无线广播系统的多级传输方案详细

在无线广播系统中，位于不同地点的用户的无线链路质量是大不相同的，一些用户与发射台之间的信道条件相对较好，而另一些则十分恶劣。为了保证服务区内所有用户的服务质量，系统通常按照在最恶劣情况下仍能保证一定服务质量的条件进行传输参数的设计，这就使得很多信道条件较好的用户只能和信道条件恶劣的用户得到相同速率的数据，造成系统整体的传输速率较低。此外，在未来的广播系统中将会有各种不同类型的接收设备，它们的使用条件各不相同，接收能力也有很大的差别。例如，高质量的室内接收机应能接收高速率的数据，而小型的便携设备只需接收较低速率的数据。为了充分利用信道的传输能力并满足不同用户和不同接收设备的要求，需要设计一种多级传输的系统。多级传输的概念最早由Cover[1]提出，他指出分级传输方案能够兼顾不同信道条件用户的需要，获得更高的传输效率。欧洲数字电视广播标准(DVB-T)中提出了两级的编码调制方案[2]。文献[3]讨论了多级编码调制和多级译码等技术带来的不同的差错保护特性，文献[4]分析了未编码系统中多级调制方案的性能。近年来随着通信技术的发展，高效的编解码方法不断出现，为设计更好的广播传输方案提供了条件。本文提出了一种用于数字无线广播系统的多级传输方案，该方案使用低密度奇偶校验码(LDPC)对广播数据进行分级编码，并结合多级编码与多分辨率调制技术，为不同优先级的数据提供不同的差错保护，使得每个用户可以根据自身传输信道的质量或者接收设备的能力，获得不同的数据传输率，提高了系统整体的传输效率。

多级传输系统

多级传输系统是指把要传输的数据根据不同的重要性或者内容分成不同的优先级，在发射端的编码调制过程中对各个优先级的数据进行单独的处理，使得不同优先级的数据获得不同的差错保护，高优先级数据的解码门限较低，解码相对容易，低优先级数据的解码门限较高，解码相对困难。在接收端，用户根据收到的信号质量或者接收设备的处理能力选择只解调高优先级数据，或者解调所有的数据。这样既保证了网络的基本覆盖，又能使信道条件好或接收能力较强的用户获得更多的数据，从而提高了系统的平均传输速率。

多级传输系统主要由编码调制、信道传输、解调解码3个部分组成。如图1所示为多级传输系统的框图，要传输的数据按照优先级的不同分成并行的多路数据流，进入多级编码器。不同的编码器分别对各路数据进行独立编码，编码之后的码符号首先进行集分割和星座图映射，然后经过OFDM调制进入无线信道传输。在接收端，先根据接收到的信号进行信道估计，再进行解调和分级解码得到各个优先级的数据。

图1多级传输系统

2.1多级编码

要实现多级传输首先就要对数据进行多级编码。不同的编码器对各个优先级的数据进行单独的编码，称为分量码。分量码能够方便地调整各优先级数据的编码速率，为各路数据提供不同的差错保护。目前常用的分量码编码方式有RS码、卷积码、Turbo码、LDPC码等。

LDPC码首先由Gallager于1962年提出，并在20世纪末被重新发现和推广。LDPC码具有强大的纠错能力，能够获得逼近Shannon极限的性能。LDPC码是一种线性分组码，采用超稀疏随机矩阵作为校验矩阵，利用校验矩阵的行和列分别对应的校验节点和比特节点的约束关系进行迭代译码，主要译码方法为置信传播算法。本方案采用中国数字电视地面广播标准中的LDPC码[5]，码率有0.4、0.6、0.8三种，对各级数据用不同码率的LDPC进行编码，可以使不同优先级的数据具有不同的保护度，满足分级传输系统的需求。

2.2集分割和星座图映射

编码后的各级码符号的组合与信号点之间的映射关系又叫作信号集分割[6]。集分割方案的选取是设计编码调制的关键，通过集分割能把信道编码和调制方式结合起来。本方案选取了一种适用于分级传输的集分割形式，这种分割方式把星座图上的点分成不同的簇，而每个簇又被分为几个子簇。相邻簇之间的距离大于相邻子簇之间的距离，把高优先级的数据映射到簇上，次优先级数据映射到子簇上，这种多层次的分割方式能够为数据提供不同级别的差错保护。

