分集技術(shù)在CMMB中的應(yīng)用

摘要：文章首先介紹了CMMB系統(tǒng)的架構(gòu)，接著總結(jié)了移動通信中無線信道的特征，通過對衰落信道與AWGN信道的對比引出了分集的概念。然后從時間，頻率，空間的角度分析了分集的實現(xiàn)方法。最后闡述了CMMB系統(tǒng)是如何利用這些分集技術(shù)的。
關(guān)鍵詞：CMMB分集

0 引言
    本文主要研究了CMMB的傳輸技術(shù)以及分集思想在CMMB傳輸中的應(yīng)用。在參考了CMMB傳輸標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)字通信的理論，研究了多徑衰落信道對CMMB傳輸?shù)挠绊懀M而將分集的理論與CMMB的傳輸標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合，分析了其實現(xiàn)分集的原理，從時間分集、頻率分集、空間分集的角度對分集在CMMB中的應(yīng)用進行了歸納和總結(jié)。

1 CMMB系統(tǒng)簡介
    CMMB是英文China Mobile Multimedia Broadcasting(中國移動數(shù)字多媒體廣播)的簡稱。國家廣電總局于2006年10月頒布了中國移動多媒體廣播行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，確定采用我國自主研發(fā)的移動電視接收標(biāo)準(zhǔn)STiMi，該標(biāo)準(zhǔn)從同年11月1日起實施。CMMB是國內(nèi)自主研發(fā)的第一套面向手機、PDA、MP3、MP4、數(shù)碼相機、筆記本電腦等多種移動終端的系統(tǒng)，利用大功率S波段衛(wèi)星信號覆蓋全國，利用地面增補轉(zhuǎn)發(fā)器同頻同時同內(nèi)容轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星信號補點覆蓋衛(wèi)星信號盲區(qū)，利用無線移動通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建回傳通道，從而組成單向廣播和雙向交互相結(jié)合的移動多媒體廣播網(wǎng)絡(luò)。
    CMMB系統(tǒng)的物理層邏輯信道的編碼和調(diào)制功能框圖如圖1所示。來自上層的輸入數(shù)據(jù)流經(jīng)過前向糾錯編碼、交織和星座映射后，與離散導(dǎo)頻和連續(xù)導(dǎo)頻復(fù)接在一起進行OFDM(正交頻分多路復(fù)用)調(diào)制。調(diào)制后的信號插入幀頭后形成物理層信號幀，再經(jīng)過基帶至射頻變換后發(fā)射。

    CMMB物理層通過物理層邏輯信道(PLCH)為上層業(yè)務(wù)提供廣播通道。PLCH分為控制邏輯信道(CLCH)和業(yè)務(wù)邏輯信道(SLCH)。CLCH用于承載廣播系統(tǒng)控制信息，SLCH用于承載廣播業(yè)務(wù)，如圖2所示。
    物理層對每個PLCH進行單獨的編碼和調(diào)制，其中CLCH采用固定的信道編碼和調(diào)制模式。SLCH的編碼和調(diào)制模式根據(jù)系統(tǒng)需求可靈活配置，配置模式通過系統(tǒng)控制信息向終端廣播。根據(jù)編碼和調(diào)制參數(shù)不同，物理層可提供不同的傳輸凈荷。

