一種NGB-W多管道業務數據復用方案

王達超，李明齊，蔡青春

(1.中國科學院 上海高等研究院，上海 201210；2.中國科學院大學，北京 100049 )

一種NGB-W多管道業務數據復用方案

王達超1,2，李明齊1，蔡青春1

(1.中國科學院 上海高等研究院，上海 201210；2.中國科學院大學，北京 100049 )

針對下一代廣播電視無線網(NGB-W)采用管道化技術的多QoS業務應用需求，給出了一種多管道業務數據的資源映射復用方案，并提出具體的復用參數計算方法和多管道數據基帶成幀控制策略。該方案根據獲得的系統參數和各管道的業務數據速率及其比例關系，確定每個物理幀中承載的各管道業務數據占用的物理資源量；根據所有管道業務數據占用的物理資源總量，確定物理幀長；根據到達的各管道的業務數據速率和復用參數，依次形成各管道的業務數據基帶幀。仿真表明，所提方案既可有效從巨量的系統參數和業務數據參數組合中篩選出既可以滿足各管道業務數據率要求，又可以實現具有不同QoS要求的所有管道業務數據承載于一個物理幀中。

NGB-W；廣播電視；多管道復用；多QoS；復用網關

隨著多媒體業務和終端形態的發展，數字電視廣播系統對多QoS業務的支持需求日益提高[1-2]。新一代的數字電視廣播系統，如歐洲DVB-T2/NGH、美國ATSC 3.0、日本ISDB-T系統，均采用管道化或分層分段技術[3-5]，實現不同業務數據格式和不同調制編碼的業務數據復用到一個物理幀中，提供對多QoS的支持[6]。作為國家信息基礎設施建設的重要戰略，電信網、廣播電視網和互聯網之間的“三網融合”已經成為國家網絡建設的必然選擇[7]。下一代廣播電視網(NGB)是國家廣電部門提出的面向三網融合戰略部署[1]，下一代廣播電視無線網(NGB-W)作為NGB的有機部分，旨在將無線寬帶接入技術與新型廣播傳輸技術相融合，并在技術需求中明確提出通過多管道技術支持多QoS廣播業務[2]，以提升廣電無線網絡全業務支撐的能力[2,4]。

歐洲DVB T2/NGH系統支持多個物理層管道，采用多管道復用技術，將不同類型的TS包映射入不同物理層管道,將輸入的N個輸入流流映射到N+1個物理層管道[6-7]。通過定義收集窗，分配窗來確定業務數據比特到基帶幀編碼塊的承載關系，但時間窗大小的考慮難以統一描述概括，這就給多管道復用技術增加了實現難度。美國下一代ATSC 3.0標準采用的層分復用(LDM)技術，該技術被列為ATSC 3.0物理層核心技術之一；LDM層分復用技術是在原有的數據層中加入第二層數據流，兩層信號共享同一帶寬，兼顧高階調制高數據率與低階調制魯棒性，利用分層復用提供多QoS服務，與移動、固定兩種接收方式[9-11]。日本ISDB-T標準將整個工作頻帶分為13個OFDM分段；每一OFDM分段均為獨立數據通道，即帶內各分段可獨立采用不同的碼流傳輸機制，如內碼碼率、交織深度，甚至調制映射方式等，該種帶寬使用方式為系統承載各種類型業務提供了相當的靈活性[8,12-13]。但DVB-T2、ATSC 3.0、ISDB-T、DTMB-A中并沒有提出具體的復用器實現方法、復用參數的計算算法與數據成幀策略。

本文在借鑒DVB-T2網關實現指南[6]的基礎上，給出一套適用于NGB-W系統的多管道業務復用實現方案，并提出具體的復用參數計算方法和多管道數據基帶成幀控制策略。

1 系統實現方案

通過借鑒現有技術成果歐洲DVB-T2復用網關，美國ATSC 3.0復用網關方案[6]，給出了一種可用于NGB-W系統的簡化版復用器實現方案。該方案基于物理層多管道復用技術。如圖1所示，復用器實現方案包括多管道輸入FIFO、復用參數計算、業務管道基帶成幀控制、多管道成幀數據讀取、信令成幀、數據成幀以及幀復用模塊。

