基于數字廣播信令聚合的高可靠應急傳輸*

高 劍，陳為剛，楊晉生

(天津大學微電子學院,天津 300072)

1 引言

地面數字廣播主要用于承載音視頻傳輸，憑借其較低的成本與接收機復雜度，具有非常廣大的用戶群；地面數字廣播也承擔著在應急情況下信息發布的作用[1 - 4]，具有重要的社會效益。但是，在一些特殊情況下，例如地面廣播設施遭到損壞，應急情況下的信息發布由于發射功率的限制，難于支持廣大用戶的可靠接收[5]。基于此，本文以歐洲地面數字電視廣播標準DVB-T(Digital Video Broadcasting-Terrestrial)為例，研究基于地面數字廣播系統的高可靠應急信息傳輸的方法，根據DVB-T系統傳輸參數信令信號的特點，提出了一種基于數字廣播信令聚合的高可靠應急傳輸方法，實現利用較小功率傳輸高可靠的短消息數據。DVB-T是目前世界上應用廣泛的地面數字電視信號傳輸標準之一，獲得了巨大的成功[6]。該標準利用開路地面傳輸媒介進行MPEG-2數字電視傳輸，采用了編碼正交頻分復用COFDM(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術作為調制方式，并結合高可靠的糾錯編碼技術實現具有較高頻譜利用率與較強抗多徑干擾能力的傳輸。DVB-T信號按功能進行劃分，除包含需要傳輸的數字電視信號外，還包括3種類型的輔助信號，分別為離散導頻信號、連續導頻信號和傳輸參數信令TPS(Transmission Parameter Signalling)[7]。

DVB-T系統傳輸短消息數據，通常所采用的方法是將短消息數據插入到由MPEG-2信源編碼復用器輸出的傳輸流TS(Transport Stream)中，利用TS流傳輸實現短消息的廣播服務，但是該傳輸方式仍然受限于TS流的可靠接收。為提高短消息傳輸的可靠性，本文選擇預先設定的固定廣播模式，利用DVB-T標準中用于傳輸參數信令(TPS)的子載波承載短消息數據，采用重復編碼和多進制低密度奇偶校驗碼LDPC(Low Density Parity Check Codes)編碼作為信道編碼方案，以二進制相移鍵控BPSK(Binary Phase Shift Keying)作為調制方式，設計了一種高可靠性的應急短消息傳輸方案。進一步，在軟件無線電平臺上實現DVB-T系統，將DVB-T標準中的傳輸信令(TPS)子載波用于承載短消息數據，并且完成了數據的收發與性能測試。實際測試情況表明，本文提出的基于數字廣播信令聚合的應急傳輸方法能實現短消息數據的高可靠傳輸。

2 DVB-T系統中的傳輸參數信令(TPS)

DVB-T系統采用COFDM多載波調制方式進行信號傳輸，具有兩種傳輸模式，分別是2K模式和8K模式，本文以2K模式作為傳輸模式。在2K模式下，總載波數目為1 705個，其中傳輸參數信令(TPS)占用17個子載波，剩余的載波為數據載波和導頻載波。TPS子載波映射采用查找表的方式將TPS調制符號映射到17個TPS子載波上實現TPS信號多載波映射。傳輸參數信令(TPS)所傳輸的信息包括：調制方式、等級調制信息、保護間隔、糾錯保護碼、傳輸模式、超幀中的幀序號以及發射機所覆蓋的蜂窩標識等系統信息。

在DVB-T系統中，傳輸參數信令(TPS)塊定義在連續傳輸的68個COFDM符號中，即一個COFDM幀中。其中，每個COFDM符號中承載一個TPS調制符號。每幀第一個COFDM符號承載的傳輸參數信令(TPS)比特為差分二進制相移鍵控DBPSK(Differential Binary Phase Shift Keying)調制的參考位，用于DBPSK調制的初始化。之后每個COFDM符號對應一個傳輸參數信令(TPS)比特，每個傳輸參數信令(TPS)塊包含68個傳輸參數信令(TPS)比特。傳輸參數信令(TPS)塊比特分配如下：1個初始化比特、16個同步字比特、37個系統參數比特和14個BCH碼差錯校驗比特。相比于16進制正交幅度調制16QAM(Quadrature Amplitude Modulation)、64進制正交幅度調制64QAM和正交相移鍵控QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)調制，DBPSK調制方式具有更好的抗干擾能力，可以保證收端接收TPS信號的門限比QPSK還要低，因此TPS塊信號采用DBPSK調制。DBPSK調制方式如下：

l=0:Re{cm,l,k}=1-2ωk,

lm{cm,l,k}=0

l>0:sl=0→ Re{cm,l,k}=Re{cm,l-1,k},

lm{cm,l,k}=0

sl=1→Re{cm,l,k}=-Re{cm,l-1,k},

lm{cm,l,k}=0

(1)

