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北京邮电大学硕士学位论文c m m b 系统数据传输可靠性机制的研究 c m m b 系统数据传输可靠性机制的研究 摘要 c m m b ( c h i n am 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 ，中国移动多媒体 广播) 是我国自主研发的移动多媒体广播技术标准，在我国移动多媒 体广播业务方面有着广泛的应用。奥运会期间c m m b 终端的大规模 商用、3 g 牌照的发放，为c m m b 系统的发展提供了广阔的舞台。该 系统如何为用户提供更可靠、更准确的数据业务、以满足用户的需求， 成为c m m b 系统的技术突破关键所在。c m m b 系统的数据传输可靠 性机制主要包括两大部分：链路层数据传输机制和物理层传输技术， 这些部分亟待改进与完善。论文分别从链路层和物理层两方面对 c m m b 系统数据传输可靠性机制进行了研究与改进。 论文首先介绍了c m m b 系统链路层和物理层的数据传输可靠性 机制和关键技术，包括网络结构、链路层数据传输和封装方法、物理 层传输技术s t i m i 及l d p c 码的原理和应用。随后，分别对链路层和 物理层进行了分析与改进。在链路层方面，论文分析了原有传输方法 不足之处，并在此基础上，提出了链路层e x p e f e c 新机制。本机制 设计了x p e f e c 帧，并且改进了x p e 封装和x p e 的c r c 编译码机 制。通过仿真结果表明，该方案能够大大降低数据的误码率，提高 x p e 数据的传输可靠性。并给出了该方案在现实中的实施方法。 在物理层方面，本文对可靠性传输关键技术l d p c 进行了研究与 改进。本文分析了c m m b 系统l d p c 码的特殊结构，并在此基础上， 设计了c m l d p c 编译码方案，此方案可以采用灵活的调n 编码 配置，在数据传输速率和硬件复杂程度上可以根据需要灵活调整，给 c m m b 系统数据传输带来了更大的便利。通过仿真，本论文比较了 码长、码率、迭代次数三种参数对l d p c 性能以及整个系统性能产生 的影响。在此基础上，本论文分析了现有l d p c 常用译码算法卅p 算法的不足，对b p 算法进行了改进。通过仿真结果表明，该改进算 法在保证译码性能的前提下，有效降低了复杂度。 关键词，c m m bx p ef e c 机制l d p c 码b p 算法 北京邮电大学硕士学位论文c m m b 系统数据传输可靠性机制的研究 r e s e a r c h0 i nr e l i a b t y 卫江e c h a n i s m o fd a = i ：at ra n s s s i o n a b s t r a c t c m m b ，w h i c hi st h es h o r t e n e df o r mo fc h i n am o b i l em u l t i m e d i a b r o a d c a s t ，i sar e s e a r c hp r o d u c t i o nb yo u ro w nc o u n t r y i th a sab r o a d r a n g eo fa p p l i c a t i o n si nt h ef i e l do fm o b i l em u l t i m e d i ab r o a d c a s ts e r v i c e s a tp r e s e n t ，t h e3 gi s g r a n t e di nc h i n aa n dt h ec m m bh a sp r o v i d e d c o m m e r c i a ls e r v i c e sd u r i n gt h eb e i j i n go l y m p i cg a m e s a l lo ft h e s e f a c i l i t a t ec m m b sd e v e l o p m e n tc o u r s e s s y n c h r o n o u s l y , p r o v i d i n gm o r e r e l i a b l es e r v i c e st om e e tt h en e e do fc l i e n t s ，b e c o m e st h eb r e a k t h r o u g h d i f f i c u l t yf o rt h ec m m b t h e r ea r et w op a r t so fd a t at r a n s m i s s i o n m e c h a n i s mi nc 僵 僵bs y s t e m o n ei st h et r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mo nt h e l i n kl a y e r t h eo t h e ri st h et e c h n i q u eo nt h ep h y s i c a ll a y e r s ot h i st h e s i s d o e sad e e pr e s e a r c ho nt h er e l i a b i l i t ym e c h a n i s mo fd a t at r a n s m i s s i o no n t h el i n kl a y e ra n dp h y s i c a l l a y e ro fc m m b s y s t e m t h i st h e s i sf i r s ti n t r o d u c e st h et r a n s m i s s i o nm e t h o da n dt h e t e c h n i q u e so fc m m b ，i n c l u d i n gn e t w o r ks t r u c t u r e ，d a t at r a n s m i s s i o n s c h e m ea n de n c a p s u l a t i o nm e t h o do nt h el i n kl a y e r , s t i m it e c h n i q u e so n t h ep h y s i c a ll a y e r , i n c l u d i n gl d p ct h e o r ya n da p p l i c a t i o n t h e na f t e r a n a l y z i n gt h es h o r t a g eo fo r i g i n a ls c h e m e ，t h i st h e s i sp u tf o r w a r dan e w x p e f e cm e c h a n i s mf o r t h el i n k l a y e r t h i s m e c h a n i s md e s i g n s x p e f e cf r a m ea n di m p r o v e sx p ee n c a p s u l a t i o na n dc r cc o d i n gf o r ) p ed a t a s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h