4:}&\mathop{\max}_{p}{ \sum\limits_{n=1}^N f_n(x_n) } \nonumber \\ &s.t. \ \sum\limits_{n=1}^N h_n(x_n)\leq P \nonumber \end{align} P4:maxpn=1Nfn(xn)s.t. n=1Nhn(xn)P
其中, x n ∈ R K x_n \in \mathcal{R}^K xnRK 为优化问题中的决策变量,函数 f n ( x ) : R K → R f_n(x):\mathcal{R}^K \rightarrow \mathcal{R} fn(x):RKR 不必是凹函数,函数 h n ( x ) : R K → R K h_n(x):\mathcal{R}^K \rightarrow \mathcal{R}^K hn(x):RKRK 也不必是凸函数。功率约束以 K K K 维向量 P P P 表示,即:component-wise inequality。

上述的泛化优化问题, 在考虑 N N N 个子载波、 K K K 个用户的场景下,对应在多用户 OFDM 系统中有下述结论:

{ x n = ( p 1 n , p 2 n , … , p K n ) ∈ R K f n ( x n ) = ∑ k = 1 K w k l o g ( 1 + p k n σ k n + ∑ j ≠ k α j k n p j n ) h n ( x n ) = [ p 1 n , p 2 n , … , p K n ] T \begin{align} \begin{cases} x_n = (p_1^n,p_2^n,\dots,p_K^n) \in \mathcal{R}^K \nonumber \\ f_n(x_n)={ \sum_{k=1}^K w_k log(1+\frac{p^n_k}{\sigma_k^n+\sum_{j \neq k}\alpha_{jk}^n p_j^n }) } \nonumber \\ h_n(x_n)= \left[ p_1^n, p_2^n, \dots, p_K^n \right]^T \end{cases} \end{align} xn=(p1n,p2n,,pKn)RKfn(xn)=k=1Kwklog(1+σkn+j=kαjknpjnpkn)hn(xn)=[p1n,p2n,,pKn]T

下面考虑 ( ∗ ∗ ) (**) () 式的对偶问题,先求其 Lagrangian 函数:

L ( x n , λ ) = ∑ n = 1 N f n ( x n ) + λ T ( P − ∑ n = 1 N h n ( x n ) ) L(x_n,\lambda)=\sum\limits_{n=1}^{N}f_n(x_n) +\lambda^T(P-\sum\limits_{n=1}^{N}h_n(x_n)) L(xn,λ)=n=1Nfn(xn)+λT(Pn=1Nhn(xn))

定义对偶目标函数 g ( λ ) g(\lambda) g(λ) 如下:

g ( λ ) = max ⁡ L ( x n , λ ) g(\lambda)=\max {L(x_n,\lambda)} g(λ)=maxL(xn,λ)

则对偶优化问题为:
P 5 : min ⁡ λ g ( λ ) s . t . λ ≥ 0 \begin{align} {P_5:}&\mathop{\min}_{\lambda}{ g(\lambda) } \nonumber \\ &s.t. \lambda \geq 0 \nonumber \end{align} P5:minλg(λ)s.t.λ0

显然,当 f n ( x n ) f_n(x_n) fn(xn) 是凹函数且 h n ( x n ) h_n(x_n) hn(xn) 是凸函数时,标准凸优化结果保证了原问题 P 4 P_4 P4 与对偶问题 P 5 P_5 P5 具有相同的解,此时对偶间隙为0。而当 f n ( x n ) f_n(x_n) fn(xn) 不是凹函数或 h n ( x n ) h_n(x_n) hn(xn) 不是凸函数时,对偶问题提供了一个解,该解是 P 5 P_5 P5 的上界,此时对偶间隙未必是0。这是教材告诉我们的。**而本节的主要目的,是给出即使优化问题不是凸问题,对偶间隙也为零的条件。**为此,定义了以下 Time-Sharing Condition:

