基于多波束的機(jī)會波束成形在OFDMA系統(tǒng)中的使用

摘　要　機(jī)會波束成形技術(shù)可以使信道的波動變大、變快，從而增大多用戶分集增益。它同樣也適用于OFDMA系統(tǒng)。對于OFDMA系統(tǒng)而言，我們還可以通過對所有子載波進(jìn)行分簇，從而在犧牲系統(tǒng)性能很少的情況下，大大地減少系統(tǒng)反饋量。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)吞吐量，還可以在每個時隙使用多個隨機(jī)加權(quán)向量，然后基站從中選擇一個最好的向量進(jìn)行機(jī)會波束成形。

關(guān)鍵詞　OFDMA　多用戶分集　機(jī)會波束成形

1　引言

無線通信作為當(dāng)前發(fā)展最快的通信產(chǎn)業(yè)，正在向?qū)拵Щ�發(fā)展，為了支持多用戶的高速率數(shù)據(jù)和多媒體傳輸業(yè)務(wù)，必須高效綜合利用系統(tǒng)的空間、時間、頻率和功率等各種資源，來提高系統(tǒng)性能。在無線通信中，人們研究和采取了一系列提高系統(tǒng)容量、速率和可靠性的技術(shù)措施，如多天線（分集、復(fù)用、波束成形）技術(shù)、多載波技術(shù)、新型多址復(fù)用技術(shù)、信道自適應(yīng)技術(shù)和各種抗干擾技術(shù)等。

傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的著眼點往往是“點對點”通信，并且是面向?qū)�時延要求嚴(yán)格的語音通信，所以其目標(biāo)是使信道盡可能恒定，接近加性白高斯噪聲（AWGN）信道，采取的技術(shù)措施有空間、時間、頻率和宏分集等技術(shù)，以及干擾平均技術(shù)（如CDMA系統(tǒng)中的功率控制和擴(kuò)頻技術(shù)，OFDMA系統(tǒng)中的跳頻技術(shù)等）。而多用戶分集將我們的觀點從傳統(tǒng)的“點對點”通信轉(zhuǎn)向“點對多點”通信，它是要利用信道的隨機(jī)化，通過調(diào)度用戶使之在處于信道最好性能時進(jìn)行傳輸，來獲得分集增益。信道波動的范圍越大、變化越快，峰值就越高，相應(yīng)的多用戶分集增益也就越大。系統(tǒng)總?cè)萘颗c用戶數(shù)成正比，幾乎在所有用戶數(shù)下，衰落信道的容量都高于AWGN信道。

以上分析說明，信道衰落是可以利用的。但這種多用戶分集方法受到兩方面因素的制約，一是在LOS（視距）傳播和非散射信道環(huán)境，信道變化范圍太小；二是如果信道衰落變化太慢，則不能滿足對時延要求嚴(yán)格的應(yīng)用。為此我們可以采用機(jī)會波束成形技術(shù)（OpportunisticBeamforming）[1]，通過對發(fā)射天線進(jìn)行隨機(jī)加權(quán)（圖1以兩根天線為例），引入隨機(jī)衰落，從而增大信道波動的變化范圍和變化速率。使用機(jī)會波束成形后，系統(tǒng)吞吐量得到了提高，對于以上兩種情況尤其明顯。

2　OFDMA系統(tǒng)

以上所討論的內(nèi)容都是在窄帶上進(jìn)行的，而如今無線通信正在向?qū)拵Щ�發(fā)展。對于寬帶系統(tǒng)，下行鏈路采用OFDMA[2]。這樣，用戶可以在正交的頻帶上進(jìn)行調(diào)度，將用戶調(diào)度在頻率衰落峰值點，從而在頻域?qū)崿F(xiàn)多用戶分集[3，4]。

對于頻率復(fù)用的寬帶小區(qū)系統(tǒng)，小區(qū)內(nèi)干擾對系統(tǒng)性能的影響很重要，尤其是干擾受限的情況。因此，在小區(qū)系統(tǒng)中，用戶的信道性能要通過SINR來測量[1]。均衡公平調(diào)度使SINR處于峰值P■■■h■（t）■σ■的用戶進(jìn)行傳輸，即接收信號最強以及干擾完全零陷的狀態(tài)。

OFDMA系統(tǒng)的一個主要問題就是如果系統(tǒng)中的用戶和子載波很多的話，那么所需的反饋量會非常大，因為用戶在每個子帶上都需要反饋測量信息�？紤]一個有K個用戶、N個子載波組成的OFDMA系統(tǒng)。Mmod表示系統(tǒng)支持的調(diào)制和編碼數(shù)。因為需要反饋每個用戶在每個子載波上支持的速率，因此反饋量為KNln（Mmod）bit。