其中，m為幀序號，k為TPS對應的子載波序號，l為COFDM符號序號，ωk為DVB-T標準定義的偽隨機比特序列。

DBPSK解調方式如下：

i=suml×suml-1

(2)

3 基于數字廣播信令字段聚合的傳輸方案

本文采用DVB-T標準中用于傳輸參數信令(TPS)的子載波承載應急短消息數據，采用重復編碼和多進制LDPC編碼作為信道編碼方案，實現高可靠短消息數據的傳輸。DVB-T系統采用固定收發模式，傳輸模式選擇2K模式，采用非等級調制，內碼選擇碼率為1/2的卷積碼，以QPSK作為星座映射方式，并且保護間隔長度為COFDM符號長度的1/4。因此，傳輸參數信令(TPS)不再需要包含與傳輸模式相關的系統參數。

相對于采用TS流傳輸的DVB-T系統，本文所提出的傳輸方法使用BPSK調制方式替代原標準中TPS的DBPSK調制方式，并將原標準中的信道編碼方式由BCH編碼替換為多進制LDPC編碼。因此，在系統實現過程中，需要對DVB-T系統中的TPS生成模塊、TPS包構成、TPS解調模塊和超幀同步模塊進行修改，并在接收端增加信道噪聲估計、多進制LDPC譯碼模塊和應用層同步模塊。TPS生成模塊主要在發送端實現短消息數據的多進制LDPC碼編碼、數據成幀和BPSK調制；TPS解調模塊在接收端實現對所有TPS子載波的BPSK解調并獲取TPS解調序列；超幀同步模塊根據超幀中分段插入的同步字序列實現超幀起始位置捕獲；信道噪聲估計對加性高斯白噪聲AWGN(Additive White Gaussian Noise)信道噪聲進行估計，供BPSK軟解調使用；多進制LDPC譯碼模塊實現TPS載波解調數據的截取和多進制LDPC譯碼，恢復TPS包；應用層同步模塊用于捕獲TPS包的起始位置并提取出短消息數據。

3.1 TPS生成模塊

TPS生成模塊實現對短消息數據的多進制LDPC編碼、數據成幀和BPSK調制，生成長度為2 720的復數域符號的BPSK調制序列。

多進制LDPC碼采用基于圖論的優化設計方法，在中短碼長下具有優越的性能，因此在本文中用于短消息數據的編碼傳輸[8,9]。對短消息數據進行編碼過程中，首先將連續的1 040比特分成10組長度為104比特的序列作為信息序列；其次，對每組信息序列在GF(16)域上進行多進制LDPC編碼，編碼碼率為1/2；最后，將10組編碼碼字序列合并成長度為2 048比特的編碼序列。

本文中每幀短消息數據幀，由連續的10組長度為104比特的信息序列經過多進制LDPC編碼得到的長度為208比特的編碼碼字序列組成，幀長度為2 080比特。其中，連續的10組長度為104比特的信息序列構成應用層數據包。短消息數據幀由10幀超幀組成，每一超幀包括4個COFDM幀，每一COFDM幀包含16比特同步字序列和52比特編碼序列。其中，超幀中分散插入的4段16比特同步字序列組成64比特的超幀同步序列，供接收端實現超幀同步。同步序列選用的是CCSDS標準中長度為64比特的同步字。超幀中的編碼序列長度為208比特，是由104比特信源序列經1/2碼率、GF(16)域上多進制LDPC編碼得到，并且平均分成4段，分散插入至16比特同步字序列之后。

在完成數據成幀之后，對每個子載波所承載的數據采用BPSK調制。由于每個COFDM符號中包含17個TPS子載波，每個TPS子載波傳輸相同的編碼序列，因此短消息數據在完成一次多進制LDPC編碼后又經過17次重復傳輸，進一步提高信息傳輸的可靠性。

DVB-T系統的信道帶寬為7 MHz，采用固定收發模式進行傳輸，COFDM符號周期Tcofdm=320 μs，因此，10個連續超幀的周期為：

Tm=68×4×10×Tcofdm=870.4 ms

(3)

由此可得，信源數據的傳輸比特速率為:

R=1040/Tm=1.195 Kbps

(4)

3.2 信道噪聲方差估計

本文中TPS解調模塊采用BPSK軟解調，因此需要對信道噪聲方差進行估計。本方法采用一種低復雜度的基于經驗特征函數ECF(Empirical Characteristic Function)的信道噪聲方差估計算法[10]對信道噪聲方差進行估計。該方法適用于多進制相移鍵控MPSK(Multiple Phase Shift Keying)和多進制正交幅度調制MQAM(Multiple Quadrature Amplitude Modulation)，且無需預知調制方式。基于ECF的信道噪聲方差估計算法的實現步驟為：