定义:
x n ∗ x_n^* xn y n ∗ y_n^* yn 分别是在给定 P = P x P=P_x P=Px 与给定 P = P y P=P_y P=Py 条件下,优化问题 P 4 P_4 P4 的最优解。如果对任意的 P x P_x Px P y P_y Py ,对任意的 0 ≤ ν ≤ 1 0 \leq \nu\leq1 0ν1 ,都存在一个可行的 z n z_n zn ,使得下式成立:
{ ∑ n = 1 N h n ( z n ) ≤ ν P x + ( 1 − ν ) P y ∑ n = 1 N f n ( z n ) ≥ ν ∑ n = 1 N f n ( x n ∗ ) + ( 1 − ν ) ∑ n = 1 N f n ( y n ∗ ) \begin{align} \begin{cases} \sum\limits_{n=1}^{N}h_n(z_n)\leq \nu P_x + (1-\nu) P_y \nonumber \\ \sum\limits_{n=1}^{N}f_n(z_n)\geq \nu \sum\limits_{n=1}^{N}f_n(x_n^*) + (1-\nu)\sum\limits_{n=1}^{N} f_n(y_n^*) \nonumber \end{cases} \end{align} n=1Nhn(zn)νPx+(1ν)Pyn=1Nfn(zn)νn=1Nfn(xn)+(1ν)n=1Nfn(yn)
则称优化问题 P 4 P_4 P4 满足 Time-Sharing Condition

理解:
上述定义看起来很玄幻,但其本质并不难理解。首先,要知道原始优化问题 的最优解(optimal solutions)是 x n ∗ x_n^* xn,很显然 x n ∗ x_n^* xn 必须满足约束 ∑ n = 1 N h n ( x n ∗ ) = P \sum\limits_{n=1}^N h_n(x_n^*) = P n=1Nhn(xn)=P 为紧约束。因此,约束上限 P P P 的取值,决定了 x n ∗ x_n^* xn 的取值。所以,我们也可以将 x n ∗ x_n^* xn 看成 P P P 的函数,即: x n ∗ = x n ∗ ( P ) x_n^*=x_n^*(P) xn=xn(P) 。其次,理解了这一点,就可以理解为什么定义中要给定 P = P x P=P_x P=Px P = P y P=P_y P=Py 这两种情况了,其实就是为了刻画 x n ∗ = x n ∗ ( P x ) x_n^*=x_n^*(P_x) xn=xn(Px) 以及 y n ∗ = y n ∗ ( P y ) y_n^*=y_n^*(P_y) yn=yn(Py) ,通过变化不同的 P P P 值(体现在定义中“对任意的 P = P x P=P_x P=Px P = P y P=P_y P=Py ”一句),研究函数的性质。最后,需要理解作者为什么要这么刻画呢?其实就是为了说明函数整体的凹凸性而已。观察第一条约束描述的是对整体约束函数 ∑ n = 1 N h n ( x n ) \sum\limits_{n=1}^N h_n(x_n) n=1Nhn(xn) 凸性的刻画(注意,刻画的不是单独的 h n ( x n ) h_n(x_n) hn(xn) 函数,没必要研究单独的一个 h n ( x n ) h_n(x_n) hn(xn) 函数是否为凸性);观察第二条约束描述的是整体目标函数 ∑ n = 1 N f n ( x n ) \sum\limits_{n=1}^N f_n(x_n) n=1Nfn(xn) 凹性的刻画。

因此,可以理解 Time-Sharing Condition 无非是通过刻画求和后,函数整体的凹凸性,以替代单独每一个函数凹凸性。显然,如果每一个函数的凹凸性得到满足,那么 Time-Sharing Condition 自然成立,因此这部分理论也被称为广义对偶理论(General Duality Theory)。

PART II : 定理及其证明

接下来介绍 Time-Sharing Condition 有什么作用?主要体现在下述定理:

定理:
考虑如 所示的优化问题形式,如果满足 Time-Sharing Condition,则该优化问题的对偶间隙为0。

证明:

