編碼協(xié)作MIMO傳輸方案在DVB-T2數(shù)字地面電視中的應(yīng)用

■文/張一陽

編碼協(xié)作MIMO傳輸方案在DVB-T2數(shù)字地面電視中的應(yīng)用

■文/張一陽

數(shù)字地面電視是一種現(xiàn)代廣播技術(shù)，廣播公司使用該技術(shù)提供帶有高質(zhì)量影像和聲音的電視服務(wù)。本文主要討論了，在現(xiàn)代數(shù)字廣播系統(tǒng)中應(yīng)用編碼協(xié)作多輸入、多輸出MIMO傳輸方案，實(shí)現(xiàn)額外的發(fā)射分集和編碼增益。主要思想是，基于低密度奇偶校驗(yàn)碼實(shí)現(xiàn)一個(gè)編碼協(xié)作MIMO方案。編碼協(xié)作傳輸可以獲得健壯的向前糾錯(cuò)能力。通過這種方式，可以實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的系統(tǒng)性能，提高下一代手持系統(tǒng)的移動(dòng)性。為了展示潛在的實(shí)際應(yīng)用，基于第二代地面數(shù)字電視廣播（DVB-T2）系統(tǒng)對該方法的性能進(jìn)行了評估。仿真結(jié)果表明，此方法可以用于支持高移動(dòng)手持設(shè)備的DVB廣播系統(tǒng)的發(fā)展，例如下一代手持?jǐn)?shù)字電視廣播（DVB–NGH）系統(tǒng)。

數(shù)字電視廣播；協(xié)作傳輸；MIMO；DVB-T2

引言

世界各國（美國、歐洲、日本等）都在進(jìn)行高畫質(zhì)、先進(jìn)電視系統(tǒng)的研究。由于各種技術(shù)、組織和政治原因，導(dǎo)致世界不同地區(qū)應(yīng)用多套數(shù)字 電視（Digital TV，DTV）標(biāo)準(zhǔn)。[1]現(xiàn)在，在工業(yè)領(lǐng)域?qū)δM數(shù)字轉(zhuǎn)換的需求也越來越大。廣播系統(tǒng)也不例外，許多國家已經(jīng)在促進(jìn)其廣播系統(tǒng)向數(shù)字化方向發(fā)展。地面電視平臺從模擬到數(shù)字技術(shù)的轉(zhuǎn)換，促使了電視市場的經(jīng)濟(jì)增長。[2]

在DTV系統(tǒng)中，單頻網(wǎng)絡(luò)（single frequency network，SFN）傳輸方案具有顯著優(yōu)勢。通過使用SFN方案，廣播系統(tǒng)可以在任意大的面積內(nèi)使用同一頻率執(zhí)行相同的數(shù)據(jù)。在SFN系統(tǒng)中，一個(gè)站在同一頻率下將相同的節(jié)目轉(zhuǎn)播給另一個(gè)站，或幾個(gè)站在相同的頻率下同時(shí)播放相同的節(jié)目，這樣可以提高頻譜的利用率。在這種情況下，信號從每個(gè)基站傳輸時(shí)需要時(shí)間同步，最基本的方法是通過全球定位系統(tǒng)（GPS）進(jìn)行同步。

1.研究現(xiàn)狀

MIMO技術(shù)被認(rèn)為將會是下一代地面廣播電視系統(tǒng)，因此在MIMO方面的研究也逐漸增多。有學(xué)者提出了一種利用獨(dú)立或迭代映射的接近額定容量MIMO坐標(biāo)交織編碼調(diào)制方案。[3]在需要更高的傳輸速率和頻譜效率時(shí)，該方案將有更廣泛的應(yīng)用。

在DTV系統(tǒng)中應(yīng)用MIMO技術(shù)來提高SFN系統(tǒng)優(yōu)勢方面的很多研究已經(jīng)有了一定進(jìn)展。有學(xué)者通過研究基本信道參數(shù)、交叉極化率、空間相關(guān)性、4×4的MIMO天線配置等，研究了MIMO無線信道在UHF波段的特點(diǎn)。文獻(xiàn)[4]中，針對DTV系統(tǒng)的分集增益提出了一種新的SFN模型。為了實(shí)現(xiàn)空間分集，作者采用了MIMO系統(tǒng)。此外，在SFNs的DTV廣播系統(tǒng)中還提出了一種3D MIMO方案。[5]作者表明，3D MIMO方案能高效應(yīng)對SFN方案中接收權(quán)利平等與否問題。

