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李平安 杨堃 孙勤
武汉理工大学, 武汉430070
pingan_li@hotmail.com kunshao9795@hotmail.comsun.qin.work@gmail.com
摘要：针对室内无线局域网OFDM系统，本文基于IEEE802.11 Wireless LANs建议的典型室内信道模型，采用bell型多普勒功率谱，研究了在两种不同的波束赋形结构pre-FFT和post-FFT下，两种典型的波束赋形算法，即基于DOA估计波束赋形和基于主特征值矢量波束赋形，并通过仿真比较了它们的性能。
关键词：WLAN，OFDM，pre-FFT，post-FFT，波束赋形
1. 前言
宽带通信系统性能受限的三个主要原因是：多径衰落，时间扩散和共信道干扰[1]。OFDM技术可以有效抑制高速率数据传输时多径衰落中时延扩散引起的符号间干扰，因此被认为是下一代通信系统中的核心技术之一[2]。而波束赋形技术的主要优点是可以提高输出信噪比，抑制共信道干扰，所以结合波束赋形的多天线OFDM系统被广泛提出。对于OFDM系统，有两类结合天线阵列的方法，一种是时域的波束赋形[2-4]，称为pre-FFT,另一种是频域的波束赋形，称为post-FFT[3-6]。前者只需要进行一次波束赋形，具有结构与计算简单的优点，而后者需要在每个频点上都进行波束赋形，但其性能更优。这些波束赋形技术主要包括主特征矢量技术(PC)，基于波达方向(DOA)的技术。
存在的智能天线OFDM系统采用各种不同的信道模型。对于无线局域网，IEEE802.11最近提出了MIMO室内信道参数[7] 。基于该信道模型，采用了Bell型多普勒功率谱，本文分别比较了基于DOA和基于主特征矢量的pre-FFT和post-FFT 波束赋形OFDM系统的性能。
2. 系统模型
一个典型的OFDM系统发射机如图一所示，二进制序列首先被映射为16QAM符号，随后在数据符号中插入导频序列。经过IFFT变换后，这些符号被调制到N个子载波上，这个过程就是所谓的多载波调制。我们可以用这样一个方程表示多载波调制：
s(n)=IDFT{S(k)}= 本课题受湖北省自然科学基金No. 2005ABA224的资助
∑S(k)e
k=0
N−1
−j2πkn/N
,
n=0,L,N−1 （1）
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经过串/并转换后，插入保护间隔，为了防止OFDM符号间干扰。这些保护间隔是OFDM符号中最后Ng个抽样的复制。
16QAM 编码 信源 导频 图1.OFDM系统发射机结构
随后OFDM信号被发送到无线多径衰落信道中，第m个天线接收的信号可以表示为
s(n)⊗hm(n)+ηm(n) （2） xm(n)=~
其中ηm(n)是第m个接收天线的加性高斯白噪声，hm(n)表示从发射天线到第m个接收天线的信道冲激响应。
2.1.1 Pre-FFT结构
图２所示是典型的时域波束赋形接收机结构。在进行傅里叶变换之前，根据阵列天线上
的接收信号，计算权值矢量并进行波束赋形。其处理过程可以表示为
y(n)=wx(n) （3） 其中x(n)=[x1(n),x2(n),L,xM(n)]为时域接收信号矢量，w为权值矢量，(•)为厄米特转置运算。
天线1 预处理 并串转换信道均衡 FFT预处理 16QAM解码 输出 T
H
H
天线M 预处理 抽出导频 波束赋形 图２．Pre-FFT阵列处理接收机结构
串并转换 并串转换 IFFT利用导频 估计信道 插入导频 保护间隔
…… 2
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图３为频域波束赋形接收机结构。接收信号经过去保护间隔，串并转换和傅里叶变换后，在频域中对每个子载波上的信号进行波束赋形，对第k的子载波的进行阵列处理后输出信号可以表示为
Z(k)=WkY(k),
TH
k=0,L,N−1 （4）
其中Y(k)=[Y1(k),Y2(k),L,YM(k)]，Wk为第k个子载波的权值矢量。Z(k)为阵列处理后输出信号。(•)为转置运算。
T
天线1 …预处理 FFT ∑天线M 预处理 FFT ∑抽出导频 波束赋形 利用导频 估计信道 图３．Post-FFT阵列处理接收机结构
3. 波束赋形技术
波束赋形的主要思想是使阵列处理后信号输出信噪比最大，考虑阵列处理的输出信号的
Ｎ个采样值y(1),y(2),L,y(N)，输出功率可以表示为
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P(w)=
Nˆ=1其中Rxx
N
∑
n=1H
N
1
y(n)=
N
2
∑w
n=1
N
H
ˆw （5）x(n)xH(n)w=wHR xx
∑x(n)x
n=1
N
(n)。
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信道均衡16QAM解码 输出 预处理 FFT ∑……… http://www.paper.edu.cn
假设接收机阵列响应矢量为a(θ)，期望用户信号到达方向为θ0。则传统的空间匹配滤波矢量定义为
w=a(θ0) （6） 在多径信道环境中，波达方向（DOA）的中心值满足均匀分布，角度扩散满足高斯分布或拉普拉斯分布。为了使输出功率最大，则
ˆa(θ)，s.t.−π/2<θ<π/2 （7）θ0=argmaxaH(θ)R xx
θ
{}3.2 基于主特征矢量的波束赋形技术（PC）
基于主特征矢量的波束赋形技术由于不需要DOA估计，其应用更为广泛。其空间滤波
矢量定义为
w=Vmax （8）
ˆ最大特征值对应的特征矢量。 其中Vmax为接收信号相关矩阵Rxx
4. 仿真及结果分析
本文采用IEEE802.11 Wireless LANs建议的典型室内信道模型[8]（信道参数如表1所示），多径的波达方向角度扩散假设满足高斯概率密度函数[9]，角度扩散为30度。对4个cluster分别产生4个均匀分布在[−π/3,π/3]的中心值。在多径信道中每个时延抽头上都产生一个基于Bell型功率谱的衰落系数[7]
阵元结构为均匀线性阵，阵元数为4和8。OFDM系统子载波数为1024个，一帧包含10个OFDM符号，前导训练序列为1个OFDM符号。载波中心频率为2GHz，系统带宽为20MHz。图4为4天线阵列基于DOA估计技术，基于主特征矢量技术（PC）的pre-FFT波束赋形和post-FFT波束赋形系统性能比较。图5为8天线阵列pre-FFT波束赋形和post-FFT波束赋形系统性能比较。
5. 结论
