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(tǒng)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(jìn)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(jìn)算法下的系統(tǒng)誤碼率性能。仿真結(jié)果表明，在高速運動情況下，提出的改進(jìn)算法能有效提高系統(tǒng)性能，三次樣條插值的性能最好，但運算復(fù)雜度較高。
關(guān)鍵詞：WiMAX-MIMO-OFDM；信道估計：插值；導(dǎo)頻

0 引言
全球微波互聯(lián)接入技術(shù)(Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX)是基于IEEE 802．16標(biāo)準(zhǔn)的一項新興無線城域網(wǎng)技術(shù)，是針對微波和毫米波頻段提出的一種新的空中接口標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802．16標(biāo)準(zhǔn)主要包括固定寬帶無線接入空中接口標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802．16d和移動寬帶無線接入空中接口標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802．16e。IEEE 802．16e的目標(biāo)是能夠向下兼容IEEE 802．16d，其物理層實現(xiàn)與IEEE 802．16d基本一致，主要差別在于對OFDMA進(jìn)行了擴(kuò)展。IEEE 802．16d中，僅規(guī)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(yīng)不同地理區(qū)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(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的提供和較低的成本，被業(yè)界視為能與3G相抗衡的下一代無線寬帶技術(shù)。
OFDM技術(shù)以其相對簡單的均衡機(jī)制和抗多徑衰落的特性，在無線通信領(lǐng)域被廣泛使用。多入多出(MIMO)技術(shù)通過提高頻譜效率實現(xiàn)了更高數(shù)據(jù)傳輸速率的承諾，在多徑豐富的環(huán)境下運行時，MIMO具有增強(qiáng)信號魯棒性和提高容量的潛力。當(dāng)OFDM系統(tǒng)結(jié)合MIMO技術(shù)時，接收信號是多根發(fā)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(zhǔn)確程度極大地影響著系統(tǒng)性能。由于WiMAX系統(tǒng)的延遲擴(kuò)散在微秒以上，如何在高速率傳輸數(shù)據(jù)的同時保證快速衰落信道的誤碼率就成為一個具有挑戰(zhàn)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(jìn)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(jìn)算法情況下的性能差異，最后給出相應(yīng)的仿真結(jié)果及結(jié)論。

1 WiMAX-MIMO-OFDM系統(tǒng)模型
1．1 導(dǎo)頻插入形式
由于IEEE 802．16e標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜性及其采用了無線空中接口和MAC協(xié)議，使得WiMAX系統(tǒng)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(jié)合起來：信號仿真和協(xié)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(xié)議的性能。
WiMAX系統(tǒng)中典型的導(dǎo)頻插入形式有塊狀導(dǎo)頻和梳狀導(dǎo)頻，它們分別對應(yīng)慢衰落和快衰落的信道情況。塊狀導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)的信道估計，適用于慢衰落無線信道。基于塊狀導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)的信道估計是指在發(fā)送信號中每隔一定的時間插入導(dǎo)頻信號，且導(dǎo)頻信號占用所有的子載波，收方通過對導(dǎo)頻信號的處理進(jìn)行信道估計。本文的仿真系統(tǒng)采用梳狀導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)。
1．2 發(fā)送端與接收端Simulink模型
WiMAX標(biāo)準(zhǔn)針對不同的碼率提供了專門的物理層數(shù)據(jù)向量實例和調(diào)制模式。本文所搭建的仿真系統(tǒng)發(fā)送端和接收端Simulink模型如圖1，圖2所示。