層分復(fù)用技術(shù)綜述

陳 卓 葉 茂 陳 強(qiáng)

（作者單位：1.重慶廣播電視技術(shù)中心；2.重慶三峽學(xué)院三峽庫區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測與災(zāi)害預(yù)警重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

1 層分復(fù)用技術(shù)背景

廣播電視是人們生活中不可缺少的部分，特別是在這個(gè)突發(fā)事件頻發(fā)的年代，能夠及時(shí)地向大眾推送全球突發(fā)事件并提供幫助是極為重要的。隨著廣播電視的日趨發(fā)展，無線頻率作為一種有限資源，卻越來越稀缺。有很多研究院也在尋找新的頻率利用方式來滿足當(dāng)前需求。因此層分復(fù)用技術(shù)（Layered Division Multiplexing，LDM）受到越來越多的研究人員關(guān)注。

LDM其實(shí)也是一種非正交復(fù)用技術(shù)，與傳統(tǒng)的時(shí)分復(fù)用（Time Division Multiplexing，TDM）和頻分復(fù)用（Frequency Division Multiplexing，F(xiàn)DM）不同。在原有的數(shù)據(jù)層中增加了一層數(shù)據(jù)流，稱為B層信號（下層信號LL），但兩層的功率差異可以通過功率比來定義（見圖1）。

圖1 LDM頻譜層分復(fù)用結(jié)構(gòu)

在一個(gè)LDM系統(tǒng)中，采用分層傳輸結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)傳輸多個(gè)不同功率級的信號，并且對移動(dòng)設(shè)備、多個(gè)高清電視或超高清電視等具有魯棒性，因此LDM技術(shù)也是一種功率域非正交多址技術(shù)在廣播中的應(yīng)用。在兩層LDM系統(tǒng)中，上層（Upper Layer，UL）具有更高的功率分配，用于向室內(nèi)、便攜式和手持接收端提供移動(dòng)服務(wù)。底層（Lower Layer，LL）設(shè)計(jì)旨在向固定接收終端提供高數(shù)據(jù)率服務(wù)。LDM的一個(gè)優(yōu)勢是，它可以與所有其他新興的物理層技術(shù)（Physical Layer，PHY）共存，如多天線技術(shù)、非均勻星座（NU-QAM）、比特交織碼調(diào)制（BICM）、峰均比（PAPR）降低技術(shù)等。

在LDM系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的傳輸速率為：

公式（1）中：γ為編碼碼率；M為調(diào)制階數(shù)；Tofdm為單個(gè)正交頻分復(fù)用（OFDM）符號周期；α為有效數(shù)據(jù)率。以DVB-T2中4K子載波個(gè)數(shù)為例，在實(shí)際系統(tǒng)中，考慮10 MHz的系統(tǒng)采樣率，上層信號UL采用4QAM調(diào)制，編碼碼率γ為4/15，底層信號LL采用64QAM，編碼碼率γ為10/15，有效數(shù)據(jù)率α為100%。因此根據(jù)公式（1），上下層數(shù)據(jù)的傳輸速率為：

根據(jù)公式（2）和公式（3）的結(jié)果可知，UL層采用的是低階調(diào)制，因此傳輸速率比較低，但是魯棒性高。而LL層采用高階調(diào)制，數(shù)據(jù)傳輸速率較高，可為高清或超高清提供更快的數(shù)據(jù)速率而進(jìn)行高吞吐量數(shù)據(jù)的傳輸。其時(shí)，LDM中的UL層和LL層在共同提供超高清業(yè)務(wù)的同時(shí)，UL層還可以傳輸標(biāo)清的視頻，所以UL層和LL層可以既獨(dú)立又相互協(xié)同的工作。在圖1中，B層信號后面還保留一個(gè)擴(kuò)展層（FEL）信號，主要是為將來提供更多業(yè)務(wù)。

