一種新型的無線廣播網(wǎng)復(fù)用技術(shù)分析*

史勝西 ，蔡青春 ，劉洪武 ，楊國為 ，李明齊 ，李 騰

(1．南昌航空大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌330063；2．中科院上海高等研究院 新媒體中心，上海201210)

三網(wǎng)融合是一種重要的產(chǎn)業(yè)融合現(xiàn)象，它是指通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)改造實(shí)現(xiàn)寬帶通信網(wǎng)、數(shù)字電視網(wǎng)、下一代互聯(lián)網(wǎng)的融合，能夠使終端用戶便捷地接收到語音、數(shù)據(jù)、圖像等綜合多媒體通信業(yè)務(wù)[1]。目前世界各國紛紛將三網(wǎng)融合作為提升信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新的增長引擎，上升為重要的國家戰(zhàn)略，其中有許多成功經(jīng)驗(yàn)為全面推動(dòng)我國的三網(wǎng)融合提供了重要啟示。2008年，我國廣電部和科技部聯(lián)合簽署了《國家高性能寬帶信息網(wǎng)即中國下一代廣播電視網(wǎng)自主創(chuàng)新合作協(xié)議書》，以有線電視網(wǎng)數(shù)字化整體轉(zhuǎn)換和中國移動(dòng)多媒體廣播CMMB的成果為基礎(chǔ)，開發(fā)適合我國國情、有線無線技術(shù)相結(jié)合、全程全網(wǎng)的中國下一代廣播電視網(wǎng)技術(shù)體系，突破相關(guān)核心技術(shù)，開發(fā)成套設(shè)備，建設(shè)下一代廣播電視網(wǎng)（NGB）[2]。

1 復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的復(fù)用技術(shù)，簡單來說就是將多個(gè)信號(hào)組合起來在一條物理信道上進(jìn)行傳輸，常用的復(fù)用方式有時(shí)分復(fù)用、頻分復(fù)用及波分復(fù)用等，在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)可大大節(jié)省電纜的安裝和維護(hù)費(fèi)用[3]。在三網(wǎng)融合的通信系統(tǒng)中，針對(duì)不同的數(shù)據(jù)來源應(yīng)該考慮如何進(jìn)行合理的復(fù)用及有效的資源分配，以達(dá)到在有限的帶寬下傳輸更多的節(jié)目以及得到更有效的資源利用率。因此，復(fù)用在整個(gè)信號(hào)處理過程中起到資源分配的核心作用，其方案設(shè)計(jì)直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

2 現(xiàn)有復(fù)用方案的不足與改進(jìn)

現(xiàn)有的數(shù)字廣播電視中，多業(yè)務(wù)的傳輸主要采用傳輸流（TS）層次的復(fù)用，即在發(fā)端將不同業(yè)務(wù)以TS包為單位的傳送流經(jīng)過復(fù)用器，復(fù)用為一個(gè)含有多個(gè)業(yè)務(wù)的傳送流，并通過TS包中的PID對(duì)來自不同業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)分。對(duì)于復(fù)用后的傳送流進(jìn)行編碼、調(diào)制并對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行傳輸。這樣調(diào)制器就只針對(duì)復(fù)用后的一路數(shù)據(jù)采用完全相同的調(diào)制編碼方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

我國的CMMB系統(tǒng)復(fù)用方案，對(duì)視頻、音頻、數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)統(tǒng)一采用固定的封裝格式組成復(fù)用子幀，再由復(fù)用子幀形成復(fù)用幀。這種復(fù)用方式在封裝格式、信令信息、調(diào)制編碼方式都過于死板，所能承載的節(jié)目數(shù)量也很有限[4-5]。

本文通過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的分析比較，針對(duì)現(xiàn)有復(fù)用方案的不足[6-7]，以CMMB系統(tǒng)物理幀為基礎(chǔ)，提出一種適合我國無線廣播網(wǎng)的靈活兼容的復(fù)用方案。其主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)多業(yè)務(wù)流處理。采用邏輯管道LTP（Logical Transfer Pipe）映射機(jī)制，將不同類型的數(shù)據(jù)流映射入不同的邏輯管道中，在各自不同的邏輯管道中分別采用不同的調(diào)制編碼方式。(2)資源分配。將物理幀OFDM符號(hào)分為多個(gè)子片，將不同LTP上的數(shù)據(jù)靈活地映射到各個(gè)子片上，實(shí)現(xiàn)時(shí)分及頻分復(fù)用。(3)信令信息結(jié)構(gòu)。通過動(dòng)態(tài)傳遞來逐幀更新最新信令。(4)兼容性。以現(xiàn)有CMMB物理幀為基礎(chǔ)，仍以1 s為一個(gè)物理幀，可以與現(xiàn)有的CMMB信號(hào)兼容。最終復(fù)用器將為調(diào)制器提供數(shù)據(jù)塊及靈活的信令信息。