显然,如果 h n ( x n ) h_n(x_n) hn(xn) 是凸函数、 f n ( x n ) f_n(x_n) fn(xn) 是凹函数,根据保凸运算易知,优化问题是凸优化问题,则其对偶间隙为0。下面我们证明:当 h n ( x n ) h_n(x_n) hn(xn) 不是凸函数、 f n ( x n ) f_n(x_n) fn(xn) 不是凹函数,但优化问题 P 4 P_4 P4 满足 Time-Sharing Condition 时,其对偶间隙仍为0。

令向量 P x , P y P_x, P_y Px,Py P z P_z Pz 是满足 P z = ν P x + ( 1 − ν ) P y P_z=\nu P_x + (1-\nu)P_y Pz=νPx+(1ν)Py 的功率约束向量(注意:这里的向量 ν \nu ν 是只要找到或存在一个属于 [ 0 , 1 ] [0,1] [0,1] 区间的 ν \nu ν ,使得上述等式成立即可),令 x n ∗ , y n ∗ x_n^*,y_n^* xn,yn z n ∗ z_n^* zn 是在 P x , P y P_x, P_y Px,Py P z P_z Pz 功率约束下优化问题 P 4 P_4 P4 的最优解(注意:这里的逻辑是先给出一组满足上述等式的功率约束组 { P x , P y , P z } \{P_x, P_y, P_z\} {Px,Py,Pz} ,然后依据这三个数,分别求出他们对应的最优解 { x n ∗ , y n ∗ , z n ∗ } \{x_n^*,y_n^*,z_n^*\} {xn,yn,zn} )。

第一步证明:基于 Time-Sharing Condition ,证明 是关于 的凹函数

这里我先给出适当说明,然后再讲述原文步骤,不然直接看原文容易懵逼:
Step(a)先将 ∑ n f n ( x n ∗ ) \sum_{n}f_n(x_n^*) nfn(xn) 写为 ∑ n f n ( x n ∗ ( P x ) ) \sum_{n}f_n(x_n^*(P_x)) nfn(xn(Px)) 的形式;
Step(b)为简洁表示,记 g ( P x ) = ∑ n f n ( x n ∗ ( P x ) ) g(P_x)=\sum_{n}f_n(x_n^*(P_x)) g(Px)=nfn(xn(Px)) ;
Step(c)因此,我们需要证明:对任意的 P x , P y P_x,P_y Px,Py ,对任意的 ν ∈ [ 0 , 1 ] \nu\in \left[0,1\right] ν[0,1],都有 g ( ν P x + ( 1 − ν ) P y ) ≥ ν g ( P x ) + ( 1 − ν ) g ( P y ) g(\nu P_x+(1-\nu)P_y) \geq \nu g(P_x)+(1-\nu)g(P_y) g(νPx+(1ν)Py)νg(Px)+(1ν)g(Py) 成立;
Step(d)也就是需要证明下式成立
∑ n f n ( x n ∗ ( ν P x + ( 1 − ν ) P y ) ) ≥ ν ∑ n f n ( x n ∗ ( P x ) ) + ( 1 − ν ) ∑ n f n ( y n ∗ ( P y ) ) \begin{align} \sum_{n}f_n(x_n^*(\nu P_x+(1-\nu & )P_y)) \nonumber \\ \geq \nu &\sum_{n}f_n(x_n^*(P_x))+(1-\nu)\sum_{n}f_n(y_n^*(P_y)) \nonumber \end{align} nfn(xn(νPx+(1νν)Py))nfn(xn(Px))+(1ν)nfn(yn(Py))
注意:左式 x n ∗ ( ν P x + ( 1 − ν ) P y ) x_n^*(\nu P_x+(1-\nu )P_y) xn(νPx+(1ν)Py) 中的 x n ∗ x_n^* xn 写法不严谨,需要依据内部的自变量而定。在这里,严谨的应该写为 q ( x n ∗ y n ∗ ) ( ν P x + ( 1 − ν ) P y ) q(x_n^*y_n^*)(\nu P_x+(1-\nu )P_y) q(xnyn)(νPx+(1ν)Py) , 表示是 P x P_x Px P y P_y Py 的函数多对应的 x n ∗ x_n^* xn y n ∗ y_n^* yn 的函数。
Step(e)因为 P z = ν P x + ( 1 − ν ) P y P_z=\nu P_x + (1-\nu)P_y Pz=νPx+(1ν)Py ,所以需要证明下式成立即可:
∑ n f n ( z n ∗ ( P z ) ) ≥ ν ∑ n f n ( x n ∗ ( P x ) ) + ( 1 − ν ) ∑ n f n ( y n ∗ ( P y ) ) \begin{align} \sum_{n}f_n(z_n^*(P_z )) \geq \nu &\sum_{n}f_n(x_n^*(P_x))+(1-\nu)\sum_{n}f_n(y_n^*(P_y)) \nonumber \end{align} nfn(zn(Pz))νnfn(xn(Px))+(1ν)nfn(yn(Py))
注意:左式直接替换上述等式后,应为 f n ( x n ∗ ( P z ) ) f_n(x_n^*(P_z )) fn(xn(Pz)),但此时自变量是 P z P_z Pz 了,因此对应改为 f n ( z n ∗ ( P z ) ) f_n(z_n^*(P_z )) fn(zn(Pz))

