基于多波束的机会波束成形在OFDMA系统中的使用

摘　要　机会波束成形技术可以使信道的波动变大、变快，从而增大多用户分集增益。它同样也适用于OFDMA系统。对于OFDMA系统而言，我们还可以通过对所有子载波进行分簇，从而在牺牲系统性能很少的情况下，大大地减少系统反馈量。为了进一步提高系统吞吐量，还可以在每个时隙使用多个随机加权向量，然后基站从中选择一个最好的向量进行机会波束成形。

关键词　OFDMA　多用户分集　机会波束成形

1　引言

无线通信作为当前发展最快的通信产业，正在向宽带化发展，为了支持多用户的高速率数据和多媒体传输业务，必须高效综合利用系统的空间、时间、频率和功率等各种资源，来提高系统性能。在无线通信中，人们研究和采取了一系列提高系统容量、速率和可靠性的技术措施，如多天线（分集、复用、波束成形）技术、多载波技术、新型多址复用技术、信道自适应技术和各种抗干扰技术等。

传统的无线通信系统设计技术的着眼点往往是"点对点"通信，并且是面向对时延要求严格的语音通信，所以其目标是使信道尽可能恒定，接近加性白高斯噪声（AWGN）信道，采取的技术措施有空间、时间、频率和宏分集等技术，以及干扰平均技术（如CDMA系统中的功率控制和扩频技术，OFDMA系统中的跳频技术等）。而多用户分集将我们的观点从传统的"点对点"通信转向"点对多点"通信，它是要利用信道的随机化，通过调度用户使之在处于信道最好性能时进行传输，来获得分集增益。信道波动的范围越大、变化越快，峰值就越高，相应的多用户分集增益也就越大。系统总容量与用户数成正比，几乎在所有用户数下，衰落信道的容量都高于AWGN信道。

以上分析说明，信道衰落是可以利用的。但这种多用户分集方法受到两方面因素的制约，一是在LOS（视距）传播和非散射信道环境，信道变化范围太小；二是如果信道衰落变化太慢，则不能满足对时延要求严格的应用。为此我们可以采用机会波束成形技术（OpportunisticBeamforming）[1]，通过对发射天线进行随机加权（图1以两根天线为例），引入随机衰落，从而增大信道波动的变化范围和变化速率。使用机会波束成形后，系统吞吐量得到了提高，对于以上两种情况尤其明显。

2　OFDMA系统

以上所讨论的内容都是在窄带上进行的，而如今无线通信正在向宽带化发展。对于宽带系统，下行链路采用OFDMA[2]。这样，用户可以在正交的频带上进行调度，将用户调度在频率衰落峰值点，从而在频域实现多用户分集[3，4]。

对于频率复用的宽带小区系统，小区内干扰对系统性能的影响很重要，尤其是干扰受限的情况。因此，在小区系统中，用户的信道性能要通过SINR来测量[1]。均衡公平调度使SINR处于峰值P■■■h■（t）■σ■的用户进行传输，即接收信号最强以及干扰完全零陷的状态。

OFDMA系统的一个主要问题就是如果系统中的用户和子载波很多的话，那么所需的反馈量会非常大，因为用户在每个子带上都需要反馈测量信息。考虑一个有K个用户、N个子载波组成的OFDMA系统。Mmod表示系统支持的调制和编码数。因为需要反馈每个用户在每个子载波上支持的速率，因此反馈量为KNln（Mmod）bit。

文献[3]和[4]研究了分簇OFDMA和多用户分集，频谱利用率随用户数的增加而增大。这里我们也可以通过将邻近的子载波分成一个个簇[5]，然后只反馈簇内最弱子载波所支持的速率，就可以降低反馈量。假定将N个子载波可以分成Q个簇，每簇包括R个邻近子载波[6]。另外，由于采用多用户分集的调度器通常不会在弱簇上调度用户，因此，通过每个用户只反馈最强的S个簇的信息就可以进一步减少反馈量。而如果这样的话，还需要反馈这S个簇的指数，那么每个传输块的反馈量为SKln（QMmod）bit。可见，与未分簇时相比，反馈量大大地减少了。

另外，为了增加OFDMA系统在时域和频域上的衰落速率和幅度，可以在OFDMA上使用机会波束成形技术：对每个簇内所有的子载波使用相同的波束成形加权系数，而在不同的簇之间使用相互独立的加权系数。这使得簇内子载波的相干度很高，从而只要反馈簇内最弱的子载波支持的速率就足够了，而簇间的相干度就减小了。

3　OFDMA系统中多波束技术的使用

当Q=1时，就是[1]中的机会波束成形方法，称为传统机会波束成形。对于使用不同的Q值，所造成的信道增益是不一样的。从而可以从中找出一个最佳的加权向量q*，然后在数据传输阶段以这个最佳的加权向量q*作为波束成形向量与发射信号相乘后传输。系统的总吞吐量得到了一定的提高，但是反馈量同时增加了Q倍[7]。

本文主要是将以上的多波束技术应用到本文中所讲的基于机会波束成形的分簇OFDMA系统中来。在OFDMA系统中，我们对每个簇进行加权。利用以上多波束的思想，也在每个时隙的开始时（即训练阶段）建立Q个微时隙，每个微时隙使用一组加权向量进行训练，基站从中选择最好的一组在数据传输阶段对各个簇进行加权，从而提高系统的吞吐量，同样反馈量也会增加Q倍。

4　结束语

本文主要介绍了机会波束成形技术，它可以提高系统的吞吐量。另外，在OFDMA系统中使用分簇机会波束成形，可以在牺牲系统性能很小的情况下，大大地降低系统反馈量。最后介绍了多波束技术，并且提出了将多波束技术使用在基于分簇机会波束成形的OFDMA系统中，使系统吞吐量得到了提高。但是，使用了这种多波束技术后，系统的反馈量同时也增加了Q倍。

遗憾地是，以上这种多波束技术只在训练阶段使用了多波束，而在数据传输阶段使用的仍然是单波束。要想在数据阶段也使用多波束，可以采用其他的多波束方法与OFDMA系统相结合使用，这将在以后的工作中作进一步的研究。

如有需要请参阅杂志。
 

参　考　文　献
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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

Technol Conf, Oct. 2003, pp. 547-551
[5] Svedman P, Wilson S K. Opportunistic beamforming and scheduling for OFDMA systems.  IEEE, 2007, 0090-6778
[6] Cimini L J, Daneshrad B, Sollenberger N R. Clustered OFDM with transmitter diversity and coding. IEEE, 1996, 703-707
[7] Kim I M, Hong S C, Ghassemzadeh S S, Tarokh V. Opportunistic beamforming based on multiple weighting vectors. IEEE Trans

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[8] Sharif M, Hassibi B. On the capacity of MIMO broadcast channels with partial side information.  IEEE Trans IT, 2005, 51(2), 506

-522
[9] Zhang K, Niu Z. Random beamforming with multi-beam selection for MIMO broadcast channels. IEEE ICC'2006

作者
葛　彬1　罗华群2
（1. 南京邮电大学 通信与信息工程学院　南京 210003）
（2. 江西宜春职业技术学院　宜春 336000）