2 層分復(fù)用系統(tǒng)框架

當(dāng)下的廣電系統(tǒng)中常使用的還是OFDM的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，是因?yàn)榇讼到y(tǒng)具有靈活的調(diào)制編碼方式和極佳的頻譜利用率，更優(yōu)的抗多徑性能等優(yōu)勢。所以本文在此基礎(chǔ)上介紹LDM系統(tǒng)架構(gòu)。假設(shè)LDM系統(tǒng)中所有層的信號都使用具有N個(gè)子信道的OFDM結(jié)構(gòu)，其中K個(gè)有源子信道攜帶信號功率，其余為空子信道，以提供相鄰的信道干擾保護(hù)。在K個(gè)子信道中，分配M個(gè)子信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，P個(gè)子信道攜帶導(dǎo)頻符號。

圖2是兩層LDM系統(tǒng)原理框圖，其中（a）為發(fā)送 端，（b）為接收端。

圖2 兩層LDM系統(tǒng)的發(fā)送端和接收端

在圖2（a）中的LDM發(fā)送端，每個(gè)服務(wù)的數(shù)據(jù)首先由其自己的物理層信號處理模塊進(jìn)行處理，包括信道編碼、交織等[1]。然后將頻域數(shù)據(jù)產(chǎn)生的m個(gè)符號塊分配給數(shù)據(jù)子信道，其中將導(dǎo)頻符號插入導(dǎo)頻子信道中。頻域的LDM信號就由兩層頻域信號疊加而成。如公式（4）所示：

XUL(k)和XLL(k)是UL層和LL層中的頻域符號，X(k)是組合的LDM符號，k是子通道索引。注入電平g定義了LL層信號相對于UL層信號的功率電平。注入電平g決定兩層之間的功率分配。由于UL層信號被設(shè)計(jì)為具有更高的功率，所以g在[0,1]中有一個(gè)實(shí)值，其中g(shù)=0表示單層系統(tǒng)。

在圖2（b）中的LDM接收端，接收到的LDM信號可以表示為：

式（5）中Y(k)為第k個(gè)子信道中接收到的符號，N(k)包含加性高斯白噪聲（Additive White Gaussian Noise，AWGN）和其他附加干擾，H(k)為信道響應(yīng)[2]558。為了解碼UL層信號，低功耗的LL層服務(wù)被視為額外的干擾[3]。通過使用不同的注入電平，這種干擾的影響是可控的。例如，5 dB注入電平將LL層信號設(shè)置為比UL層信號低5 dB。通常選擇LDM系統(tǒng)的注入電平來解決這兩層的服務(wù)需求。

要解碼LL層信號，接收端首先需要消除UL層信號。根據(jù)圖2（b）和公式（5）可以得到LL層信號的判決符號為：

要讓公式（6）中UL層信號消除，接收端需要獲得UL層傳輸符號的估計(jì)值：。這是通過執(zhí)行常規(guī)的UL層信號檢測來實(shí)現(xiàn)的，包括均衡、解調(diào)、去交織和信道解碼，生成一個(gè)準(zhǔn)確的判決位序列。然后接收端進(jìn)行信道編碼、交織和調(diào)制，重新構(gòu)造UL層傳輸符號。盡管這種抵消過程涉及執(zhí)行UL層信道解碼的復(fù)雜性，但它可以提供最可靠的UL層符號估計(jì)。

LL層的典型設(shè)計(jì)是在高信噪比下為固定接收端提供高數(shù)據(jù)速率的服務(wù)，這應(yīng)該很容易保證完美的UL層信號檢測，即。此外，在LL層檢測所需的高信噪比條件下，UL層的低密度奇偶校驗(yàn)（Lowdensity Parity-check，LDPC）解碼通?？梢酝ㄟ^少量的迭代去實(shí)現(xiàn)檢測，這使得UL層信號檢測的額外復(fù)雜度非常低。