看完前面的解释,再看原文证明步骤,简述如下:
Step(1)因为 Time-Sharing Condition 成立,所以对前文给定的 P x , P y P_x, P_y Px,Py 以及给定的 ν \nu ν,一定存在一个 z ~ \widetilde{z} z ,使得下式成立:
{ ∑ n = 1 N h n ( z ~ n ) ≤ ν P x + ( 1 − ν ) P y ∑ n = 1 N f n ( z ~ n ) ≥ ν ∑ n = 1 N f n ( x n ∗ ) + ( 1 − ν ) ∑ n = 1 N f n ( y n ∗ ) \begin{align} \begin{cases} \sum\limits_{n=1}^{N}h_n(\widetilde{z}_n)\leq \nu P_x + (1-\nu) P_y \nonumber \\ \sum\limits_{n=1}^{N}f_n(\widetilde{z}_n)\geq \nu \sum\limits_{n=1}^{N}f_n(x_n^*) + (1-\nu)\sum\limits_{n=1}^{N} f_n(y_n^*) \nonumber \end{cases} \end{align} n=1Nhn(z n)νPx+(1ν)Pyn=1Nfn(z n)νn=1Nfn(xn)+(1ν)n=1Nfn(yn)
注意:这里的 z ~ \widetilde{z} z 与前文的 z z z 不一样,但原文中并没有声明,我在推送里区分一下,故用 z ~ \widetilde{z} z 表示。
Step(2)又因为 z ~ \widetilde{z} z 是优化问题可行集内的一个可行点,这意味着该点对应的目标函数一定小于最优解,因此有下式成立:
∑ n = 1 N f n ( z n ∗ ) ≥ ∑ n = 1 N f n ( z ~ n ) ≥ ν ∑ n = 1 N f n ( x n ∗ ) + ( 1 − ν ) ∑ n = 1 N f n ( y n ∗ ) \begin{align} \sum\limits_{n=1}^{N}f_n(z_n^*)\geq\sum\limits_{n=1}^{N}f_n(\widetilde{z}_n)\geq \nu \sum\limits_{n=1}^{N}f_n(x_n^*) + (1-\nu)\sum\limits_{n=1}^{N} f_n(y_n^*) \nonumber \end{align} n=1Nfn(zn)n=1Nfn(z n)νn=1Nfn(xn)+(1ν)n=1Nfn(yn)
Step(3)根据Step(a)-Step(e)的解释可知,上式便是Step(e)中的结论,所以, ∑ n f n ( x n ∗ ) \sum_{n}f_n(x_n^*) nfn(xn) 是关于 P P P 的凹函数得证。