3 新型復(fù)用技術(shù)分析

新型復(fù)用技術(shù)支持更多的節(jié)目及更多不同類型的業(yè)務(wù)流，通過業(yè)務(wù)流處理單元及資源管理單元來滿足對(duì)多業(yè)務(wù)流的靈活復(fù)用及資源調(diào)度，實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的復(fù)用功能。其架構(gòu)如圖1所示。

3.1 業(yè)務(wù)流處理

業(yè)務(wù)流處理單元分為A、B兩種工作模式。在模式A下，將輸入的數(shù)據(jù)流映射入一個(gè)LTP中，這主要是針對(duì)數(shù)據(jù)流較少的情況；在模式B下，系統(tǒng)支持小于等于255個(gè)LTP。本文重點(diǎn)討論模式B下的復(fù)用處理模塊。此時(shí)系統(tǒng)的輸入由多個(gè)邏輯數(shù)據(jù)流組成，每個(gè)邏輯數(shù)據(jù)流由一個(gè)LTP承載。如圖2所示，各個(gè)業(yè)務(wù)流處理單元包括邏輯管道映射、同步、時(shí)延補(bǔ)償、空包刪除、CRC校驗(yàn)及數(shù)據(jù)頭插入幾個(gè)模塊。

3.1.1 邏輯管道映射

輸入的數(shù)據(jù)流是一個(gè)或多個(gè)業(yè)務(wù)流，為了便于針對(duì)不同類型的業(yè)務(wù)流進(jìn)行不同的處理方式，通過解復(fù)用及業(yè)務(wù)分割的方法，將輸入的不同類型的業(yè)務(wù)流分別映射到不同的LTP中?？梢詫⒁粋€(gè)節(jié)目數(shù)據(jù)流的各個(gè)組成部分（如音頻流、字幕流、視頻基本層流、視頻增強(qiáng)層流等）映射為一個(gè)邏輯數(shù)據(jù)流，或分別映射為不同的邏輯數(shù)據(jù)流，以提高不同業(yè)務(wù)的魯棒性。一般幾個(gè)LTP組成一組，每組LTP由一個(gè)公共LTP和多個(gè)數(shù)據(jù)LTP組成。即是將一組數(shù)據(jù)流的公共信息(如PSI/SI信息等)映射入一個(gè)公共 LTP，而將數(shù)據(jù)信息分別映射入幾個(gè)數(shù)據(jù)LTP上，不同LTP上的數(shù)據(jù)可以采用不同調(diào)制編碼方式。

3.1.2 同步和時(shí)延補(bǔ)償

由于調(diào)制器的處理會(huì)在不同的LTP上產(chǎn)生不同的傳輸時(shí)延，為了保證恒定的速率及恒定的端到端延時(shí)，采用數(shù)據(jù)流攜帶同步信息的方式，在每個(gè)用戶包后加上一個(gè)固定長度字段的同步信息。同步信息可以分為時(shí)鐘同步和時(shí)延補(bǔ)償同步兩類。

時(shí)鐘同步信息為每個(gè)LTP上的數(shù)據(jù)流提供時(shí)鐘參考和用戶包的原始時(shí)序。時(shí)延補(bǔ)償信息為一組LTP提供統(tǒng)一的時(shí)延同步。由于不同的LTP上的數(shù)據(jù)可以采用不同的交織及映射參數(shù)，因而不同LTP上的數(shù)據(jù)流會(huì)產(chǎn)生不同的時(shí)延，通過加入相應(yīng)的時(shí)延補(bǔ)償，使原本屬于一個(gè)數(shù)據(jù)流的信息時(shí)延達(dá)到一致。

3.1.3 空包刪除

加入同步信息的數(shù)據(jù)流中有很多空包，這些空包一方面是在數(shù)據(jù)流輸入端為保證恒定速率而加入的；另一方面是在數(shù)據(jù)流映射入LTP時(shí)，為保證各輸入的數(shù)據(jù)流信息速率的恒定，用于替代公共信息位置的空包填充。為了減少空包帶來的不必要開銷，進(jìn)行空包刪除。同時(shí)在刪除空包后的用戶包中加上一個(gè)標(biāo)簽，標(biāo)明空包的個(gè)數(shù)及位置。這樣收端在接收到數(shù)據(jù)流后就能夠按照發(fā)端的順序重新恢復(fù)空包。

3.2 資源管理

復(fù)用器的資源管理單元主要完成資源調(diào)度及信令信息的生成。如圖3所示，資源調(diào)度主要完成各個(gè)LTP上的數(shù)據(jù)在時(shí)頻資源上的映射；信令信息主要將資源調(diào)度信息及調(diào)制參數(shù)以信令的方式傳遞給調(diào)制器。

