層分復用技術綜述

陳 卓 葉 茂 陳 強

（作者單位：1.重慶廣播電視技術中心；2.重慶三峽學院三峽庫區地質環境監測與災害預警重慶市重點實驗室）

1 層分復用技術背景

廣播電視是人們生活中不可缺少的部分，特別是在這個突發事件頻發的年代，能夠及時地向大眾推送全球突發事件并提供幫助是極為重要的。隨著廣播電視的日趨發展，無線頻率作為一種有限資源，卻越來越稀缺。有很多研究院也在尋找新的頻率利用方式來滿足當前需求。因此層分復用技術（Layered Division Multiplexing，LDM）受到越來越多的研究人員關注。

LDM其實也是一種非正交復用技術，與傳統的時分復用（Time Division Multiplexing，TDM）和頻分復用（Frequency Division Multiplexing，FDM）不同。在原有的數據層中增加了一層數據流，稱為B層信號（下層信號LL），但兩層的功率差異可以通過功率比來定義（見圖1）。

圖1 LDM頻譜層分復用結構

在一個LDM系統中，采用分層傳輸結構，可以同時傳輸多個不同功率級的信號，并且對移動設備、多個高清電視或超高清電視等具有魯棒性，因此LDM技術也是一種功率域非正交多址技術在廣播中的應用。在兩層LDM系統中，上層（Upper Layer，UL）具有更高的功率分配，用于向室內、便攜式和手持接收端提供移動服務。底層（Lower Layer，LL）設計旨在向固定接收終端提供高數據率服務。LDM的一個優勢是，它可以與所有其他新興的物理層技術（Physical Layer，PHY）共存，如多天線技術、非均勻星座（NU-QAM）、比特交織碼調制（BICM）、峰均比（PAPR）降低技術等。

在LDM系統中，數據的傳輸速率為：

公式（1）中：γ為編碼碼率；M為調制階數；Tofdm為單個正交頻分復用（OFDM）符號周期；α為有效數據率。以DVB-T2中4K子載波個數為例，在實際系統中，考慮10 MHz的系統采樣率，上層信號UL采用4QAM調制，編碼碼率γ為4/15，底層信號LL采用64QAM，編碼碼率γ為10/15，有效數據率α為100%。因此根據公式（1），上下層數據的傳輸速率為：

根據公式（2）和公式（3）的結果可知，UL層采用的是低階調制，因此傳輸速率比較低，但是魯棒性高。而LL層采用高階調制，數據傳輸速率較高，可為高清或超高清提供更快的數據速率而進行高吞吐量數據的傳輸。其時，LDM中的UL層和LL層在共同提供超高清業務的同時，UL層還可以傳輸標清的視頻，所以UL層和LL層可以既獨立又相互協同的工作。在圖1中，B層信號后面還保留一個擴展層（FEL）信號，主要是為將來提供更多業務。

2 層分復用系統框架

當下的廣電系統中常使用的還是OFDM的系統結構，是因為此系統具有靈活的調制編碼方式和極佳的頻譜利用率，更優的抗多徑性能等優勢。所以本文在此基礎上介紹LDM系統架構。假設LDM系統中所有層的信號都使用具有N個子信道的OFDM結構，其中K個有源子信道攜帶信號功率，其余為空子信道，以提供相鄰的信道干擾保護。在K個子信道中，分配M個子信道進行數據傳輸，P個子信道攜帶導頻符號。

圖2是兩層LDM系統原理框圖，其中（a）為發送 端，（b）為接收端。

圖2 兩層LDM系統的發送端和接收端

在圖2（a）中的LDM發送端，每個服務的數據首先由其自己的物理層信號處理模塊進行處理，包括信道編碼、交織等[1]。然后將頻域數據產生的m個符號塊分配給數據子信道，其中將導頻符號插入導頻子信道中。頻域的LDM信號就由兩層頻域信號疊加而成。如公式（4）所示：

XUL(k)和XLL(k)是UL層和LL層中的頻域符號，X(k)是組合的LDM符號，k是子通道索引。注入電平g定義了LL層信號相對于UL層信號的功率電平。注入電平g決定兩層之間的功率分配。由于UL層信號被設計為具有更高的功率，所以g在[0,1]中有一個實值，其中g=0表示單層系統。

