MIMO技術(shù)在公交移動電視中的應(yīng)用研究

王會芹，李鑒增

(中國傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京 100024)

MIMO技術(shù)在公交移動電視中的應(yīng)用研究

王會芹，李鑒增

(中國傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京 100024)

隨著數(shù)字移動電視技術(shù)的發(fā)展，公交電視幾乎已經(jīng)覆蓋了整個北京的公交系統(tǒng)。但是在公交電視節(jié)目的傳送過程中受到多徑衰落、多普勒頻移等的影響，經(jīng)常會出現(xiàn)接收信號差或無信號的現(xiàn)象。為了解決衰落，改善數(shù)字電視廣播移動接收的信號質(zhì)量，這里引入了基于空時分組碼的MIMO技術(shù)，來提高公交電視的接收效果。仿真結(jié)果說明了MIMO技術(shù)可以有效克服多徑衰落，提高信號的誤碼率。

公交電視;DVB-T;MIMO;空時分組碼

1 引言

公交電視是一種在公共交通-公共汽車上傳播的，以電視節(jié)目形式播出的電視。它是一種新型的信息傳播平臺，通過自動下載功能實現(xiàn)公交車進站后節(jié)目更新。通過這種傳播平臺人們在乘坐公交車的同時，也可以欣賞多種多樣的電視節(jié)目，給枯燥的乘車過程增加一些樂趣。

但是在公交電視節(jié)目的播放過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)接收信號差或無信號的現(xiàn)象，特別是遠離發(fā)射中心的地方，接收信號很弱，電視質(zhì)量較差。其主要原因是在整個接收范圍內(nèi)，發(fā)送的節(jié)目信號受到多徑衰落、多普勒頻移等小范圍衰落的影響，直接導(dǎo)致電視畫面變差或根本沒有信號。為了解決衰落，改善數(shù)字電視廣播移動接收的信號質(zhì)量，在接收設(shè)備上使用了多種措施，如信道糾錯技術(shù)、抗衰落接收技術(shù)等，有些城市已采用兩根發(fā)射天線的分集技術(shù)，本文采用MIMO技術(shù)來提高公交電視的接收效果。

2 公交電視概述

北京公交電視采用DVB-T標準利用地面移動數(shù)字電視試驗單頻網(wǎng)(SFN網(wǎng)絡(luò))，來進行數(shù)字電視移動接收，實現(xiàn)在市區(qū)范圍內(nèi)公交車輛的移動接收覆蓋。DVB-T提供2種子載波數(shù)量:2k模式的1705個載波和8k模式的6817個載波、3種調(diào)制方式(QPSK、16QAM、64QAM)、4 種保持間隔(1/4、1/8、1/16、1/32)，支持小范圍和大范圍的單頻網(wǎng)運行，同樣一路數(shù)字電視節(jié)目，可以通過多個發(fā)射機的同一頻率同時接收，以提高接收效果。

與衛(wèi)星傳輸信道和有線傳輸信道相比較，地面開路傳輸信道環(huán)境差，電磁波信號容易受到各種各樣的外來雜散電磁波干擾。地面移動數(shù)字電視試驗單頻網(wǎng)中主要存在的問題如下［1］:

(1)建筑物的遮擋和覆蓋范圍問題:高樓、立交橋、隧道等遮擋的陰影區(qū)內(nèi)，信號出現(xiàn)嚴重衰落，場強小于接收門限，從而出現(xiàn)接收信號中斷。數(shù)字電視信號的接收很容易受高層建筑物的遮擋、吸收與反射影響，數(shù)字電視廣播的圖像和聲音會隨所接收信號的減弱出現(xiàn)有或無的尖銳突變，只要能收到，它的質(zhì)量一般是優(yōu)良的。

(2)多徑接收問題:因地形地貌等反射，使到達接收的信號不止一個;在數(shù)字接收中，多徑干擾達到一定程度就會造成頻譜衰落，使接收失敗;在較強多徑干擾的情況下，即使信號場強足夠高，也有可能接收不到信號。特別是北京公交電視采用單頻網(wǎng)，利用一個主發(fā)射機，三個輔助發(fā)射機來同頻，同時發(fā)送信號，必然會導(dǎo)致不同發(fā)射機到達移動接收機的時間不同，而產(chǎn)生多徑接收問題。

(3)接收區(qū)域問題:由于接收地點離主發(fā)射臺的距離變化和其他發(fā)射臺發(fā)射信號間相對關(guān)系的變化而引起的接收條件的變化;數(shù)字電視信號質(zhì)量在接收的效果良好和接收不好之間有突出變化，也稱“懸崖”效應(yīng)。

