在無線廣播系統(tǒng)中，位于不同地點的用戶的無線鏈路質量是大不相同的，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。為了保證服務區(qū)內所有用戶的服務質量，系統(tǒng)通常按照在最惡劣情況下仍能保證一定服務質量的條件進行傳輸參數(shù)的設計，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，高質量的室內接收機應能接收高速率的數(shù)據(jù)，而小型的便攜設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備的要求，需要設計一種多級傳輸?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)字電視廣播標準(DVB-T)中提出了兩級的編碼調制方案[2]。文獻[3]討論了多級編碼調制和多級譯碼等技術帶來的不同的差錯保護特性，文獻[4]分析了未編碼系統(tǒng)中多級調制方案的性能。近年來隨著通信技術的發(fā)展，高效的編解碼方法不斷出現(xiàn)，為設計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碼(LDPC)對廣播數(shù)據(jù)進行分級編碼，并結合多級編碼與多分辨率調制技術，為不同優(yōu)先級的數(shù)據(jù)提供不同的差錯保護，使得每個用戶可以根據(jù)自身傳輸信道的質量或者接收設備的能力，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容分成不同的優(yōu)先級，在發(fā)射端的編碼調制過程中對各個優(yōu)先級的數(shù)據(jù)進行單獨的處理，使得不同優(yōu)先級的數(shù)據(jù)獲得不同的差錯保護，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)收到的信號質量或者接收設備的處理能力選擇只解調高優(yōu)先級數(shù)據(jù)，或者解調所有的數(shù)據(jù)。這樣既保證了網(wǎng)絡的基本覆蓋，又能使信道條件好或接收能力較強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)主要由編碼調制、信道傳輸、解調解碼3個部分組成。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，進入多級編碼器。不同的編碼器分別對各路數(shù)據(jù)進行獨立編碼，編碼之后的碼符號首先進行集分割和星座圖映射，然后經(jīng)過OFDM調制進入無線信道傳輸。在接收端，先根據(jù)接收到的信號進行信道估計，再進行解調和分級解碼得到各個優(yōu)先級的數(shù)據(jù)。
圖1多級傳輸系統(tǒng)
2.1多級編碼
要實現(xiàn)多級傳輸首先就要對數(shù)據(jù)進行多級編碼。不同的編碼器對各個優(yōu)先級的數(shù)據(jù)進行單獨的編碼，稱為分量碼。分量碼能夠方便地調整各優(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。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世紀末被重新發(fā)現(xiàn)和推廣。LDPC碼具有強大的糾錯能力，能夠獲得逼近Shannon極限的性能。LDPC碼是一種線性分組碼，采用超稀疏隨機矩陣作為校驗矩陣，利用校驗矩陣的行和列分別對應的校驗節(jié)點和比特節(jié)點的約束關系進行迭代譯碼，主要譯碼方法為置信傳播算法。本方案采用中國數(shù)字電視地面廣播標準中的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進行編碼，可以使不同優(yōu)先級的數(shù)據(jù)具有不同的保護度，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之間的映射關系又叫作信號集分割[6]。集分割方案的選取是設計編碼調制的關鍵，通過集分割能把信道編碼和調制方式結合起來。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分成不同的簇，而每個簇又被分為幾個子簇。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為數(shù)據(jù)提供不同級別的差錯保護。
圖264QAM星座映射