3.2.1 資源調(diào)度

圖2 業(yè)務(wù)流處理模塊功能框圖

調(diào)度單元將精確確定廣播系統(tǒng)中物理幀信號(hào)的哪些單元將攜帶哪些LTP上的數(shù)據(jù)，并生成相應(yīng)的L1動(dòng)態(tài)信令。同時(shí)對(duì)調(diào)制編碼與組幀模塊進(jìn)行控制，使其按照信令信息完成各個(gè)LTP上的數(shù)據(jù)的調(diào)制編碼與組幀。

新型復(fù)用方案的新型復(fù)用幀NMF(New Multiple Frame)由信令信息、數(shù)據(jù)信息兩大部分組成。為了便于進(jìn)行靈活的資源映射，將每個(gè)NMF幀上的OFDM符號(hào)分為P1符號(hào)、P2符號(hào)和多個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)。OFDM符號(hào)的每個(gè)星座點(diǎn)定義為OFDM單元。一個(gè)OFDM符號(hào)的多個(gè)單元按一定的尋址方式順序排列。一個(gè)或多個(gè)OFDM單元組成一個(gè)子片。由P1、P2符號(hào)來承載信令信息，而由數(shù)據(jù)單元來承載數(shù)據(jù)信息。各個(gè)LTP上的數(shù)據(jù)可以分別映射在不同時(shí)頻資源子片上（時(shí)間連續(xù)或時(shí)間分片）實(shí)現(xiàn)時(shí)分及頻分復(fù)用。如圖4所示，公共LTP和類型1 LTP采用的是時(shí)間連續(xù)的資源分配方式；而類型2 LTP采用的是時(shí)間分片的方式。該方案可以支持任意數(shù)量信道（〈256）的并行傳輸。

如圖5所示，為了與現(xiàn)有的CMMB系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兼容，新型復(fù)用方案物理幀仍采用1 s為一個(gè)單位，一個(gè)物理幀既可以承載CMMB復(fù)用幀，也可以承載NMF幀及其他結(jié)構(gòu)的信息幀，實(shí)現(xiàn)兼容性及可擴(kuò)展性。

表1 信令描述表

3.2.2 傳輸信令

新型復(fù)用器在設(shè)計(jì)L1信令數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)，著重考慮L1信令的靈活性和高效性。靈活性主要是指L1信令數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能夠支持多種多樣的調(diào)制器參數(shù)設(shè)置，同時(shí)能夠支持各種靈活的時(shí)頻資源映射；高效性主要通過采用最優(yōu)的L1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，達(dá)到用最少的數(shù)據(jù)量來表示最全的信令信息。各信令詳細(xì)描述如表1所示。

通過以上信令結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以根據(jù)系統(tǒng)需要，通過L1前信令和L1配置信令選擇合適的系統(tǒng)參數(shù)。而通過L1動(dòng)態(tài)信令和帶內(nèi)信令，對(duì)各個(gè)邏輯管道的參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置，并通過物理幀的信道將信息傳遞給接收機(jī)。接收機(jī)可以通過解調(diào)信令來獲得各個(gè)邏輯管道的參數(shù)信息，完成正確接收。

通過對(duì)現(xiàn)有通信標(biāo)準(zhǔn)的分析，可以看出三網(wǎng)融合是通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，而復(fù)用技術(shù)在融合過程中起到了關(guān)鍵性的作用。本文在對(duì)現(xiàn)有復(fù)用技術(shù)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種調(diào)制編碼方式靈活、信令結(jié)構(gòu)自適應(yīng)變化與現(xiàn)有CMMB兼容的實(shí)用復(fù)用方案，對(duì)未來三網(wǎng)融合的復(fù)用技術(shù)具有借鑒作用。

[1]胡瑜熙，鄭毅.三網(wǎng)融合發(fā)展現(xiàn)狀探討[J].電訊技術(shù)，2008，48(5)：12-16.

[2]溫建偉，王厚芹.國際三網(wǎng)融合進(jìn)程評(píng)價(jià)與啟示[J].電視技術(shù)，2010，34(6)：113-115，119.

[3]姜秀華，張永輝.數(shù)字電視廣播原理與應(yīng)用[M].北京：人民郵電大學(xué)出版社，2007.

[4]全國廣播電視標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GY/Z 234-2008移動(dòng)多媒體廣播復(fù)用實(shí)施指南[S].北京：國家廣播電影電視總局，2008.

[5]全國廣播電視標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GY/T 220.2-2006移動(dòng)多媒體廣播第2部分復(fù)用[S].北京：國家廣播電影電視總局，2006.

[6]ETSI.Digital Video Broadcasting(DVB)：DVB specification for data broadcasting(EN 301 192 vl.2.l)[S].1999.

[7]ETSI EN 302 755.Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system DVB-T2[S].2008.