無(wú)線(xiàn)廣播系統的多級傳輸方案詳細

在無(wú)線(xiàn)廣播系統中，位于不同地點(diǎn)的用戶(hù)的無(wú)線(xiàn)鏈路質(zhì)量是大不相同的，一些用戶(hù)與發(fā)射臺之間的信道條件相對較好，而另一些則十分惡劣。為了保證服務(wù)區內所有用戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量，系統通常按照在最?lèi)毫忧闆r下仍能保證一定服務(wù)質(zhì)量的條件進(jìn)行傳輸參數的設計，這就使得很多信道條件較好的用戶(hù)只能和信道條件惡劣的用戶(hù)得到相同速率的數據，造成系統整體的傳輸速率較低。此外，在未來(lái)的廣播系統中將會(huì )有各種不同類(lèi)型的接收設備，它們的使用條件各不相同，接收能力也有很大的差別。例如，高質(zhì)量的室內接收機應能接收高速率的數據，而小型的便攜設備只需接收較低速率的數據。為了充分利用信道的傳輸能力并滿(mǎn)足不同用戶(hù)和不同接收設備的要求，需要設計一種多級傳輸的系統。多級傳輸的概念最早由Cover[1]提出，他指出分級傳輸方案能夠兼顧不同信道條件用戶(hù)的需要，獲得更高的傳輸效率。歐洲數字電視廣播標準(DVB-T)中提出了兩級的編碼調制方案[2]。文獻[3]討論了多級編碼調制和多級譯碼等技術(shù)帶來(lái)的不同的差錯保護特性，文獻[4]分析了未編碼系統中多級調制方案的性能。近年來(lái)隨著(zhù)通信技術(shù)的發(fā)展，高效的編解碼方法不斷出現，為設計更好的廣播傳輸方案提供了條件。本文提出了一種用于數字無(wú)線(xiàn)廣播系統的多級傳輸方案，該方案使用低密度奇偶校驗碼(LDPC)對廣播數據進(jìn)行分級編碼，并結合多級編碼與多分辨率調制技術(shù)，為不同優(yōu)先級的數據提供不同的差錯保護，使得每個(gè)用戶(hù)可以根據自身傳輸信道的質(zhì)量或者接收設備的能力，獲得不同的數據傳輸率，提高了系統整體的傳輸效率。

多級傳輸系統

多級傳輸系統是指把要傳輸的數據根據不同的重要性或者內容分成不同的優(yōu)先級，在發(fā)射端的編碼調制過(guò)程中對各個(gè)優(yōu)先級的數據進(jìn)行單獨的處理，使得不同優(yōu)先級的數據獲得不同的差錯保護，高優(yōu)先級數據的解碼門(mén)限較低，解碼相對容易，低優(yōu)先級數據的解碼門(mén)限較高，解碼相對困難。在接收端，用戶(hù)根據收到的信號質(zhì)量或者接收設備的處理能力選擇只解調高優(yōu)先級數據，或者解調所有的數據。這樣既保證了網(wǎng)絡(luò )的基本覆蓋，又能使信道條件好或接收能力較強的用戶(hù)獲得更多的數據，從而提高了系統的平均傳輸速率。

多級傳輸系統主要由編碼調制、信道傳輸、解調解碼3個(gè)部分組成。如圖1所示為多級傳輸系統的框圖，要傳輸的數據按照優(yōu)先級的不同分成并行的多路數據流，進(jìn)入多級編碼器。不同的編碼器分別對各路數據進(jìn)行獨立編碼，編碼之后的碼符號首先進(jìn)行集分割和星座圖映射，然后經(jīng)過(guò)OFDM調制進(jìn)入無(wú)線(xiàn)信道傳輸。在接收端，先根據接收到的信號進(jìn)行信道估計，再進(jìn)行解調和分級解碼得到各個(gè)優(yōu)先級的數據。

圖1多級傳輸系統

2.1多級編碼

要實(shí)現多級傳輸首先就要對數據進(jìn)行多級編碼。不同的編碼器對各個(gè)優(yōu)先級的數據進(jìn)行單獨的編碼，稱(chēng)為分量碼。分量碼能夠方便地調整各優(yōu)先級數據的編碼速率，為各路數據提供不同的差錯保護。目前常用的分量碼編碼方式有RS碼、卷積碼、Turbo碼、LDPC碼等。

