移動廣播新傳輸模式研討

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1引言

正交頻分復用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)系統是當前移動多媒體廣播領域研究的熱點傳輸體制，在歐洲DVB系列標準中已廣泛采用，中國移動多媒體廣播(ChinaMobileMultimediaBroadcasting，CMMB)也采用了這種系統，并設計將其應用在未來天地一體化通信的衛星／地面混合廣播網絡中l_1]，故亦稱為SOFDM系統(S-Satellite)。隨著數字多媒體廣播通信需求的日益增長，傳統的系統設計往往無法滿足傳輸速率多樣化選擇的要求，并且系統頻譜利用效率也不高。因此，對傳統系統標準的完善研究就成為了移動多媒體廣播領域的新課題。本文首先針對近年來歐洲ETSI標準提出的一種新的移動視頻廣播標準——DVB—H標準進行研究，分析其中新近加入的OFDM一4k傳輸模式相比傳統模式的特點；然后，以CMMB中的SOFDM系統為基礎，提出一種新的4M傳輸模式，并對該系統中的若干主要模塊進行設計，同時，分析其相比傳統兩種傳輸模式在系統性能和效能方面的改進與完善；最后，通過仿真研究分析4M傳輸模式自身的應用性能并驗證其優于歐洲同類標準4k傳輸模式的先進性能。

2歐洲DVB—H標準中OFDM系統的4k傳輸模式

數字電視地面廣播標準DVB／DVB—T最早于1997年l_2]，標準的初衷并不是面向移動接收而設計的；然而，后來在新加坡和德國等地的環境接收試驗中證明DVB-T在高數據率傳輸的移動環境中表現性能良好，但是，由于系統參數設計等原因使得系統頻譜利用率不高，功率資源存在浪費，造成功耗比較大，不適合靠電池驅動的移動手持終端接收數字電視節目，于是ETSI又考慮在其中加入移動接收的功能并制定相應的標準。為此，需要在DVB—T的基礎上引入新的技術，形成新的適合于移動終端接收地面廣播數字電視節目的傳輸標準，這便是后來的DVB-H標準l_3]。DVB—H(DigitalVideoBroadcastingHandheldTerminals，DVB-H)是通過地面數字廣播網絡向便攜／手持終端提供移動多媒體業務的傳輸標準，于2002年前后開始研究，2004年11月底完成標準的制定，2005年3月面世。2008年5月，歐洲ETSI標準化組織又了DVB-H的標準的一個子標準——DVB_SH(DigitalVideoBroadcastingSatelliteservicestoHandhelddevices，DVB—sH)，該標準是專門針對S頻段廣播而設計，通過衛星／地面混合網絡來滿足便攜／手持終端用戶對移動電視、移動視頻點播等移動多媒體廣播業務的需求]。這是對傳統DVB-T標準的一種改進和完善。在傳統的DVB／DVB-T系統中，只有2k和8k兩種傳輸模式，而在DVB-H系統中，物理層增加了一種新的4k傳輸模式，該模式在OFDM符號的組幀長度上相當于8k模式符號長度的一半，2k模式符號長度的兩倍，這種關系如圖1所示。研究表明，DVB-H系統中的4k模式是對傳統兩種傳輸模式的繼承和發展，是對2k／8k傳輸模式進行折中設計的結果。表1給出了DVB—H中3種OFDM傳輸模式的主要系統參數配置。平均基站間距是按照平均循環間隔持續時間來計算的[2。]，在OFDM系統中，只要基站間距小于循環間隔傳輸距離，就可以有效避免由多徑效應產生的符號間干擾。設r為平均循環間隔持續時間，則平均發射臺／基站間距S的一種近似的計算方法為S≈C•r(1)式中C為光速。在傳統的DVB-T系統中，2k模式的符號周期和循環間隔非常短，使得2k模式僅僅適用于小型單頻網。新增加的4k模式符號具有較長的周期和循環間隔，能夠建造中型單頻網，使得發射臺或基站的距離可以成倍增加，令設計者能夠更好地進行網絡優化，提高數據傳輸速率。雖然這種優化不如8k模式的高，但是4k模式比8k模式的符號周期短，子載波數量得到了精簡，因而能夠更頻繁地進行信道估計，且子載波頻率間隔相對較大，因此相比8k模式能夠更加適應移動多徑接收環境下較大多普勒擴展的負面影響，提供一個比8k更好的移動接收性能。總之，4k模式的性能介于2k和8k模式之間，是一種折中優化的產物。顯然，4k模式的提出使得DVB標準的OFDM傳輸體制得到了擴充與完善。