在圖2（b）中的LDM接收端，接收到的LDM信號可以表示為：

式（5）中Y(k)為第k個子信道中接收到的符號，N(k)包含加性高斯白噪聲（Additive White Gaussian Noise，AWGN）和其他附加干擾，H(k)為信道響應[2]558。為了解碼UL層信號，低功耗的LL層服務被視為額外的干擾[3]。通過使用不同的注入電平，這種干擾的影響是可控的。例如，5 dB注入電平將LL層信號設置為比UL層信號低5 dB。通常選擇LDM系統的注入電平來解決這兩層的服務需求。

要解碼LL層信號，接收端首先需要消除UL層信號。根據圖2（b）和公式（5）可以得到LL層信號的判決符號為：

要讓公式（6）中UL層信號消除，接收端需要獲得UL層傳輸符號的估計值：。這是通過執行常規的UL層信號檢測來實現的，包括均衡、解調、去交織和信道解碼，生成一個準確的判決位序列。然后接收端進行信道編碼、交織和調制，重新構造UL層傳輸符號。盡管這種抵消過程涉及執行UL層信道解碼的復雜性，但它可以提供最可靠的UL層符號估計。

LL層的典型設計是在高信噪比下為固定接收端提供高數據速率的服務，這應該很容易保證完美的UL層信號檢測，即。此外，在LL層檢測所需的高信噪比條件下，UL層的低密度奇偶校驗（Lowdensity Parity-check，LDPC）解碼通常可以通過少量的迭代去實現檢測，這使得UL層信號檢測的額外復雜度非常低。

3 LDM的性能優勢

LDM具有一個魯棒性高的高層和一個魯棒性較低、數據率更高的低層，一般使用一個在同一頻譜中傳輸的高階的、更復雜的星座圖。分配給高層和低層星座圖的功率是可調節的。還可以針對移動、室內和偏遠地區的傳輸服務，分配的功率比靠近發射機或室外天線的固定服務接收的功率更高。

對于相同的LDM和TDM/FDM系統，在停機概率為0.1時，分配給慢衰落信道中移動和固定業務，與AWGN和選擇性衰落信道類似，LDM系統為低信噪比的移動業務和高信噪比的固定業務提供了更高的容量[2]570。因此，同時在一個射頻信道提供穩定的移動高清電視服務和高數據速率固定超高清電視服務(或多個高清電視服務)的情況下，LDM系統可以更高效地使用頻譜。

對于3 km/h左右的行人速度，信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）只需要3.5 dB就足夠，而對于以300 km/h高速移動的接收端，只需要5 dB的信噪比。對于以20～150 km/h的中速接收端，所需的信噪比要低得多，接近2.0 dB。而在一個分配50%時間提供2.7 Mbps移動服務的TDM系統，以行人速度移動的接收端所需要的SNR為6.0 dB，中速的接收端所需要的SNR5.0 dB，對于300 km/h的高速接收端所需要的SNR19.0 dB。對于分配40%時間用于相同吞吐量的移動服務的TDM系統，行人速度和中等速度所需的SNR為8.5 dB、6.8 dB。TDM系統和LDM系統相比較可說明，在低速（行人速度）、中速和高速中，LDM系統的SNR需求更低，足以說明LDM系統強大的編碼和調制能力。

LDM技術的最大優勢主要是無論下層信號（LL）是否在接收都不會影響上層信號（LL）。同時它還能對同步和信道特征提供更高的魯棒性，當下層信號（LL）在門限閾值以下無法接收時能快速再生信號，而且系統還能冗余一個備用信號。

LDM技術的還有一個優勢是在兼容現有通信設備的前提下，若未來出現了一種全新的調制或編碼方式，同樣可以在LDM系統中使用這些新技術。

采用LDM技術可能會提高接收端的系統復雜性和成本，但與它的優勢相比而言是不值一提，加拿大研究中心表示，采用LDM技術，接收端的系統復雜度增加不超過10%，但卻能提高信噪比4～6 dB。

4 結語

本文對LDM技術進行了綜述，LDM技術被公認為下一代ATSC 3.0數字電視系統的基礎物理層技術之一。首先，理論分析表明，與傳統的TDM/FDM系統相比，LDM具有更大的性能優勢。當多個服務具有明顯不同的信噪比閾值時，這種優勢就變得非常明顯。這符合在一個電視頻道同時提供超高清電視固定服務（或多個高清電視固定服務）和非常穩定的移動高清電視服務的重要場景。