载波频率偏移下分布式MIMO系统性能分析
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【摘要】 文中针对载波频率偏移对分布式mimo系统的性能进行了仿真分析，仿真结果表明：载波频率偏移和不理想的信道估计会对系统性能产生较大影响；高阶调制更容易受到载波频率偏移的影响；ZF和MMSE译码算法与传统的Alamouti译码算法相比对于载波频率偏移更加稳健，当取值较大时，采用ZF和MMSE译码性能要好于传统的Alamouti译码算法；随着各链路载波频率偏移差别的减小，传统的Alamouti译码算法性能不断改善。
【关键词】 载波频率偏移 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
如何提高无线通信系统的传输速率和可靠性是目前无线通信研究的重点。多天线技术为解决上述问题提供了新的方法。MIMO技术可以在不增加系统带宽及发送功率的情况下有效提高系统的信道容量和传输可靠性，目前已经得到了广泛的研究[1-3]。由于在小体积的移动设备上安装多跟天线并确保各天线相互独立是很难实现的，人们提出了分布式MIMO系统，若干地理位置分散的单天线移动终端通过相互协作实现虚拟的MIMO系统[4-6]。目前大多数的研究都是假设各分布式发送节点的频率完全一致，但在实际情况下，各独立发送节点的本地震荡很难产生完全相同的载波频率，因此不同的链路间一定存在载波频率偏差（CFOs）。载波频率偏差对通信系统势必产生一定的影响[7]。
文中针对载波频率偏移对分布式MIMO系统的性能进行了仿真分析，仿真结果表明：载波频率偏移和不理想的信道估计会对系统性能产生较大影响；高阶调制更容易受到载波频率偏移的影响；ZF和MMSE译码算法与传统的Alamouti译码算法相比对于载波频率偏移更加稳健，当取值较大时，采用ZF和MMSE译码性能要好于传统的Alamouti译码算法；随着各链路载波频率偏移差别的减小，传统的Alamouti译码算法性能不断改善。
二、系统模型
如图1所示，表示发送节点，表示接收节点，整个系统由N个分布式的发送节点和1个天线数目为M的接收节点组成，表示第个发送节点的天线数目。
假设发送天线的载波频率为，但在实际情况下，各发射节点使用的本地振荡器不可能全部产生理想的载波频率。发射节点和接收节点的载波频率多多少少会与有一定的偏差。假设第个发送节点的频率为
（1）
为了便于分析，假设每个发送节点所有发送天线载波频率都为，类似的，接收节点所有接收天线的本振频率都为
（2）
因此第个发送节点和接收节点之间的载波频率偏移（CFOs）为
（3）
设每个发送符号的持续时间为，则归一化的载波频率偏移可以表示为
（4）
三、仿真分析
不失一般性，仿真采用的信道模型都为瑞利块衰落信道，采用Alamouti编码方案[6]。图2仿真分析了载波频率偏移和信道估计不理想的情况下系统的误码率性能，采用Alamouti发送分集，接收天线数目为1，BPSK调制，第一条链路载波频率偏移，第二条链路载波频率偏移，信道估计误差的方差为，接收端采用传统的Alamouti译码算法，“ideal”表示不存在载波频率偏移，信道估计理想，“”表示信道估计理想。从图中可以发现，信道估计理想的情况下，载波频率偏移对系统的影响较小，在误码率为时，性能损失仅为0.5dB。然而当信道估计不理想的情况下，载波频率偏移对系统性能有明显的影响。图3采用8PSK调制，载波频率偏移仍为，，接收天线数目为2，可以发现与BPSK调制相比，8PSK调制对于载波频率偏移更为敏感。图4仿真分析了信噪比为15dB，8PSK，，时的系统性能。译码算法分别采用传统算法、MMSE和ZF。实线表示信道估计良好，虚线代表信道估计误差为。从图中可以发现，随着和之间差别的减小，传统Alamouti译码算法性能不断改善。当时，系统的性能和理想情况下性能相同。同样可以发现ZF和MMSE译码算法对取值的变化并不敏感，在信道估计无误差的情况下能够达到理想情况下的性能。由此可以得出，当取值较大时，采用ZF和MMSE译码性能要好于传统的Alamouti译码算法。
图2 系统性能仿真，接收天线数目为1，BPSK，，
图3 系统性能仿真，8PSK，接收天线数目为2，，
图4 系统性能仿真，SNR=15dB，8PSK，，
四、结论
文中针对载波频率偏移对分布式MIMO系统的性能进行了仿真分析，仿真结果表明：载波频率偏移和不理想的信道估计会对系统性能产生较大影响；高阶调制更容易受到载波频率偏移的影响；ZF和MMSE译码算法与传统的Alamouti译码算法相比对于载波频率偏移更加稳健，当取值较大时，采用ZF和MMSE译码性能要好于传统的Alamouti译码算法；随着各链路载波频率偏移差别的减小，传统的Alamouti译码算法性能不断改善。
联系方式：李宇 河南省郑州市二七区马寨镇学院路1号郑州科技学院，
邮编：450064
手机：15036160385
参 考 文 献
[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] 苏永哲.分布式MIMO研究[D].南京：南京邮电大学，2010.
[6] 汤一彬. MIMO及协作通信中的信号接收检测的研究[D]. 南京：南京邮电大学，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.