無線廣播系統(tǒng)的多級傳輸方案詳細(xì)

在無線廣播系統(tǒng)中，位于不同地點(diǎn)的用戶的無線鏈路質(zhì)量是大不相同的，一些用戶與發(fā)射臺之間的信道條件相對較好，而另一些則十分惡劣。為了保證服務(wù)區(qū)內(nèi)所有用戶的服務(wù)質(zhì)量，系統(tǒng)通常按照在最惡劣情況下仍能保證一定服務(wù)質(zhì)量的條件進(jìn)行傳輸參數(shù)的設(shè)計(jì)，這就使得很多信道條件較好的用戶只能和信道條件惡劣的用戶得到相同速率的數(shù)據(jù)，造成系統(tǒng)整體的傳輸速率較低。此外，在未來的廣播系統(tǒng)中將會有各種不同類型的接收設(shè)備，它們的使用條件各不相同，接收能力也有很大的差別。例如，高質(zhì)量的室內(nèi)接收機(jī)應(yīng)能接收高速率的數(shù)據(jù)，而小型的便攜設(shè)備只需接收較低速率的數(shù)據(jù)。為了充分利用信道的傳輸能力并滿足不同用戶和不同接收設(shè)備的要求，需要設(shè)計(jì)一種多級傳輸?shù)南到y(tǒng)。多級傳輸?shù)母拍钭钤缬蒀over[1]提出，他指出分級傳輸方案能夠兼顧不同信道條件用戶的需要，獲得更高的傳輸效率。歐洲數(shù)字電視廣播標(biāo)準(zhǔn)(DVB-T)中提出了兩級的編碼調(diào)制方案[2]。文獻(xiàn)[3]討論了多級編碼調(diào)制和多級譯碼等技術(shù)帶來的不同的差錯保護(hù)特性，文獻(xiàn)[4]分析了未編碼系統(tǒng)中多級調(diào)制方案的性能。近年來隨著通信技術(shù)的發(fā)展，高效的編解碼方法不斷出現(xiàn)，為設(shè)計(jì)更好的廣播傳輸方案提供了條件。本文提出了一種用于數(shù)字無線廣播系統(tǒng)的多級傳輸方案，該方案使用低密度奇偶校驗(yàn)碼(LDPC)對廣播數(shù)據(jù)進(jìn)行分級編碼，并結(jié)合多級編碼與多分辨率調(diào)制技術(shù)，為不同優(yōu)先級的數(shù)據(jù)提供不同的差錯保護(hù)，使得每個(gè)用戶可以根據(jù)自身傳輸信道的質(zhì)量或者接收設(shè)備的能力，獲得不同的數(shù)據(jù)傳輸率，提高了系統(tǒng)整體的傳輸效率。

多級傳輸系統(tǒng)

多級傳輸系統(tǒng)是指把要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)根據(jù)不同的重要性或者內(nèi)容分成不同的優(yōu)先級，在發(fā)射端的編碼調(diào)制過程中對各個(gè)優(yōu)先級的數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)的處理，使得不同優(yōu)先級的數(shù)據(jù)獲得不同的差錯保護(hù)，高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的解碼門限較低，解碼相對容易，低優(yōu)先級數(shù)據(jù)的解碼門限較高，解碼相對困難。在接收端，用戶根據(jù)收到的信號質(zhì)量或者接收設(shè)備的處理能力選擇只解調(diào)高優(yōu)先級數(shù)據(jù)，或者解調(diào)所有的數(shù)據(jù)。這樣既保證了網(wǎng)絡(luò)的基本覆蓋，又能使信道條件好或接收能力較強(qiáng)的用戶獲得更多的數(shù)據(jù)，從而提高了系統(tǒng)的平均傳輸速率。

多級傳輸系統(tǒng)主要由編碼調(diào)制、信道傳輸、解調(diào)解碼3個(gè)部分組成。如圖1所示為多級傳輸系統(tǒng)的框圖，要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)按照優(yōu)先級的不同分成并行的多路數(shù)據(jù)流，進(jìn)入多級編碼器。不同的編碼器分別對各路數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立編碼，編碼之后的碼符號首先進(jìn)行集分割和星座圖映射，然后經(jīng)過OFDM調(diào)制進(jìn)入無線信道傳輸。在接收端，先根據(jù)接收到的信號進(jìn)行信道估計(jì)，再進(jìn)行解調(diào)和分級解碼得到各個(gè)優(yōu)先級的數(shù)據(jù)。

圖1多級傳輸系統(tǒng)