注意:原文没有Step(a)-Step(e)的解释,我看到论文中Step(2)后,最开始不太明白,为什么Step(2)成立后, ∑ n f n ( x n ∗ ) \sum_{n}f_n(x_n^*) nfn(xn) 就是关于 P P P 的凹函数了?后来才想明白的,所以记录在Step(a)-Step(e)的解释里。

第二步证明:利用 ∑ n f n ( x n ∗ ) \sum_{n}f_n(x_n^*) nfn(xn) 是关于 P P P 的凹函数的性质,证明对偶间隙为0

Step(1)考虑到 ∑ n f n ( x n ∗ ) \sum_{n}f_n(x_n^*) nfn(xn) 是关于 P P P 的凹函数,所以我们以 P P P 为横坐标(等价于以 ∑ n h n ( x n ∗ ) \sum_{n}h_n(x_n^*) nhn(xn)为横坐标,因为 ∑ n h n ( x n ∗ ) = P \sum_{n}h_n(x_n^*)=P nhn(xn)=P 显然成立),以 ∑ n f n ( x n ∗ ) \sum_{n}f_n(x_n^*) nfn(xn) 为纵坐标,用实线画出如下图所示凹函数:

理解:
显然,在变化 P P P 的时候(即变化 ∑ n h n ( x n ∗ ) \sum_{n}h_n(x_n^*) nhn(xn) 的时候), x n ∗ x_n^* xn 也随之而变,导致目标函数 ∑ n f n ( x n ∗ ) \sum_{n}f_n(x_n^*) nfn(xn) 也随之而变,所以,可以画出 ∑ n h n ( x n ∗ ) \sum_{n}h_n(x_n^*) nhn(xn) ∑ n f n ( x n ∗ ) \sum_{n}f_n(x_n^*) nfn(xn) 之间的变化规律图(即函数图)。而前文证明了,这个函数是凹函数,因此可以做出曲线 ( ∑ n h n ( x n ∗ ) , ∑ n f n ( x n ∗ ) ) (\sum_{n}h_n({x}_n^*),\sum_{n}f_n({x}_n^*)) (nhn(xn),nfn(xn)) 如图实线所示。

Step(2)又考虑到 g ( λ ) g(\lambda) g(λ) 可写成下式:
g ( λ ) = max ⁡ x n ( ∑ n f n ( x n ) + λ T ( P − ∑ n h n ( x n ) ) ) \begin{align} g(\lambda)&=\mathop{\max}_{x_n}\left( \sum_{n}f_n(x_n)+\lambda^T \left( P-\sum_{n}h_n(x_n) \right) \right) \nonumber \end{align} g(λ)=maxxn(nfn(xn)+λT(Pnhn(xn)))

x ^ n ∗ \hat{x}_n^* x^n 是上述优化问题的最优解,则 g ( λ ) g(\lambda) g(λ) 可写为下式:

g ( λ ) = ∑ n f n ( x ^ n ∗ ) + λ T ( P − ∑ n h n ( x ^ n ∗ ) ) g(\lambda)=\sum_{n}f_n(\hat{x}_n^*)+\lambda^T \left( P-\sum_{n}h_n(\hat{x}_n^*) \right) g(λ)=nfn(x^n)+λT(Pnhn(x^n))

显然, g ( λ ) g(\lambda) g(λ) 是关于 P P P 的线性函数,且斜率为 λ \lambda λ 。因此,根据其几何意义,我们可在曲线 ( ∑ n h n ( x n ∗ ) , ∑ n f n ( x n ∗ ) ) (\sum_{n}h_n({x}_n^*),\sum_{n}f_n({x}_n^*)) (nhn(xn),nfn(xn)) 上,做一条切线,且切点为 ( ∑ n h n ( x ^ n ∗ ) , ∑ n f n ( x ^ n ∗ ) ) (\sum_{n}h_n(\hat{x}_n^*),\sum_{n}f_n(\hat{x}_n^*)) (nhn(x^n),nfn(x^n)) 。此外,这条切线与纵坐标的交点为 ∑ n f n ( x ^ n ∗ ) + λ T ( P − ∑ n h n ( x ^ n ∗ ) ) \sum_{n}f_n(\hat{x}_n^*)+\lambda^T \left( P-\sum_{n}h_n(\hat{x}_n^*) \right) nfn(x^n)+λT(Pnhn(x^n)) ,而这个交点,便是 g ( λ ) g(\lambda) g(λ) 的确切取值(即图中的点 B B B )。