(1)假設接收端接收序列是長度為N的復數域序列R={r1,r2,…,rN}。其中，rk為接收序列R中的第k個元素，可表示為rk=rk,I+rk,Qj的形式，rk,I為同相分量，rk,Q為正交分量。則經驗特征方程定義為:

(5)

(6)

(3)計算噪聲方差估計值，公式如下:

(7)

其中，當參數t→0時，噪聲方差的估計值與實際噪聲方差的吻合度越大。參數t→0時，據歐拉公式可得ejtrk,I和ejtrk,Q趨向于1，因此可用常數1代替公式(6)中的ejtrk,I和ejtrk,Q，則噪聲方差的估計值計算公式可簡化為:

σ2(RI,RQ)=

(8)

3.3 TPS解調模塊

TPS解調模塊實現對單個接收COFDM符號中全部17個TPS子載波的BPSK軟解調。TPS解調模塊的輸入數據為均衡后的頻域COFDM符號，輸出為當前COFDM符號對應的TPS比特。解調的具體過程為：

(1)對每個COFDM符號對應的17個TPS子載波進行解調，對每個TPS子載波分別計算接收的比特為1和0的概率:

(9)

其中,σ2為信道噪聲方差的估計值，yi為17個TPS子載波中第i個子載波承載的TPS比特經過信道加噪后的信道信息。

(2)根據計算所得的17個子載波接收比特為0和1的概率Pi(0)和Pi(1)，得到比特級對應0和1的概率，并將其作為LDPC譯碼器的概率信息輸入進行LDPC譯碼，計算公式為:

(10)

(3)比特判決。當P(1)>P(0)時，該比特解調輸出為1；否則，解調輸出0。

3.4 超幀同步

TPS信號經過BPSK軟解調后輸出二進制比特信息，超幀同步模塊借助移位寄存器采用滑動相關的方法實現對超幀起始位置的捕獲。相比于DVB-T標準的超幀同步，由于本方法中TPS塊采用BPSK調制代替原標準中的DBPSK調制，因此，DVB-T標準中COFDM幀中起始位置的TPS初始比特被刪除，同步字起始位置即為超幀起始位置。超幀同步模塊的結構如圖1所示。

Figure 1 TPS super-frame synchronization圖1 TPS超幀同步

超幀同步實現步驟如下：

(1)將解調輸出的TPS比特序列按位輸入容量為272比特的寄存器，并按上文所述的TPS超幀結構分四段提取64比特同步字序列。

(2)將提取的64比特同步字序列與本地存儲的64比特同步字序列進行相關運算。若經過相關運算后輸出為“1”的個數大于設定閾值，則表示超幀同步，并標記超幀的起始位置；否則進行下一步。

(3)若經過相關運算，未獲取超幀的同步位置，則將272比特的移位寄存器中數據進行更新，并返回(1)，直到滿足判決條件。寄存器數據更新是指將寄存器末位移出寄存器，新輸入的1比特TPS比特作為寄存器的首位，寄存器中其余位依次進行移位。

超幀中具有64比特同步序列，本文定義相關運算閾值為56，即64比特同步序列滑動相關時允許出錯的最大比特數為8。

3.5 多進制LDPC譯碼模塊

在完成超幀同步之后，多進制LDPC譯碼模塊對定義在GF(16)域上，碼率為1/2的多進制LDPC編碼序列進行譯碼，恢復發送的原始短消息數據。

本文采用基于快速傅里葉變換FFT(Fast Fourier Transformation)的多進制LDPC譯碼算法，實現步驟如下：

(1)初始化。將TPS解調模塊輸出的208比特編碼序列對應的軟信息作為多進制LDPC譯碼器的輸入，計算每個變量節點的先驗信息，并利用所得的先驗信息初始化變量節點傳遞給與之關聯的校驗節點的信息。

(2)校驗節點更新。對于每個校驗節點與其相關聯的變量節點，引入16×16的Hadamard矩陣，采用基于FFT的校驗節點更新方法計算校驗節點傳遞給變量節點的信息。

(3)變量節點更新。對于每個變量節點與其相關聯的校驗節點，計算變量節點傳遞給校驗節點的信息。

(4)計算后驗判決信息，生成譯碼碼字向量X。如果譯碼碼字向量滿足校驗方程H×X=0,則結束譯碼，其中，H為校驗矩陣;否則,返回校驗節點更新步驟繼續迭代，直到達到最大迭代次數。多進制LDPC碼譯碼后得到二進制譯碼序列。按每10組譯碼序列組合的方式得到發送的TPS包數據。