2 無線信道與分集技術(shù)
2．1 無線信道的特征
    無線信道的主要特征是信道隨著時間和頻率的變化，大致可以分為兩種類型：大尺度衰落和小尺度衰落。大尺度信號衰落由發(fā)射機和接收機之間的主要地形(如山丘、樹林、建筑等)引起，表示了平均信號強度的衰減；而小尺度信號衰落主要是信號的時間擴展及信道時變，前者由多徑效應(yīng)引起，表現(xiàn)為頻率選擇性衰落或平坦衰落，后者由多普勒效應(yīng)引起，表現(xiàn)為快衰落或慢衰落。對于通信系統(tǒng)的研究主要針對于小尺度衰落，大尺度衰落針對通信基站規(guī)劃這樣的問題更為密切一些。
    多徑效應(yīng)：多徑指無線電信號從發(fā)射天線經(jīng)過多個路徑抵達接收天線的傳播現(xiàn)象。大氣層對電波的散射、電離層對電波的反射和折射，以及山巒、建筑等地表物體對電波的反射都會造成多徑傳播。多徑效應(yīng)會導(dǎo)致信號的衰落和相移。
    移動通信系統(tǒng)中與多徑效應(yīng)相關(guān)的一個重要參數(shù)是多徑時延擴展，常把多徑衰落信道的多徑強度分布基本為零的時間范圍稱為信道的多徑擴展。從多徑擴展可以引出相干帶寬的概念。相干帶寬與多徑擴展之間存在反比關(guān)系。當(dāng)輸入帶寬遠小于相干帶寬時，我們通常把這樣的信道稱為平坦衰落(flat fading)信道，在這種情況下，多徑時延擴展遠小于碼元時間l／W，信號在平坦衰落信道上傳輸擁有近似的傳播特性，沒有明顯的畸變，不會導(dǎo)致時域波形上的劇烈變化。而當(dāng)輸入帶寬遠大于相干帶寬時，通常把這樣的信道稱為頻率選擇性衰落(frequen cy-selective fading)信道，在這樣的信道中傳輸，對不同頻率的電磁波的傳播特性是不一樣的，所以隨著在其中傳送的電磁波的頻率的變化，其信道響應(yīng)也不停地變化，這也就是稱作頻率選擇性的本質(zhì)原因。
    多普勒效應(yīng)：信道時變效應(yīng)是由發(fā)射端和接收端的相對運動或信道中的物體運動引起的，這些相對運動都會導(dǎo)致接收端接收到的電磁波信號的頻率有所變化，在頻域表現(xiàn)為多普勒頻移。多普勒效應(yīng)會引起信道的響應(yīng)隨時間變化。
    移動通信系統(tǒng)中與多普勒效應(yīng)相關(guān)的一個重要參數(shù)是多普勒擴展。我們常常把多徑衰落信道的多普勒功率譜基本為零的帶寬范圍稱為信道的多普勒擴展。從多普勒擴展可以引出相干時間的概念。相干時間與多普勒擴展之間存在反比關(guān)系。如果相干時間大于時延要求，那么信道為慢衰落(slow fading)信道，在這種情況下，信道的沖擊響應(yīng)在符號傳播期間能夠保持較為“一致”，不會發(fā)生巨大的畸變。慢衰落一般來說所傳信號頻譜中的各個頻率分量幾乎產(chǎn)生同樣影響，因而對信號損害不大，一般可通過均衡補償；相反，如果相干時間遠小于應(yīng)用的時延要求，那么信道為快衰落(fast fading)信道，在這種情況下，符號傳輸期間信道的沖擊響應(yīng)隨時間變化劇烈，通信系統(tǒng)設(shè)計中必須用特殊手段對抗快衰落。
2．2 無線通信中的分集技術(shù)
    無線通信領(lǐng)域權(quán)威David Tse博士在文獻中，分析了窄帶衰落信道中未編碼傳輸?shù)南喔蓹z測與非相干檢測，通過與AWGN信道傳輸?shù)膶Ρ龋赋銮皟烧邆鬏數(shù)牟铄e概率比AWGN信道的高得多的根本原因并不是因為接收機缺乏關(guān)于信道的知識，而是因為信道增益是隨機的，并且信道處于深度衰落的概率很大這樣的事實。當(dāng)可靠通信取決于一條路徑的信號強度，而該路徑處于深度衰落的概率又很大時，任何通信方案都有可能出現(xiàn)差錯。
    提高性能的解決方法是要確保信息碼元通過多條信號路徑，并且各路徑的衰落是相互獨立的，從而只要有一條路徑的信號足夠強就可以保證可靠的通信。這種技術(shù)在通信中就叫做“分集”，它可以極大地改善衰落信道中的性能。分集的實現(xiàn)方法有很多，比如時間分集、頻率分集、空間分集，等等。
    (1)時間分集。時間分集是指以超過信道相干時間的時間間隔重復(fù)發(fā)送信號，以便讓再次收到的信號具有獨立的衰落環(huán)境，從而產(chǎn)生分集效果。一般可以對信息進行編碼，并將編碼后的碼元交織分散到不同的相干周期，從而使得碼字的不同部分經(jīng)歷相互獨立的衰落，實現(xiàn)時間分集。
    (2)頻率分集。如果信道是頻率選擇性的，可以將信號在不同頻率的通道下發(fā)送，只要頻率間隔大于信道相干帶寬，那么它們就會經(jīng)歷相互獨立的衰落，從而達到分集的效果。
    (3)空間分集。也叫天線分集，是一種在發(fā)射端或(和)接收端安裝多根不同位置的天線的分集技術(shù)。若這些天線的距離足夠大，則電磁波受到衰落的影響就相互獨立，達到分集的作用

