無線廣播系統(tǒng)的多級(jí)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(tái)之間的信道條件相對(duì)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(huì)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(jí)傳輸?shù)南到y(tǒng)。多級(jí)傳輸?shù)母拍钭钤缬蒀over[1]提出，他指出分級(jí)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(jí)的編碼調(diào)制方案[2]。文獻(xiàn)[3]討論了多級(jí)編碼調(diào)制和多級(jí)譯碼等技術(shù)帶來的不同的差錯(cuò)保護(hù)特性，文獻(xiàn)[4]分析了未編碼系統(tǒng)中多級(jí)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(jí)傳輸方案，該方案使用低密度奇偶校驗(yàn)碼(LDPC)對(duì)廣播數(shù)據(jù)進(jìn)行分級(jí)編碼，并結(jié)合多級(jí)編碼與多分辨率調(diào)制技術(shù)，為不同優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)提供不同的差錯(cuò)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(jí)傳輸系統(tǒng)

多級(jí)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(jí)，在發(fā)射端的編碼調(diào)制過程中對(duì)各個(gè)優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)的處理，使得不同優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)獲得不同的差錯(cuò)保護(hù)，高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的解碼門限較低，解碼相對(duì)容易，低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的解碼門限較高，解碼相對(duì)困難。在接收端，用戶根據(jù)收到的信號(hào)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(jí)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(jí)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(jí)傳輸系統(tǒng)的框圖，要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)按照優(yōu)先級(jí)的不同分成并行的多路數(shù)據(jù)流，進(jìn)入多級(jí)編碼器。不同的編碼器分別對(duì)各路數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立編碼，編碼之后的碼符號(hào)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(hào)進(jìn)行信道估計(jì)，再進(jìn)行解調(diào)和分級(jí)解碼得到各個(gè)優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)。

圖1多級(jí)傳輸系統(tǒng)

2.1多級(jí)編碼

要實(shí)現(xiàn)多級(jí)傳輸首先就要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多級(jí)編碼。不同的編碼器對(duì)各個(gè)優(yōu)先級(jí)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(jí)數(shù)據(jù)的編碼速率，為各路數(shù)據(jù)提供不同的差錯(cuò)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(cuò)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(duì)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(duì)各級(jí)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(jí)的數(shù)據(jù)具有不同的保護(hù)度，滿足分級(jí)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(jí)碼符號(hào)的組合與信號(hào)點(diǎn)之間的映射關(guān)系又叫作信號(hào)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(jí)傳輸?shù)募指钚问剑@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(jí)的數(shù)據(jù)映射到簇上，次優(yōu)先級(jí)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(jí)別的差錯(cuò)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(hào)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(hào)點(diǎn)。這樣傳送的數(shù)據(jù)就被分成了3個(gè)等級(jí)，X0和X1是高優(yōu)先級(jí)，X2和X3是中等優(yōu)先級(jí)，X4和X5是低優(yōu)先級(jí)。高優(yōu)先級(jí)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(duì)較低，即以較低的傳輸速率換得較好的性能;而對(duì)于中、低優(yōu)先級(jí)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(jí)數(shù)據(jù)的性能就有了明顯的區(qū)分，滿足了分級(jí)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(jí)的數(shù)據(jù)提供不同的差錯(cuò)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(jí)傳輸?shù)哪康摹?/p>

2.3信道模型

在無線廣播傳輸中，信號(hào)會(huì)因山川、建筑物、移動(dòng)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(hào)會(huì)產(chǎn)生明顯的多徑效應(yīng)，導(dǎo)致信號(hào)衰落。此外，為了提高頻譜利用率，將會(huì)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(tái)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(dòng)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(tái)、不同方向、不同時(shí)間到達(dá)的復(fù)雜多徑信號(hào)。

根據(jù)以上描述的信道特性，仿真中的信道模型采用相位調(diào)制衰落模型，多徑衰落信道可表示為

其中，hl、τl、fl分別代表不同路徑的幅度、延時(shí)和多普勒頻移。該模型中假定各路徑的hl、τl、fl互不相關(guān)。

2.4信道估計(jì)

由于無線廣播傳輸中，存在大量的多徑效應(yīng)，尤其是單頻網(wǎng)情況下，多徑的影響更加劇烈，導(dǎo)致接收困難，因此對(duì)信道估計(jì)的方法提出了更高的要求。只有接收機(jī)對(duì)信道做出比較準(zhǔn)確的估計(jì)，才能獲得更好的接收性能。參照中國數(shù)字電視地面?zhèn)鬏敇?biāo)準(zhǔn)，采用在信號(hào)幀前插入的PN序列進(jìn)行信道估計(jì)，該方法計(jì)算復(fù)雜度較小，能夠快速得出信道的特性。

