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北京邮电大学硕士学位论文c m m b 物理层关键技术研究与改进 c m m b 物理层关键技术研究与改进 摘要 随着3 g 时代的到来，手机电视也越来越引人注目。在此背景下， 我国广电总局提出了具有自主知识产权的民族标准c m m b ( c h i n a m o b i l em u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ) 。c m m b 的物理层信道采用了我国 自主研发的移动多媒体广播传输技术标准( s t i m i ) 。s t i m i 技术充分 考虑到移动多媒体广播业务的特点，采用了先进的信道纠错编码 ( l d p c 码) 技术和o f d m 调制技术，具有高抗干扰能力，支持高 移动性，低终端功耗等优点。本论文的主要工作为设计实现了c m m b 的物理层传输平台，并对其中的l d p c 译码过程进行了改进。 本论文在阐述s t i m i 信道标准的基础上，对c m m b 物理层传输 过程的关键技术，如r s 编码、l d p c 编码、比特交织、o f d m 调制 等，进行了研究，并在m a t l a b 环境中设计实现。论文进一步对物理 层传输数据的过程进行了仿真，并分析了其传输性能。同时，本文使 用国际电信联盟v a 信道模型对室内、外的不同环境，以及不同车 速环境下的传输性能都进行了仿真分析。 s t i m i 标准采用了先进的l d p c 技术来实现高速率的传输。l d p c 的传统译码算法中，普遍都存在迭代次数多，时延长的缺陷。这对于 进行实时传输的手机电视来说，性能是比较差的。因此，本论文创造 性地提出了一种自适应迭代算法。通过仿真分析，证明该算法可以减 韭室坚皇盔堂堡圭堂垡堡壅旦堂堡坐笙墅童型鲎堕查塑茎遨 少平均迭代次数，降低译码难度，缩短延迟时间，适合实际应用，为 c m m b 的高效及可靠传输提供了保障。 关键词：c m m b 物理层视频传输l d p c 北京邮电大学硕士学位论文! 堡坐里塑里星差堡垫查婴窒! 三旦! 鲨 r es e a r c ha n di m p r o v e m e n n t f o r p h y s i c a ll a y e rt e c h n o l o g y o fc m m b a b s t r a c t w i t ht h ec o m i n go f3 gt i m e ，m o b i l et vi sb e c o m i n gc o m p e l l i n g i nt h i sc o n t e x t ，c h i n e s es a r f tm a d en a t i o n a ls t a n d a r dc m m b ( c h i n a m o b i l em u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ) w i t hi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t y r i g h t s c m m b sp h y s i c a ll a y e rc h a n n e ls t a n d a r di ss t i m i ，r e s e a r c h e db y o u rn a t i o n 。f u l l yc o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em o b i l e m u l t i m e d i a b r o a d c a s t i n gs e r v i c e s ，s t i m ia d o p t st h ea d v a n c e df o r w a r de r r o rc o d i n g ( l d p cc o d e ) t e c h n o l o g ya n d t h eo f d mm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y , r e s u l ti n t h ea d v a n t a g e ss u c ha sh i g ha n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y , h i g h - m o b i l i t y s u p p o r t i n ga n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n t h em a i nw o r k i nt h i sp a p e ri s t h a tt h ep l a t f o r mo ft h ep h y s i c a ll a y e ro fc m m b i ss e t 。