图264QAM星座映射

图2所示的是一个64-QAM星座映射图[7]，图中d1、d2、d3决定了各个信号点之间的距离。在图中每个星座点表示6bit数据(分别用X0X1X2X3X4X5表示)。

图3集分割

图3所示为集分割的具体过程，根据前两比特(X0和X1)的不同可以把星座图分成4个象限，每个象限里有16个点。根据中间两比特(X2和X3)的不同可以把每个象限里的16个点再分成4个部分。最后根据后面两比特(X4和X5)的不同区分出每一个信号点。这样传送的数据就被分成了3个等级，X0和X1是高优先级，X2和X3是中等优先级，X4和X5是低优先级。高优先级数据的解调复杂度相当于QPSK，解调的难度相对较低，即以较低的传输速率换得较好的性能;而对于中、低优先级的数据则分别相当于16QAM和64QAM的解调，这样不同优先级数据的性能就有了明显的区分，满足了分级传输的需要。

由于分量码的编码、集分割和星座图映射的方式都能为各个优先级的数据提供不同的差错保护，所以需要把编码和调制方式结合起来考虑，统一设计和分配各部分的参数，更好地达到分级传输的目的。

2.3信道模型

在无线广播传输中，信号会因山川、建筑物、移动物体的影响产生反射，这样经不同路径到达接收机的信号会产生明显的多径效应，导致信号衰落。此外，为了提高频谱利用率，将会采取单频网的组网方式。所谓单频网[8]是指各个发射台都使用相同的频率同步发送相同的数据，这样有利于移动接收和频率规划。然而，在技术上必须克服特殊的“多源多径”问题，即要处理来自不同发射台、不同方向、不同时间到达的复杂多径信号。

根据以上描述的信道特性，仿真中的信道模型采用相位调制衰落模型，多径衰落信道可表示为

其中，hl、τl、fl分别代表不同路径的幅度、延时和多普勒频移。该模型中假定各路径的hl、τl、fl互不相关。

2.4信道估计

由于无线广播传输中，存在大量的多径效应，尤其是单频网情况下，多径的影响更加剧烈，导致接收困难，因此对信道估计的方法提出了更高的要求。只有接收机对信道做出比较准确的估计，才能获得更好的接收性能。参照中国数字电视地面传输标准，采用在信号帧前插入的PN序列进行信道估计，该方法计算复杂度较小，能够快速得出信道的特性。

假设PN序列长度为K，根据m序列的自相关性，其归一化循环自相关函数为

因此，用本地产生的PN序列与接收样点进行滑动相关运算，即可得到信道响应函数：

2.5分级解映射与多级译码

在接收端，为了获得更好的性能，星座解映射采用了软判决的方法。在64QAM星座图解映射时的软输出为各比特数据的对数似然比，根据文献[9]可知：

其中，r是接收到的信号，C是信道状态信息，y是经过均衡之后的信号y=r/C。对于64QAM，其中各优先级比特的对数似然比可以近似为[9]

其中，b2、b1和b0分别代表高中低3个优先级的数据，各级数据的软判决输出可以单独得到。这种软判决的方法不仅运算简单，而且能够取得良好的性能。

解映射得到的软输出数据进入多级译码器进行译码，多级译码器能够对各优先级的数据分别进行独立的解码，因此接收机可以在获得需要的数据之后随时终止译码过程。对于小型的便携接收机，由于屏幕尺寸、电池容量和处理能力的限制，只需对高优先级数据进行解码就能满足要求，这样就降低了译码电路的运算量和复杂度、减小了设备功耗，更好地适应了便携设备的需求。对于较大的固定接收机，屏幕很大、处理能力强，当信道条件较好时，可以对所有优先级的数据进行解码，提供最高质量的服务，当信道条件较差时，低优先级数据会产生严重的误码，而高优先级数据由于解码所需信噪比门限较低，仍然能够正确解码，保证了最基本的服务质量。另外，当各优先级码流传输不同的节目时，解码器能够只对某一优先级码流进行译码，得到相应的数据，而不需要对其他优先级码流进行解码，从而降低了接收机的功耗。因此，使用多级译码的方法能够较好地满足不同类型设备和不同信道条件下的需求，具有很强的灵活性。