2.1多級編碼

要實(shí)現(xiàn)多級傳輸首先就要對數(shù)據(jù)進(jìn)行多級編碼。不同的編碼器對各個(gè)優(yōu)先級的數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)的編碼，稱為分量碼。分量碼能夠方便地調(diào)整各優(yōu)先級數(shù)據(jù)的編碼速率，為各路數(shù)據(jù)提供不同的差錯保護(hù)。目前常用的分量碼編碼方式有RS碼、卷積碼、Turbo碼、LDPC碼等。

LDPC碼首先由Gallager于1962年提出，并在20世紀(jì)末被重新發(fā)現(xiàn)和推廣。LDPC碼具有強(qiáng)大的糾錯能力，能夠獲得逼近Shannon極限的性能。LDPC碼是一種線性分組碼，采用超稀疏隨機(jī)矩陣作為校驗(yàn)矩陣，利用校驗(yàn)矩陣的行和列分別對應(yīng)的校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)和比特節(jié)點(diǎn)的約束關(guān)系進(jìn)行迭代譯碼，主要譯碼方法為置信傳播算法。本方案采用中國數(shù)字電視地面廣播標(biāo)準(zhǔn)中的LDPC碼[5]，碼率有0.4、0.6、0.8三種，對各級數(shù)據(jù)用不同碼率的LDPC進(jìn)行編碼，可以使不同優(yōu)先級的數(shù)據(jù)具有不同的保護(hù)度，滿足分級傳輸系統(tǒng)的需求。

2.2集分割和星座圖映射

編碼后的各級碼符號的組合與信號點(diǎn)之間的映射關(guān)系又叫作信號集分割[6]。集分割方案的選取是設(shè)計(jì)編碼調(diào)制的關(guān)鍵，通過集分割能把信道編碼和調(diào)制方式結(jié)合起來。本方案選取了一種適用于分級傳輸?shù)募指钚问?，這種分割方式把星座圖上的點(diǎn)分成不同的簇，而每個(gè)簇又被分為幾個(gè)子簇。相鄰簇之間的距離大于相鄰子簇之間的距離，把高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)映射到簇上，次優(yōu)先級數(shù)據(jù)映射到子簇上，這種多層次的分割方式能夠?yàn)閿?shù)據(jù)提供不同級別的差錯保護(hù)。

圖264QAM星座映射

圖2所示的是一個(gè)64-QAM星座映射圖[7]，圖中d1、d2、d3決定了各個(gè)信號點(diǎn)之間的距離。在圖中每個(gè)星座點(diǎn)表示6bit數(shù)據(jù)(分別用X0X1X2X3X4X5表示)。

圖3集分割

圖3所示為集分割的具體過程，根據(jù)前兩比特(X0和X1)的不同可以把星座圖分成4個(gè)象限，每個(gè)象限里有16個(gè)點(diǎn)。根據(jù)中間兩比特(X2和X3)的不同可以把每個(gè)象限里的16個(gè)點(diǎn)再分成4個(gè)部分。最后根據(jù)后面兩比特(X4和X5)的不同區(qū)分出每一個(gè)信號點(diǎn)。這樣傳送的數(shù)據(jù)就被分成了3個(gè)等級，X0和X1是高優(yōu)先級，X2和X3是中等優(yōu)先級，X4和X5是低優(yōu)先級。高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的解調(diào)復(fù)雜度相當(dāng)于QPSK，解調(diào)的難度相對較低，即以較低的傳輸速率換得較好的性能;而對于中、低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)則分別相當(dāng)于16QAM和64QAM的解調(diào)，這樣不同優(yōu)先級數(shù)據(jù)的性能就有了明顯的區(qū)分，滿足了分級傳輸?shù)男枰?/p>

由于分量碼的編碼、集分割和星座圖映射的方式都能為各個(gè)優(yōu)先級的數(shù)據(jù)提供不同的差錯保護(hù)，所以需要把編碼和調(diào)制方式結(jié)合起來考慮，統(tǒng)一設(shè)計(jì)和分配各部分的參數(shù)，更好地達(dá)到分級傳輸?shù)哪康摹?/p>

2.3信道模型

在無線廣播傳輸中，信號會因山川、建筑物、移動物體的影響產(chǎn)生反射，這樣經(jīng)不同路徑到達(dá)接收機(jī)的信號會產(chǎn)生明顯的多徑效應(yīng)，導(dǎo)致信號衰落。此外，為了提高頻譜利用率，將會采取單頻網(wǎng)的組網(wǎng)方式。所謂單頻網(wǎng)[8]是指各個(gè)發(fā)射臺都使用相同的頻率同步發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，這樣有利于移動接收和頻率規(guī)劃。然而，在技術(shù)上必須克服特殊的“多源多徑”問題，即要處理來自不同發(fā)射臺、不同方向、不同時(shí)間到達(dá)的復(fù)雜多徑信號。