u p p e da n dt h e d e c o d i n ga l g o r i t h mo f l d p ci si n p r v o v e d i nt h i sp a p e r , o nt h eb a s eo fi n t r o d u c i n gt h ec h a n n e ls t a n d a r d so f s t i m ii nd e t a i l ，t h ek e yt e c h n o l o g yo ft h ep h y s i c a ll a y e rt r a n s m i s s i o no f c m m b ，s u c h a sr s ，l d p c ，b i t i n t e r w e a v ea n do f d m ，a r e r e s e a r c h e d a n dr e a l i z e db yu s i n gm a t l a bl a n g u a g e f u r t h e r m o r e ，t h ed a t ap r o c e s so f i i i t h ep h y s i c a ll a y e ri ss i m u l a t e d ，a n dt h et r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c ei s a n a l y z e d a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e ra n a l y z e d t h et r a n s m i s s i o n p e r f o r m a n c eo ft h ee n v i r o n m e n t so fi n o u t d o o ra n dd i f f e r e n ts p e e db y s i m u l a t i o n s t i m ia d o p t st h ea d v a n c e dt e c h n o l o g yt or e a l i z et h eh i g h s p e e d t r a n s m i s s i o n t h et r a d i t i o n a ld i s a d v a n t a g eo fl d p c sd e c o d i n ga l g o r i t h m i st h el o n gt i m ed e l a yr e s u l tf r o mm u c hi t e r a t i o n i ti si n t o l e r a b l ef o rt h e m o b i l et vw h od e m a n d sr e a l t i m et r a n s m i s s i o n t h e r e f o r e ，t h i sp a p e r p r o p o s e s a l la d a p t i v ei t e r a t i v ea l g o r i t h m b ys i m u l a t i o n ，i ts h o w st h a tt h i s a l g o r i t h mc a nr e d u c et h ea v e r a g en u m b e ro fi t e r a t i o n s t or e d u c et h e d e c o d i n gd i f f i c u l ta n ds h o r t e nt h ed e l a yt i m e s oi t c a l lg u a r a n t e et h e t r a n s m i s s i o no fc m m b k e yw o r d s ：c n 岫 p h y s i c a ll a y e r v i d e ot r a n s m i s s i o n l d o c i v 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所散的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：筵 ：丝 日期：罂1 刍! 旦! ! 鱼 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阕；学校可以公布学位论文的全部或部 分内容可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文 在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围， 喜篡；兰出 导师签名：盘继 适用本授权书。 日期：幽辱! 霉生因 日期：埘学叫阻 北京邮电大学硬士学位论文 c m m b 物理层关键拄术研究与改进 1 1 课题背景 第一章绪论 c m m b 是英文c i 血a m o b i l e m u l t i m e d i a b r o a d c a s t i n g ( 中国移动多媒体广播) 的简称。