-1-
一种基于循环延迟分集的MIMO-OFDM空时频编码
邵婷婷，盛豫
北京邮电大学，北京 (100876)
摘 要：本文结合空时编码和循环延迟分集技术，提出一种新的空时频编码方案，该编码是
一种有效的传输分集策略。将该方案与一般的 STC-OFDM系统相比，仿真结果表明，该编
码方法能显著提高系统的误比特率和误帧率。
关键词：空时码；循环延迟分集；MIMO-OFDM
1．引言
空时码[1]是为了实现多输入多输出(MIMO)系统中高码率，高性能传输提出的编码方案。
为了进一步提高无线通信系统中的可靠性和误码性能,将空时码和正交频分复用(OFDM )
调制技术相结合,能系统能够获得更高的频谱效率、传输速率和通信质量. 两者的结合已经成
为未来宽带移动通信中最具优势的物理层传输关键技术之一。
在MIMO-OFDM 系统中使用循环延迟的天线分集[2][3]方法，能为各路OFDM 调制信号
引入了不同的循环延迟, 可以等效看作是增加了信道的延迟扩展, 从而使信道特性呈现随机
性, 从接收端来看, 是等效增加了信道的频率选择性, 提高了频率分集, 因而能够在很大程
度上提高系统的可靠性和误码性能. 与传统的延迟概念不同的是, 各路OFDM 信号上的延
迟是时间上的循环延迟, 而不是时间上的滞后。
本文结合空时编码和循环延迟分集，提出一种新的空时频编码方案。该方案适用于相邻
小区传输相同数据的情形，如MBMS（多媒体广播组播业务）[4]。每小区使用STTC，同步
发射相同的空时码，在映射到OFDM中，每个小区的发射天线引入相同的循环延迟，相邻小
区里的循环延迟量不同；即在同小区的发射天线间进行空时编码，在不同小区的发射相同符
号的发射天线间进行循环延迟分集，实现了MIMO-OFDM系统的空时频编码。
2． 基于循环延迟分集的MIMO-OFDM空时频编码
本节中我们首先介绍基于循环延迟分集的 MIMO-OFDM 系统，分析其性能优良的原因。
然后将提出这种基于循环延迟分集的空时频编码方案。
循环延迟分集（CDD）
信道
纠错
编码
比特
交织 映射 IFFT
t1
t2
GI
GI
A
B
图 1 循环延迟分集系统发射端模型
-2-
去GI FFT 译码
信道估计
解交织 信道解码
C
D
图 2 循环延迟分集系统接收端模型
图 1 为循环延迟分集系统的发射端模型。图 2 为该系统的接收端模型。设原 OFDM 系
统每一发射接收天线对之间的多径模型为一个 L 阶的 FIR 滤波器：
0
( ) )
L l
l
l
h t h t
f
τ
=
= δ( − ∆∑ （1）
其中 f∆ 是 OFDM 系统的载频间隔。
OFDM 技术在每个发送符号块的前部加入保护间隔 GI，信号到达接收端去掉保护间隔，
使时域中原发送信号与多径信道冲激响应得线性卷积变为循环卷积，FFT 后在频域上就变成
多径信道的频率响应与 OFDM 子信道之间的相乘。
( ) ( ) ( )y k H k s k= （2）
其中 k=0,1,..N-1 为子载波号，s(k)、y(k)分别为该子载波上发送和接收的信号。H(k)为该
子载波上的频率响应。且有
2 /
0
( )
L
j k l N
l
l
h t h e π τ−
=
= •∑ （3）
设所采用的循环延迟技术共有 M 个发射天线，第 m 个发射天线上时域循环延迟量为，
x(k)为该子载波上原信息符号。则该天线上第 k 个子载波上的发射符号为:
2 /( ) ( ) mj k Nms k x k e δπ−= • （4）
其中 m=0,1,…M-1；k=0,1..N-1.
