去蜂窝大规模MIMO系统的功率控制研究

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随着当今时代信息技术的快速发展,用户的流量需求也在持续不断地增长,移动通信技术也随之不断地迭代更新。移动通信技术从1G到5G的发展历程中,基本都是采取蜂窝网的网络架构。而去蜂窝大规模MIMO系统是在分布式天线网络的基础上,引入了“以用户为中心”的思想,消除了小区的概念,有效解决了小区间的相互干扰以及频繁切换小区带来的一系列问题。该系统集成了分布式天线网络以及传统大规模MIMO的优点,它通过为整个系统中的所有用户提供巨大的吞吐量和覆盖概率,增强了用户体验,提高了系统的整体性能,逐渐成为了 5G通信技术发展中的关键技术。本文主要研究了基于瑞利衰落信道模型的去蜂窝大规模MIMO系统的功率控制问题。利用大规模MIMO系统的信道硬化条件,我们不需要对下行链路的信道进行估计,所以本文将一个相干间隔分为上行导频训练,上行有效载荷传输和下行有效载荷传输三个阶段,并且分别推导计算出了上行链路和下行链路用户可达速率的闭合表达式。在有效载荷传输阶段,通过调节用户处或接入点处的发射功率可以降低同频干扰并提升系统的整体性能。在此前的大部分研究中,为了给所有用户提供统一的优质服务,基本上都选择了 max-min功率控制目标,并且使用二分法来求得一组最优的功率控制系数,使得最小速率用户的速率能够得到保障。然而,由于max-min只关注了速率最小的用户,所以不可避免地会牺牲其他用户的速率,从而降低了系统的总能量效率和频谱效率。因此本文提出了基于最大化最小速率用户速率与平均速率乘积的功率控制目标,并且引入了人工鱼群算法实现功率控制,由于人工鱼群算法本身的特性,我们可以灵活地调整目标函数来达到所期望的控制目标。通过仿真结果验证,该方法可以在实现max-min功率控制目标的同时提高用户的平均速率,有效地提高了系统的总频谱效率和能量效率。理想情况下,在上行导频训练阶段,系统会为每个用户随机分配一个相互正交的导频序列。但是在实际系统中,正交导频序列的数量并不是无穷无尽的,因此用户得到的信道估计值会受到来自其他用户所发送的非正交导频序列的干扰,这就是导频污染。为了解决导频污染,本文引入了导频功率控制系数,通过min-max的功率控制目标,并且通过鱼群算法来获取一组最优的导频功率控制系数,从而确保信道估计值的归一均方化误差最大的用户的功率。最后,我们通过仿真分析,验证使用导频功率控制后,用户的速率以及系统的总能量效率都得到了一定程度的提升。
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