Step(3)对偶问题中,需要通过寻找 λ \lambda λ,以最小化 g ( λ ) g(\lambda) g(λ) ,记最优解为 g ∗ g^* g 。显然,只有当曲线 ( ∑ n h n ( x n ∗ ) , ∑ n f n ( x n ∗ ) ) (\sum_{n}h_n({x}_n^*),\sum_{n}f_n({x}_n^*)) (nhn(xn),nfn(xn)) 是凹的,此时在整条曲线上寻找最优的切线斜率 λ \lambda λ 时,才可以找到最优的 λ ∗ \lambda^* λ 。此时, g ( λ ) g(\lambda) g(λ) 与纵坐标交点的最小值就等于曲线自身的最小值,即:f*=g* ,如图中点 C C C 所示。

Step(4)为了说明 Time-Sharing Condition 的重要性,下图说明了当该条件不成立的时候,对偶间隙不为0。

PART III :用Time-Sharing Condition解释问题2

方案1: 如果OFDM系统可以实现完美的时分复用功能,则 Time-Sharing Condition 显然满足,直观解释如下:
x n x_n xn y n y_n yn 是两种功率分配方案。在这种情况下,全部的频谱带宽可以以 ν \nu ν 的比率分配给策略 x n x_n xn ,以 1 − ν 1-\nu 1ν 的比例分给策略 y n y_n yn 。此时,原始的目标函数变为两套方案的线性组合,即:
∑ n f n = ∑ n [ ν f n ( x n ) + ( 1 − ν ) f n ( y n ) ] \sum_{n} f_n= \sum_{n}\left[\nu f_n(x_n)+(1-\nu) f_n(y_n)\right] nfn=n[νfn(xn)+(1ν)fn(yn)]
与此同时,约束也是时隙分配的线性组合,此时为线性关系,自然满足 Time-Sharing Condition中的凹性与凸性 。

方案2: 如果OFDM系统可以实现频分复用功能,且子载波数 N → + inf ⁡ N \rightarrow +\inf N+inf ,此时,通过在频域上按比例 ν \nu ν 交错 x n x_n xn y n y_n yn ,则也可以得到上述结论。

参考文献:

[1]祁忠勇.信号处理与通信中的凸优化: 从基础到应用,2019:300-302.
[2]Yu W, Ginis G, Cioffi J M. Distributed multiuser power control for digital subscriber lines[J]. IEEE Journal on Selected areas in Communications, 2002, 20(5): 1105-1115.
[3]Cendrillon R, Yu W, Moonen M, et al. Optimal multiuser spectrum balancing for digital subscriber lines[J]. IEEE Transactions on Communications, 2006, 54(5): 922-933.
[4]Yu W, Lui R. Dual methods for nonconvex spectrum optimization of multicarrier systems[J]. IEEE Transactions on communications, 2006, 54(7): 1310-1322.

文字 | 正仪
编辑 | 正仪
作图 | 正仪

更多优化内容,欢迎关注本人微信公众号:优化与博弈的数学原理

最后,助大家学业有成!早日毕业~

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处:http://www.coloradmin.cn/o/857834.html

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请联系多彩编程网进行投诉反馈,一经查实,立即删除!