在發(fā)展下一代地面數(shù)字電視廣播（DVB-T）系統(tǒng)的背景下，有學(xué)者已經(jīng)研究了包含MIMO和正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)的DTT廣播系統(tǒng)。[6]還有將開發(fā)的軟件應(yīng)用于移動(dòng)接收，并分析和證明了該方法對DVB-T網(wǎng)絡(luò)的影響。為了評估DVB-T2在現(xiàn)實(shí)場景中的性能，也有文章進(jìn)行了2×2 MIMO的實(shí)驗(yàn)。

許多DVB-T2的研究從2006年開始就一直在進(jìn)行。已經(jīng)進(jìn)行的工作有：在某些參數(shù)（如保護(hù)間隔，F(xiàn)FT大?。┓矫鎸VB-T2的移動(dòng)性能進(jìn)行評估，還有些利用旋轉(zhuǎn)星座進(jìn)行的研究測試。[7]但是MIMO技術(shù)尚未應(yīng)用于DVB-T2標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)DVB-NGH的建議，MIMO技術(shù)將是下一代廣播標(biāo)準(zhǔn)的研究領(lǐng)域之一，這也將有助于提高信道容量。

在本文中，調(diào)查了在DTT系統(tǒng)中利用編碼協(xié)作MIMO傳輸方案實(shí)現(xiàn)發(fā)射分集，并參考DVB-T2系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行了物理層仿真，還利用一些時(shí)間交織塊的方法，為眾多基站的協(xié)作提供了編碼協(xié)作傳輸方案。

2. DVB-T2系統(tǒng)

DVB-T2系統(tǒng)的輸入可能是一個(gè)或多個(gè)MPEC-2傳輸流和/或通用流。待傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)需要先通過一個(gè)輸入預(yù)處理器，它包含一個(gè)業(yè)務(wù)分割器或解復(fù)用器，用于將業(yè)務(wù)分成T2系統(tǒng)的輸入，這些輸入是一個(gè)或多個(gè)邏輯數(shù)據(jù)流。預(yù)處理后的輸入接下來被傳輸?shù)絺€(gè)人PLPs中。DVB-T2使用一種叫“旋轉(zhuǎn)星座”的新穎技術(shù)，該技術(shù)為顯著改進(jìn)系統(tǒng)魯棒性提供了可能，尤其在地面頻道的情況下效果更好。系統(tǒng)的輸出通常是在射頻通路上傳輸?shù)膯翁炀€信號。系統(tǒng)也可以生成在另一組天線上傳輸?shù)牧硪唤M輸出信號，這被稱為“MISO傳輸模式”。

DVB-T2標(biāo)準(zhǔn)有附加的16k和32k載波模式，在保護(hù)間隔中，這可以在不增加預(yù)計(jì)開銷的情況下增大SFNs。DVB-T2最大的保護(hù)間隔超過500，這足以實(shí)現(xiàn)一個(gè)大型國家的SFN。DVB -T2標(biāo)準(zhǔn)定義了八個(gè)模式，可以根據(jù)FFT大小和特定的傳輸保護(hù)間隔選擇這些模式。當(dāng)保證足夠的信道估計(jì)時(shí)，這種方法可減少導(dǎo)頻開銷。交織的概念在數(shù)字信號傳輸技術(shù)中是很常見的。這一概念的目的是在時(shí)間或頻率平面上將數(shù)字內(nèi)容分開，使脈沖噪聲和頻率選擇衰落不破壞原始數(shù)據(jù)流的長序列。

DVB-T2標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了交織階段的四種類型。如果數(shù)據(jù)符號在SFBC之前被頻率交織器塊交織，數(shù)據(jù)符號就會與空頻映射結(jié)合，從而受到相同衰減系數(shù)的影響。[8]然而，數(shù)據(jù)符號在SFBC塊之后被頻率交織器塊交織，數(shù)據(jù)符號有不同的衰減系數(shù)，這可以提高傳輸分集技術(shù)。本文中建議在保 持傳統(tǒng)DVB-T2系統(tǒng)的前提下，以最小的變化修改DVB-T2系統(tǒng)模型。