它是国内自主研发的第一套面向手机、p d a 、m p 3 、m p 4 、数码相 机、笔记本电脑多种移动终端的系统，利用s 波段卫星信号实现“天埘一体覆 盖、全国漫游，支持2 5 套电视节日和3 0 套广播节目n2 0 0 6 年1 0 月2 4 日， 国家广电总局正式颁布了中国移动多媒体广播( 俗称手机电视) 行业标准一 c m m b 规定了在广播业务频率范围内，移动多媒体广播系统广播信道传输 信号的帧结构、信道编码和调制，该标准适用于3 0 m - i z 到3 0 0 0 m h z 频率范围 内的广播业务频率，通过卫星和，或地面无线发射电视、广播、数据信息等多媒 体信号的广播系统。可以实现全国漫游【2 】。 该标准的传输方式使用了广科院开茇的s t i m i 技术，其主要实现方式是节 目供应商将数字多媒体内容传输给卫星d m b 广播中心，然后广播中心通过枷波 段将内容上传至d m b 卫星，d m b 卫星将k u 波段转换成s 波段并放大，再将 内容通过s 波段和枷波段在全国范围内广播。手机或车载终端等可以直接接收到 s 波段的内容，而在有屏蔽的区域，由直放站接收卫星k u 波段广播并转换成s 波段，转播给在屏蔽区的终端。 基于s t l m i 技术的c m m b 实现方式如图1 - 1 。 豁 1 4 ， 蕊国 删i ，i 。 蒜苗j 慧p * 、麓一鲞 图1 1c m m b 的手机电视实现方式【2 1 北京邮电大学硕士学位论文 c m m b 物理层关键技术研究与改进 c m m b 系统是针对我国幅员辽阔、传输环境复杂、东部地区城市密集西部 稀疏、用户众多和业务需求多样化的特点，立足我国国情，吸纳成熟先进技术而 设计的“天地一体”系统。这一系统可以低成本、快速地实现移动多媒体广播信号 在全国的覆盖，促进东西部“数字鸿沟”的综合。c m m b 系统采用的s t i m i 传输 技术充分考虑了在我国开展移动多媒体广播的需求和特点，是一项具有先进性、 实用性和技术性的自主技术。 国外在移动多媒体方面起步较早，已形成了几种典型的技术，包括欧洲的 d b v - h ，韩国的t d m b ，美国高通的m e d i af l o ，日本的i s d b - t 。下面分别介 绍一下。 ( 1 ) 欧洲的d v b h 标准 d v b h 标准是欧洲的d v b 组织推出的面向手机等小型移动终端设备的移 动数字电视传输标准【孔。该标准是欧洲的数字电视标准( d v b - t ) 的扩展应用。 d v b h 系统可以依托目前d v b t 传输系统，通过增加一定的附加功能和改进技 术使手机等便携设备能够稳定的接收广播电视信号。它的系统前端由d v b h 封 装机和d v b h 调制器构成，d v b h 封装机负责将p 数据封装成m p e g 2 系统 传输流，d v b h 调制器负责信道编码和调制；d v b h 解调器和d v b h 终端构 成系统终端，d v b h 解调器负责信道解调、解码，相关业务显示、处理由d v b h 终端负责。 d v b h 技术由于其技术标准开放等特点，在全球范围内受到了最广泛的欢 迎。很多国家和地区的运营商都在积极地进行相关的研究和试验工作。在2 0 0 5 年l o 月北京通信设备展上，诺基亚公司展示了其基于d v b - h 系统的手机电视 系统，并进行了现场演示。由于终端的限制，演示效果并不是非常理想。 2 0 0 6 年2 月在西班牙巴塞罗那3 g s m 大会上，诺基亚推出了专门的d v b h 电视手机n 9 2 。从现场展示的情况来看，图像还是非常清晰和流畅的，和北京通 信设备展上展示的效果相比有了很大的进步。 ( 2 ) 韩国的t d m b 标准 t d m b 是韩国推出的地面数字多媒体广播系统，应该说它仍然是欧洲的国 家标准【4 】。该标准建立在欧洲厂商开发的尤里卡1 4 7 数字音频广播( d a b ) 系统的 基础上，只是在技术上作些修改，就可以向手机、p d a 和其它便携设备播送空 中数字电视节目。 t d m b 在韩国已经步人商用阶段。2 0 0 5 年3 月，韩国已向t d m b 广播运 营商发放了许可证。同期言欧洲的d v b h 标准刚刚开始进行商用试验。尽管韩 国一直在努力向海外推广t d m b 技术，但是目前t d m b 的主要市场还是在韩 国。根据有关机构预测，终端市场到2 0 0 8 年可以达到1 3 0 万部的规模。在业务 2 北京邮电大学硕士学位论文 c m m b 物理层关键技术研究与改进 市场规模方面，预计2 0 0 8 年能够达到4 亿美元的市场规模。 ( 3 ) 美国高通的m e d i a f l o 标准 高通公司于2 0 0 5 年推出了手机电视标准中唯一的私有标准一m e d i af l o 标 准嘲。据称，从纯技术角度看，m e d i af l o 是专门为手机电视开发的系统，在系 统和终端表现上都优于t - d m b 和d v b h ，比如频道切换时间和相同频带可容 纳的频道数。