只考虑一个天线接收的时候。采用了 CDD 后的第 k 个子载波上接收的信息符号为：
1
0
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
M
m m CDD
m
r k H k S k x k H k
−
=
= = •∑ （5）
对于原发射信号 x(k)来说，等效信道响应为：
1
2 ( ) /
0 0
( ) ml m
M L
j k N
CDD ml
m l
H k h e τ δπ
−
−
= =
= •∑∑ （6）
由式（6）可知，对于不同的字载波 k 上发送的符号，等效信道响应 ( )CDDH k 均不同，
即循环延迟分集造成了虚拟的频率选择性衰落。采用循环延迟分集，等效于增加了信道多径
数和多径时延扩展程度。
信道编码作为外码, 其作用是通过增加信息的冗余度来改善系统的性能。若这些冗余信息
经历的衰落有一定的不相关性, 则解调时能获得分集增益。若这些冗余信息经历的衰落完全
相关时, 则解调只能获得编码增益。而获得分集增益是对抗无线信道衰落特性的主要手段。
因此如何让码组中的信息经历尽量不相关的衰落, 是至关重要的。
-3-
CDD 作为内码, 其作用是把空间分集转换为子载波间的频率分集, 通过多天线的循环
延迟制造虚拟的频率选择性衰落, 增加 OFDM 系统子信道衰落情况的不相关性。如果没有
应用信道编码的话, 则应用 CDD 的长时间统计 BER 与没有应用 CDD 时的基本一样。但
是通过适当的交织器和信道编码, 就能利用 CDD 制造的频率选择性衰落, 获得有效的频率
分集增益。信道解码中，若连续错误比特数目在卷积码的自由距以内，则能被正确解码。
CDD 的使用正是因为使得连续错误数目减少而解码性能大大提高。即系统的误比特性能将
得到提高。
基于循环延迟分集的空时频编码方案
信道
纠错
编码
比特
交织
空时
网格
编码
IFFT
IFFT
t1
t1
GI
GI
信道
纠错
编码
比特
交织
空时
网格
编码
IFFT
IFFT
t2
t2
GI
GI
A B
图 3 基于循环延迟分集的空时频编码系统的发射端模型
图 3 为基于循环延迟分集的空时频编码系统发送端模型。以两个小区为例，每个小区均
采用 2 根发射天线的 STTC 编码。
其中,OFDM 调制利用快速傅立叶反变换( IFFT) 实现,GI 代表 OFDM 系统中发送前的
保护间隔插入模块,信道编解码和比特交织的作用是在 CDD 将信道转化为频率选择性信道
的情况下仍能够挖掘完全的分集增益。
如图 3 所示，经过信道纠错编码，交织，空时网格编码，IFFT 后，此时小区 1 和小区
2 内的两路信号依然相同，不同的是，此后小区 1 对两路信号引入循环延迟 t1,小区 2 对两路
信号引入循环延迟 t2,然后插入保护间隔 GI，四路信号发射。
C
去GI FFT STTC 译码
信道估计
解交织 信道解码 D
图 4 基于循环延迟分集的空时频编码系统的接收端模型
图 4 为系统的接收模型.接收时信道估计中由于两小区引入不同的循环延迟，OFDM 的
每个子载波不相关，衰落系数均不同。
STTC 中，译码器采用 Viterbi 算法进行最大似然译码。当接收机有理想的信道状态信息，
-4-
设发送天线数为 nT,接收天线数目为 nR，某一时刻，对于一个以（xt1 , xt2 ,…xtnT ）标示
的分支，分支度量可以计算为假定接收符号和实际接收符号之间的二次方欧式距离，如
2
1 1
| * |
nR nT
t i
t ji t
j i
r j h x
= =
−∑ ∑ （7）
t 为子载波 0,1,…N-1 tjih 为发射天线 i 和 接收天线 j 之间的信道衰落系数。当信道衰落
系数在每帧内保持不变的块衰落情况时，在一般的 STTC 中，即 tjih 对每一子载波均相等，
为平坦衰落信道。引入小区分组 CDD 后，如基于 CDD 的 MIMO-OFDM 系统中所述，将出
现频率性衰落，每载波上衰落均不同，且可根据各小区天线的衰落系数，循环延迟分量方便
的求出:
( )t jiji CDDh H t= （8）
由于相邻子载波上的衰落均不同，此时出现 STTC 译码出现连续符号错误的可能性减
少。即译码错误更离散，在信道解码时将获得更大的编码增益。
3．实验及结果分析
仿真条件
为了说明该空时频编码方案的性能，对其进行了 matlab 仿真比较。
仿真参数设定：发射端如图 中采用 1/2 卷积编码，20 帧交织，QPSK 映射。STTC 编码
设定:2 发射天线，8 状态编码。OFDM 参数设定:64 子载波，64FFT。循环延迟量设定为：（1）
t1=0，t2=4 （2）t1=0，t2=16
