编码协作MIMO传输方案在DVB-T2数字地面电视中的应用

■文/张一阳

编码协作MIMO传输方案在DVB-T2数字地面电视中的应用

■文/张一阳

数字地面电视是一种现代广播技术，广播公司使用该技术提供带有高质量影像和声音的电视服务。本文主要讨论了，在现代数字广播系统中应用编码协作多输入、多输出MIMO传输方案，实现额外的发射分集和编码增益。主要思想是，基于低密度奇偶校验码实现一个编码协作MIMO方案。编码协作传输可以获得健壮的向前纠错能力。通过这种方式，可以实现更稳定的系统性能，提高下一代手持系统的移动性。为了展示潜在的实际应用，基于第二代地面数字电视广播（DVB-T2）系统对该方法的性能进行了评估。仿真结果表明，此方法可以用于支持高移动手持设备的DVB广播系统的发展，例如下一代手持数字电视广播（DVB–NGH）系统。

数字电视广播；协作传输；MIMO；DVB-T2

引言

世界各国（美国、欧洲、日本等）都在进行高画质、先进电视系统的研究。由于各种技术、组织和政治原因，导致世界不同地区应用多套数字 电视（Digital TV，DTV）标准。[1]现在，在工业领域对模拟数字转换的需求也越来越大。广播系统也不例外，许多国家已经在促进其广播系统向数字化方向发展。地面电视平台从模拟到数字技术的转换，促使了电视市场的经济增长。[2]

在DTV系统中，单频网络（single frequency network，SFN）传输方案具有显著优势。通过使用SFN方案，广播系统可以在任意大的面积内使用同一频率执行相同的数据。在SFN系统中，一个站在同一频率下将相同的节目转播给另一个站，或几个站在相同的频率下同时播放相同的节目，这样可以提高频谱的利用率。在这种情况下，信号从每个基站传输时需要时间同步，最基本的方法是通过全球定位系统（GPS）进行同步。

1.研究现状

MIMO技术被认为将会是下一代地面广播电视系统，因此在MIMO方面的研究也逐渐增多。有学者提出了一种利用独立或迭代映射的接近额定容量MIMO坐标交织编码调制方案。[3]在需要更高的传输速率和频谱效率时，该方案将有更广泛的应用。

在DTV系统中应用MIMO技术来提高SFN系统优势方面的很多研究已经有了一定进展。有学者通过研究基本信道参数、交叉极化率、空间相关性、4×4的MIMO天线配置等，研究了MIMO无线信道在UHF波段的特点。文献[4]中，针对DTV系统的分集增益提出了一种新的SFN模型。为了实现空间分集，作者采用了MIMO系统。此外，在SFNs的DTV广播系统中还提出了一种3D MIMO方案。[5]作者表明，3D MIMO方案能高效应对SFN方案中接收权利平等与否问题。

在发展下一代地面数字电视广播（DVB-T）系统的背景下，有学者已经研究了包含MIMO和正交频分复用（OFDM）技术的DTT广播系统。[6]还有将开发的软件应用于移动接收，并分析和证明了该方法对DVB-T网络的影响。为了评估DVB-T2在现实场景中的性能，也有文章进行了2×2 MIMO的实验。

许多DVB-T2的研究从2006年开始就一直在进行。已经进行的工作有：在某些参数（如保护间隔，FFT大小）方面对DVB-T2的移动性能进行评估，还有些利用旋转星座进行的研究测试。[7]但是MIMO技术尚未应用于DVB-T2标准。根据DVB-NGH的建议，MIMO技术将是下一代广播标准的研究领域之一，这也将有助于提高信道容量。

在本文中，调查了在DTT系统中利用编码协作MIMO传输方案实现发射分集，并参考DVB-T2系统的参数进行了物理层仿真，还利用一些时间交织块的方法，为众多基站的协作提供了编码协作传输方案。

2. DVB-T2系统

DVB-T2系统的输入可能是一个或多个MPEC-2传输流和/或通用流。待传输的业务需要先通过一个输入预处理器，它包含一个业务分割器或解复用器，用于将业务分成T2系统的输入，这些输入是一个或多个逻辑数据流。预处理后的输入接下来被传输到个人PLPs中。DVB-T2使用一种叫“旋转星座”的新颖技术，该技术为显著改进系统鲁棒性提供了可能，尤其在地面频道的情况下效果更好。系统的输出通常是在射频通路上传输的单天线信号。系统也可以生成在另一组天线上传输的另一组输出信号，这被称为“MISO传输模式”。

DVB-T2标准有附加的16k和32k载波模式，在保护间隔中，这可以在不增加预计开销的情况下增大SFNs。DVB-T2最大的保护间隔超过500，这足以实现一个大型国家的SFN。DVB -T2标准定义了八个模式，可以根据FFT大小和特定的传输保护间隔选择这些模式。当保证足够的信道估计时，这种方法可减少导频开销。交织的概念在数字信号传输技术中是很常见的。这一概念的目的是在时间或频率平面上将数字内容分开，使脉冲噪声和频率选择衰落不破坏原始数据流的长序列。

