无线广播系统的多级传输方案详细
时间：07-10
来源：中电网
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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
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