圖1 多管道復用實現原理框圖

NGB-W復用器的主要功能就是將多路不同業務的輸入流映射到不同的物理層管道上，調度各管道業務數據與物理資源的映射承載，并將不同速率的多個管道業務數據流復用成物理幀，以便各個管道承載的業務數據按照特定的QoS需求編碼調制后，映射到各管道相應物理資源上傳輸。

多管道輸入FIFO對輸入的N路業務數據分別進行緩沖處理，復用參數計算模塊基于所配置的業務參數和系統參數(包括各管道業務數據速率、編碼碼長、各管道調制編碼方式)，利用資源映射調度算法，最終確定一個物理幀內的各個物理資源參數。信令域利用這些參數構建并形成信令基帶幀。業務管道基帶成幀控制模塊與多管道成幀數據讀取模塊協作，完成多個管道業務數據動態生成數據基帶幀。信令基帶幀與數據基帶幀經幀復用模塊復用形成物理幀。

由于廣播系統對多業務應用，多QoS服務質量的需求，而將物理層多管道化，每個管道的工作模式可以單獨設定，包括很多種碼長碼率選項，以及MCS組合；同時NGB-W物理幀長是動態配置不確定的。以上多種不確定因素，導致傳輸每個管道的資源配置是可變的，從原理上說傳輸的數據業務與物理幀資源之間的映射組合會非常多，此時采用枚舉法是不現實的；因此，需要一個高效算法，可以相對快速地計算出復用參數，資源映射調度算法基于所配置的業務參數和系統參數(包括各管道業務數據速率、編碼碼長、各管道調制編碼方式)，確定一個物理幀內的承載業務的各個物理資源參數，完成多管道業務數據到物理幀編碼塊的映射。

2 多管道復用實現算法

實現多管道傳輸的一個關鍵技術是確定承載數據的各邏輯管道與物理幀中時頻資源之間的映射關系，以便廣播調制器按照一定的次序排列并發送數據。如圖2所示，示例在2個管道下，業務數據與基本物理單元的映射關系，其中空單元不承載有效數據，確定承載的數據與物理資源的映射方法由復用參數計算模塊實現。由于輸入的業務可以在不同的管道間進行統計復用，且每個管道的速率可以不同，因此有效的映射機制需確保在給定的物理幀參數條件下既可滿足各輸入業務傳輸速率差異化的要求，同時又要盡可能提高物理資源的使用效率。

圖2 兩個管道業務數據與物理幀資源(數據基本單元)映射示意圖

2.1 多管道復用參數算法描述

1)獲取各管道業務數據參數及系統參數

(1)各管道擬傳輸業務數據的速率RTSi，各管道擬傳輸業務數據采用的調制方式ηMODi，編碼碼率CRi，編碼碼長LBLKi，i=1,…,NPLP，NPLP為需要傳輸的業務管道數。

(2)一個數據OFDM符號中用于承載數據的基本單元數(cell數)NCELL_OFDM。

(3)每個數據OFDM符號長度LSym_OFDM；一幀中承載非業務數據的所有符號的總長度LSym_NData；一個物理幀的采樣周期TS。

2)確定承載各管道業務數據的基本單元(cell)總數之間的比例關系為

NCELL_PLPi/NCELL_PLPj=RTSi×CRj×ηMODj/(RTSj×

CRi×ηMODi)=Ki,j

(1)

3)一個物理幀可傳輸的最大凈荷比特數為

(2)

4)一幀中的幀長LFrm(用采樣點數表示)可表示為

LFrm=NSym_OFDM×LSym_OFDM+LSym_NData

(3)

5)基于給定幀參數形成的物理幀可傳輸的凈比特率RPBit與擬傳輸的各管道業務數據比特率RTSi之間需滿足

(4)

6)一個物理幀承載各管道業務數據所需的cell數NCELL_PLPi與一個物理幀中包含的數據OFDM符號數NSym_OFDM之間滿足

(5)

式中：「·?為取上取整運算。

7)各管道承載業務數據所需的cell數NCELL_PLPi與編碼塊數NBLK_PLPi之間需滿足

NCELL_PLPi×ηMODi=NBLK_PLPi×LBLKi,i=1,…,NPLP

(6)