DVB-T2标准实现了交织阶段的四种类型。如果数据符号在SFBC之前被频率交织器块交织，数据符号就会与空频映射结合，从而受到相同衰减系数的影响。[8]然而，数据符号在SFBC块之后被频率交织器块交织，数据符号有不同的衰减系数，这可以提高传输分集技术。本文中建议在保 持传统DVB-T2系统的前提下，以最小的变化修改DVB-T2系统模型。

4.方案

协作分集是一种众所周知的协作系统方案，该方案多个节点协作形成一个虚拟的多天线阵列。[9]在衰减环境中，多重天线可以利用空时编码，提高无线通信链路的容量和可靠性。科学家最近对ad-hoc网络方面的兴趣越来越浓厚，他们已经在研究利用网络中不同用户的天线来开发空间和传输分集。也有研究利用重复和空时算法改善空间分集。在SFN系统中编码协作为协作分集提供了另一个方案。

3.1 编码协作传输方案

DVB-T2系统包括多种获取分集收益的方法。这里为DVB-T2系统提出的编码协作传输方案主要关注编码收益。该方案为协作传输增加了FEC编码合并的方法。这种编码合并方法可以降低码率，提高移动节点的编码增益。该编码协作传输方案如图1所示。

图1 编码协作传输方案例子

这项工作的主要目的是找到一种使新编码增益有效并与DVB-T2系统保持相同传输效率的方法。这里提出的协作传输机制使用1/3或1/4 LDPC码率。然而，DVB-T2系统没有实现这些LDPC码率。DVB-S2系统中使用的LDPC编码器块提供DVB-T2系统的LDPC编码器核心，所以这里利用一个DVB-S2 LDPC编码块进行实现。

3.2 1/3码率

3.2.1 编码协作方案

下面是1/3码率的编码协作传输方案的一个示例（图2）。每个基站生成一个预定义的1/3内码 C = [S ;P1;P2]，S是对称的数据位， P1和 P2分别是1和2奇偶校验位。每个基站为了基于提出的FEC类型冲压一个奇偶校验位，在内部FEC过程之后，其将产生一个1/2率的新内码。例如，如图2所示，基站A产生原始内码C，并根据提出的FEC类型，冲压一个奇偶校验位。最后，基站A就会有一个新的码字C= [S ;P1]，并将其发送。基站B过程与基站A类似。最后，每个基站可以处理MIMO分组码SFBC或STBC，也可以用来发送改变的码率数据。

图2 编码协作方案例子-原始码率1/3

3.2.2 协作传输方案

在一个无线通信系统中，通常其他基站的信号会造成小区间干扰。干扰会降低无线系统的性能，所以需要一个帧传输方案防止干扰。当传输完全不同的信息时帧应该被分开。下面是两个基站之间的协作传输方案的例子。

每个基站有不同的帧起始偏移量和帧跳跃指针。假设所有的基站使用GPS获得完全同步的时间，传输帧的尺寸也相同。基站A的帧起始偏移量是0，帧跳跃指针是2。在帧周期（TFRAME）期间，基站A传输第一个帧。当传输结束后，基站A等待 TFRAME时间。此外，还为一个T2帧指定了帧跳跃指针。当传输开始时，基站B等待给定的帧起始偏移的时间，基站B的帧起始偏移指定值为“1”。在等待TFRAME时间后，基站B就可以传输第一个帧了。具体传输方案如下图3，这些帧的映射方案来源于DVB-T2标准中时间交织器映射方法[10]。

图3 两个基站的协作传输方案例子-利用T2帧部分

传输过程也可利用未来扩展帧（FEF）。FEF是两个T2帧之间的超帧的一部分。FEF部分的过程与帧映射方案类似，每个基站有自己FEF部分的偏移量和跳跃指针。这里不再赘述。

在交织阶段，DVB-T2和DVB-T之间最大的区别是DVB-T2引入了时间交织，它能更好的避免脉冲噪声和时间选择性衰落。

3.2.3 信号传输计算

假设在基站A、B和目标节点应用两个天线。基站A将传输冲压码字 C= [S ;P1]，同时基站B将传输冲压码字C= [S ;P2]。为了FEC之后的MIMO过程，当T2帧根据传输方案传输时，基站在传输天线上使用SFBC映射方案。被传输的比特流被空频编码器编码成大小为N的块。带有两个天线的数据符号 Si的映射方案为：对于副载波i，天线1对应的为 Si，天线2对应的为 -Si*+1；对于副载波 i+ 1，天线1对应的为 Si+1，天线2对应的为 Si*。

