基于Simulink的WiMAX-MIMO-OFDM物理层性能仿真

摘要：为了估计WiMAX-MIMO-OFDM系统的信道特性，使用Simulink工具搭建了一个基于IEEE 802．16e的WiMAX物理层模型，改进了一种针对快速时变信道的估计算法，研究和对比了在接收端不同移动速度情况下，线性插值、高斯插值和三次样条插值在原算法和改进算法下的系统误码率性能。仿真结果表明，在高速运动情况下，提出的改进算法能有效提高系统性能，三次样条插值的性能最好，但运算复杂度较高。
关键词：WiMAX-MIMO-OFDM；信道估计：插值；导频

0 引言
全球微波互联接入技术(Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX)是基于IEEE 802．16标准的一项新兴无线城域网技术，是针对微波和毫米波频段提出的一种新的空中接口标准。IEEE 802．16标准主要包括固定宽带无线接入空中接口标准IEEE 802．16d和移动宽带无线接入空中接口标准IEEE 802．16e。IEEE 802．16e的目标是能够向下兼容IEEE 802．16d，其物理层实现与IEEE 802．16d基本一致，主要差别在于对OFDMA进行了扩展。IEEE 802．16d中，仅规定了2 048点OFDMA；而IEEE 802．16e中，可以支持128点、512点、1 024点和2 048点，以适应不同地理区域及从1．25～20 MHz的信道带宽差异。其中，IEEE 802．16e凭借其对移动性的支持，高速数据业务的提供和较低的成本，被业界视为能与3G相抗衡的下一代无线宽带技术。
OFDM技术以其相对简单的均衡机制和抗多径衰落的特性，在无线通信领域被广泛使用。多入多出(MIMO)技术通过提高频谱效率实现了更高数据传输速率的承诺，在多径丰富的环境下运行时，MIMO具有增强信号鲁棒性和提高容量的潜力。当OFDM系统结合MIMO技术时，接收信号是多根发射天线的信号叠加，不同天线之间的信号存在干扰，信道估计的准确程度极大地影响着系统性能。由于WiMAX系统的延迟扩散在微秒以上，如何在高速率传输数据的同时保证快速衰落信道的误码率就成为一个具有挑战性的课题。
本文使用Simulink工具搭建了基于IEEE 802．16e的WiMAX-MIMO-OFDM物理层仿真模型，并改进了一种针对快速衰落信道的信道估计算法，重点比较了在接收端不同移动速度的情况下，线性插值、高斯插值和三次样条插值在原算法和改进算法情况下的性能差异，最后给出相应的仿真结果及结论。

1 WiMAX-MIMO-OFDM系统模型
1．1 导频插入形式
由于IEEE 802．16e标准的复杂性及其采用了无线空中接口和MAC协议，使得WiMAX系统的仿真具有一定难度。最主要的难点是将两个单独的仿真方法结合起来：信号仿真和协议仿真。前者用于物理层，用来评估空中接口的性能；后者用于评估上层协议的性能。
WiMAX系统中典型的导频插入形式有块状导频和梳状导频，它们分别对应慢衰落和快衰落的信道情况。块状导频结构的信道估计，适用于慢衰落无线信道。基于块状导频结构的信道估计是指在发送信号中每隔一定的时间插入导频信号，且导频信号占用所有的子载波，收方通过对导频信号的处理进行信道估计。本文的仿真系统采用梳状导频结构。
1．2 发送端与接收端Simulink模型
WiMAX标准针对不同的码率提供了专门的物理层数据向量实例和调制模式。本文所搭建的仿真系统发送端和接收端Simulink模型如图1，图2所示。