載波頻率偏移下分布式MIMO系統性能分析

【摘要】 文中針對載波頻率偏移對分布式MIMO系統的性能進行了仿真分析，仿真結果表明：載波頻率偏移和不理想的信道估計會對系統性能產生較大影響；高階調制更容易受到載波頻率偏移的影響；ZF和MMSE譯碼算法與傳統的Alamouti譯碼算法相比對于載波頻率偏移更加穩健，當取值較大時，采用ZF和MMSE譯碼性能要好于傳統的Alamouti譯碼算法；隨著各鏈路載波頻率偏移差別的減小，傳統的Alamouti譯碼算法性能不斷改善。

【關鍵詞】 載波頻率偏移 分布式MIMO Alamouti 性能分析

Performance Analysis of Distributed MIMO System with CFOs

LI Yu ，ZHANG Bao long （Zhengzhou Institute of Science and Technology， Zhengzhou，Henan 450064，China）

Abstract： The performance of distributed MIMO system with CFOs is analysised in this paper. Simulation results show that CFOs and unperfect channel tracking have great influence on the system. High order modulation is more sensitive than lower ones. The performance of ZF and MMSE receivers are more robust for the consider of andthan conventional Alamouti detection. When the difference of is large， it is better to use ZF and MMSE receivers than conventional Alamouti detection. The performance of conventional Alamouti decoding improves as soon as is reduced.

Key word： CFOs； distributed MIMO； Alamouti； Performance analysis

一、引言

如何提高無線通信系統的傳輸速率和可靠性是目前無線通信研究的重點。多天線技術為解決上述問題提供了新的方法。MIMO技術可以在不增加系統帶寬及發送功率的情況下有效提高系統的信道容量和傳輸可靠性，目前已經得到了廣泛的研究[1-3]。由于在小體積的移動設備上安裝多跟天線并確保各天線相互獨立是很難實現的，人們提出了分布式MIMO系統，若干地理位置分散的單天線移動終端通過相互協作實現虛擬的MIMO系統[4-6]。目前大多數的研究都是假設各分布式發送節點的頻率完全一致，但在實際情況下，各獨立發送節點的本地震蕩很難產生完全相同的載波頻率，因此不同的鏈路間一定存在載波頻率偏差（CFOs）。載波頻率偏差對通信系統勢必產生一定的影響[7]。

文中針對載波頻率偏移對分布式MIMO系統的性能進行了仿真分析，仿真結果表明：載波頻率偏移和不理想的信道估計會對系統性能產生較大影響；高階調制更容易受到載波頻率偏移的影響；ZF和MMSE譯碼算法與傳統的Alamouti譯碼算法相比對于載波頻率偏移更加穩健，當取值較大時，采用ZF和MMSE譯碼性能要好于傳統的Alamouti譯碼算法；隨著各鏈路載波頻率偏移差別的減小，傳統的Alamouti譯碼算法性能不斷改善。

二、系統模型

如圖1所示，表示發送節點，表示接收節點，整個系統由N個分布式的發送節點和1個天線數目為M的接收節點組成，表示第個發送節點的天線數目。

假設發送天線的載波頻率為，但在實際情況下，各發射節點使用的本地振蕩器不可能全部產生理想的載波頻率。發射節點和接收節點的載波頻率多多少少會與有一定的偏差。假設第個發送節點的頻率為

（1）

為了便于分析，假設每個發送節點所有發送天線載波頻率都為，類似的，接收節點所有接收天線的本振頻率都為

（2）

因此第個發送節點和接收節點之間的載波頻率偏移（CFOs）為

（3）

設每個發送符號的持續時間為，則歸一化的載波頻率偏移可以表示為

（4）

三、仿真分析

不失一般性，仿真采用的信道模型都為瑞利塊衰落信道，采用Alamouti編碼方案[6]。圖2仿真分析了載波頻率偏移和信道估計不理想的情況下系統的誤碼率性能，采用Alamouti發送分集，接收天線數目為1，BPSK調制，第一條鏈路載波頻率偏移，第二條鏈路載波頻率偏移，信道估計誤差的方差為，接收端采用傳統的Alamouti譯碼算法，“ideal”表示不存在載波頻率偏移，信道估計理想，“”表示信道估計理想。從圖中可以發現，信道估計理想的情況下，載波頻率偏移對系統的影響較小，在誤碼率為時，性能損失僅為0.5dB。然而當信道估計不理想的情況下，載波頻率偏移對系統性能有明顯的影響。圖3采用8PSK調制，載波頻率偏移仍為，，接收天線數目為2，可以發現與BPSK調制相比，8PSK調制對于載波頻率偏移更為敏感。圖4仿真分析了信噪比為15dB，8PSK，，時的系統性能。譯碼算法分別采用傳統算法、MMSE和ZF。實線表示信道估計良好，虛線代表信道估計誤差為。從圖中可以發現，隨著和之間差別的減小，傳統Alamouti譯碼算法性能不斷改善。當時，系統的性能和理想情況下性能相同。同樣可以發現ZF和MMSE譯碼算法對取值的變化并不敏感，在信道估計無誤差的情況下能夠達到理想情況下的性能。由此可以得出，當取值較大時，采用ZF和MMSE譯碼性能要好于傳統的Alamouti譯碼算法。

圖2 系統性能仿真，接收天線數目為1，BPSK，，

圖3 系統性能仿真，8PSK，接收天線數目為2，，

圖4 系統性能仿真，SNR=15dB，8PSK，，

四、結論

文中針對載波頻率偏移對分布式MIMO系統的性能進行了仿真分析，仿真結果表明：載波頻率偏移和不理想的信道估計會對系統性能產生較大影響；高階調制更容易受到載波頻率偏移的影響；ZF和MMSE譯碼算法與傳統的Alamouti譯碼算法相比對于載波頻率偏移更加穩健，當取值較大時，采用ZF和MMSE譯碼性能要好于傳統的Alamouti譯碼算法；隨著各鏈路載波頻率偏移差別的減小，傳統的Alamouti譯碼算法性能不斷改善。

聯系方式：李宇 河南省鄭州市二七區馬寨鎮學院路1號鄭州科技學院，

郵編：450064

手機：15036160385

參 考 文 獻

[1] S.M. Alamouti， “A simple transmitter diversity scheme for wireless communications，” IEEE Journal on Selected Areas of communications， vol.16， pp.1451-1458， Oct. 1998.

[2] V.Tarokh， H. Jafarkhani， A. R. Calderbank， “Space-time block codes from orthogonal designs，” IEEE Trans. Inform. Theory， vol. 45， pp.1456-1467， July 1999.

[3] C. Xu， Y. Gong， and K. B. Letaief， “High-rate complex orthogonal space-time block codes for high number of transmit antennas，” in Proc. IEEE ICC 2009， pp. 823-826.

[4] Cui S，Goldsmith A J，and Bahai A.Energy efficiency of MIMO and cooperative MIMO techniques in sensor networks.IEEE Journal On Selected Areas in Communications，2004，22（6）：1089-1098.

[5] 蘇永哲.分布式MIMO研究[D].南京：南京郵電大學，2010.

[6] 湯一彬. MIMO及協作通信中的信號接收檢測的研究[D]. 南京：南京郵電大學，2012.

[7] Sendonaris，A.；Erkip，E.；Aazhang，B，User cooperation diversity.Part I.System description[J]，IEEE Transactions on Communications，Volume 51，Issue 11，Nov.2003 Page（s）：1927—1938.