3 CMMB中的分集應(yīng)用
    CMMB在傳輸技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計上利用到了上述的分集思想。
3．1 時間分集
    CMMB在傳輸技術(shù)上主要利用編碼與交織實現(xiàn)時間分集。由圖1可見，來自上層數(shù)據(jù)流在進行星座映射、并隨后進行OFDM調(diào)制之前經(jīng)歷了如下的處理：RS編碼、字節(jié)交織、LDPC編碼、比特交織。其中RS編碼常被稱為外碼，LDPC常被稱為內(nèi)碼。在通信系統(tǒng)設(shè)計中經(jīng)常采用這種級聯(lián)碼，RS碼因其具有較強的糾正突發(fā)錯誤的能力，再結(jié)合LDPC糾正隨機誤碼能力較強，使得信道編碼具有十分優(yōu)異的性能。
    CMMB傳輸標(biāo)準(zhǔn)采用了兩次交織，交織的本質(zhì)是把信息離散化，再利用編碼技術(shù)進行糾錯。兩次交織是為了降低內(nèi)碼和外碼的糾錯譯碼相關(guān)性。字節(jié)交織將整個塊中的信息離散化，比特交織通過按行寫入，按列讀出的方法，使數(shù)據(jù)序列的相關(guān)性大大減弱，而在接收端通過信道編碼技術(shù)極大地消除突發(fā)錯誤的危害。圖3非常直觀地說明了編碼交織與時間分集的作用，如果沒有編碼交織，在連續(xù)碼元發(fā)送的情況下，深度衰落會導(dǎo)致x2碼字完全消失；而在有編碼與交織的情況下，僅會導(dǎo)致各碼字其中一個編碼碼元消失，此時利用級聯(lián)的信道編碼技術(shù)仍然能夠從其他三個未衰落的碼元中恢復(fù)出各個碼字來。