但t - d m b 和d v b h 现在的商用成熟度领先于m e d i af l o ，m e d i a f l o 还缺乏成熟的产品，加之t - d m b 和d v b - h 是开放的标准，支持的厂商众 多，而专利费等因素有可能会制约m e d i af l o 产业链的发展。 ( 4 ) 日本的i s d b - t 技术 i s d b - t 是日本无线电工商业协会( a r e a ) 于0 2 世纪0 9 年代末开发的数字电 视技术。该标准把一个6 m h z 频道切割成1 3 个频段，每个分段可以独立调制， 各段可灵活组合，以此实现带内频广播按需分配，各种业务灵活分层传输，利用 u h f 频段来发送无线电波，每个频段为4 3 3 k h z ，最大传输数据量为2 1 6 m b p s 。 其中d v b 咖已在欧洲多个国家成功商用，而韩国也积累了丰富的 s h d m b 运营经验。相比于他们，c m m b 也有着自己的优势和特点【6 】，主要有 如下几点： ( 1 ) 技术的先进性和创新性 s t i m i 网络利用卫星进行覆盖，支持s 波段和u h f v h f 波段。核心技术 包括针对卫星和地面的同频、同时、同内容的要求，采用多载波的o f d m 的调 制，时频二维的导频技术，实现简单，又能够达到很好的性能。先进的高度结构 化的r s l d p c 编码，能够有效控制传输的差错率。导弓l 信号的优化设计，使 得信道捕捉和快逮估计更加方便。通过时间分片技术，从前端的技术体制为终端 的省电提供保证。另外，灵活的逻辑信道划分也为未来的业务应用提供了方便， 多协议封装可以支持t s 流、口流等多种形式的传输。目前，s t i m i 的技术体 系可以支持8 m h z 宽带，占用带宽是7 5 m h z ，数据率从2 7 m 至1 2 m 。s t i m i 的一个重要特点是，不需要对每一个节目进行重复加密。 基于以上的先进技术，s t i m i 技术可良好应用于3 0 m h z - 3 0 0 0 m h z 之间的 频率范围，同时，在知识产权方面，s t i m i 在信道编码和解调方面有明显改善性 能的自主专利，信源方面也采用了a v s 和我国自行开发的d r a 音频标准。这 使得该标准在国内推行相比其他类似标准有很大优势。对比国外的类似标准，如 韩国的d m b s 和欧洲的d v b s h ，采用国内的该标准，不但将大规模提升我 国在数字多媒体通信广播方面的技术实力，还将有助于中国经济结构趋于合理 化。在自主创新的大背景下，提倡鼓励具有自主知识产权的中国本土标准，从这 点来说，c m m b 是有着先天优势的。 3 北京邮电大学硕士学位论文c m m b 物理层关键技术研究与改进 ( 2 ) 频段划分的可行性 对于全球的多项移动多媒体广播标准，无论是d v b h 、t - d m b 还是m e d i a f l o ，都使用传统广播地面电视的v h f 及u r f 频段，其中d v b h 、m e d i af l o 采用v h f 波段，t - d m b 采用v h f 波段。这些波段都处于目前广播电视的波 段。而目前对于国内在这段的频率资源是相当紧张的。 自从清华大学的地面数字电视国标( d m b t h ) 出台之后，中国面临着用 地面数字信号取代原先模拟信号的过渡时期。在这段时期，数字电视要进行广播， 同时模拟电视的播出不可能一下子停止这使得很难在v h f 及u h f 频段为移 动多媒体广播腾出新的业务频段。而国际上成熟的移动多媒体广播方案，比如 d v b h t - d m b 都需要工作在这个频段，所以如以他们为中国手机电视的标准， 实在找不到空白的频点。 而s t i m i 技术可良好应用于3 0 m h z 3 0 0 0 m h z 之间的频率范围，目前根据 频谱资源的情况，可以选择了比较高的空白频段，如2 6 g h z 这样如果带宽设 为2 5 m h z ，则可以支持2 5 套电视节目、3 0 套广播节目以及数据业务。 ( 3 ) 经济性和适用性 我国幅员辽阔、传输环境复杂，如果想实现全国范围的手机电视覆盖，则必 须考虑采用不同标准所需成本的问题对于c m m b 方式完成全国国土及城市应 用1 0 0 的无缝覆盖，约需人民币2 3 0 2 5 0 亿元，这其中包括两颗卫星及大量 的地面信号增强器而采用地面广播模式实现全国覆盖，成本则高达8 9 0 亿元。 两者相比，c m m b 的投资规模还是要小一些的，同时效率也是最高的。采用s 波 段大功率卫星与地面同频增补网络相结合的技术体制，就可以实现全国天地一体 覆盖和全国漫游。 同时，相对于地面覆盖，卫星广播传输覆盖更适用于手持移动业务的开展。 这是因为卫星是天地一张的全程全网，这样就不会发生一名手机电视用户从一个 地面网络到另一个地面网路时，节目中断或者根本接受不到的问题可以说，卫 星传输对于移动用户来说，适应性是最强的。 