假設(shè)PN序列長度為K，根據(jù)m序列的自相關(guān)性，其歸一化循環(huán)自相關(guān)函數(shù)為

因此，用本地產(chǎn)生的PN序列與接收樣點(diǎn)進(jìn)行滑動(dòng)相關(guān)運(yùn)算，即可得到信道響應(yīng)函數(shù)：

2.5分級(jí)解映射與多級(jí)譯碼

在接收端，為了獲得更好的性能，星座解映射采用了軟判決的方法。在64QAM星座圖解映射時(shí)的軟輸出為各比特?cái)?shù)據(jù)的對(duì)數(shù)似然比，根據(jù)文獻(xiàn)[9]可知：

其中，r是接收到的信號(hào)，C是信道狀態(tài)信息，y是經(jīng)過均衡之后的信號(hào)y=r/C。對(duì)于64QAM，其中各優(yōu)先級(jí)比特的對(duì)數(shù)似然比可以近似為[9]

其中，b2、b1和b0分別代表高中低3個(gè)優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)，各級(jí)數(shù)據(jù)的軟判決輸出可以單獨(dú)得到。這種軟判決的方法不僅運(yùn)算簡單，而且能夠取得良好的性能。

解映射得到的軟輸出數(shù)據(jù)進(jìn)入多級(jí)譯碼器進(jìn)行譯碼，多級(jí)譯碼器能夠?qū)Ω鲀?yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行獨(dú)立的解碼，因此接收機(jī)可以在獲得需要的數(shù)據(jù)之后隨時(shí)終止譯碼過程。對(duì)于小型的便攜接收機(jī)，由于屏幕尺寸、電池容量和處理能力的限制，只需對(duì)高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼就能滿足要求，這樣就降低了譯碼電路的運(yùn)算量和復(fù)雜度、減小了設(shè)備功耗，更好地適應(yīng)了便攜設(shè)備的需求。對(duì)于較大的固定接收機(jī)，屏幕很大、處理能力強(qiáng)，當(dāng)信道條件較好時(shí)，可以對(duì)所有優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，提供最高質(zhì)量的服務(wù)，當(dāng)信道條件較差時(shí)，低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的誤碼，而高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)由于解碼所需信噪比門限較低，仍然能夠正確解碼，保證了最基本的服務(wù)質(zhì)量。另外，當(dāng)各優(yōu)先級(jí)碼流傳輸不同的節(jié)目時(shí)，解碼器能夠只對(duì)某一優(yōu)先級(jí)碼流進(jìn)行譯碼，得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，而不需要對(duì)其他優(yōu)先級(jí)碼流進(jìn)行解碼，從而降低了接收機(jī)的功耗。因此，使用多級(jí)譯碼的方法能夠較好地滿足不同類型設(shè)備和不同信道條件下的需求，具有很強(qiáng)的靈活性。

仿真結(jié)果與分析

在仿真系統(tǒng)中，待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被分成3個(gè)優(yōu)先級(jí)，各優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)分別經(jīng)過碼長為7488，碼率為0.4、0.6或0.8的LDPC編碼。星座圖映射采用圖2所示的64QAM星座圖，信號(hào)點(diǎn)間距d1:d2:d3=1:1:1，映射后得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過符號(hào)交織、頻域交織和3780載波的OFDM調(diào)制后進(jìn)入信道傳輸。仿真采用的信道模型是AWGN信道和多徑信道。在接收端首先用長度為255的PN序列做相關(guān)進(jìn)行信道估計(jì)，然后使用上文所述的解映射和多級(jí)譯碼的方法對(duì)高、中、低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)獨(dú)立進(jìn)行譯碼，并分別計(jì)算各個(gè)優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的誤碼率。

表1AWGN信道下各優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的解碼性能

表1為AWGN信道下各個(gè)優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)分別采用各種碼率的LDPC碼時(shí)的性能，在仿真時(shí)解碼門限按誤比特率小于3×10−6計(jì)算。從仿真結(jié)果可以看出，不同優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)和不同碼率的相互組合能夠得到多個(gè)解碼門限，在應(yīng)用時(shí)可以根據(jù)不同的情況靈活選擇各優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的門限，滿足不同種類的需求。此外，即使各優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)使用相同碼率的LDPC編碼時(shí)所得到的門限也是不同的，從而驗(yàn)證了星座點(diǎn)的不同比特位具有不同的保護(hù)特性。