相关文章

网络的管理

一、查看网卡信息 先在虚拟机里看有几个网卡 二、nmcli 1、网卡的物理接口名称 2、网卡的配置信息 三、nmtui 四、下载网站上的文件

BUUCTF题目Web部分wp(持续更新)

[极客大挑战 2019]EasySQL1 靶机启动后&#xff0c;填写username和password&#xff0c;登录的地址为http://url.to.target/check.php?usernameadmin&passwordpassword&#xff0c;注意post过去空格变成了加号。 http://url.to.target/ http://url.to.target/check.php?…

last_hidden_state vs pooler_output的区别

一、问题来源&#xff1a; from transformers import AutoTokenizer, AutoModel import torch # Load model from HuggingFace Hub MODEL_NAME_PATH xxxx/model/bge-large-zh tokenizer AutoTokenizer.from_pretrained(MODEL_NAME_PATH) model AutoModel.from_pretrained(M…

MongoDB 备份与恢复

1.1 MongoDB的常用命令 mongoexport / mongoimport mongodump / mongorestore 有以上两组命令在备份与恢复中进行使用。 1.1.1 导出工具mongoexport Mongodb中的mongoexport工具可以把一个collection导出成JSON格式或CSV格式的文件。可以通过参数指定导出的数据项&#xff0c…

公检系统升级:校对软件提升司法办案水平

公检系统升级中引入校对软件可以显著提升司法办案水平&#xff0c;为司法工作提供更高效和准确的支持。以下是校对软件在提升司法办案水平方面的作用&#xff1a; 1.提高文书准确性&#xff1a;校对软件可以自动检测和修正法律文书中的语法、拼写和标点等错误。它可以捕捉到人眼…

nginx自定义负载均衡及根据cpu运行自定义负载均衡

1.nginx如何自定义负载均衡 在Nginx中&#xff0c;可以通过配置文件自定义负载均衡策略。具体步骤如下&#xff1a; 首先&#xff0c;在Nginx配置文件中定义一个upstream模块&#xff0c;并设置负载均衡策略和后端服务器列表&#xff0c;例如&#xff1a; upstream myapp {ser…

数字孪生轨道交通,地铁视频孪生三维可视化管控平台

为促进数字孪生城市领域高质量发展&#xff0c;延续《数字孪生城市应用案例汇编&#xff08;2022年&#xff09;》已有研究成果&#xff0c;宣传推广一批创新性强、具有示范效应的优秀案例&#xff0c;为各部委及地方政府推动数字孪生城市建设提供有力支撑&#xff0c;中国信息…

使用 Visual Studio Code 调试 CMake 脚本

之前被引入到 Visual Studio 中的 CMake 调试器&#xff0c;现已在 Visual Studio Code 中可用。 也就是说&#xff0c;现在你可以通过在 VS Code 中安装 CMake 工具扩展&#xff0c;来调试你的 CMakeLists.txt 脚本了。是不是很棒? 背景知识 Visual C 开发团队和 CMake 的维…

【数据库】P0 创建数据库环境 MySQL + DataGrip

创建数据库环境 下载安装 MySQL下载安装 DataGrip 下载安装 MySQL Windows版本_MySQL 下载地址&#xff1a; https://dev.mysql.com/downloads/mysql/ 下载后依照默认顺序安装即可&#xff0c;本博文将讲述简约安装步骤&#xff1b; 如需详细安装步骤可见&#xff1a;https:/…

SharePoint 管理

SharePoint平台使您能够以在线方式和本地方式轻松地管理和协调业务数据。因为其灵活性和易使用性&#xff0c;公司可以快速采用SharePoint来管理其业务数据。但是&#xff0c;SharePoint管理员在管理及审核SharePoint服务器时&#xff0c;内容的高级别协作和动态性质会导致问题…

Is a directory: ‘outs//.ipynb_checkpoints‘

提示out/文件夹的.ipynp_chechpoints是一个文件夹&#xff0c;但是打开文件夹却没有看到&#xff0c;可以得知他是一个隐藏文件夹&#xff0c;进入outs/文件夹&#xff0c;使用 ls -a可以看到所有文件 果然出现这个文件夹&#xff0c;但是我们这个outs/文件夹存放的是图片&am…