4.方案

協(xié)作分集是一種眾所周知的協(xié)作系統(tǒng)方案，該方案多個(gè)節(jié)點(diǎn)協(xié)作形成一個(gè)虛擬的多天線陣列。[9]在衰減環(huán)境中，多重天線可以利用空時(shí)編碼，提高無線通信鏈路的容量和可靠性?？茖W(xué)家最近對ad-hoc網(wǎng)絡(luò)方面的興趣越來越濃厚，他們已經(jīng)在研究利用網(wǎng)絡(luò)中不同用戶的天線來開發(fā)空間和傳輸分集。也有研究利用重復(fù)和空時(shí)算法改善空間分集。在SFN系統(tǒng)中編碼協(xié)作為協(xié)作分集提供了另一個(gè)方案。

3.1 編碼協(xié)作傳輸方案

DVB-T2系統(tǒng)包括多種獲取分集收益的方法。這里為DVB-T2系統(tǒng)提出的編碼協(xié)作傳輸方案主要關(guān)注編碼收益。該方案為協(xié)作傳輸增加了FEC編碼合并的方法。這種編碼合并方法可以降低碼率，提高移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的編碼增益。該編碼協(xié)作傳輸方案如圖1所示。

圖1 編碼協(xié)作傳輸方案例子

這項(xiàng)工作的主要目的是找到一種使新編碼增益有效并與DVB-T2系統(tǒng)保持相同傳輸效率的方法。這里提出的協(xié)作傳輸機(jī)制使用1/3或1/4 LDPC碼率。然而，DVB-T2系統(tǒng)沒有實(shí)現(xiàn)這些LDPC碼率。DVB-S2系統(tǒng)中使用的LDPC編碼器塊提供DVB-T2系統(tǒng)的LDPC編碼器核心，所以這里利用一個(gè)DVB-S2 LDPC編碼塊進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

3.2 1/3碼率

3.2.1 編碼協(xié)作方案

下面是1/3碼率的編碼協(xié)作傳輸方案的一個(gè)示例（圖2）。每個(gè)基站生成一個(gè)預(yù)定義的1/3內(nèi)碼 C = [S ;P1;P2]，S是對稱的數(shù)據(jù)位， P1和 P2分別是1和2奇偶校驗(yàn)位。每個(gè)基站為了基于提出的FEC類型沖壓一個(gè)奇偶校驗(yàn)位，在內(nèi)部FEC過程之后，其將產(chǎn)生一個(gè)1/2率的新內(nèi)碼。例如，如圖2所示，基站A產(chǎn)生原始內(nèi)碼C，并根據(jù)提出的FEC類型，沖壓一個(gè)奇偶校驗(yàn)位。最后，基站A就會有一個(gè)新的碼字C= [S ;P1]，并將其發(fā)送。基站B過程與基站A類似。最后，每個(gè)基站可以處理MIMO分組碼SFBC或STBC，也可以用來發(fā)送改變的碼率數(shù)據(jù)。

圖2 編碼協(xié)作方案例子-原始碼率1/3

3.2.2 協(xié)作傳輸方案

在一個(gè)無線通信系統(tǒng)中，通常其他基站的信號會造成小區(qū)間干擾。干擾會降低無線系統(tǒng)的性能，所以需要一個(gè)幀傳輸方案防止干擾。當(dāng)傳輸完全不同的信息時(shí)幀應(yīng)該被分開。下面是兩個(gè)基站之間的協(xié)作傳輸方案的例子。

每個(gè)基站有不同的幀起始偏移量和幀跳躍指針。假設(shè)所有的基站使用GPS獲得完全同步的時(shí)間，傳輸幀的尺寸也相同?；続的幀起始偏移量是0，幀跳躍指針是2。在幀周期（TFRAME）期間，基站A傳輸?shù)谝粋€(gè)幀。當(dāng)傳輸結(jié)束后，基站A等待 TFRAME時(shí)間。此外，還為一個(gè)T2幀指定了幀跳躍指針。當(dāng)傳輸開始時(shí)，基站B等待給定的幀起始偏移的時(shí)間，基站B的幀起始偏移指定值為“1”。在等待TFRAME時(shí)間后，基站B就可以傳輸?shù)谝粋€(gè)幀了。具體傳輸方案如下圖3，這些幀的映射方案來源于DVB-T2標(biāo)準(zhǔn)中時(shí)間交織器映射方法[10]。