圖4是AWGN信道下分級(jí)傳輸方案與傳統(tǒng)的不分級(jí)傳輸方案的性能比較曲線。其中分級(jí)傳輸?shù)母?、中、低?yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)分別采用碼率為0.4、0.6、0.8的LDPC碼進(jìn)行編碼，形成3個(gè)碼流和3個(gè)解碼門限。不分級(jí)傳輸時(shí)采用碼率為0.6的LDPC碼對(duì)所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)行編碼，形成單一碼流和一個(gè)解碼門限。2種方案的總傳輸速率是相等的。從曲線可以看出，分級(jí)傳輸模式下，高、中、低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)間的門限差距是8.4dB和5.4dB，實(shí)現(xiàn)了分級(jí)傳輸所要求的各優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)具有明顯的性能區(qū)分的目標(biāo)。

圖4AWGN信道下分級(jí)與不分級(jí)傳輸?shù)男阅鼙容^

分級(jí)模式的高和中優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)性能都優(yōu)于不分級(jí)模式，使得在低信噪比下仍然能夠保證部分?jǐn)?shù)據(jù)的正確傳輸，不會(huì)像不分級(jí)模式那樣解碼完全失敗，從而提高了系統(tǒng)的平均傳輸速率。同時(shí)分級(jí)傳輸模式使低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的解碼門限相對(duì)不分級(jí)模式有所升高，但是考慮到需要接收低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的一般是固定接收機(jī)，可以通過使用高增益的定向天線來彌補(bǔ)性能的損失，另外也可以采用減小低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)碼率的方法提高性能，代價(jià)是損失了一定的傳輸速率。

表2多徑信道下各優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的解碼性能

表2為多徑信道下分級(jí)模式的高、中、低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)分別采用0.4、0.6、0.8的LDPC碼以及不分級(jí)模式使用單一0.6的LDPC碼時(shí)的性能，其中信道模型使用巴西多徑模型，具體信道參數(shù)見文獻(xiàn)[10]。

圖5多徑信道下分級(jí)與不分級(jí)傳輸?shù)男阅鼙容^

圖5是多徑信道下分級(jí)傳輸與不分級(jí)傳輸?shù)男阅鼙容^曲線，仿真所用的參數(shù)與圖4相同，信道采用巴西B模型。從圖和表中的結(jié)果可以看到，在多徑信道下各優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的性能都有不同程度的下降，但是分級(jí)傳輸所需的門限差別仍然得到保持，其中高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的性能下降最少，保證了在惡劣的信道條件下高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)仍然能夠被正確解碼。

圖6 3級(jí)傳輸方案與2級(jí)傳輸方案的性能比較

圖6所示為AWGN信道下本文提出的分3級(jí)傳輸方案與DVB-T標(biāo)準(zhǔn)中分2級(jí)傳輸方案的性能比較，仿真時(shí)本方案中3個(gè)優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)分別采用0.4、0.6、0.8碼率的LDPC碼，而DVB-T方案中2個(gè)優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)則采用1/2和5/6碼率的刪余卷積碼，這樣使得2種方案的總傳輸速率基本一致。從圖中可以看出，本方案的3個(gè)優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的解碼門限分別為4.8dB、13.2dB和18.6dB，DVB-T方案的2個(gè)優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的解碼門限為6.5dB和21.9dB，本方案的各優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)性能都明顯優(yōu)于DVB-T方案。

本文提出了一種數(shù)字無線廣播系統(tǒng)的多級(jí)傳輸方案，該方案把廣播數(shù)據(jù)分成多個(gè)優(yōu)先級(jí)，采用LDPC碼作為多級(jí)編碼的分量碼，并使用分層次的集分割和星座圖映射策略，為不同優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)提供不同的差錯(cuò)保護(hù)。在接收端采用分級(jí)解映射與多級(jí)解碼的方法，使不同信道條件和接收設(shè)備的用戶能夠得到不同的傳輸速率，實(shí)現(xiàn)了廣播數(shù)據(jù)分級(jí)傳輸?shù)哪康?。仿真結(jié)果表明，該方案在AWGN信道和各種多徑信道下的性能都優(yōu)于傳統(tǒng)的不分級(jí)方案以及DVB-T的分級(jí)方案，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的平均傳輸速率。