(4)頻率規(guī)劃問題:數(shù)字系統(tǒng)頻率規(guī)劃按99%時間概率和99%的地點概率來規(guī)劃的。

為了解決上述問題一般采用SFN組網(wǎng)技術(shù)，用大中功率或小功率發(fā)射機組成SFN，并調(diào)整保持單頻網(wǎng)時間同步和頻率同步的設(shè)備單頻網(wǎng)適配器(在數(shù)字碼流中插入了一個MIP包，以傳輸同步信號)，延長單頻網(wǎng)適配器為單頻網(wǎng)提供的時間同步信號。同時RF發(fā)送系統(tǒng)采用OFDM的信道調(diào)制技術(shù)，同時伴隨著強大的糾錯碼，達到較高的頻譜利用效率。

雖然DVB-T采用的多載波OFDM技術(shù)能夠有效地抵消多徑效應(yīng)，將頻率選擇性衰落轉(zhuǎn)變成易補償?shù)男诺纻鬏斚禂?shù)。但載波頻偏會使DVB-T性能嚴重惡化，這是因為頻偏破壞了DVB-T中子載波之間的頻率正交性，引起了不可逆轉(zhuǎn)的載波間串擾(ICI)，非常類似于寬帶單載波系統(tǒng)的碼間［2］。雖然DVB-T內(nèi)接收機的載波同步部分可以有效地捕獲載波頻率，并跟蹤載頻緩慢變化。但對于隨著接收機運動速度和方向變化的多普勒頻移，尤其是接近或超過子載波頻率間隔的頻移，接收機載波同步部分的性能大大惡化，此時即使是提高載噪比C/N，也無法明顯改善移動接收機的性能。對于距離因素引起的“懸崖”效應(yīng)上述方法沒有明顯的改善效果。

也有采用雙天線分集技術(shù)分別用于發(fā)射系統(tǒng)［3］或接收系統(tǒng)來改進接收性能［2］，提高接收機正常工作所能承受的最大多普勒頻移。例如英諾科技采用多天線分集技術(shù)應(yīng)用于手持移動設(shè)備、車載、家用機頂盒、地鐵、樓宇等場合。僅雙天線分集接收，在8k、64QAM、2/3的調(diào)制模式下，信號靈敏度可以提高2～10dB，降低6dB的C/N門限值，在周邊復(fù)雜環(huán)境的情況下，如鬧市區(qū)，展覽會等地區(qū)，可以提高多達3dB以上的多徑路抗干擾性能。所以這里將MIMO技術(shù)用于公交電視的地面移動數(shù)字電視系統(tǒng)中。

3 基于MIMO技術(shù)移動數(shù)字電視系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)模型

MIMO通信系統(tǒng)是在發(fā)射端和接收端均有多個天線通道的通信系統(tǒng)，DVB-T系統(tǒng)采用多載波OFDM技術(shù)，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示［4］。該系統(tǒng)具有MT個發(fā)射天線和MR個接收天線。在發(fā)送端，數(shù)據(jù)經(jīng)過OFDM調(diào)制器(OFDM)后，通過不同的發(fā)送天線發(fā)送。在接收端，發(fā)送的信號通過每一個接收天線接收，并且，依靠相應(yīng)的OFDM解調(diào)器(OFDM-DEM)解調(diào)。每個OFDM具有N個(N=1705)子載波，可以產(chǎn)生長度為N的OFDM信號。L個可識別路徑的離散時間MIMO衰落信道輸入輸出關(guān)系為

其中x(n)表示MT×1維發(fā)送信號矢量，y(n)表示MR×1維接收信號矢量，L表示多徑信道可識路徑數(shù)，由L=Bτ確定，B表示信號帶寬，τ表示最大延時擴展，zn為加權(quán)高斯白噪聲，H為信道矩陣，為復(fù)值隨機矩陣，Hl表示第l徑信道脈沖響應(yīng)。可表示為