3．2 頻翠分集
    在CMMB這樣的寬帶無線通信系統(tǒng)中存在的主要問題是利用頻率分集的同時處理由頻率選擇性衰落所引起的符號間干擾(ISI)問題，一般而言，有三種常用的方法：采用均衡技術(shù)的單載波系統(tǒng)、直接序列擴頻、多載波系統(tǒng)。CMMB采用的是CMMB這種多載波系統(tǒng)。
    OFDM是近年來備受人們關(guān)注的一項寬帶多載波傳輸新技術(shù)。由于接收機所接收到的信號是通過不同的直射、反射、折射等路徑到達接收機的，這些信號的到達時間和相位都不相同。這樣，接收信號的幅度將會發(fā)生急劇變化，從而產(chǎn)生衰落。同時由于多徑傳輸，在發(fā)射端發(fā)射的一個脈沖信號，在接收端將收到多個脈沖信號，這就造成了信道的時間彌散性。這種時間彌散性會造成接收信號中的一個符號的波形會擴展到其他符號當(dāng)中，造成ISI。
    為了避免產(chǎn)生ISI，應(yīng)該令符號寬度要遠遠大于無線信道的最大時延擴展。而增大符號寬度必然會使數(shù)據(jù)傳輸速率降低，這就給在無線信道中高速傳輸數(shù)據(jù)造成了困難。OFDM就是為了解決在無線信道中高速傳輸數(shù)據(jù)而被提出的。它把數(shù)據(jù)流分解為多個獨立的子比特流，這樣每個子數(shù)據(jù)流將具有低得多的比特速率，用這樣的低比特率形成的低速率符號，通過快速傅立葉反變換(IFFT)將數(shù)據(jù)調(diào)制到多個正交子載波上，在保證總的傳輸速率很高的前提下，使每個子載波上的數(shù)據(jù)以較低的速率傳輸，構(gòu)成多個低速率符號并行發(fā)送的傳輸系統(tǒng)，
從而能克服ISI。
    CMMB系統(tǒng)中，信道呈頻率選擇性衰落。而OFDM正是將信號分割為N個子信號，然后用N個子信號分別調(diào)制N個相互正交的子載波，從而通過控制每個子載波的帶寬，使其滿足平坦衰落，以克服多徑效應(yīng)。每個OFDM符號包含一個51．2μs的循環(huán)前綴(CP)和409．6μs的數(shù)據(jù)體，因此OFDM符號長度為460．8μs，從而使子載波滿足平坦衰落，避免符號問串?dāng)_。循環(huán)前綴的加入也正是為了保證這一點的實現(xiàn)，且不影響數(shù)據(jù)內(nèi)容。CMMB從信號處理的角度做了大量改進。通過應(yīng)用正交多載波并合理設(shè)計幀結(jié)構(gòu)、添加循環(huán)前綴、控制OFDM符號長度等手段大大削弱了頻率選擇性衰落和多普勒頻移的影響，基本保證了平坦衰落和慢衰落的實現(xiàn)。
3．3 空間分集
    空間分集，也叫天線分集，是一種在發(fā)射端或(和)接收端安裝多根不同位置的天線的分集技術(shù)。目前，在CMMB終端，特別是手機終端中，由于受到成本、天線擺放、堆疊等限制，應(yīng)用還不是很廣。但是也有廠商在推廣支持天線分集接收的CMMB解調(diào)芯片。Siano提出了一種解決方案以及他們支持天線分集接受的芯片：SMS1186。傳統(tǒng)的CMMB解調(diào)芯片只有一路U波段的射頻信號輸入，而這款芯片同時支持兩路U波段輸入和兩路S波段的輸入，以便于天線分集的使用，如圖4所示。

    廠商聲稱來自兩個天線的信號經(jīng)過MRC合并后可以獲得可觀的分集增益，但由于目前CMMB主要應(yīng)用頻譜還在U波段，典型的波長在0．5m左右，在手機中應(yīng)用往往受制于天線擺放無法滿足空間分集的要求，所以在目前最熱門的手機移動研發(fā)中實際應(yīng)用不多?？赡苘囕d的CMMB系統(tǒng)會有其用武之地。
    另外一家廠商DIBCOM也推出了同樣基于MRC(最大比值)合并技術(shù)的天線分集接收方案，如圖5所示：

    廠商稱其分集信號合成算法上領(lǐng)先于競爭對手，并示意如圖6。

    同時，對于信道衰落大、或移動速度要求更高的環(huán)境下，DIBCOM還可多顆IC采用菊花鏈形式連接實現(xiàn)分集接收，即每個芯片都可以把自己接收到的信號和其他芯片接收到的信號MRC合并，如圖7所示，這也是DIBCOM公司的專利技術(shù)。

    但是同樣也存在在手機中應(yīng)用的問題，目前針對U波段的CMMB手機終端多采用拉桿天線。進入智能手機時代后，沒有人希望從手機中拉出天線，更別提兩根天線，因此，DIBCOM的解決方案也應(yīng)該是更多地應(yīng)用于車載等其他應(yīng)用場合。
3．4 其他分集方案
    在文獻中還可以看到有其他應(yīng)用分集方案的嘗試，比如在文獻中，作者分析了空間分集、角度分集、以及極化分集，對其進行了理論分析，并采用了極化分集方案，設(shè)計了兩種雙圓極化、寬波束的結(jié)構(gòu)，分析了某些結(jié)構(gòu)特征對天線性能的影響。對CMMB的分集接收有很大參考價值，但其側(cè)重點是針對車載環(huán)境以及CMMB衛(wèi)星接收，同樣無法應(yīng)用于目前最為火熱的智能手機平臺上。