[論文レビュー] High Throughput of WiMAX MIMO OFDM Including Adaptive Modulation and Coding

Hadj Zerrouki, Mohammed Feham|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2010

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 6被引用数 22

ひとこと要約

本稿は、WiMAX MIMO OFDMシステムにおける高スループット性能を、適応変調・符号化（AMC）と2x2 MIMO構成を組み合わせることで調査している。QPSK、16QAM、64QAM変調と、レート1/2、2/3、3/4のコンvolution符号を用い、特に高SNR条件下でSISOシステムに比べ顕著なスペクトル効率およびスループットの向上を示している。シミュレーション環境下でピークデータレートは15 Mbpsを超えた。

ABSTRACT

WiMAX technology is based on the IEEE 802.16 specification of which IEEE 802.16-2004 and 802.16e amendment are Physical (PHY) layer specifications. IEEE 802.16-2004 currently supports several multiple-antenna options including Space-Time Codes (STC), Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) antenna systems and Adaptive Antenna Systems (AAS). The most recent WiMAX standard (802.16e) supports broadband applications to mobile terminals and laptops. Using Adaptive Modulation and Coding (AMC) we analyze the performance of OFDM physical layer in WiMAX based on the simulation results of Bit Error Rate (BER), and data throughput. The performance analysis of OFDM PHY is done. In this paper, an extension to the basic SISO mode, a number of 2 by 2 MIMO extensions are analysed under different combinations of digital modulation (QPSK, 16QAM and 64QAM) and Convolutional Code (CC) with half, two-third and three quarter rated codes. The intent of this paper is to provide an idea of the benefits of multiple antenna systems over single antenna systems in WiMAX type deployments.

研究の動機と目的

• MIMO-OFDMがWiMAXシステムにおいて単一アンテナ（SISO）構成に比べて性能向上をもたらすかどうかを評価すること。
• 適応変調・符号化（AMC）がMIMO-OFDM WiMAXにおけるスペクトル効率およびスループットに与える影響を分析すること。
• さまざまな変調方式（QPSK、16QAM、64QAM）およびコードレート（1/2、2/3、3/4）におけるビット誤り率（BER）およびデータスループットの増益を定量化すること。
• 2x2 MIMO構成の性能ベンチマークを、モバイルWiMAX（IEEE 802.16e）展開に提供すること。
• 複数アンテナシステムがブロードバンドモバイルアクセス環境において実現可能で、性能向上をもたらすかどうかを評価すること。

提案手法

• IEEE 802.16e物理層仕様に基づく2x2 MIMO OFDMシステムのシミュレーション。
• QPSK、16QAM、64QAM変調方式を用いた適応変調・符号化（AMC）の実装。
• チャネル状態に応じた伝送信頼性の調整のため、レート1/2、2/3、3/4のコンvolution符号の使用。
• ビット誤り率（BER）およびスペクトル効率（スループット）を主な指標として、システム性能の評価。
• さまざまな信号対雑音比（SNR）条件下でのSISOと2x2 MIMO構成の性能比較。
• レイリー fadedチャネルにおける、さまざまな変調および符号化組み合わせのスループット増益の分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2x2 MIMO OFDMにAMCを適用した場合、WiMAXシステムにおいてSISOに比べスペクトル効率およびスループットがどのように向上するか？
• RQ2 さまざまな変調方式（QPSK、16QAM、64QAM）がMIMO-OFDM WiMAXにおけるBERおよびデータレートに与える影響は何か？
• RQ3 さまざまなコンvolution符号レート（1/2、2/3、3/4）がMIMO-OFDMシステムにおける誤り性能およびスペクトル効率に与える影響は何か？
• RQ4 高SNR条件下での2x2 MIMO WiMAXにおける最大達成可能データレートおよびスループット増益は何か？
• RQ5 AMCとMIMOダイバーシティの組み合わせが、モバイルブロードバンドアクセスにおいて信頼性およびスペクトル効率をどのように向上させるか？

主な発見

• 64QAMと3/4レート符号化を用いた高SNR条件下で、2x2 MIMO構成は15 Mbpsを超えるピークデータレートを達成した。
• 特に高SNR領域において、SISOシステムと比較して2倍のスループット増益が観測された。
• MIMOダイバーシティのおかげでBER性能が顕著に向上し、64QAMと3/4レート符号化ではSNR > 20 dBでBER < 10^-4を達成した。
• 適応変調・符号化（AMC）により、チャネル状態に応じた動的適応が可能となり、さまざまなSNR領域で高いスペクトル効率を維持した。
• 64QAMと3/4レートコンvolution符号化の組み合わせが最高のスペクトル効率を実現し、データレートと信頼性の最良のトレードオフを達成した。
• レイリー fadedチャネルにおいても、MIMOダイバーシティがマルチパスフェージングを効果的に低減させ、リンク信頼性を向上させた。