1 2 研究现状 手机电视固然有很多优势，是新兴媒体发展前景光明，但也有一些目前所面 临的问题 7 1 ： 无线接收环境恶劣：无线接收环境带来多径问题，多径又引入延迟和相位， 将导致信号产生频率选择性衰落并引起符间干扰，导致系统的性能下降。而手机 电视信号的接收将是一个移动状态中的接收，这就将产生信号的多普勒频移，此 4 北京邮电大学硕士学位论文c m m b 物理层关键技术研究与改进 频移与相对运动的速度成正比，它会导致相邻载波的干扰，影响载波之间的正交 性。 手机的功耗问题：在手机系统设计中，功耗是设计者最为关心的因素之一。 对于用户来说，希望一次充电能连续观看4 个小时以上的电视节目，但是对于手 机电池来说，仅是前端也要消耗约3 0 0 - - 5 0 0 r o w 的功耗所以不够经济。 商级的音视频编码标准：为了充分利用宝贵的频谱资源，在有限的带宽下提 供尽可能多的节目频道，服务提供商必须使用高级的音视频编码技术，比如最新 的视频压缩标准h 2 6 4 ( m p e g 一4 p a r t l0 ) 和音频编码标准a a c ，它是手机电视 中最为理想的信源压缩编码标准。h 2 6 4 的码流结构网络适应性强，增加了差错 恢复能力，能够很好地适应m 和无线网络的应用。尽管在手机电视的发展中， 会有很多技术瓶颈，但是其发展前景是很可观的。手机电视作为3 g 的补充，将 会成为运营商一个非常重要的增值业务。技术瓶颈的解决将促进手机电视的普 及。目前，已有众多芯片厂商推出支持d v b h 、t - d m b 、i s d b - t 和m e d i a a f l o 和中国d m b - t h 、c m m b 等标准的移动接收芯片，一些多媒体s o c 厂商推出支 持高级音视频格式的应用处理器，这将推动产业链的成熟，降低终端的成本，为 手机电视的大规模商用创造有利条件。 手机电视的研究涉及到两个部门的利益之争，需要两部门携手共赢。在国家 相关部门的领导下，设备制造商和运营商将更快的推动产业的发展，在不久的将 来就能够给消费者提供优质高效的服务。数字多媒体广播技术未来的研究重点包 括： 节约频谱资源：无线电频率资源对于每个国家都是宝贵的财富。国内未来二 段过渡期内将是模拟广播和数字广播并存，频率资源愈发紧张。多载波技术可以 最大地提高频谱利用率，节省信号带宽。广播电视系统采用s f n ，实现了各发 射台在同一时刻使用同一频率发射同一套节目，发射功率低，电磁辐射小，而且 可以不断扩大覆盖区域，提高了频谱利用率。此外，高带宽效率的调制技术可显 著节省传输带宽，将是未来一段时间内研究的热点。 移动便携接收和低功耗：无论是中低速运行的汽车、慢速运动的行人，还是 时速几百k m 的高速列车；不管是高楼密布的城市、开阔空旷的郊区还是山地隧 道涵洞，都要求能接收到清晰稳定的多媒体数据。同时，还必须不断降低接收机 的复杂度和功耗，以满足手持终端等设备的小型化需要。 对多种标准的兼容性：由于各国各地区从自身利益出发所采用的d m b 体制 不尽相同，因此很难做到全球数字广播标准的统一。为此需要支持多种标准的设 备和集成度更高的产品，利用同一设计推出适合不同国家和地区的“多模”解决方 案，减少设计成本，缩短产品上市周期。从用户的角度，实现在国家、地区间漫 5 北京邮电大学硕士学位论文 c m m b 物理层关键技术研究与改进 游时，不用更换设备就能完成网络和系统的及时切换，可以极大地节省时间，提 高效率。 交互：数字移动多媒体广播系统只有单向宽带的下行链路用来传输面向用户 终端的音视频节目。为了克服广播的单向性和用户被动接收信息的状况，在此基 础上将现有的移动通信网络作为窄带上行信道，用来传输少量交互命令如用户的 点播、检索等信息，形成窄带上行和宽带下行的双向信道，使用户终端得到更多 的实时交互服务，进一步推动数字移动多媒体技术和产业的发展。该通信模式因 上下行信道带宽非对称，可以称之为“无线的不对称数字用户线a d s l 。该模 式最大限度地利用了现有通信资源，是适应需求和业务发展的新型通信模式，符 合未来移动多媒体通信的主流业务和优势应用。 具体到c m m b ，它是一个完全独立自主的民族标准，而s t i m i 技术则是面 向多媒体广播设计的无线信道传输技术，是c m m b 体系架构中的核心部分。 s t i m i 技术充分考虑到移动多媒体广播业务的特点，针对手持设备接收灵敏度要 求高，移动性和电池供电的特点，采用最先进的信道纠错编码和o f d m 调制技 术，提高了抗干扰能力和对移动性的支持，采用时隙节电技术来降低终端功耗， 提高终端续航能力。s t i m i 技术是国家广电总局对手机电视的一个巨大贡献。目 前，关于s t i m i 标准的研究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 信道编码和星座映射 s t i m i 采用了r s 编码和高度结构化低密度奇偶校验码( l d p c ) 技术。在目前 已有的编码方法中，l d p c 是一种能够逼近s h a n n o n 限的性能优秀的信道纠错编 码方法，因其卓越的性能使它成为高速宽带系统应用中理想的编码方式。