共轭复数值用（.*）表示。选择SFBC的映射方案，这样原始数据可以在没有任何修改的情况下，在第一个天线上传输。噪音在接收机端添加。

基站A传输的信号中检测到的数据符号是

基站B传输的信号中检测到的数据符号是

这里l是第l个副载波指针。

接收到的信号在被信道估计处理后，再被合并处理，并发送到最大似然检测器。经过MIMO解码过程和合并处理后，接收到的信号如下：

3.3 1/4码率

现在简单描述一下两个和三个基站实现1/4码率的编码协作传输方案的例子。每个基站生成一个1/4内码字C=[S;P1;P2;P3]，S是一个对称的数据位， P1;P2;P3分别是奇偶校验位1、2、3。在FEC过程后，每个基站根据它自己的FEC类型，将其中一个FEC块分成两部分。基站A生成一个原始的1/4内码字 C'，并将FEC块分成两部分C = [S;P]和 C'= [P;P]。最后，基站A可以从被分割的11223 FEC部分 C1或 C'2中的选择一个，然后将会传输选择的FEC部分。基站B和基站A的过程类似。如果基站A选择了FEC中 C1，基站B就会选择 C'2，反之亦然。

如果要实现三个基站协作传输方案，可以考虑其他编码类型。每个基站生成一个默认的1/4内码字 C'，然后分割、重组默认码字为 C1= [S ;P1]， C2= [S ;P2]， C3= [S ;P3]。每个基站选择一个新的与其他基站不同的码字，并且处理SFBC MIMO块编码。最后，每个基站遵循协作传输方案来传输数据。

上面介绍了，两个和三个基站的编码协作场景中1/3和1/4码率编码方案。在前面的例子中，两个和三个协作基站应传输不同的信息。在传输完全不同信息的时候，传输帧应该被分开。在两个基站执行1/3编码协作方案或在三个基站执行1/4编码协作方案时，每个协作基站包含共享信息S。如果每个协作基站共享一些信息，可以使用另一种传输方法。可以将其中一个新的FEC块Cn分成两部分，对称部分S和奇偶校验位部分Pi。因为所有的基站都包含对称部分，所以可以同时传输S，这样在接收端合并过程后，可以获得分集收益。然而，因为Pi在每个基站中是不同的，应该在不同的时间传输Pi。

4.仿真结果

这里我们给出了模拟参数并进行了论证，并对1/3码率进行了仿真。在仿真中，假定了近似慢瑞利衰落信道和理想信道。大部分仿真参数是按照DVB-T2的标准设置的。因为MIMO传输方案的试点模型并不适用，所以在MIMO过程中使用MISO传输参数。仿真中，应用了一个8K的 FFT采样数和8MHz的信道带宽。每个符号的载波数量、P2符号的数量以及其他载波的数量分别是6817、2和48。传输帧的大小为250ms，这是DVB-T2中最大的帧尺寸。选择短LDPC块作为内部编码类型。FEC块的长度是16200，在DVB-T2标准中没有应用1/3和1/4LDPC码率。因为DVB-T2标准的LDPC编码源自于DVB-S2标准，所以仿真中应用DVB-S2标准的1/3和1/4 LDPC来生成矩阵。内部解码器迭代次数是50。具体如表1所示。

表1 仿真参数

仿真设计基于两个基站、1/3码率的编码协作模型（如图2）。 根据提出的方案，仿真测量了比特误码率（BER）性能，每个符号能量与噪声功率谱密度比（ Es/N0），并将其性能与传统的没有协作的SFBC方案进行了对比。SFBC协作对应的编码协作方案如图3所示。在图4中， [1 BS ,SFBC MIMO]意味着利用一个1/2率LDPC编码，基于一个基站传输Alamouti SFBC传输方案。 [2BS ,repetiton,w/ocode cooperation]意味着Alamouti SFBC传输方案是基于两个基站的，并且没有用提出的编码协作方案，每个基站传输相同的数据，目标节点重复接收相同的数据。 [2BS ,repetitonTx ,w/code cooperation]是提出的方案，数据传输速率和在2BS常规方案是一样的。在2BS常规方案中，每个基站共享相同的对称数据，但是奇偶校验数据是不同的。这些不同，使得提出的方案在目标节点处获得合并编码增益。

图4 仿真结果-使用QPSK的1/3率编码协作模型

正如图4显示，与两个传统方案相比，提出的方案提高了性能。2BS编码协作传输方案比1BS SFBC多收益0.6dB，比2BS传统方案多收益0.3dB。

5.结论

本文总结了数字电视广播中MIMO等相关技术的发展情况；描述了DVB-T2标准等相关内容；研究了DVB-T2的编码协作传输方案；提出了DVB-T2系统中基于两个和三个基站的编码协作传输方案；最后进行了在慢瑞利衰弱信道下相应的性能模拟。

从仿真结果可看出：编码协作方案与基于一个和两个基站的传统传输方案相比在系统性能和协作分集方面都有一定优势，此外编码协作方案在提高DVB系统信道性能方面也有显著成果。还可以通过协作方案的优化设计进一步提高系统性能。另外，编码协作的有效功率分配和速率适配传输方案还有待进一步研究。

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（作者单位：国家新闻出版广电总局机关服务局技术保障部）

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