基于Simulink的WiMAX-MIMO-OFDM物理層性能仿真

摘要：為了估計WiMAX-MIMO-OFDM系統的信道特性，使用Simulink工具搭建了一個基于IEEE 802．16e的WiMAX物理層模型，改進了一種針對快速時變信道的估計算法，研究和對比了在接收端不同移動速度情況下，線性插值、高斯插值和三次樣條插值在原算法和改進算法下的系統誤碼率性能。仿真結果表明，在高速運動情況下，提出的改進算法能有效提高系統性能，三次樣條插值的性能最好，但運算復雜度較高。
關鍵詞：WiMAX-MIMO-OFDM；信道估計：插值；導頻

0 引言
全球微波互聯接入技術(Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX)是基于IEEE 802．16標準的一項新興無線城域網技術，是針對微波和毫米波頻段提出的一種新的空中接口標準。IEEE 802．16標準主要包括固定寬帶無線接入空中接口標準IEEE 802．16d和移動寬帶無線接入空中接口標準IEEE 802．16e。IEEE 802．16e的目標是能夠向下兼容IEEE 802．16d，其物理層實現與IEEE 802．16d基本一致，主要差別在于對OFDMA進行了擴展。IEEE 802．16d中，僅規定了2 048點OFDMA；而IEEE 802．16e中，可以支持128點、512點、1 024點和2 048點，以適應不同地理區域及從1．25～20 MHz的信道帶寬差異。其中，IEEE 802．16e憑借其對移動性的支持，高速數據業務的提供和較低的成本，被業界視為能與3G相抗衡的下一代無線寬帶技術。
OFDM技術以其相對簡單的均衡機制和抗多徑衰落的特性，在無線通信領域被廣泛使用。多入多出(MIMO)技術通過提高頻譜效率實現了更高數據傳輸速率的承諾，在多徑豐富的環境下運行時，MIMO具有增強信號魯棒性和提高容量的潛力。當OFDM系統結合MIMO技術時，接收信號是多根發射天線的信號疊加，不同天線之間的信號存在干擾，信道估計的準確程度極大地影響著系統性能。由于WiMAX系統的延遲擴散在微秒以上，如何在高速率傳輸數據的同時保證快速衰落信道的誤碼率就成為一個具有挑戰性的課題。
本文使用Simulink工具搭建了基于IEEE 802．16e的WiMAX-MIMO-OFDM物理層仿真模型，并改進了一種針對快速衰落信道的信道估計算法，重點比較了在接收端不同移動速度的情況下，線性插值、高斯插值和三次樣條插值在原算法和改進算法情況下的性能差異，最后給出相應的仿真結果及結論。

1 WiMAX-MIMO-OFDM系統模型
1．1 導頻插入形式
由于IEEE 802．16e標準的復雜性及其采用了無線空中接口和MAC協議，使得WiMAX系統的仿真具有一定難度。最主要的難點是將兩個單獨的仿真方法結合起來：信號仿真和協議仿真。前者用于物理層，用來評估空中接口的性能；后者用于評估上層協議的性能。
WiMAX系統中典型的導頻插入形式有塊狀導頻和梳狀導頻，它們分別對應慢衰落和快衰落的信道情況。塊狀導頻結構的信道估計，適用于慢衰落無線信道。基于塊狀導頻結構的信道估計是指在發送信號中每隔一定的時間插入導頻信號，且導頻信號占用所有的子載波，收方通過對導頻信號的處理進行信道估計。本文的仿真系統采用梳狀導頻結構。
1．2 發送端與接收端Simulink模型
WiMAX標準針對不同的碼率提供了專門的物理層數據向量實例和調制模式。本文所搭建的仿真系統發送端和接收端Simulink模型如圖1，圖2所示。