(7)

(8)

(9)

i=1,…,NPLP

(10)

(11)

2.2 多管道數據輸入成幀讀取控制算法

(6)重復步驟(1)～(5)。

4)基于獲得的業務數據參數和系統參數，形成信令幀載荷信息，將信令幀載荷信息添加信令基帶幀頭、填充比特、校驗比特后，并進行信令基帶幀成幀操作，生成一個信令基帶幀。

5)基帶幀復用：將信令基帶幀和數據基帶幀按一定順序和比例級聯復用，一般一個物理幀承載一個信令基帶幀與若干個數據基帶幀，并且信令基帶幀先于數據基帶幀傳輸，數據基帶幀的數量等于一個物理幀中承載的所有管道的編碼塊數量之和。

3 復用算法與方案仿真與驗證

3.1 多管道復用參數算法仿真驗證

在圖2所示幀結構及給定系統參數條件下，以下描述2個管道資源映射參數算法驗證過程。

1)假設需要傳輸的數據速率與系統參數如下：

(1)2個管道擬傳輸業務數據的速率取值分別為RTS1=2.1 Mbit/s和RTS2=22.2 Mbit/s；

(4)各管道擬傳輸業務數據采用的編碼碼長LBLKi=9 600，i=1,2；

(5)一個數據OFDM符號中用于承載數據的基本單元數(cell數)NCELL_OFDM=2 786；

(6)數據OFDM符號長度LSym_OFDM=4 096；

(7)一幀中承載非業務數據的所有符號的總長度LSym_NData=2 048+5×4 096×9/8=25 088；

(8)采樣周期TS=0.1 μs；

2)從調制編碼方式(MCS)集中，遍歷選擇各管道所采用的調制編碼方式，即Modi，CRi，i=1,2。由于每個管道有30種MCS，則兩個管道的MCS組合共有900種。

3)對每種待選的MCS組合，根據所述映射方法，可確定驗證的MCS組合是否達到2個管道數據速率的傳輸要求。若滿足，則可獲得該有效MCS組合的如下承載2個管道業務數據的物理資源參數：

4)對每種有效的MCS組合，可計算物理資源復用性能參數如下：

(2)復用效率EffMuX，即物理幀承載業務數據的cell有效占比。

表1 不同MCS組合下的系統與性能參數

MCS模式ηMOD1CR1ηMOD2CR2NOPCELL_PLP1NOPCELL_PLP2NOPBLK_PLP1NOPBLK_PLP2NOPSym_OFDMFrameOPLenEffMuXRMaxTS1RMaxTS21100.8100.81579166932187573440.9372.10122.2092100.880.819592588732210711680.9992.10022.2013100.860.8462381453551311679360.9972.10022.203480.8100.81974166952187573440.9572.10122.212580.880.826082757132311757760.9852.10122.208680.860.8625488152656341817600.9972.10022.201760.8100.82631166892187573440.9912.10022.204860.880.836882924132512803840.9852.10022.203960.860.89607101560764402094080.9982.10022.201??????????????11840.33380.75490441152152197592969600.9992.10022.200119100.333100.5138349749715102402094080.9992.10022.20112080.333100.52223912538619131532693121.0002.10022.20112160.333100.558063245524372561095273601.0002.10022.200

綜上所述，該物理資源參數映射算法滿足NGB-W系統對于多QoS多管道復用的技術要求，能實現具有不同速率和不同QoS要求(調制方式、編碼方式編碼碼率和碼長)的多管道業務數據與物理資源映射參數的確定，在應用過程中可根據對QoS的要求，選擇承載各管道業務數據的MCS組合，以及相應一幀中承載的各管道業務數據映射資源，達到動態可配置的多管道業務數據與一個物理幀中物理資源的映射。

3.2 多管道業務數據成幀控制算法仿真驗證

此算法驗證的已知條件是基于多管道資源復用參數算法分配的結果，因此從表1選取一組復用資源參數，而其他系統參數、業務參數均保持不變，接下來進行此算法的驗證。從表1選取的一組參數如下：