s t i m i 技术采用了创新的l d p c 构造方法和低复杂度的译码方法，不仅提高了接收灵敏 度，而且极大地降低了整个编译码器硬件执行的复杂性，利于芯片实现s t i m i 可以用b p s k 、q p s k 和1 6 q a m 的星座映射模式，适合传输不同服务质量要求 的业务。目前的研究主要集中在如何高效地实现大规模数据的l d p c 编译码， 以及寻求在与映射方式相匹配时的最快传输速率。 ( 2 ) o f d m 调制 o f d m 的基本原理是将高速串行数据变换成多路相对低速的并行数据并对 不同的载波进行调制。这种并行传输体制大大扩展了符号的脉冲宽度，提高了抗 多径衰落的性能。同时使各子载波上的频谱相互重叠，但这些频谱在整个符号周 期内满足正交性，从而不仅保证接收端能够不失真地复原信号的，而且大大提高 了频谱利用率。 在o f d m 系统中，接收机需要进行帧同步捕获和o f d m 符号同步捕获，然 后才能进行正确解调。s t i m i 技术创造性地使用了时间域扩频信标用于同步捕 6 北京邮电大学硕士学位论文 c m m b 物理层关键技术研究与改进 获，具有同步捕获时间短、抗载波频偏能力强、抗信道多径时延扩展能力强的特 点。这种方式大大减小用户开机到正常接收所需要的同步时间。尤其在紧急广播 环境下，可以保证用户的快速、可靠接收。 无线信道的时域和频域响应是时变的，多径引起的频域选择性衰落在不同的 子载波上也表现出衰落的不一致性，因此o f d m 符号各个子载波上会出现畸变 的不均匀性。因此，必须采用信道估计的办法来估计出信道的时域和频域响应， 对接收到的数据进行校正和恢复。s t i m i 采用导频技术，不仅保证了复杂无线传 输条件下可靠的信道估计和均衡，而且降低解调模块硬件复杂度，利于芯片实现。 ( 3 ) 时隙技术 对手机电视用户而言，保持手机的呼叫和接听电话能力仍然至关重要。由于 移动终端支持的所有应用共享着相同的资源，其中最重要的便是电池电量，所以 耗电过多的业务会被快速淘汰。不能有效使用本地资源( 如屏幕) 或者仅仅是不 能有效使用网络连接( 例如要求无线接收机保持“始终开机”或“大部分时间开机” 状态) 都会造成电量浪费。在c m m b 的设计中，通过基于时隙的帧结构来对功 耗进行优化。 图1 2 c m m b 帧结构 c m m b 传输帧长度为1 秒，划分为4 0 个时隙。每个时隙具有相同的结构， 包括信标和5 3 个o f d m 符号。每个广播业务占用一个或几个时隙，这样的结构 利于时隙开关支持终端节电设计。 发射机标识 信号 r 爱f ? ”甲黟铡獬搿嬲缪黟碧矽搿嚣群缈? 8 攀”i ”i ”弱 匿；丽蠹信毒雾；：群步德学嚼o 幽符号o f d m 鹕：i 隧溆1 2 蠡施i 囊秘囊魏荔l 囊施，渤 盔籀勰盘黝弼：蕾女。菇赫孙溉? 赢i 概量乜也也妊必 黟9 ”1 4 搦 一一一吨o f ( 1 舔德 劐 匦。“翻 卜一信标_ _ 一5 3 个。f d m 符号一 图i 3 c m m b 时隙结构 每个时隙采用相同的结构。包括1 个发射机标识信号，用于鉴别信号来源； 7 罴 # 京邮电大学璇学位女 c m m b m 目关键技术w 究s m 2 个同步信号用于快速同步和辅助信道估计；还有5 3 个o f d m 符号用于承 载数据。 日 频 业 务 1 田1 4 时隙节电示意图 在同时传送的多路多媒体信号中接收机根据用户收看的频道，利用时隙开 关天线、调谐器等大功耗的器件，只接收相关时隙，而在其他时隙这些大功耗器 件都处于关闭状态，从而大大降低终端功耗，有效的提高了终端续航能力。 以一般3 8 4 k b p s 的视频业务为例，需要占用两个时隙，接收机只需要在这两 个时隙处于工作状态，而在其他时隙都处于关闭状态节电效率为9 5 。 本文在综合考虑l 述要求的基础上，对物理层关键技术，如l d p c 编码、 o f d m 调制技术等采用了多种实现方式进行比较，最终给出了一个比较符合 c m m b 各项参数要求的仿真平台，对后续研究做出了重要的贡献。 1 3 论文主要研究内容 在任何个无线传输标准的实现中，底层的传输都是至关重要的”j 。物理层 传输的误码率、误帧率以及协议对于传输环境的抗干扰能力等囚素直接影响着整 个协议的实现。是上层特别是虚用层能够得以实现及改进的基础。本论文在参考 c m m b 传输标准的基础上，成功措建了物理层传输的平台，并对音频、视频及 数据传输都进行了仿真研究。特别地对于手机电视十分重要的视频传输，仿真指 出了最适合传输的信道环境。同时，本文也仿真对比了室内外环境的传输性能 以及不同车速情况下的传输性能。 北京邮电大学硕士学位论文 c m m b 物理层关键技术研究与改进 另外，对于手机电视来说，视频传输的过分延迟是不能容忍的【引。所以在物 理层实现数据传输时，应尽量使用快速高效的编码方法。c m m b 物理层使用了 国际三大标准中都未使用的l d p c 编码，该编码具有接近香农速率的优良特性。 但是，却有着解码极其复杂的问题。一般而言，采用迭代算法来降低解码复杂度。 在c m m b 的传输中，因为要传输实时视频，所以还应尽量减少迭代次数。