3我國CMMB標準中SOFDM系統的8M和2M傳輸模式

我國的CMMB標準在傳輸體制以及廣播覆蓋方式等系統設計上與歐洲DVB系列標準具有很多共同點和相似之處。CMMB也是采用S波段衛星與地面混合廣播覆蓋、衛星覆蓋+地面增補轉發的傳輸方式I1]；并且目前在OFDM系統中也只存在兩種傳輸模式，從物理層傳輸信道帶寬劃分，分別是8M模式(模式1，Mode—A)和2M模式(模式2，Mode—B)，這兩種模式被設計成能夠提供一路或多路獨立的廣播信道，分別支持多種編碼和調制方式用以滿足不同業務、不同傳輸環境對信號質量的不同要求。CMMB的物理層幀結構是以一個幀為單位定義的，每1S為1個幀，每1個幀被劃分為4O個時隙，因而每個時隙的持續時間為25ms。而在每一個時隙中，都包含有1個信標符號和53個SOFDM符號。

4CMMB中SOFDM系統的4M新傳輸模式

歐洲DVB-H標準OFDM系統中的4k傳輸模式在設計之初就考慮了和傳統2k／Sk模式上下兼容的原則，本文提出和設計的CMMB標準SOFDM系統4M傳輸模式也將遵循這一原則。為方便討論，本文提出的4M傳輸模式定義為模式3(Mode—c)。下面首先給出4M模式的等效基帶傳輸模型，然后給出模型中的若干關鍵子系統模塊的詳細設計。

4．1基帶傳輸模型

為了保持三種傳輸模式的前后一致性，4M模式具有和8M／2M傳輸模式相同的基本架構，即物理層等效基帶傳輸模型應該基本相同，不同之處在于系統參數的設定。圖2給出了該模型的流程圖。該模型中，信道編碼／譯碼子系統模塊、映射／解映射子系統模塊、符號成型／解幀子系統模塊等都可以和8M／2M傳輸模式共同一個模型，當然，4M模式的系統參數與表2不完全相同。另外兩個子系統模塊(即圖2中陰影部分模塊)則需要單獨為4M模式重新設計。

4．2導頻圖案設計

在SOFDM系統中，接收端的信道估計十分重要，這是通過在發送端數據子載波中插入導頻子載波來完成的，通常將數據子載波和導頻子載波交織在一起，構成完整的SOFDM符號圖案，從而實現接收端有效進行信道估計與補償均衡等操作。本文為4M傳輸模式設計了一種全新的導頻和數據符號星型分布圖案的參考圖，如圖3所示。圖3中的導頻符號在頻率方向上每8個符號為一組，隔7個數據符號插入一個離散導頻符號；在時隙(Ts)方向上每4個符號為一組，隔3個數據符號插入一個離散導頻符號；排列方式是一種星型導頻排列方式。為了盡量使每一個SOFDM數據符號中的子載波頻率點上都有導頻信息，這里將不同SOFDM數據符號的導頻起始位置相互錯開，使得導頻符號和數據符號的分布密度更加均勻，而時隙方向導頻間隔與子載波頻率方向導頻間隔的取值成1：2比例設置也使得系統具有較好的信道估計的時頻均衡性與一致性。

SOFDM符號將數據子載波和導頻子載波交織在一起，組成SOFDM頻域符號，在4M傳輸模式中，每個SOFDM符號包含N、，個有效子載波，結合8M／2M模式的設計方案考慮，N、應取為當前模式FFT總子載波數量的75左右，考慮到4M模式參數設計的折中性原則，4M模式中FFT總子載波數量的取值應介于2M模式和8M模式之間，并且是滿足要求的最小的基2冪整數，因此應取為2048，則Nv應取為1540。