3.6 應用層同步

在完成多進制LDPC譯碼之后，應用層同步模塊采用相關的方法實現應用層同步，從而獲取1 040比特的應用層數據包起始位置。

待傳輸的應用層數據包在編碼前，固定TPS包的前22比特作為應用層同步字。接收端接收并譯碼10幀超幀數據后，將得到的1 040比特數據包按各自對應的超幀分為10部分。將每部分數據的前22比特與本地存儲的22比特應用層同步字進行相關運算。若進行相關運算后正確比特數目大于設定閾值，則對該段進行標記，所標記的位置為應用層同步位置，即應用層數據包的起始位置；否則，對下一超幀進行相關運算。最后根據標記的TPS包起始位置提取出連續的1 040比特，則該1 040比特即為所發送的應急短消息數據。

4 系統測試與結果分析

4.1 系統測試

本文采用通用軟件無線電平臺USRP對用于短消息數據傳輸的基于數字廣播參數信令聚合的應急傳輸方法性能進行測試，測試平臺如圖2所示。該測試平臺由發射端和接收端組成，圖2左圖為發送端，右圖為接收端。在實際測試過程中，發射端在傳輸由攝像頭采集的實時信息的同時，采用TPS子載波傳輸應急短消息數據；接收端接收由發送端發送的TS包和TPS短消息數據包，并且分別統計在不同發射功率下接收的TS包的誤包率和采用TPS子載波傳輸的短消息數據的誤包率，通過對比在不同發射功率下的TS包和TPS包的誤包率確定本文所提方法的性能。

Figure 2 Experimental platform圖2 測試平臺

實際測試在如圖3所示的開放環境下進行。圖中“T”表示DVB-T發射機天線的位置，“R”表示DVB-T接收機天線位置，發射機天線和接收機天線之間的距離為2.0 m，且傳輸過程中不考慮信號的直射路徑。DVB-T系統的參數設置如表1所示。

Figure 3 Experimental scenario圖3 實際測試場景

測試參數參數值信號帶寬7MHz載波模式2K星座映射方式QPSK保護間隔模式1/4內碼碼率1/2USRP子板WBX寬帶子板射頻中心頻率474MHz

4.2 結果分析

本文在軟件無線電平臺上實現了基于數字廣播信令聚合的應急傳輸，圖4為接收端接收到的由

發送端利用TPS子載波傳輸的短消息數據在界面中的顯示情況。在傳輸過程中，發送端采用TPS聚合的方法總共發送了三條“TPS short message data!”的應急短消息，接收端接收到由發送端發送的信息，通過前文所述的對接收到的數據進行TPS解調、超幀同步、LDPC譯碼等操作準確地恢復出TPS短消息數據包，并在界面右欄中顯示。由于軟件實現過程中，發射端和接收端都采用多線程模式，發射端在利用TPS傳輸短消息數據的同時仍在不斷地采集視頻數據并進行發送，而接收端不僅能夠接收并播放視頻，還能夠在同一時間獲取應急短消息數據。故本文所提出的基于數字廣播信令字段聚合的應急傳輸方法能夠在不影響DVB-T系統正常工作的情況下，實現應急短消息傳輸。

為測試本文所提方法性能，同時傳輸1 040比特TPS包和188字節TS包，在完成300個TPS包傳輸時，統計在不同發射功率下TS包的誤包率和TPS包的誤包率，測試結果如表2所示。

由表2可以看出，在不同發射功率下，TPS包的誤包率均遠小于TS包的誤包率。其中，當發射功率為-46 dBm時，接收端已無法正確接收TS包，但接收TPS包的誤包率為5.667×10-2。由此可以看出，本文所提出的設計方案能夠很好地實現短消息數據的高可靠傳輸。

5 結束語

本文依據地面數字電視廣播標準，采用固定收發模式，利用DVB-T標準中用于傳輸參數信令的TPS子載波，采用重復編碼和多進制LDPC編碼作為信道編碼方案，設計并實現了一種高可靠的應急短消息傳輸方案。本方案中，由于采用了固定的收發模式，傳輸信令不再需要包含與傳輸模式相關的系統參數，借助空閑的TPS載波，通過重新設計TPS幀結構傳輸短消息數據。實際測試表明，本文所提出的設計方案能夠很好地實現應急短消息數據的高可靠傳輸。本文方法借助已有地面數字廣播收發設備進行簡單改造，支持在應急情況下使用較低發射功率的可靠信息發布。

Table 2 Experimental results of TS packets and TPS packets

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