本文 在研究迭代算法的基础上，创造性地改进了一种自适应迭代算法，使得译码迭代 次数可以自适应的调节，从而降低了减少了平均迭代次数，节约了解码时间。 1 4 论文结构 本论文主要研究c m m b 物理层的传输标准，对其音频、视频及数据传输进 行了仿真研究，并对其编码方式与其他方案进行了比较研究，全文结构如下： 第一章介绍c m m b 的背景知识，介绍当前对信道研究的重点方向，并简单 概括了本论文的主要工作以及论文结构。 第二章简单介绍s t i m i 传输平台，对其设计理念进行了阐释，并重点介绍了 其帧格式设计方案。 第三章介绍整个平台的各个环节，涉及到r s 编码和字节交织、l d p c 编码、 比特交织、星座映射、o f d m 编码、成帧、基带到射频的变换等多个模块，对 各个模块都进行了详细描述和解释。并给出了最终的仿真结果。 第四章首先介绍r s 码与l d p c 级联码的优势，接着对l d p c 的算法进行了 描述。在此基础上，给出了改进的自适应迭代算法。并将其与固有的迭代算法进 行比较，得出其优势所在。 第五章给出了全文的总结，并指出了下一步工作的重点。 9 北京邮电大学硕士学位论文c m m b 物理层关键技术研究与改进 2 1 概述 第二章c m m b 物理层概述 c m m b 物理层传输标准s t i m i 描述了在3 0 m h z 3 0 0 弧删z 频率范围内，移 动多媒体广播系统广播信道传输信号的帧结构、信道编码和调制。适用于在 3 0 m h z - 3 0 0 0 m h z 的频率范围内，通过卫星和或地面无线发射电视、广播、数 据信息等多媒体信号的广播系统【1 1 。 s t i m i 标准定义了移动多媒体广播信道物理层传输信号的帧结构、信道编 码、调制技术以及传输指示信息。该标准定义的广播信道物理层带宽( 曰，) 包括 8 m h z 和2 m h z 两种情况广播信道物理层以物理层逻辑信道的形式向上层业务 提供传输速率可配置的传输通道，同时提供一路或多路独立的广播信道。物理层 逻辑信道支持多种编码和调制方式用以满足不同业务、不同传输环境对信号质量 的不同要求。该标准定义的广播信道物理层支持单频网和多频网两种组网模式， 可根据应用业务的特性和组网环境选择不同的传输模式和参数。物理层支持多业 务的混合模式，达到业务特性与传输模式的匹配，实现业务运营的灵活性和经济 性。 s t i m i 的设计是按照下列要求进行的：在接收条件中，要符合在恶劣环境下 能够高质量接收( 室内、室外、高速移动) ；符合节电要求，能够低功耗地接收； 符合单一、小尺寸天线地接收。在业务方面，要能够实现多种业务的灵活组合； 能够针对业务有效划分无线资源。在网络方面，要能够支持单频组网。 表2 1c m m b 广播信道技术 系统带宽8 m h z ，2 m h z 调制方式 4 k o f d m ( 8 m h z ) 1k - o f d m ( 2 m h z ) 外码r s 码 外交织字节块交织 内码 l d p c 码( 1 2 、3 4 ) 内交织比特块交织 扰码 复伪随机序列 帧结构基于时隙的帧结构 l o 北京邮电大学硕士学位论文c m m b 物理层关键技术研究与改进 表2 1 是s t i m i 标准采用的各项技术。表2 2 是c m m b 物理层传输的系统 参数： 表2 2c m m b 物理层系统参数 系统带宽8 m h z2 m h z 信号带宽7 5 1 2 m h z1 5 3 6 m h z 子载波数4 0 9 61 0 2 4 有效子载波数3 0 7 66 2 8 时隙个数4 0 时隙长度2 5 m s r s 编码 1 7 6 、1 9 2 、2 2 4 、2 4 0 外交织器行数l 2 l 】d p c7 2 、1 4 4 、2 8 83 6 、7 2 、1 4 4 3 4 l d p c 1 0 8 、2 1 6 、4 3 25 4 、1 0 8 、2 1 6 l d p c 编码 1 2 、3 4 内交织器3 8 4 * 3 6 01 9 2 * 1 4 4 o f d m 循环前缀1 8 离散导频1 8 ，交错分布 连续导频携带1 6 比特传输指示信息 理论上，c m m b 物理层的数据速率可以达到如表2 3 所示： 表2 3c m m b 物理层系统数据速率 每时隙的数据率总数据速率 星座映射l d p c 编码率 ( k b p s )( m b p s ) b p s k1 26 4 5 1 3 82 6 0 5 5 b p s k3 | 冬9 6 8 2 0 73 8 0 8 2 q p s k l 212 9 o 2 7 6 5 1 1 0 9 q p s k 3 41 9 3 5 4 1 57 6 1 6 3 1 6 q a m l 2 2 5 8 0 5 5 31 0 1 2 1 7 1 6 q a m 3 珥3 8 7 。