3 LDM的性能優(yōu)勢

LDM具有一個(gè)魯棒性高的高層和一個(gè)魯棒性較低、數(shù)據(jù)率更高的低層，一般使用一個(gè)在同一頻譜中傳輸?shù)母唠A的、更復(fù)雜的星座圖。分配給高層和低層星座圖的功率是可調(diào)節(jié)的。還可以針對移動(dòng)、室內(nèi)和偏遠(yuǎn)地區(qū)的傳輸服務(wù)，分配的功率比靠近發(fā)射機(jī)或室外天線的固定服務(wù)接收的功率更高。

對于相同的LDM和TDM/FDM系統(tǒng)，在停機(jī)概率為0.1時(shí)，分配給慢衰落信道中移動(dòng)和固定業(yè)務(wù)，與AWGN和選擇性衰落信道類似，LDM系統(tǒng)為低信噪比的移動(dòng)業(yè)務(wù)和高信噪比的固定業(yè)務(wù)提供了更高的容量[2]570。因此，同時(shí)在一個(gè)射頻信道提供穩(wěn)定的移動(dòng)高清電視服務(wù)和高數(shù)據(jù)速率固定超高清電視服務(wù)(或多個(gè)高清電視服務(wù))的情況下，LDM系統(tǒng)可以更高效地使用頻譜。

對于3 km/h左右的行人速度，信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）只需要3.5 dB就足夠，而對于以300 km/h高速移動(dòng)的接收端，只需要5 dB的信噪比。對于以20～150 km/h的中速接收端，所需的信噪比要低得多，接近2.0 dB。而在一個(gè)分配50%時(shí)間提供2.7 Mbps移動(dòng)服務(wù)的TDM系統(tǒng)，以行人速度移動(dòng)的接收端所需要的SNR為6.0 dB，中速的接收端所需要的SNR5.0 dB，對于300 km/h的高速接收端所需要的SNR19.0 dB。對于分配40%時(shí)間用于相同吞吐量的移動(dòng)服務(wù)的TDM系統(tǒng)，行人速度和中等速度所需的SNR為8.5 dB、6.8 dB。TDM系統(tǒng)和LDM系統(tǒng)相比較可說明，在低速（行人速度）、中速和高速中，LDM系統(tǒng)的SNR需求更低，足以說明LDM系統(tǒng)強(qiáng)大的編碼和調(diào)制能力。

LDM技術(shù)的最大優(yōu)勢主要是無論下層信號（LL）是否在接收都不會影響上層信號（LL）。同時(shí)它還能對同步和信道特征提供更高的魯棒性，當(dāng)下層信號（LL）在門限閾值以下無法接收時(shí)能快速再生信號，而且系統(tǒng)還能冗余一個(gè)備用信號。

LDM技術(shù)的還有一個(gè)優(yōu)勢是在兼容現(xiàn)有通信設(shè)備的前提下，若未來出現(xiàn)了一種全新的調(diào)制或編碼方式，同樣可以在LDM系統(tǒng)中使用這些新技術(shù)。

采用LDM技術(shù)可能會提高接收端的系統(tǒng)復(fù)雜性和成本，但與它的優(yōu)勢相比而言是不值一提，加拿大研究中心表示，采用LDM技術(shù)，接收端的系統(tǒng)復(fù)雜度增加不超過10%，但卻能提高信噪比4～6 dB。

4 結(jié)語

本文對LDM技術(shù)進(jìn)行了綜述，LDM技術(shù)被公認(rèn)為下一代ATSC 3.0數(shù)字電視系統(tǒng)的基礎(chǔ)物理層技術(shù)之一。首先，理論分析表明，與傳統(tǒng)的TDM/FDM系統(tǒng)相比，LDM具有更大的性能優(yōu)勢。當(dāng)多個(gè)服務(wù)具有明顯不同的信噪比閾值時(shí)，這種優(yōu)勢就變得非常明顯。這符合在一個(gè)電視頻道同時(shí)提供超高清電視固定服務(wù)（或多個(gè)高清電視固定服務(wù)）和非常穩(wěn)定的移動(dòng)高清電視服務(wù)的重要場景。