編碼協作MIMO傳輸方案在DVB-T2數字地面電視中的應用

■文/張一陽

編碼協作MIMO傳輸方案在DVB-T2數字地面電視中的應用

■文/張一陽

數字地面電視是一種現代廣播技術，廣播公司使用該技術提供帶有高質量影像和聲音的電視服務。本文主要討論了，在現代數字廣播系統中應用編碼協作多輸入、多輸出MIMO傳輸方案，實現額外的發射分集和編碼增益。主要思想是，基于低密度奇偶校驗碼實現一個編碼協作MIMO方案。編碼協作傳輸可以獲得健壯的向前糾錯能力。通過這種方式，可以實現更穩定的系統性能，提高下一代手持系統的移動性。為了展示潛在的實際應用，基于第二代地面數字電視廣播（DVB-T2）系統對該方法的性能進行了評估。仿真結果表明，此方法可以用于支持高移動手持設備的DVB廣播系統的發展，例如下一代手持數字電視廣播（DVB–NGH）系統。

數字電視廣播；協作傳輸；MIMO；DVB-T2

引言

世界各國（美國、歐洲、日本等）都在進行高畫質、先進電視系統的研究。由于各種技術、組織和政治原因，導致世界不同地區應用多套數字 電視（Digital TV，DTV）標準。[1]現在，在工業領域對模擬數字轉換的需求也越來越大。廣播系統也不例外，許多國家已經在促進其廣播系統向數字化方向發展。地面電視平臺從模擬到數字技術的轉換，促使了電視市場的經濟增長。[2]

在DTV系統中，單頻網絡（single frequency network，SFN）傳輸方案具有顯著優勢。通過使用SFN方案，廣播系統可以在任意大的面積內使用同一頻率執行相同的數據。在SFN系統中，一個站在同一頻率下將相同的節目轉播給另一個站，或幾個站在相同的頻率下同時播放相同的節目，這樣可以提高頻譜的利用率。在這種情況下，信號從每個基站傳輸時需要時間同步，最基本的方法是通過全球定位系統（GPS）進行同步。

1.研究現狀

MIMO技術被認為將會是下一代地面廣播電視系統，因此在MIMO方面的研究也逐漸增多。有學者提出了一種利用獨立或迭代映射的接近額定容量MIMO坐標交織編碼調制方案。[3]在需要更高的傳輸速率和頻譜效率時，該方案將有更廣泛的應用。

在DTV系統中應用MIMO技術來提高SFN系統優勢方面的很多研究已經有了一定進展。有學者通過研究基本信道參數、交叉極化率、空間相關性、4×4的MIMO天線配置等，研究了MIMO無線信道在UHF波段的特點。文獻[4]中，針對DTV系統的分集增益提出了一種新的SFN模型。為了實現空間分集，作者采用了MIMO系統。此外，在SFNs的DTV廣播系統中還提出了一種3D MIMO方案。[5]作者表明，3D MIMO方案能高效應對SFN方案中接收權利平等與否問題。

在發展下一代地面數字電視廣播（DVB-T）系統的背景下，有學者已經研究了包含MIMO和正交頻分復用（OFDM）技術的DTT廣播系統。[6]還有將開發的軟件應用于移動接收，并分析和證明了該方法對DVB-T網絡的影響。為了評估DVB-T2在現實場景中的性能，也有文章進行了2×2 MIMO的實驗。

許多DVB-T2的研究從2006年開始就一直在進行。已經進行的工作有：在某些參數（如保護間隔，FFT大小）方面對DVB-T2的移動性能進行評估，還有些利用旋轉星座進行的研究測試。[7]但是MIMO技術尚未應用于DVB-T2標準。根據DVB-NGH的建議，MIMO技術將是下一代廣播標準的研究領域之一，這也將有助于提高信道容量。

在本文中，調查了在DTT系統中利用編碼協作MIMO傳輸方案實現發射分集，并參考DVB-T2系統的參數進行了物理層仿真，還利用一些時間交織塊的方法，為眾多基站的協作提供了編碼協作傳輸方案。

