一種多波束機(jī)會(huì)波束成形技術(shù)

一種多波束機(jī)會(huì)波束成形技術(shù)

0隨機(jī)分集法點(diǎn)通信提高無(wú)線通信系統(tǒng)的有效性和可靠性的途徑之一是使用多個(gè)傳輸天線和多個(gè)接收天線，即輸入多個(gè)輸入輸出（mimo）通信系統(tǒng)，這是理論和實(shí)踐的證明。另外一種提高系統(tǒng)容量的辦法就是多用戶分集。多用戶分集從傳統(tǒng)的“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”通信轉(zhuǎn)向“點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)”通信,它利用信道的隨機(jī)性,通過(guò)調(diào)度用戶使之在信道最好時(shí)進(jìn)行傳輸,來(lái)獲得分集增益。信道波動(dòng)的范圍越大、變化越快,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加性高斯白噪聲(AWGN)信道。以上分析說(shuō)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,一是視距(LOS)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(duì)時(shí)延要求嚴(yán)格的應(yīng)用。采用機(jī)會(huì)波束成形(OBF),通過(guò)對(duì)發(fā)射天線進(jìn)行隨機(jī)加權(quán),引入隨機(jī)衰落,可以增大信道波動(dòng)的變化范圍和速率。本文研究了多用戶條件下單波束機(jī)會(huì)成形擴(kuò)展到多波束機(jī)會(huì)成形的技術(shù),并對(duì)單波束和多波束機(jī)會(huì)波束成形技術(shù)的性能作了較全面的仿真比較,所有討論都是在蜂窩無(wú)線通信下行鏈路的基礎(chǔ)上展開(kāi)的。1傳統(tǒng)的多波束成網(wǎng)技術(shù)設(shè)在基站配置根發(fā)送天線,終端配置一根天線來(lái)引起更大更快的信道波動(dòng),系統(tǒng)用戶數(shù)為。在平坦衰落信道的假設(shè)下,我們用hk(t)=(h1k(t),k2k(t),…,hNk(t))T表示第k個(gè)用戶在t時(shí)隙的基本物理信道增益矢量,hnk(t)表示從天線n到第k個(gè)用戶的復(fù)信道增益,它是零均值的復(fù)高斯隨機(jī)變量。在每個(gè)時(shí)隙開(kāi)始的導(dǎo)頻時(shí)隙內(nèi),基站廣播一個(gè)已知信號(hào),隨機(jī)加權(quán)矢量為w(t)=(w1(t),w2(t),…,wN(t))T。特別的,天線n上的加權(quán)系數(shù)為wn(t)=(αn(t))1/2ejθn(t),αn(t)表示從0到1變化的隨機(jī)變量,且∑n=1Nαn(t)=1,θn(t)∑n=1Ναn(t)=1,θn(t)表示[0,2π]服從均勻分布的獨(dú)立隨機(jī)變量。因此,用戶k的整個(gè)信道增益Hk(t)可以表示為Hk(t)=w(t)Thk(t)(1)每個(gè)用戶在導(dǎo)頻時(shí)隙內(nèi)測(cè)量|Hk(t)|并且把請(qǐng)求速率Rk(t)反饋給基站,然后基站只向Rk(t)Tk(t)(Tk(t)Rk(t)Τk(t)(Τk(t)表示在長(zhǎng)度為tc的時(shí)間窗內(nèi)基站發(fā)送給用戶k的平均速率)最大的用戶發(fā)送數(shù)據(jù)。在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)w(t)是固定的。當(dāng)基本物理信道增益變化緩慢且波動(dòng)很小時(shí),機(jī)會(huì)波束成形能顯著的改善系統(tǒng)吞吐量。此外,當(dāng)用戶數(shù)目足夠多時(shí),機(jī)會(huì)波束成形幾乎能達(dá)到與傳統(tǒng)相干波束成形相同的吞吐量。對(duì)文獻(xiàn)中傳統(tǒng)的機(jī)會(huì)波束成形進(jìn)行擴(kuò)展,把導(dǎo)頻時(shí)隙劃分成Q個(gè)微時(shí)隙,Q個(gè)微時(shí)隙對(duì)應(yīng)Q個(gè)隨機(jī)選擇的獨(dú)立加權(quán)向量wq(t)=(wq,1(t),wq,2(t),…,wq,N(t))T,q=1,2,…,Q。類(lèi)似式(1),用戶k在t時(shí)隙的第q個(gè)微時(shí)隙的整個(gè)信道增益由式(2)給定Hq,k(t)=wq(t)Thk(t),q=1,2,…,Q(2)每個(gè)用戶測(cè)量|Hq,k(t)|并反饋Rq,k(t),Rq,k(t)由式(3)計(jì)算得到Rq,k(t)=BWPˉˉˉ|Hq,k(t)|2γTHσ2(3)Rq,k(t)=BWΡˉ|Ηq,k(t)|2γΤΗσ2(3)式中,BW表示整個(gè)帶寬,PˉˉˉΡˉ表示基站的發(fā)送功率,σ2表示背景噪聲功率,閾值γTH是用戶k在第q個(gè)微時(shí)隙的比特能量噪聲比的等效值?