Django实现音乐网站 ⑼

使用Python Django框架制作一个音乐网站&#xff0c; 本篇主要是后台对专辑、首页轮播图原有功能的基础上进行部分功能实现和显示优化。 目录 专辑功能优化 新增编辑 专辑语种改为下拉选项 添加单曲优化显示 新增单曲多选 更新歌手专辑数、专辑单曲数 获取歌手专辑数 保…

实践指南-前端性能提升 270% | 京东云技术团队

一、背景 当我们疲于开发一个接一个的需求时&#xff0c;很容易忘记去关注网站的性能&#xff0c;到了某一个节点&#xff0c;猛地发现&#xff0c;随着越来越多代码的堆积&#xff0c;网站变得越来越慢。 本文就是从这样的一个背景出发&#xff0c;着手优化网站的前端性能&a…

java输出GB2312、GBK、GB18030、UTF-8所有的字符

相关文章 【转】彻底搞明白 GB2312、GBK 、GB18030和UTF-8 1.ASICII、GB2312、GBK、GB18030 以及 UTF8 的关系 2.编写代码 引入依赖&#xff1a;hutool工具类 <dependency><groupId>cn.hutool</groupId><artifactId>hutool-all</artifactId>&…

企业内部FAQ常见问题展示分享的价值

企业内部FAQ&#xff08;常见问题&#xff09;展示分享是一种将常见问题和解决方案以问答形式呈现给员工的方式。这种方式可以帮助企业提高工作效率、提供一致的解决方案、提升员工满意度和减少重复工作。 企业内部FAQ常见问题展示分享的价值&#xff1a; 1. 提高工作效率 企…

恒盛策略:内盘是买入还是卖出?

内盘&#xff0c;又称成交明细&#xff0c;是指交易所实时发布的每一笔成交价格、交易时刻、成交量等具体数据。关于股民来说&#xff0c;每天重视内盘数据已成为必修课。可是&#xff0c;当看到内盘数据时&#xff0c;很多人都会困惑&#xff0c;到底内盘是买入还是卖出呢&…

PCI 简易通讯控制器有黄色感叹号

一、问题描述 设备管理器中&#xff0c;其他设备中显示 “PCI 简易通讯控制器”驱动未安装&#xff0c;显示黄色感叹号&#xff1a; 二、原因分析 右键该驱动&#xff0c;查看属性ID&#xff0c;显示为&#xff1a; PCI \ VEN_8086&#xff06;DEV_1C3A&#xff06;SUBSYS…

学习51单片机怎么开始?

学习的过程不总是先打好基础&#xff0c;然后再盖上层建筑&#xff0c;尤其是实践性的、工程性很强的东西。如果你一定要先全面打好基础&#xff0c;再学习单片机&#xff0c;我觉得你一定学不好&#xff0c;因为你的基础永远打不好&#xff0c;因为基础太庞大了&#xff0c;基…

3.多线程(进阶)

文章目录 1.常见的锁策略1.1乐观锁 vs 悲观锁1.2互斥锁 vs 读写锁1.3重量级锁 vs 轻量级锁1.4自旋锁vs 挂起等待锁&#xff08;Spin Lock&#xff09;1.5公平锁 vs 非公平锁1.6可重入锁 vs 不可重入锁1.7相关面试题 2.CAS2.1什么是 CAS2.2CAS 是怎么实现的2.3CAS 有哪些应用2.3…

这50幅画让你看清世界真相,犀利深刻,值得一读!

让你看清这个世界的真相&#xff01; 01 自弃者扶不起 自强者打不倒 02 人人都活在假象里 03 宁可有病再治&#xff0c;也不愿意未雨绸缪 04 一个人成熟的表现 是具备了太极思维 05 最大的监狱是人的思维监狱 06 认知太浅&#xff0c;放弃学习 这就是焦虑和绝望的根本原因 0…