2. DVB-T2系統

DVB-T2系統的輸入可能是一個或多個MPEC-2傳輸流和/或通用流。待傳輸的業務需要先通過一個輸入預處理器，它包含一個業務分割器或解復用器，用于將業務分成T2系統的輸入，這些輸入是一個或多個邏輯數據流。預處理后的輸入接下來被傳輸到個人PLPs中。DVB-T2使用一種叫“旋轉星座”的新穎技術，該技術為顯著改進系統魯棒性提供了可能，尤其在地面頻道的情況下效果更好。系統的輸出通常是在射頻通路上傳輸的單天線信號。系統也可以生成在另一組天線上傳輸的另一組輸出信號，這被稱為“MISO傳輸模式”。

DVB-T2標準有附加的16k和32k載波模式，在保護間隔中，這可以在不增加預計開銷的情況下增大SFNs。DVB-T2最大的保護間隔超過500，這足以實現一個大型國家的SFN。DVB -T2標準定義了八個模式，可以根據FFT大小和特定的傳輸保護間隔選擇這些模式。當保證足夠的信道估計時，這種方法可減少導頻開銷。交織的概念在數字信號傳輸技術中是很常見的。這一概念的目的是在時間或頻率平面上將數字內容分開，使脈沖噪聲和頻率選擇衰落不破壞原始數據流的長序列。

DVB-T2標準實現了交織階段的四種類型。如果數據符號在SFBC之前被頻率交織器塊交織，數據符號就會與空頻映射結合，從而受到相同衰減系數的影響。[8]然而，數據符號在SFBC塊之后被頻率交織器塊交織，數據符號有不同的衰減系數，這可以提高傳輸分集技術。本文中建議在保 持傳統DVB-T2系統的前提下，以最小的變化修改DVB-T2系統模型。

4.方案

協作分集是一種眾所周知的協作系統方案，該方案多個節點協作形成一個虛擬的多天線陣列。[9]在衰減環境中，多重天線可以利用空時編碼，提高無線通信鏈路的容量和可靠性。科學家最近對ad-hoc網絡方面的興趣越來越濃厚，他們已經在研究利用網絡中不同用戶的天線來開發空間和傳輸分集。也有研究利用重復和空時算法改善空間分集。在SFN系統中編碼協作為協作分集提供了另一個方案。

3.1 編碼協作傳輸方案

DVB-T2系統包括多種獲取分集收益的方法。這里為DVB-T2系統提出的編碼協作傳輸方案主要關注編碼收益。該方案為協作傳輸增加了FEC編碼合并的方法。這種編碼合并方法可以降低碼率，提高移動節點的編碼增益。該編碼協作傳輸方案如圖1所示。

圖1 編碼協作傳輸方案例子

這項工作的主要目的是找到一種使新編碼增益有效并與DVB-T2系統保持相同傳輸效率的方法。這里提出的協作傳輸機制使用1/3或1/4 LDPC碼率。然而，DVB-T2系統沒有實現這些LDPC碼率。DVB-S2系統中使用的LDPC編碼器塊提供DVB-T2系統的LDPC編碼器核心，所以這里利用一個DVB-S2 LDPC編碼塊進行實現。

3.2 1/3碼率

3.2.1 編碼協作方案

下面是1/3碼率的編碼協作傳輸方案的一個示例（圖2）。每個基站生成一個預定義的1/3內碼 C = [S ;P1;P2]，S是對稱的數據位， P1和 P2分別是1和2奇偶校驗位。每個基站為了基于提出的FEC類型沖壓一個奇偶校驗位，在內部FEC過程之后，其將產生一個1/2率的新內碼。例如，如圖2所示，基站A產生原始內碼C，并根據提出的FEC類型，沖壓一個奇偶校驗位。最后，基站A就會有一個新的碼字C= [S ;P1]，并將其發送。基站B過程與基站A類似。最后，每個基站可以處理MIMO分組碼SFBC或STBC，也可以用來發送改變的碼率數據。