接收端如图 发射天线与接收天线间为瑞利衰落。接收端采用理想信道估计。。
为了和该空时频码的性能进行比较，另仿真了一般的级联空时编码，即相当于图 仅有
一个小区发射。其参数设定与该空时频编码设置相同。
仿真结果和分析
仿真结果如图 5，图 5 的横坐标为接收信号的信噪比，六条曲线分别表示新的空时频编
码中循环延迟量设定为 0、4 和 0、16、以及传统的级联空时码的误比特率 BER 和误帧率
FER。通过图 5，我们可以看出，新的空时频编码方案的误比特率和误帧率要明显优于传统
的级联空时码，且随着接收信号信噪比的提高，该优势越明显。从图中还可以看出，该空时
频编码循环延迟量设定为 0、16 时性能要略优于为 0、4 时。
仿真结果说明，将循环延迟分集引入空时编码系统中，确实能显著提高系统的误比特率
和误帧率，该空时频编码有很高的实用价值。
-5-
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
10
-6
10
-5
10
-4
10
-3
10-2
10-1
100
BER CDD0-16
BER CDD 0-4
FER CDD 0-16
FER CDD 0-4
BER no CDD
FER,no CDD
图 5 新旧方案性能对比
4．总结
本文提出的这种结合空时编码和循环延迟分集的空时频编码，能够显著降低系统的误比
特率和误帧率，提高系统的性能。
参考文献
[1] . Alamouti, A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications, IEEE Journal on
Selected Areas in Communications, vol. 16, no 8, October 1998.
[2] M. Bosserty, A. Huebnery, F. Schuehleiny, H. Haasz, and E. Costaz , "On Cyclic Delay Diversity in
OFDM Based Transmission Schemes" , IEEE European Wireless, 2003.
[3] Hongwei Zhang, Hanwen Luo, Wenjun Zhang,Xingzhao Liu. A New Space-Time-Frequency
MIMO-OFDM Scheme with Cyclic Delay Diversity[C]// the IEEE 6th Circuits and Systems
Symposium, Shanghai: IEEE Press. 2004:647-650.
[4] Yu Sheng, Mugen Peng, Wenbo Wang. Adaptive Traffic Multiplexing for MBMS in the UMTS System Based
on the Scalable Coding[C]// ChinaCom 2006, Beijing: IEEE Press, 2006 :1-5
A Space-Time-Frequency Coding based Cyclic Delay
Diversity for MIMO-OFDM System
Shao Tingting，Sheng Yu
Beijing University of Posts and Communication，Beijing (100876)
Abstract
A transmit diversity strategy based on space-time-frequency coding , by which the frequency diversity
was implemented with putting cyclic delay diversity into the traditional space time coded system,is
proposed. Simulation results show that the proposed transmit diversity technique can improve the BER
and FER performance to those users who are at the edge between the cells ,compared to that of
STC-OFDM.
Keywords：Space-time coding；Cyclic delay diversity；MIMO-OFDM