仿真结果与分析

在仿真系统中，待传输的数据被分成3个优先级，各优先级数据分别经过码长为7488，码率为0.4、0.6或0.8的LDPC编码。星座图映射采用图2所示的64QAM星座图，信号点间距d1:d2:d3=1:1:1，映射后得到的数据经过符号交织、频域交织和3780载波的OFDM调制后进入信道传输。仿真采用的信道模型是AWGN信道和多径信道。在接收端首先用长度为255的PN序列做相关进行信道估计，然后使用上文所述的解映射和多级译码的方法对高、中、低优先级数据独立进行译码，并分别计算各个优先级数据的误码率。

表1AWGN信道下各优先级数据的解码性能

表1为AWGN信道下各个优先级数据分别采用各种码率的LDPC码时的性能，在仿真时解码门限按误比特率小于3×10−6计算。从仿真结果可以看出，不同优先级数据和不同码率的相互组合能够得到多个解码门限，在应用时可以根据不同的情况灵活选择各优先级数据的门限，满足不同种类的需求。此外，即使各优先级数据使用相同码率的LDPC编码时所得到的门限也是不同的，从而验证了星座点的不同比特位具有不同的保护特性。

图4是AWGN信道下分级传输方案与传统的不分级传输方案的性能比较曲线。其中分级传输的高、中、低优先级数据分别采用码率为0.4、0.6、0.8的LDPC码进行编码，形成3个码流和3个解码门限。不分级传输时采用码率为0.6的LDPC码对所有数据统一进行编码，形成单一码流和一个解码门限。2种方案的总传输速率是相等的。从曲线可以看出，分级传输模式下，高、中、低优先级数据间的门限差距是8.4dB和5.4dB，实现了分级传输所要求的各优先级数据具有明显的性能区分的目标。

图4AWGN信道下分级与不分级传输的性能比较

分级模式的高和中优先级数据性能都优于不分级模式，使得在低信噪比下仍然能够保证部分数据的正确传输，不会像不分级模式那样解码完全失败，从而提高了系统的平均传输速率。同时分级传输模式使低优先级数据的解码门限相对不分级模式有所升高，但是考虑到需要接收低优先级数据的一般是固定接收机，可以通过使用高增益的定向天线来弥补性能的损失，另外也可以采用减小低优先级数据码率的方法提高性能，代价是损失了一定的传输速率。

表2多径信道下各优先级数据的解码性能

表2为多径信道下分级模式的高、中、低优先级数据分别采用0.4、0.6、0.8的LDPC码以及不分级模式使用单一0.6的LDPC码时的性能，其中信道模型使用巴西多径模型，具体信道参数见文献[10]。

图5多径信道下分级与不分级传输的性能比较

图5是多径信道下分级传输与不分级传输的性能比较曲线，仿真所用的参数与图4相同，信道采用巴西B模型。从图和表中的结果可以看到，在多径信道下各优先级数据的性能都有不同程度的下降，但是分级传输所需的门限差别仍然得到保持，其中高优先级数据的性能下降最少，保证了在恶劣的信道条件下高优先级数据仍然能够被正确解码。

图6 3级传输方案与2级传输方案的性能比较

图6所示为AWGN信道下本文提出的分3级传输方案与DVB-T标准中分2级传输方案的性能比较，仿真时本方案中3个优先级数据分别采用0.4、0.6、0.8码率的LDPC码，而DVB-T方案中2个优先级数据则采用1/2和5/6码率的删余卷积码，这样使得2种方案的总传输速率基本一致。从图中可以看出，本方案的3个优先级数据的解码门限分别为4.8dB、13.2dB和18.6dB，DVB-T方案的2个优先级数据的解码门限为6.5dB和21.9dB，本方案的各优先级数据性能都明显优于DVB-T方案。

本文提出了一种数字无线广播系统的多级传输方案，该方案把广播数据分成多个优先级，采用LDPC码作为多级编码的分量码，并使用分层次的集分割和星座图映射策略，为不同优先级的数据提供不同的差错保护。在接收端采用分级解映射与多级解码的方法，使不同信道条件和接收设备的用户能够得到不同的传输速率，实现了广播数据分级传输的目的。仿真结果表明，该方案在AWGN信道和各种多径信道下的性能都优于传统的不分级方案以及DVB-T的分级方案，同时也提高了系统的平均传输速率。