5性能仿真

表3給出4M模式在幾種典型的星座映射+信道編碼方式下，對系統數據傳輸率性能的提升；表4給出4M模式在4Mbit／s~8Mbit／s的中、高碼速率要求下，對系統頻譜利用率性能的改善；表5給出包含4M模式在內的CMMB三種SOFDM傳輸模式的主要參數對比；表6給出DVB—H中4k傳輸模式和CMMB中4M傳輸模式的系統整體參數性能綜合對比。理論研究與仿真分析表明，2M模式具有更長的符號最小持續時間，可比8M模式提供更好的抗多徑延時性能，但是2M模式的有效子載波數量非常少，只適合中、低碼速率業務的需求。本文新提出的4M模式在同樣的星座映射+信道編碼方式下比2M模式具有更高的數據傳輸率，根據表3的數據，選擇2M模式的平均數據傳輸率約為1．2568Mbit／s，而選擇4M模式的平均數據傳輸率約為3．1410Mbit／s，性能提升150；新的4M模式在相同的中、高速(4Mbit／s~8Mbit／s)的移動多媒體廣播業務速率的需求下比8M模式具有更高的頻譜利用率，根據表4的數據，選擇8M模式的系統頻譜利用率平均約為8O，而選擇4M模式的頻譜利用率平均約為158，性能提升了近一倍，而且能夠適應各種數據傳輸速率的要求，實現了業務運營方式的靈活性與多樣性。此外，4M模式比8M模式的符號最小持續周期要長一倍，這在相同的信道相干帶寬下，使得4M模式相比8M模式能夠容忍2倍的信道多徑延時沖擊，從而提供一個比8M模式更加可靠的抗多徑延時的接收性能。本文還把這種新型的4M傳輸模式與歐洲DVB—H近年來所提出的同類型4k傳輸模式進行了比較，兩種傳輸模式以相同的FFT積分周期為基準，并以相同量級的子載波間隔為類比。研究分析表明，本文所提出的4M傳輸模式精簡了系統子載波的數量，使得頻譜結構更加緊湊，從而實現系統頻率／功率資源的優化。注意到歐洲DVB-H設置4k模式的平均導頻間隔為12，而本文所提出的4M模式的平均導頻間隔為8，雖然這比4k模式損失了約109，6的子載波資源，然而卻換來了信道估計精度的提升，況且4M模式的子載波間隔比4k模式擴大了近10，這使得4M模式相比4k模式更能夠適應移動多徑衰落接收環境下較大移動多普勒頻偏的惡劣干擾，并最終使得系統誤比特率得到顯著降低，這一點在圖5和6中也得以體現，4M傳輸模式的系統平均誤碼率水平BER(譯碼前)在多種移動多徑衰落環境下都要優于DVB-H標準的4k傳輸模式，平均將系統BER降低了約75％，表明4M模式的導頻和數據子載波分布更加合理。最后，與4k模式相比，4M模式的發射基站平均間距擴大了約5O，一定程度上可以有效緩解基站建設與布站施工的難度和密度。

6結束語

在目前的CMMB系統SOFDM體制中，2M模式適用于較惡劣移動多徑接收環境，但僅適用于較低數據速率的業務場景；8M模式適用于高數據速率的業務場景，但頻譜利用率方面有待提高，而本文提出并設計的4M新傳輸模式，不僅可以適合各種中高數據速率的業務場景，還能較好地適應移動多徑接收環境的影響。4M模式的提出在系統傳輸速率、頻譜利用率、系統業務選擇多樣性以及抗移動多徑接收性能等方面為CMMB標準提供了一種可權衡的額外的選擇方案，進一步豐富了我國的移動多媒體廣播SOFDM信道傳輸體制的內容，并且為SOFDM信道傳輸體制的拓展與完善問題探索出了一條通用的技術途徑，對我國移動多媒體廣播傳輸標準的日臻完善具有一定的指導意義。