1 8 2 915 ，到3 2 5 正是由于c m m b 物理层的优良设计，所以c m m b 标准有以下主要技术特 点： 1 ) o f d m 调制技术支持“天地一体”的单频组网，简化了系统组网复杂度， 并提高了频谱使用效率； 北京邮电大学硕：t ：学位论文c m m b 物理层关键技术研究与改进 2 ) 时频二维导频技术面向手持移动广播环境优化设计，在复杂的无线传输 条件下进行可靠的信道估计和均衡，降低了解调模块硬件的复杂度，利于芯片实 现； 3 ) 高度结构化的h s l d p c 码，接近仙农理论极限的纠错性能，降低了解码 器硬件复杂性，利于芯片实现； 4 ) 时间分片技术有效地降低了终端功耗，保证终端长时间的收视； 5 1 灵活的逻辑信道划分，也是专门面向移动多媒体广播业务的优化设计， 可以提高频谱利用率，支持q o s 及快速频道切换，频道切换仅需1 秒钟； 回s t i m i 还支持t s 、i p 等多种协议的封装，可以满足不同应用的需要。 2 2c m m b 物理层结构 广播信道物理层通过物理层逻辑信道( p l c h ) 为上层业务提供广播通道。 物理层逻辑信道分为控制逻辑信道( c l c h ) 和业务逻辑信道( s l c h ) 。控制逻 辑信道用于承载广播系统控制信息，业务逻辑信道用于承载广播业务。见图2 1 。 图2 1c m m b 物理层逻辑信道 物理层对每个物理层逻辑信道进行单独的编码和调制，其中控制逻辑信道采 用固定的信道编码和调制模式：r s 编码采用r s ( 2 4 0 ，2 4 0 ) ，l d p c 编码采用l 2 码率，星座映射采用b p s k 映射，扰码初始值为选项0 。业务逻辑信道的编码和 调制模式根据系统需求可灵活配置，配置模式通过系统控制信息向终端广播。根 据编码和调制参数不同，物理层可提供不同的传输净荷。 图2 2 给出了s t i m i 系统的物理层信号处理流程。来自上层的多条数据流独 立地分别进行r s 编码和字节交织、l d p c 编码、比特交织和星座映射等操作， 然后和离散导频以及承载传输指示信息的连续导频组合起来，形成o f d m 频域 符号，再对频域符号数据进行加扰，进行o f d m 调制、成帧、上变频等操作， 1 2 北京邮电大学硕士学位论文 c m m b 物理层关键技术研究与改进 最后将信号发向空中。 上层数 0 f 基 d0带 mf到 频扰d成射 域 -o4 码 m 帧频 符调的 号 制变 形换 成 图2 2 c m m b 物理层功能框图 2 3c m m b 物理层帧结构 物理层信号每1 秒为1 帧，划分为4 0 个时隙。每个时隙的长度为2 5 m s ，包 括1 个信标和5 3 个o f d m 符号。 2 3 1c m m b 物理层信标结构 信标结构见图2 3 ，包括发射机标识信号( t x i d ) 以及2 个相同的同步信号。 t = d d 同步信号同步信号 图2 3 信标结构 发射机标识信号跏0 ) 为频带受限的伪随机信号，用于标识不同发射机。 $ i o 以夕长度记为，取值为。发射机标识信号见式2 1 ： ( 泸士芝1 o ) c j 2 耐t d f ) i o t t - i d 凹) o - - - - t 耋t i d( 式2 - 1 ) i v i d i = 0 式中： 眈广发射机标识信号的子载波数 咒d “，) 承载发射机标识序列的b p s k 调制信号 北京邮电大学硕士学位论文c m m b 物理层关键技术研究与改进 ( ，圳驴一发射机标识信号的子载波间隔，取值为3 9 0 6 2 5 h z 死d 口一发射机标识信号的循环前缀长度，取值为1 0 4 u s 发射机标识信号的子载波数n i o 根据不同物理层带宽( 跗取值如下： = 薹篇篇 ( 式2 2 ) 承载发射机标识序列的b p s k 调制信号物以夕由发射机标识序列t x l d 倍) 映射产生，映射方式见式2 - 3 和式2 4 ： b f 8 m h z 时， l l 一2 x t x l d ( i 1 ) ，1 i 9 5 义0 0 ) = o ，i = o 或9 6 i 1 5 9 ( 式2 3 ) 1 1 2 x t x l d ( i - 2 7 ) ，1 6 0 i 2 5 5 b ：- = 2 m h z 时， i 1 2 x t x l d ( i 一1 ) ，l i s l 8 j ，d ( d = o ，i = o 或1 9 f 4 4 ( 式2 - 4 ) i l 一2 x t x l d ( i 一2 7 ) ，4 5 i 6 3 发射机标识序列t x l d 倍) 长度为1 9 1 比特( s r 8 m n z ) 或3 7 比特( g r 2 m n z ) 。 同步信号品行夕为频带受限的伪随机信号，长度记为死，取值为2 0 4 8 u s 。 同步信号见式2 - 5 ： s a t ) = 百1 & ( o e j 2 删。肼，o f 乃 ( 式2 5 ) bi = o 式中： m 一同步信号的子载波数 x b 以夕承载二进制伪随机序列p n b 倍夕的b p s k 调制信号 ( z l f ) 卜同步信号的子载波间隔，取值为4 8 8 2 8 1 2 5 k h z 同步信号的子载波数n b 根据不同物理层带宽偶矽取值如下： 6 = 2 0 4 8 ，乃, b f ：= 2 8 舭m h z ( 式2 6 ) 承载二进制序列伪随机