圖2 編碼協作方案例子-原始碼率1/3

3.2.2 協作傳輸方案

在一個無線通信系統中，通常其他基站的信號會造成小區間干擾。干擾會降低無線系統的性能，所以需要一個幀傳輸方案防止干擾。當傳輸完全不同的信息時幀應該被分開。下面是兩個基站之間的協作傳輸方案的例子。

每個基站有不同的幀起始偏移量和幀跳躍指針。假設所有的基站使用GPS獲得完全同步的時間，傳輸幀的尺寸也相同。基站A的幀起始偏移量是0，幀跳躍指針是2。在幀周期（TFRAME）期間，基站A傳輸第一個幀。當傳輸結束后，基站A等待 TFRAME時間。此外，還為一個T2幀指定了幀跳躍指針。當傳輸開始時，基站B等待給定的幀起始偏移的時間，基站B的幀起始偏移指定值為“1”。在等待TFRAME時間后，基站B就可以傳輸第一個幀了。具體傳輸方案如下圖3，這些幀的映射方案來源于DVB-T2標準中時間交織器映射方法[10]。

圖3 兩個基站的協作傳輸方案例子-利用T2幀部分

傳輸過程也可利用未來擴展幀（FEF）。FEF是兩個T2幀之間的超幀的一部分。FEF部分的過程與幀映射方案類似，每個基站有自己FEF部分的偏移量和跳躍指針。這里不再贅述。

在交織階段，DVB-T2和DVB-T之間最大的區別是DVB-T2引入了時間交織，它能更好的避免脈沖噪聲和時間選擇性衰落。

3.2.3 信號傳輸計算

假設在基站A、B和目標節點應用兩個天線。基站A將傳輸沖壓碼字 C= [S ;P1]，同時基站B將傳輸沖壓碼字C= [S ;P2]。為了FEC之后的MIMO過程，當T2幀根據傳輸方案傳輸時，基站在傳輸天線上使用SFBC映射方案。被傳輸的比特流被空頻編碼器編碼成大小為N的塊。帶有兩個天線的數據符號 Si的映射方案為：對于副載波i，天線1對應的為 Si，天線2對應的為 -Si*+1；對于副載波 i+ 1，天線1對應的為 Si+1，天線2對應的為 Si*。

共軛復數值用（.*）表示。選擇SFBC的映射方案，這樣原始數據可以在沒有任何修改的情況下，在第一個天線上傳輸。噪音在接收機端添加。

基站A傳輸的信號中檢測到的數據符號是

基站B傳輸的信號中檢測到的數據符號是

這里l是第l個副載波指針。

接收到的信號在被信道估計處理后，再被合并處理，并發送到最大似然檢測器。經過MIMO解碼過程和合并處理后，接收到的信號如下：

3.3 1/4碼率

現在簡單描述一下兩個和三個基站實現1/4碼率的編碼協作傳輸方案的例子。每個基站生成一個1/4內碼字C=[S;P1;P2;P3]，S是一個對稱的數據位， P1;P2;P3分別是奇偶校驗位1、2、3。在FEC過程后，每個基站根據它自己的FEC類型，將其中一個FEC塊分成兩部分。基站A生成一個原始的1/4內碼字 C'，并將FEC塊分成兩部分C = [S;P]和 C'= [P;P]。最后，基站A可以從被分割的11223 FEC部分 C1或 C'2中的選擇一個，然后將會傳輸選擇的FEC部分。基站B和基站A的過程類似。如果基站A選擇了FEC中 C1，基站B就會選擇 C'2，反之亦然。

如果要實現三個基站協作傳輸方案，可以考慮其他編碼類型。每個基站生成一個默認的1/4內碼字 C'，然后分割、重組默認碼字為 C1= [S ;P1]， C2= [S ;P2]， C3= [S ;P3]。每個基站選擇一個新的與其他基站不同的碼字，并且處理SFBC MIMO塊編碼。最后，每個基站遵循協作傳輸方案來傳輸數據。