圖3 兩個(gè)基站的協(xié)作傳輸方案例子-利用T2幀部分

傳輸過程也可利用未來擴(kuò)展幀（FEF）。FEF是兩個(gè)T2幀之間的超幀的一部分。FEF部分的過程與幀映射方案類似，每個(gè)基站有自己FEF部分的偏移量和跳躍指針。這里不再贅述。

在交織階段，DVB-T2和DVB-T之間最大的區(qū)別是DVB-T2引入了時(shí)間交織，它能更好的避免脈沖噪聲和時(shí)間選擇性衰落。

3.2.3 信號傳輸計(jì)算

假設(shè)在基站A、B和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用兩個(gè)天線?；続將傳輸沖壓碼字 C= [S ;P1]，同時(shí)基站B將傳輸沖壓碼字C= [S ;P2]。為了FEC之后的MIMO過程，當(dāng)T2幀根據(jù)傳輸方案傳輸時(shí)，基站在傳輸天線上使用SFBC映射方案。被傳輸?shù)谋忍亓鞅豢疹l編碼器編碼成大小為N的塊。帶有兩個(gè)天線的數(shù)據(jù)符號 Si的映射方案為：對于副載波i，天線1對應(yīng)的為 Si，天線2對應(yīng)的為 -Si*+1；對于副載波 i+ 1，天線1對應(yīng)的為 Si+1，天線2對應(yīng)的為 Si*。

共軛復(fù)數(shù)值用（.*）表示。選擇SFBC的映射方案，這樣原始數(shù)據(jù)可以在沒有任何修改的情況下，在第一個(gè)天線上傳輸。噪音在接收機(jī)端添加。

基站A傳輸?shù)男盘栔袡z測到的數(shù)據(jù)符號是

基站B傳輸?shù)男盘栔袡z測到的數(shù)據(jù)符號是

這里l是第l個(gè)副載波指針。

接收到的信號在被信道估計(jì)處理后，再被合并處理，并發(fā)送到最大似然檢測器。經(jīng)過MIMO解碼過程和合并處理后，接收到的信號如下：

3.3 1/4碼率

現(xiàn)在簡單描述一下兩個(gè)和三個(gè)基站實(shí)現(xiàn)1/4碼率的編碼協(xié)作傳輸方案的例子。每個(gè)基站生成一個(gè)1/4內(nèi)碼字C=[S;P1;P2;P3]，S是一個(gè)對稱的數(shù)據(jù)位， P1;P2;P3分別是奇偶校驗(yàn)位1、2、3。在FEC過程后，每個(gè)基站根據(jù)它自己的FEC類型，將其中一個(gè)FEC塊分成兩部分。基站A生成一個(gè)原始的1/4內(nèi)碼字 C'，并將FEC塊分成兩部分C = [S;P]和 C'= [P;P]。最后，基站A可以從被分割的11223 FEC部分 C1或 C'2中的選擇一個(gè)，然后將會傳輸選擇的FEC部分?；綛和基站A的過程類似。如果基站A選擇了FEC中 C1，基站B就會選擇 C'2，反之亦然。

如果要實(shí)現(xiàn)三個(gè)基站協(xié)作傳輸方案，可以考慮其他編碼類型。每個(gè)基站生成一個(gè)默認(rèn)的1/4內(nèi)碼字 C'，然后分割、重組默認(rèn)碼字為 C1= [S ;P1]， C2= [S ;P2]， C3= [S ;P3]。每個(gè)基站選擇一個(gè)新的與其他基站不同的碼字，并且處理SFBC MIMO塊編碼。最后，每個(gè)基站遵循協(xié)作傳輸方案來傳輸數(shù)據(jù)。

上面介紹了，兩個(gè)和三個(gè)基站的編碼協(xié)作場景中1/3和1/4碼率編碼方案。在前面的例子中，兩個(gè)和三個(gè)協(xié)作基站應(yīng)傳輸不同的信息。在傳輸完全不同信息的時(shí)候，傳輸幀應(yīng)該被分開。在兩個(gè)基站執(zhí)行1/3編碼協(xié)作方案或在三個(gè)基站執(zhí)行1/4編碼協(xié)作方案時(shí)，每個(gè)協(xié)作基站包含共享信息S。如果每個(gè)協(xié)作基站共享一些信息，可以使用另一種傳輸方法?？梢詫⑵渲幸粋€(gè)新的FEC塊Cn分成兩部分，對稱部分S和奇偶校驗(yàn)位部分Pi。因?yàn)樗械幕径及瑢ΨQ部分，所以可以同時(shí)傳輸S，這樣在接收端合并過程后，可以獲得分集收益。然而，因?yàn)镻i在每個(gè)基站中是不同的，應(yīng)該在不同的時(shí)間傳輸Pi。