圖2所示的是一個64-QAM星座映射圖[7]，圖中d1、d2、d3決定了各個信號點之間的距離。在圖中每個星座點表示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個象限，每個象限里有16個點。根據(jù)中間兩比特(X2和X3)的不同可以把每個象限里的16個點再分成4個部分。最后根據(jù)后面兩比特(X4和X5)的不同區(qū)分出每一個信號點。這樣傳送的數(shù)據(jù)就被分成了3個等級，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)的解調復雜度相當于QPSK，解調的難度相對較低，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)則分別相當于16QAM和64QAM的解調，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優(yōu)先級的數(shù)據(jù)提供不同的差錯保護，所以需要把編碼和調制方式結合起來考慮，統(tǒng)一設計和分配各部分的參數(shù)，更好地達到分級傳輸?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)不同路徑到達接收機的信號會產(chǎn)生明顯的多徑效應，導致信號衰落。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、不同時間到達的復雜多徑信號。
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、延時和多普勒頻移。該模型中假定各路徑的hl、τl、fl互不相關。
2.4信道估計
由于無線廣播傳輸中，存在大量的多徑效應，尤其是單頻網(wǎng)情況下，多徑的影響更加劇烈，導致接收困難，因此對信道估計的方法提出了更高的要求。只有接收機對信道做出比較準確的估計，才能獲得更好的接收性能。參照中國數(shù)字電視地面?zhèn)鬏敇藴?，采用在信號幀前插入的PN序列進行信道估計，該方法計算復雜度較小，能夠快速得出信道的特性。
假設PN序列長度為K，根據(jù)m序列的自相關性，其歸一化循環(huán)自相關函數(shù)為
因此，用本地產(chǎn)生的PN序列與接收樣點進行滑動相關運算，即可得到信道響應函數(shù)：
2.5分級解映射與多級譯碼
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星座圖解映射時的軟輸出為各比特數(shù)據(jù)的對數(shù)似然比，根據(jù)文獻[9]可知：
其中，r是接收到的信號，C是信道狀態(tài)信息，y是經(jīng)過均衡之后的信號y=r/C。對于64QAM，其中各優(yōu)先級比特的對數(shù)似然比可以近似為[9]
其中，b2、b1和b0分別代表高中低3個優(yōu)先級的數(shù)據(jù)，各級數(shù)據(jù)的軟判決輸出可以單獨得到。這種軟判決的方法不僅運算簡單，而且能夠取得良好的性能。
解映射得到的軟輸出數(shù)據(jù)進入多級譯碼器進行譯碼，多級譯碼器能夠對各優(yōu)先級的數(shù)據(jù)分別進行獨立的解碼，因此接收機可以在獲得需要的數(shù)據(jù)之后隨時終止譯碼過程。對于小型的便攜接收機，由于屏幕尺寸、電池容量和處理能力的限制，只需對高優(yōu)先級數(shù)據(jù)進行解碼就能滿足要求，這樣就降低了譯碼電路的運算量和復雜度、減小了設備功耗，更好地適應了便攜設備的需求。對于較大的固定接收機，屏幕很大、處理能力強，當信道條件較好時，可以對所有優(yōu)先級的數(shù)據(jù)進行解碼，提供最高質量的服務，當信道條件較差時，低優(yōu)先級數(shù)據(jù)會產(chǎn)生嚴重的誤碼，而高優(yōu)先級數(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質量。另外，當各優(yōu)先級碼流傳輸不同的節(jié)目時，解碼器能夠只對某一優(yōu)先級碼流進行譯碼，得到相應的數(shù)據(jù)，而不需要對其他優(yōu)先級碼流進行解碼，從而降低了接收機的功耗。因此，使用多級譯碼的方法能夠較好地滿足不同類型設備和不同信道條件下的需求，具有很強的靈活性。
仿真結果與分析
在仿真系統(tǒng)中，待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被分成3個優(yōu)先級，各優(yōu)先級數(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，信號點間距d1:d2:d3=1:1:1，映射后得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過符號交織、頻域交織和3780載波的OFDM調制后進入信道傳輸。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序列做相關進行信道估計，然后使用上文所述的解映射和多級譯碼的方法對高、中、低優(yōu)先級數(shù)據(jù)獨立進行譯碼，并分別計算各個優(yōu)先級數(shù)據(jù)的誤碼率。