本文研究比较了pre-FFT和post-FFT结构多天线OFDM系统性能。仿真结果表明，pre-FFT结构与计算简单，而post-FFT结构系统性能更优。为了降低post-FFT结构计算复杂度，分析了子载波分组的post-FFT结构。在角度扩散相对较大的室内环境中，基于主特征值矢量波束赋形技术的多天线OFDM系统性能更优。
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Tap index Excess delay [ns] Power [dB]
Cluster 1
1 0 -2.6 2 10 -3.0 3 20 -3.5 4 30 -3.9 5 50 -4.5 6 80 -5.6 7 110 -6.9 9 180 -9.8 10 230 -11.7 11 280 -13.9 12 330 -16.1 14 430 -20.5 15 490 -22.9
Power [dB]Cluster 2
-1.8 -3.2 -4.5
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Power [dB]Cluster 3
-9.6 -14.2 -13.8 -18.6 -18.1 -22.8
Power [dB] Cluster4
-20.6 -20.5
8 140 -8.2 -5.8
-9.9 -10.3 -14.3
-7.1 -7.9
13 380 -18.3 -14.7
-18.7 -19.9
-22.4 16 560
-20.7 17 640 -24.6 18 730
图4. 4天线阵列pre-FFT波束赋形和post-FFT波束赋形系统性能比较
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图5. 8天线阵列pre-FFT波束赋形和post-FFT波束赋形系统性能比较
参考文献
[1]Hidehiro Matsuoka, Hiroki Shoki. Comparison of pre-FFT and post-FFT processing adaptive arrays
for OFDM systems in the presence of co-channel interference, IEEE 14th International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communication Proceedings, 2003.
[2] Chan Kyu KIM. Pre-FFT Adaptive Beamforming Algorithm for OFDM System with Array Antenna. IEICE
Trans. Commun.,vol.E86-B,NO.3,2003
[3] Zhongding Lei, Francois P. S. Chin. Post and Pre-FFT beamforming in an OFDM system, IEEE 59th
Vehicular Technology Conference, 2004-Spring. 17-19，pp. 39- 43 Vol.1, Milan, Italy，May 2004. [4] Diego Bartolome, Ana I.Perez-Neira. Per- and Post-FFT SIMO Array Techniques in Hiperlan/2
Environments.IEEE 55th Vehicular Technology Conference, 2002.
[5] Ming LEI, Hiroshi, Hiroshi HSRADA, and Ping, ZHANG. Subband Adaptive Loading for Combination
of OFDM and Adaptive Antenna Array. IEICE Trans. Commun., 2004.
[6] Fabrizio Sellone, Piero Cavallotti, Elisabetta D Angelo. A semi-blind iterative joint
beamformer for IEEE 802.11g WLAN, IEEE 6th CAS Symp. on Emerging, Technologies: Mobile and Wireless Comm. Shanghai, China, May 31- June 2, 2004, PP. 615-618. [7]Vinko Erceg,et al. TGn Channel Models, IEEE 802.11-03/940r2, Jan.2004.
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Li Ping’an, Yang Kun, Sun Qin
Wuhan University of Technology, 430070,
pingan_li@hotmail.com kunshao9795@hotmail.comsun.qin.work@gmail.com
Abstract: In this paper, based “Bell” shape Doppler power spectrum which are recommended by IEEE802.11 Wireless LANs, the DOA based beamforming technique and main eigenvector based beamforming technique are compared in OFDM system with pre- and post-FFT scheme array antenna for indoor environment. In addition, main eigenvector based beamforming technique system outperforms the system with a DOA based beamforming technique. Simulations are conducted to verify the above conclusion.
Key words: OFDM; post-FFT; pre-FFT; beamforming
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