4.仿真結(jié)果

這里我們給出了模擬參數(shù)并進(jìn)行了論證，并對1/3碼率進(jìn)行了仿真。在仿真中，假定了近似慢瑞利衰落信道和理想信道。大部分仿真參數(shù)是按照DVB-T2的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置的。因?yàn)镸IMO傳輸方案的試點(diǎn)模型并不適用，所以在MIMO過程中使用MISO傳輸參數(shù)。仿真中，應(yīng)用了一個(gè)8K的 FFT采樣數(shù)和8MHz的信道帶寬。每個(gè)符號的載波數(shù)量、P2符號的數(shù)量以及其他載波的數(shù)量分別是6817、2和48。傳輸幀的大小為250ms，這是DVB-T2中最大的幀尺寸。選擇短LDPC塊作為內(nèi)部編碼類型。FEC塊的長度是16200，在DVB-T2標(biāo)準(zhǔn)中沒有應(yīng)用1/3和1/4LDPC碼率。因?yàn)镈VB-T2標(biāo)準(zhǔn)的LDPC編碼源自于DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)，所以仿真中應(yīng)用DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)的1/3和1/4 LDPC來生成矩陣。內(nèi)部解碼器迭代次數(shù)是50。具體如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

仿真設(shè)計(jì)基于兩個(gè)基站、1/3碼率的編碼協(xié)作模型（如圖2）。 根據(jù)提出的方案，仿真測量了比特誤碼率（BER）性能，每個(gè)符號能量與噪聲功率譜密度比（ Es/N0），并將其性能與傳統(tǒng)的沒有協(xié)作的SFBC方案進(jìn)行了對比。SFBC協(xié)作對應(yīng)的編碼協(xié)作方案如圖3所示。在圖4中， [1 BS ,SFBC MIMO]意味著利用一個(gè)1/2率LDPC編碼，基于一個(gè)基站傳輸Alamouti SFBC傳輸方案。 [2BS ,repetiton,w/ocode cooperation]意味著Alamouti SFBC傳輸方案是基于兩個(gè)基站的，并且沒有用提出的編碼協(xié)作方案，每個(gè)基站傳輸相同的數(shù)據(jù)，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)重復(fù)接收相同的數(shù)據(jù)。 [2BS ,repetitonTx ,w/code cooperation]是提出的方案，數(shù)據(jù)傳輸速率和在2BS常規(guī)方案是一樣的。在2BS常規(guī)方案中，每個(gè)基站共享相同的對稱數(shù)據(jù)，但是奇偶校驗(yàn)數(shù)據(jù)是不同的。這些不同，使得提出的方案在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)處獲得合并編碼增益。

圖4 仿真結(jié)果-使用QPSK的1/3率編碼協(xié)作模型

正如圖4顯示，與兩個(gè)傳統(tǒng)方案相比，提出的方案提高了性能。2BS編碼協(xié)作傳輸方案比1BS SFBC多收益0.6dB，比2BS傳統(tǒng)方案多收益0.3dB。

5.結(jié)論

本文總結(jié)了數(shù)字電視廣播中MIMO等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展情況；描述了DVB-T2標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)內(nèi)容；研究了DVB-T2的編碼協(xié)作傳輸方案；提出了DVB-T2系統(tǒng)中基于兩個(gè)和三個(gè)基站的編碼協(xié)作傳輸方案；最后進(jìn)行了在慢瑞利衰弱信道下相應(yīng)的性能模擬。

從仿真結(jié)果可看出：編碼協(xié)作方案與基于一個(gè)和兩個(gè)基站的傳統(tǒng)傳輸方案相比在系統(tǒng)性能和協(xié)作分集方面都有一定優(yōu)勢，此外編碼協(xié)作方案在提高DVB系統(tǒng)信道性能方面也有顯著成果。還可以通過協(xié)作方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能。另外，編碼協(xié)作的有效功率分配和速率適配傳輸方案還有待進(jìn)一步研究。

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（作者單位：國家新聞出版廣電總局機(jī)關(guān)服務(wù)局技術(shù)保障部）

TN919．3+1

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1671-0134（2017）07-082-04

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