表1AWGN信道下各優(yōu)先級數(shù)據(jù)的解碼性能
表1為AWGN信道下各個優(yōu)先級數(shù)據(jù)分別采用各種碼率的LDPC碼時的性能，在仿真時解碼門限按誤比特率小于3×10−6計算。從仿真結果可以看出，不同優(yōu)先級數(shù)據(jù)和不同碼率的相互組合能夠得到多個解碼門限，在應用時可以根據(jù)不同的情況靈活選擇各優(yōu)先級數(shù)據(jù)的門限，滿足不同種類的需求。此外，即使各優(yōu)先級數(shù)據(jù)使用相同碼率的LDPC編碼時所得到的門限也是不同的，從而驗證了星座點的不同比特位具有不同的保護特性。
圖4是AWGN信道下分級傳輸方案與傳統(tǒng)的不分級傳輸方案的性能比較曲線。其中分級傳輸?shù)母摺⒅?、低?yōu)先級數(shù)據(jù)分別采用碼率為0.4、0.6、0.8的LDPC碼進行編碼，形成3個碼流和3個解碼門限。不分級傳輸時采用碼率為0.6的LDPC碼對所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一進行編碼，形成單一碼流和一個解碼門限。2種方案的總傳輸速率是相等的。從曲線可以看出，分級傳輸模式下，高、中、低優(yōu)先級數(shù)據(jù)間的門限差距是8.4dB和5.4dB，實現(xiàn)了分級傳輸所要求的各優(yōu)先級數(shù)據(jù)具有明顯的性能區(qū)分的目標。
圖4AWGN信道下分級與不分級傳輸?shù)男阅鼙容^
分級模式的高和中優(yōu)先級數(shù)據(jù)性能都優(yōu)于不分級模式，使得在低信噪比下仍然能夠保證部分數(shù)據(jù)的正確傳輸，不會像不分級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。同時分級傳輸模式使低優(yōu)先級數(shù)據(jù)的解碼門限相對不分級模式有所升高，但是考慮到需要接收低優(yōu)先級數(shù)據(jù)的一般是固定接收機，可以通過使用高增益的定向天線來彌補性能的損失，另外也可以采用減小低優(yōu)先級數(shù)據(jù)碼率的方法提高性能，代價是損失了一定的傳輸速率。
表2多徑信道下各優(yōu)先級數(shù)據(jù)的解碼性能
表2為多徑信道下分級模式的高、中、低優(yōu)先級數(shù)據(jù)分別采用0.4、0.6、0.8的LDPC碼以及不分級模式使用單一0.6的LDPC碼時的性能，其中信道模型使用巴西多徑模型，具體信道參數(shù)見文獻[10]。
圖5多徑信道下分級與不分級傳輸?shù)男阅鼙容^
圖5是多徑信道下分級傳輸與不分級傳輸?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。從圖和表中的結果可以看到，在多徑信道下各優(yōu)先級數(shù)據(jù)的性能都有不同程度的下降，但是分級傳輸所需的門限差別仍然得到保持，其中高優(yōu)先級數(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)先級數(shù)據(jù)仍然能夠被正確解碼。
圖6 3級傳輸方案與2級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級傳輸方案與DVB-T標準中分2級傳輸方案的性能比較，仿真時本方案中3個優(yōu)先級數(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個優(yōu)先級數(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個優(yōu)先級數(shù)據(jù)的解碼門限分別為4.8dB、13.2dB和18.6dB，DVB-T方案的2個優(yōu)先級數(shù)據(jù)的解碼門限為6.5dB和21.9dB，本方案的各優(yōu)先級數(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)的多級傳輸方案，該方案把廣播數(shù)據(jù)分成多個優(yōu)先級，采用LDPC碼作為多級編碼的分量碼，并使用分層次的集分割和星座圖映射策略，為不同優(yōu)先級的數(shù)據(jù)提供不同的差錯保護。在接收端采用分級解映射與多級解碼的方法，使不同信道條件和接收設備的用戶能夠得到不同的傳輸速率，實現(xiàn)了廣播數(shù)據(jù)分級傳輸?shù)哪康?。仿真結果表明，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)的不分級方案以及DVB-T的分級方案，同時也提高了系統(tǒng)的平均傳輸速率。
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