；靖鶕?jù)下式?jīng)Q定最好的加權(quán)矢量wopt(t)qopt(t)=argmaxq=1,2,?,Q(maxk=1,2,?,KRq,k(t)Tk(t))(4)qopt(t)=argmaxq=1,2,?,Q(maxk=1,2,?,ΚRq,k(t)Τk(t))(4)wopt(t)=wqopt(t)(t)(5)基站發(fā)送數(shù)據(jù)給Rq,k(t)Tk(t)Rq,k(t)Τk(t)最大對(duì)應(yīng)的用戶。如果Q=1,這個(gè)方法就退化為傳統(tǒng)的機(jī)會(huì)波束成形。多波束機(jī)會(huì)波束成形有兩種,一種是導(dǎo)頻傳輸采取多波束模式,數(shù)據(jù)傳輸采用單波束,以上描述的多波束技術(shù)即屬于這種方式。在導(dǎo)頻時(shí)隙,基站同時(shí)隨機(jī)產(chǎn)生多重加權(quán)系數(shù)以形成多個(gè)波束,每個(gè)用戶反饋多重波束下的最大信噪比(或信道增益)以及對(duì)應(yīng)的波束序號(hào),這種方法為每個(gè)用戶提供了多個(gè)可供選擇的波束,所以增加了多用戶分集增益,尤其當(dāng)用戶數(shù)較少時(shí)更是如此。這種方法的主要不足是增加了導(dǎo)頻開(kāi)銷(xiāo),對(duì)應(yīng)于多個(gè)波束,導(dǎo)頻時(shí)隙分成了多個(gè)微時(shí)隙,而且,與最初的機(jī)會(huì)波束成形方法一樣,由于數(shù)據(jù)傳輸只采用單波束,沒(méi)有利用多天線可能帶來(lái)的空分多址(SDMA)增益。在此基礎(chǔ)上人們提出了另一種在導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)傳輸階段均采用多波束的方法,在導(dǎo)頻階段生成多個(gè)波束,然后選擇多個(gè)最好的用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,選擇的依據(jù)是信號(hào)干擾噪聲(SINR)而非信道增益(因?yàn)榭赡艽嬖诓ㄊg干擾),這種方法的主要問(wèn)題是波束間的干擾問(wèn)題,空分多址是非完全正交的,所以在高信噪比條件下(此時(shí)波束間干擾起決定作用)性能較差。2時(shí)間模式對(duì)系統(tǒng)咀嚼的影響在用戶數(shù)目較少或中等的時(shí)候,與傳統(tǒng)單波束機(jī)會(huì)波束成形相比,采用多波束機(jī)會(huì)波束成形方案可以顯著的改善系統(tǒng)的吞吐量。但是,反饋給基站的開(kāi)銷(xiāo)增加了Q倍,隨著Q的變化,系統(tǒng)的吞吐量也會(huì)隨之變化。假定L和τ分別表示一個(gè)時(shí)隙和微時(shí)隙的長(zhǎng)度,τ/L=5%,信噪比SNR=0dB,發(fā)送天線Nt=8,接收天線Nr=1,基站產(chǎn)生的導(dǎo)頻波束B(niǎo)=8,數(shù)據(jù)模式分別采用單波束和數(shù)據(jù)波束B(niǎo)0=2,微時(shí)隙Q在1到20之間變化,對(duì)于不同的用戶數(shù)的歸一化吞吐量影響仿真如圖1所示,從圖中可以很清楚的看到微時(shí)隙Q對(duì)吞吐量的影響。假定L和τ分別表示一個(gè)時(shí)隙和微時(shí)隙的長(zhǎng)度,τ/L=2%,信噪比SNR=0dB,發(fā)送天線Nt=8,接收天線Nr=1,基站產(chǎn)生的導(dǎo)頻波束B(niǎo)=8,導(dǎo)頻模式劃分成5個(gè)微時(shí)隙,也即Q=5,數(shù)據(jù)模式分別采用單波束和數(shù)據(jù)波束B(niǎo)0=2情況與傳統(tǒng)的單波束機(jī)會(huì)波束成形的系統(tǒng)吞吐量比較見(jiàn)圖2?？梢钥闯?導(dǎo)頻模式采用多波束,數(shù)據(jù)模式采用單波束的系統(tǒng)吞吐量高于單波束機(jī)會(huì)波束成形,是由于導(dǎo)頻階段劃分了Q個(gè)微時(shí)隙,每個(gè)微時(shí)隙采用不同的加權(quán)矢量,最后選擇最好的用戶在數(shù)據(jù)階段進(jìn)行通信。導(dǎo)頻模式和數(shù)據(jù)模式都采用多波束時(shí)的系統(tǒng)吞吐量最大,是因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸階段的多波束會(huì)帶來(lái)空分多址增益。相同的仿真條件下,3種機(jī)會(huì)波束成形技術(shù)下每個(gè)用戶的吞吐量比較見(jiàn)圖3?？梢钥吹?導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)模式都采用多波束時(shí)單個(gè)用戶的性能最好,導(dǎo)頻多波束時(shí)單個(gè)用戶的性能比單波束時(shí)略有提高。相同的仿真條件下,3種機(jī)會(huì)波束成形技術(shù)下每個(gè)用戶的調(diào)度頻率比較見(jiàn)圖4,由于數(shù)據(jù)模式采用了多波束(B0=2),即同時(shí)和兩個(gè)用戶進(jìn)行通信,所以其調(diào)度頻率幾乎是其它兩種機(jī)會(huì)波束成形技術(shù)的兩倍。從圖4中可以看出,3種機(jī)會(huì)波束成形技術(shù)的公平性幾乎一樣,多波束技術(shù)并不能改善公平性。3動(dòng)態(tài)空-時(shí)二維多址技術(shù)的應(yīng)用本文重點(diǎn)對(duì)單波束和多波束機(jī)會(huì)波束成形技術(shù)的性能作了全面的比較