多徑衰落和多普勒頻移引起的衰落在小范圍內(nèi)都屬于快衰落，理論和實測表明:快衰落的振幅服從瑞利分布，相位服從均勻分布。所以這里的信道模型選為瑞利信道。

圖1MIMO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 空時編碼及譯碼

空時編碼技術(shù)是MIMO技術(shù)的核心技術(shù)，該編碼在多要發(fā)射天線和各個時間周期的發(fā)射信號之間能夠產(chǎn)生空域和時域的相關(guān)性，這種空時相關(guān)性可以使接收機克服MIMO信道衰落和減少發(fā)射誤碼，Alamouti提出了基于發(fā)射端為2根天線空時分組碼(STBC)的結(jié)構(gòu)，Tarokh按正交設(shè)計理論拓展了空時分組碼理論，構(gòu)造了發(fā)射天線大于2的正交空時塊編碼，空時分組碼可一種能夠提供滿分集增益和具有非常低的編碼和譯碼復(fù)雜度的多個發(fā)射天線系統(tǒng)的調(diào)制方案，這里通過以2根發(fā)射天線和2根接收天線為例進行空時編碼和譯碼［5］。

首先將調(diào)制后的兩個發(fā)送信號矢量(碼元)為一組進行分組，并根據(jù)如下給出的編碼矩陣將它們映射到發(fā)射天線［6］:

編碼器的輸出在兩個連續(xù)發(fā)射周期里從兩根發(fā)射天線發(fā)射出去。在第一個發(fā)射周期中，信號x(n)(x1和x2)同時從天線1和天線2分別發(fā)射。在第二個發(fā)射周期中，信號x(n+1)(-，)從天線1和2發(fā)射。

在接收端接收天線i，i=1，2在連接兩個周期內(nèi)接收信號為［7］

在接收端，天線的每個接收信號為2路發(fā)送信號與噪聲的線性疊加，檢測時，可采用解相關(guān)接收。通常情況下，由于空時分組碼的正交性使得最大似然譯碼簡化為一個線性處理，復(fù)雜度大大降低，因此，一般采用最大似然譯碼。

若接收端的信道矩陣H(n)已知，并假定調(diào)制星座圖中的所有信號都是等概率的，最大似然譯碼器對所有可能的，值，從信號調(diào)制星座圖中選擇一對信號，)，最大似然譯碼可以表示為:

對于給定信道實現(xiàn)H1(n)和H2(n)而言，統(tǒng)計結(jié)果(i=1，2)僅僅是 xi(i=1，2)的函數(shù)。因此，可以將最大似然譯碼準則式(6)分為對于x1和x2的兩個獨立譯碼算法，即:

4 MIMO技術(shù)在公交電視的中應(yīng)用仿真

由于實際中受到空間和成本的限制，不可能無限增加天線個數(shù)，所以這里通以兩根發(fā)射天線兩根接收天線為例進行仿真，仿真參數(shù)設(shè)置如下:采用2k模式，保護間隔為1/4(224μs)，調(diào)制方式為64QAM，使用標準中的瑞利衰減信道，假設(shè)多徑接收問題是由不同發(fā)射機到達移動接收機的時間不同引起的，所以設(shè)多徑數(shù)為3，最大多普勒頻率為60Hz發(fā)射中心頻率794MHz，頻率范圍790～798MHz。仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同數(shù)目收發(fā)天線下的誤碼率

從圖2給出了單發(fā)單收，兩發(fā)一收，兩發(fā)兩收系統(tǒng)不在同的信噪比下的誤碼率。從圖中可以看出，隨著發(fā)送天線和接收天線數(shù)量的增加，誤碼率大大降低，必然會使接收質(zhì)量得到改善。這說明利用MIMO技術(shù)確實可以有效的改善公交電視的收視效果。

5 結(jié)論

本文以北京公交電視數(shù)字電視移動接收系統(tǒng)為平臺，針對由于不同發(fā)射機到達移動接收機的時間不同而產(chǎn)生多徑問題，引入了 MIMO技術(shù)，構(gòu)造出多天線系統(tǒng)，來克服多徑衰落現(xiàn)象，改善接收效果。最后的仿真結(jié)果證明了這種基于MIMO技術(shù)的多天線系統(tǒng)的有效性。

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Application of MIMO Technology in Transportation Mobile-TV System

WANG Hui-qin，LI Jian-zeng
(Information Engineering School，Conmunication University of China，Beijing 100024，China)

With the development of wireless digital television technology，television programs can be enjoyed on almost every bus in Beijing whenever and wherever.However，the receive signals often in poor quality due to the influences of doppler shifts and carrier frequency offsets.Multiple-transmit antenna and multiple-receive system based on the technology of MIMO is proposed here to improve the quality of TV programs.Besides，Space-time block code is also employed.Simulation results indicate that it has better error performance.

Bus TV;DVB-T;MIMO;STBC

TN949.197

A

1673-4793(2012)01-0027-04

2011-11-17

王會芹(1975-)，河北邢臺人，中國傳媒大學(xué)講師.E-mail:hqwang@cuc.edu.cn.

(責任編輯

:宋金寶)