کاهش آلودگی دنبالههای راهنما با کمک رنگ‌آمیزی گراف سنگین و استفاده مجدد از آنها به‌صورت نرم
محورهای موضوعی : مهندسی برق و کامپیوترامیر روستایی 1 , حسین خالقی بیزکی 2
1 - دانشكده رایانه، شبکه و ارتباطات، دانشگاه جامع امام حسین (ع)، تهران، ایران
2 - دانشگاه صنعتی مالک اشتر، مجتمع دانشگاهی برق و کامپیوتر، تهران، ایران
کلید واژه:
چکیده مقاله :
شبکه‌های سلولی مبتنی بر فناوری MIMO انبوه، علی‌رغم توانایی سرویس‌دهی همزمان به چندین کاربر، با چالش جدی ناشی از آلودگی دنبالههای راهنما مواجه هستند. مقاله حاضر، الگوریتمی نوآورانه و دومرحله‌ای برای کاهش این آلودگی و افزایش نرخ داده کاربران در لینک‌های فراسو و فروسو ارائه می‌کند. نوآوری کلیدی روش پیشنهادی در تلفیق هوشمندانه مزایای سه تکنیک نهفته است: استفاده مجدد از دنباله راهنما به‌صورت نرم (SPR)، الگوریتم انتخاب دنباله راهنمای بهینه و الگوریتم رنگ‌آمیزی گراف وزن‌دار (WGC). این ترکیب به طور همزمان سه مشکل اساسی را حل می‌کند: آلودگی در طرح SPR ناشی از آستانه ثابت، افزایش سربار دنباله راهنما در طرح WGC و مشکل بیشینه‌کردن نرخ داده کاربر با کمترین نرخ. الگوریتم پیشنهادی در دو مرحله عمل می‌کند: در مرحله اول، کاربران به دو گروه مرکزی و لبه‌ای تقسیم شده و دنبالههای راهنمای بهینه بر اساس نرخ داده آنها تعیین می‌شوند. سپس در مرحله دوم با استفاده از الگوریتم WGC و ایجاد گراف تداخلی با لبه وزن‌دار (EWIG)، آلودگی دنباله راهنمای کاربران بر اساس شدت آلودگی‌شان کاهش می‌یابد. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که این روش در مقایسه با بهترین روش موجود (WGC)، بهبود چشمگیری در عملکرد سیستم ایجاد می‌کند. در لینک فروسو، بهبود dB 11 در نسبت سیگنال به تداخل و نویز (SINR) و افزایش bps/Hz 16/0 در میانگین نرخ قابل دستیابی مشاهده شده است. در لینک فراسو نیز بهبود dB 4/2 در SINR و افزایش bps/Hz 46/0 در میانگین نرخ قابل دستیابی به دست آمده است. از نظر پیچیدگی محاسباتی، روش پیشنهادی نسبت به طرح WGC، پیچیدگی کمتری دارد. همچنین تحلیل کارایی انرژی نیز برتری روش پیشنهادی را در هر دو سناریوی لینک فراسو و فروسو تأیید می‌کند.
Massive MIMO cellular networks, despite their ability to serve multiple users simultaneously, face a significant challenge due to pilot contamination. This paper presents an innovative two-stage algorithm to reduce this contamination and increase user data rates in both uplink and downlink. The key innovation of the proposed method lies in the intelligent integration of three techniques: Soft Pilot Reuse (SPR), optimal pilot sequence selection algorithm, and Weighted Graph Coloring (WGC). This combination simultaneously addresses three fundamental issues: contamination in SPR due to fixed thresholds, increased pilot overhead in WGC, and the problem of maximizing the data rate of the user with the lowest rate. The proposed algorithm operates in two stages. In the first stage, users are divided into center and edge groups, and optimal pilot sequences are determined based on their data rates. In the second stage, using the WGC algorithm and creating an Edge-Weighted Interference Graph (EWIG), pilot contamination is reduced based on the intensity of user interference. Simulation results show that this method significantly improves system performance compared to the best existing method (WGC). In the downlink, an 11 dB improvement in Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio (SINR) and a 0.16 bps/Hz increase in average achievable rate are observed. In the uplink, a 2.4 dB improvement in SINR and a 0.46 bps/Hz increase in average achievable rate are achieved. In terms of computational complexity, the proposed method has lower complexity compared to the WGC scheme. Moreover, energy efficiency analysis confirms the superiority of the proposed method in both uplink and downlink scenarios.