文獻(xiàn)[3]和[4]研究了分簇OFDMA和多用戶分集，頻譜利用率隨用戶數(shù)的增加而增大。這里我們也可以通過將鄰近的子載波分成一個個簇[5]，然后只反饋簇內(nèi)最弱子載波所支持的速率，就可以降低反饋量。假定將N個子載波可以分成Q個簇，每簇包括R個鄰近子載波[6]。另外，由于采用多用戶分集的調(diào)度器通常不會在弱簇上調(diào)度用戶，因此，通過每個用戶只反饋最強的S個簇的信息就可以進(jìn)一步減少反饋量。而如果這樣的話，還需要反饋這S個簇的指數(shù)，那么每個傳輸塊的反饋量為SKln（QMmod）bit。可見，與未分簇時相比，反饋量大大地減少了。

另外，為了增加OFDMA系統(tǒng)在時域和頻域上的衰落速率和幅度，可以在OFDMA上使用機(jī)會波束成形技術(shù)：對每個簇內(nèi)所有的子載波使用相同的波束成形加權(quán)系數(shù)，而在不同的簇之間使用相互獨立的加權(quán)系數(shù)。這使得簇內(nèi)子載波的相干度很高，從而只要反饋簇內(nèi)最弱的子載波支持的速率就足夠了，而簇間的相干度就減小了。

3　OFDMA系統(tǒng)中多波束技術(shù)的使用

當(dāng)Q=1時，就是[1]中的機(jī)會波束成形方法，稱為傳統(tǒng)機(jī)會波束成形。對于使用不同的Q值，所造成的信道增益是不一樣的。從而可以從中找出一個最佳的加權(quán)向量q*，然后在數(shù)據(jù)傳輸階段以這個最佳的加權(quán)向量q*作為波束成形向量與發(fā)射信號相乘后傳輸。系統(tǒng)的總吞吐量得到了一定的提高，但是反饋量同時增加了Q倍[7]。

本文主要是將以上的多波束技術(shù)應(yīng)用到本文中所講的基于機(jī)會波束成形的分簇OFDMA系統(tǒng)中來。在OFDMA系統(tǒng)中，我們對每個簇進(jìn)行加權(quán)。利用以上多波束的思想，也在每個時隙的開始時（即訓(xùn)練階段）建立Q個微時隙，每個微時隙使用一組加權(quán)向量進(jìn)行訓(xùn)練，基站從中選擇最好的一組在數(shù)據(jù)傳輸階段對各個簇進(jìn)行加權(quán)，從而提高系統(tǒng)的吞吐量，同樣反饋量也會增加Q倍。

4　結(jié)束語

本文主要介紹了機(jī)會波束成形技術(shù)，它可以提高系統(tǒng)的吞吐量。另外，在OFDMA系統(tǒng)中使用分簇機(jī)會波束成形，可以在犧牲系統(tǒng)性能很小的情況下，大大地降低系統(tǒng)反饋量。最后介紹了多波束技術(shù)，并且提出了將多波束技術(shù)使用在基于分簇機(jī)會波束成形的OFDMA系統(tǒng)中，使系統(tǒng)吞吐量得到了提高。但是，使用了這種多波束技術(shù)后，系統(tǒng)的反饋量同時也增加了Q倍。

遺憾地是，以上這種多波束技術(shù)只在訓(xùn)練階段使用了多波束，而在數(shù)據(jù)傳輸階段使用的仍然是單波束。要想在數(shù)據(jù)階段也使用多波束，可以采用其他的多波束方法與OFDMA系統(tǒng)相結(jié)合使用，這將在以后的工作中作進(jìn)一步的研究。

如有需要請參閱雜志。
 

參　考　文　獻(xiàn)
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[2] van de Beek J J, Borjesson P O, Boucheret M L, et al. A time and frequency synchronization scheme for multiuser OFDM. IEEE JNL,

17:1900_1914, November 1999
[3] Sternad M, Ottosson T, Ahlén A, Svensson A. Attaining both coverage and high spectral efficiency with adaptive OFDM.  Proc IEEE

Veh Technol Conf, Oct. 2003, pp. 2486-2490
[4] Wang W, Ottosson T, Sternad M, et al. Impact of multiuser diversity and channel variability on adaptive OFDM. Proc IEEE Veh

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[5] Svedman P, Wilson S K. Opportunistic beamforming and scheduling for OFDMA systems.  IEEE, 2007, 0090-6778
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-522
[9] Zhang K, Niu Z. Random beamforming with multi-beam selection for MIMO broadcast channels. IEEE ICC'2006

作者
葛　彬1　羅華群2
（1. 南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院　南京 210003）
（2. 江西宜春職業(yè)技術(shù)學(xué)院　宜春 336000）