1)輸入管道1調制方式取QPSK，編碼碼率取4/5；

2)輸入管道2調制方式取256QAM，編碼碼率取4/5。

兩個管道FIFO內讀寫使能、狀態標志如圖3、圖4所示，讀使能正電平表示選取該管道業務數據進行數據成幀。

圖3 管道1 FIFO狀態標志

圖4 管道2 FIFO狀態標志

圖5 兩個管道數據成幀時序狀態

圖6示例了一個物理幀中承載的信令基帶幀(SBBF)和數據基帶幀(DBBF)格式。由于根據多管道復用參數計算算法，輸入的各管道業務數據速率不等于(實際上為不大于)一個物理幀中可承載的各管道業務數據速率，因此從FIFO中讀取的各管道數據映射到物理幀傳輸之前還需進行速率匹配處理。由于篇幅所限，該處理在此不展開描述。

由上述仿真可見，該復用調度控制算法可以針對各管道承載的不同速率的TS流，采用給定的彼此獨立調制編碼方式和復用參數，動態選擇用于形成當前基帶幀的管道進行數據基帶成幀，并最終將信令幀與數據幀統計復用為一個完整物理幀輸出。

圖6 生成的一個物理幀中承載的信令基帶幀和數據基帶幀格式

4 結束語

本文依據NGB-W對多QoS廣播服務的需求，給出一種適用NGB-W廣播幀結構的多管道化業務數據復用方案，實現具有不同速率和不同QoS要求(調制方式、編碼碼率和碼長)的多管道業務數據，通過動態調度，依次形成基帶幀，并映射到一個物理幀。提出了一種適用于NGB-W物理層多管道資源映射的復用參數計算算法，該算法用來確定多管道業務數據與物理層資源映射參數，動態確定承載各管道中不同QoS業務數據的物理幀結構，實現多管道業務數據與物理幀資源的動態適配。所提的復用參數計算算法是基于各管道速率的比例關系，計算所需要的物理資源參數，以確定物理幀結構以及業務數據映射關系，以便多管道業務數據復用成幀。另外，提出了一種多管道數據輸入成幀讀取控制算法，依次動態調度選擇合適的管道業務數據，并根據其編碼塊長度進行數據基帶成幀處理。通過仿真，驗證了所提算法的有效性。

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王達超(1989— )，碩士生，主研無線三網融合、NGB-W通信協議；

李明齊(1971— )，博導，主研無線三網融合、5G關鍵技術、虛擬無線電，本文通信作者；

蔡青春(1975— )，碩導，主研無線網絡融合與創新、面向移動終端的流媒體傳輸。

責任編輯：薛 京

NGB-W multi-pipeline data stream multiplexing scheme

WANG Dachao1,2，LI Mingqi1，CAI Qingchun1

(1.ShanghaiAdvancedResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Shanghai201210,China;2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

The pipeline technology for multiple QoS application requirements are studied, a multi-pipeline service data resource mapping multiplexing scheme for the next generation broadcasting wireless system(NGB-W) is proposed, and the specific multiplexing parameter calculation algorithm and multi-pipeline data baseband frame generation control strategy are proposed. According to obtained system parameters, service data bit rate and the ratio in each pipeline, physical resources in each physical frame that each pipeline carried data are determined. Based on the amount of physical resources carried data occupied by all pipelines, physical frame length is determined. According to service data rate each pipes input and the multiplexing parameters, data baseband frames is generated dynamically. Simulation results show that the proposed scheme can screen the specific parameters combination effectively from the massive system parameters combination ,which both meet data rate requirements of each pipeline, and achieve service data providing multiple QoS demand carried in a physical frame depend on multi-pipeline.

NGB-W; television broadcasting; multi-QoS; multi-pipeline multiplexing; multiplex gateway

王達超，李明齊，蔡青春.一種NGB-W多管道業務數據復用方案[J]. 電視技術，2017,41(2)：70-76. WANG D C，LI M Q，CAI Q C.NGB-W multi-pipeline data stream multiplexing scheme[J]. Video engineering，2017,41(2)：70-76.

TN934.3

A

10.16280/j.videoe.2017.02.015

中科院重點部署項目子課題(KGZW-EW-103-3)；中科院先導專項子課題(XDA0601301)；國家自然科學青年基金項目(61302093)；上海市國際科技合作基金項目(14510722300)

2016-06-07