上面介紹了，兩個和三個基站的編碼協作場景中1/3和1/4碼率編碼方案。在前面的例子中，兩個和三個協作基站應傳輸不同的信息。在傳輸完全不同信息的時候，傳輸幀應該被分開。在兩個基站執行1/3編碼協作方案或在三個基站執行1/4編碼協作方案時，每個協作基站包含共享信息S。如果每個協作基站共享一些信息，可以使用另一種傳輸方法。可以將其中一個新的FEC塊Cn分成兩部分，對稱部分S和奇偶校驗位部分Pi。因為所有的基站都包含對稱部分，所以可以同時傳輸S，這樣在接收端合并過程后，可以獲得分集收益。然而，因為Pi在每個基站中是不同的，應該在不同的時間傳輸Pi。

4.仿真結果

這里我們給出了模擬參數并進行了論證，并對1/3碼率進行了仿真。在仿真中，假定了近似慢瑞利衰落信道和理想信道。大部分仿真參數是按照DVB-T2的標準設置的。因為MIMO傳輸方案的試點模型并不適用，所以在MIMO過程中使用MISO傳輸參數。仿真中，應用了一個8K的 FFT采樣數和8MHz的信道帶寬。每個符號的載波數量、P2符號的數量以及其他載波的數量分別是6817、2和48。傳輸幀的大小為250ms，這是DVB-T2中最大的幀尺寸。選擇短LDPC塊作為內部編碼類型。FEC塊的長度是16200，在DVB-T2標準中沒有應用1/3和1/4LDPC碼率。因為DVB-T2標準的LDPC編碼源自于DVB-S2標準，所以仿真中應用DVB-S2標準的1/3和1/4 LDPC來生成矩陣。內部解碼器迭代次數是50。具體如表1所示。

表1 仿真參數

仿真設計基于兩個基站、1/3碼率的編碼協作模型（如圖2）。 根據提出的方案，仿真測量了比特誤碼率（BER）性能，每個符號能量與噪聲功率譜密度比（ Es/N0），并將其性能與傳統的沒有協作的SFBC方案進行了對比。SFBC協作對應的編碼協作方案如圖3所示。在圖4中， [1 BS ,SFBC MIMO]意味著利用一個1/2率LDPC編碼，基于一個基站傳輸Alamouti SFBC傳輸方案。 [2BS ,repetiton,w/ocode cooperation]意味著Alamouti SFBC傳輸方案是基于兩個基站的，并且沒有用提出的編碼協作方案，每個基站傳輸相同的數據，目標節點重復接收相同的數據。 [2BS ,repetitonTx ,w/code cooperation]是提出的方案，數據傳輸速率和在2BS常規方案是一樣的。在2BS常規方案中，每個基站共享相同的對稱數據，但是奇偶校驗數據是不同的。這些不同，使得提出的方案在目標節點處獲得合并編碼增益。

圖4 仿真結果-使用QPSK的1/3率編碼協作模型

正如圖4顯示，與兩個傳統方案相比，提出的方案提高了性能。2BS編碼協作傳輸方案比1BS SFBC多收益0.6dB，比2BS傳統方案多收益0.3dB。

5.結論

本文總結了數字電視廣播中MIMO等相關技術的發展情況；描述了DVB-T2標準等相關內容；研究了DVB-T2的編碼協作傳輸方案；提出了DVB-T2系統中基于兩個和三個基站的編碼協作傳輸方案；最后進行了在慢瑞利衰弱信道下相應的性能模擬。

從仿真結果可看出：編碼協作方案與基于一個和兩個基站的傳統傳輸方案相比在系統性能和協作分集方面都有一定優勢，此外編碼協作方案在提高DVB系統信道性能方面也有顯著成果。還可以通過協作方案的優化設計進一步提高系統性能。另外，編碼協作的有效功率分配和速率適配傳輸方案還有待進一步研究。

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（作者單位：國家新聞出版廣電總局機關服務局技術保障部）

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