LDPC碼首先由Gallager于1962年提出，并在20世紀末被重新發(fā)現和推廣。LDPC碼具有強大的糾錯能力，能夠獲得逼近Shannon極限的性能。LDPC碼是一種線(xiàn)性分組碼，采用超稀疏隨機矩陣作為校驗矩陣，利用校驗矩陣的行和列分別對應的校驗節點(diǎn)和比特節點(diǎn)的約束關(guān)系進(jìn)行迭代譯碼，主要譯碼方法為置信傳播算法。本方案采用中國數字電視地面廣播標準中的LDPC碼[5]，碼率有0.4、0.6、0.8三種，對各級數據用不同碼率的LDPC進(jìn)行編碼，可以使不同優(yōu)先級的數據具有不同的保護度，滿(mǎn)足分級傳輸系統的需求。

2.2集分割和星座圖映射

編碼后的各級碼符號的組合與信號點(diǎn)之間的映射關(guān)系又叫作信號集分割[6]。集分割方案的選取是設計編碼調制的關(guān)鍵，通過(guò)集分割能把信道編碼和調制方式結合起來(lái)。本方案選取了一種適用于分級傳輸的集分割形式，這種分割方式把星座圖上的點(diǎn)分成不同的簇，而每個(gè)簇又被分為幾個(gè)子簇。相鄰簇之間的距離大于相鄰子簇之間的距離，把高優(yōu)先級的數據映射到簇上，次優(yōu)先級數據映射到子簇上，這種多層次的分割方式能夠為數據提供不同級別的差錯保護。

圖264QAM星座映射

圖2所示的是一個(gè)64-QAM星座映射圖[7]，圖中d1、d2、d3決定了各個(gè)信號點(diǎn)之間的距離。在圖中每個(gè)星座點(diǎn)表示6bit數據(分別用X0X1X2X3X4X5表示)。

圖3集分割

圖3所示為集分割的具體過(guò)程，根據前兩比特(X0和X1)的不同可以把星座圖分成4個(gè)象限，每個(gè)象限里有16個(gè)點(diǎn)。根據中間兩比特(X2和X3)的不同可以把每個(gè)象限里的16個(gè)點(diǎn)再分成4個(gè)部分。最后根據后面兩比特(X4和X5)的不同區分出每一個(gè)信號點(diǎn)。這樣傳送的數據就被分成了3個(gè)等級，X0和X1是高優(yōu)先級，X2和X3是中等優(yōu)先級，X4和X5是低優(yōu)先級。高優(yōu)先級數據的解調復雜度相當于QPSK，解調的難度相對較低，即以較低的傳輸速率換得較好的性能;而對于中、低優(yōu)先級的數據則分別相當于16QAM和64QAM的解調，這樣不同優(yōu)先級數據的性能就有了明顯的區分，滿(mǎn)足了分級傳輸的需要。

由于分量碼的編碼、集分割和星座圖映射的方式都能為各個(gè)優(yōu)先級的數據提供不同的差錯保護，所以需要把編碼和調制方式結合起來(lái)考慮，統一設計和分配各部分的參數，更好地達到分級傳輸的目的。

2.3信道模型

在無(wú)線(xiàn)廣播傳輸中，信號會(huì )因山川、建筑物、移動(dòng)物體的影響產(chǎn)生反射，這樣經(jīng)不同路徑到達接收機的信號會(huì )產(chǎn)生明顯的多徑效應，導致信號衰落。此外，為了提高頻譜利用率，將會(huì )采取單頻網(wǎng)的組網(wǎng)方式。所謂單頻網(wǎng)[8]是指各個(gè)發(fā)射臺都使用相同的頻率同步發(fā)送相同的數據，這樣有利于移動(dòng)接收和頻率規劃。然而，在技術(shù)上必須克服特殊的“多源多徑”問(wèn)題，即要處理來(lái)自不同發(fā)射臺、不同方向、不同時(shí)間到達的復雜多徑信號。