en e ws c h e m eo u t p e r f o r m st h e o l ds c h e m ei nt e r m so fr e l i a b i l i t ym e t r i c s b e s i d e s ，t h i st h e s i sd o e sr e s e a r c ha n di m p r o v e m e n to nt h e t e c h n i q u e so ft h ep h y s i c a ll a y e ea f t e ra n a l y z i n gt h ep e c u l i a rs t r u c t u r eo f c m m b - l d p c ，t h et h e s i sd e s i g n sn e we n c o d i n ga n dd e c o d i n gs h e m ef o r t t 北京邮电大学硕士学位论文 c m m b 系统数据传输可靠性机制的研究 t h ef l e x i b i l i t y t h e nb yt h em a t l a bs i m u l a t o r , t h et h e s i sa n a l y z e st h e p e r f o r m a n c eo fl d p cc o d e ，u n d e rd i f f e r e n ts i m u l a t e ds c e n e sf r o m a s p e c t sa s c o d el e n g t h ，c o d er a t e ，i t e r a t i v en u m b e r b a s e do nt h i s ，t h i s t h e s i sa n a l y z e st h eo r i g i n a lb pd e c o d i n ga l g o r i t h mo fl d p ca n dt h e n i m p r o v e so nt h eb pd e c o d i n ga l g o r i t h m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h en e wa l g o r i t h mc a nr e d u c et h ec o m p l e x i t yo ft h eh a r w a r er e a l i z a t i o na t t h ep r e m i s so fe n s u r i n gt h ed e c o d i n gp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：c m m bx p ef e cm e c h a n i s ml d p cb p - a l g o r i t h m 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做的任 何贡献均已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， 本人签名：亏参掣 本人承担一切相关责任。 日期：j 4 弛础l 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 阅；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一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属乇保密范围，适用本授权书。 本人签名：2 塞塾 日期：迦硅豳! 墨a 导师签名： 舀牲日期：窿翻冬墨盒! z 日 f 北京邮电大学硕士学位论文c m m b 系统数据传输可靠性机制的研究 1 1 课题研究背景和意义 第一章绪论 c m m b 是c h i n am 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 ( 中国移动多媒体广播) 的 简称。所谓移动多媒体广播，是指通过卫星和地面无线广播方式，供七英寸以下 小屏幕、小尺寸、移动便携式的手机类终端如移动通信手机、p d a 、m p 3 m p 4 播放器、数码相机以及笔记本电脑等接收设备，随时随地接收广播电视节目和信 息服务等业务的系统。移动多媒体广播突破了以往的时空限制，方便人们随时随 地接收广播电视，创造了新的收视习惯和消费时尚，另外，其具有更加丰富的内 容，更加有效的覆盖，能够快速传达信息，增强国家突发应急能力。基于以上特 点，移动多媒体广播目前已经成为各个国家炙手可热的发展热点。 目前，国际上还没有形成统一的移动多媒体广播技术标准，尚处于大规模应 用的前期。虽然国际上主要有三种主流移动多媒体广播标准( 也可用作手机电视 标准) ：欧洲主导的d v b h 、韩国热推的t - d m b 、美国高通主导的m e d i a f l o 标准【l 】，但是根据我国地理位置分布特殊、用户群庞大、国外专利费用昂贵等基 本国情和实际环境，这三个标准技术都不适合我国开展移动多媒体广播应用。因 此，我国国家广电总局本着自主创新、全国范围内统一标准、促进三网融合、带 动民族工业的原则，研究移动多媒体广播信道传输新技术，最终于2 0 0 6 年1 0 月2 4 日，颁布了中国移动多媒体广播系统( 简称c m m b ) 广播信道行业标准 g y 厂r2 2 0 1 2 0 0 6 移动多媒体广播第1 部分：广播信道帧结构、信道编码和 调制，确定了采用我国自主研发的移动多媒体广播传输技术标准( 该技术标准 简称s t i m i ，s a t e l l i t e t e r r e s t r i a li n t e r a c t i v em u l t i s e r v i c ei n f r a s t r u c t u r e ) 【引。这一 标准的及时出台，对我国移动多媒体广播和相关民族工业的发展具有重要的促进 作用。之后，广电总局共陆续发布了中国移动多媒体广播c m m b 体系九大标准， 至此，c m m b 形成了自己独立的技术体制。 目前，c m m b 已经完成了组网及系统试验、终端产业化准备，形成了完善 的产业链，并于2 0 0 8 北京奥运会期间成功提供了商用服务，c m m b 的产业化运 营蓄势待发。另外，我国3 g 牌照的发放，迅猛扩大了移动多媒体业务的市场需 求量，为c m m b 提供手机电视等多媒体服务提供了更加广阔的舞台。 随着c m m b 系统发展越来越迅猛，用户对移动多媒体业务的需求也越来越 北京邮电大学硕士学位论文c m m b 系统数据传输可靠性机制的研究 多样化，c m m b 系统如何为用户提供更高可靠性、更快捷的数据业务、满足用 户的需求，成为c m m b 系统的技术关键与难点所在。因此，本人对c m m b 系 统的数据业务传输机制和传输技术进行深入的研究，对现有的数据传输机制和技 术进行改进和突破，这些对于c m m b 系统提高数据传输可靠性具有非常重大的 意义。只有从技术机制上提高了c m m b 系统数据传输可靠性，才能满足用户多 样化的移动多媒体应用需求，加快c m m b 产业化进程，这对中国移动多媒体产 业的发展具有巨大的现实意义。 1 2 研究现状 目前，国际上主要的三大主流移动多媒体广播标准：欧洲主导的d v b h 、 韩国热推的t - d m b 、美国高通主导的m e d i a f l o 标准，它们在解决数据传输问 题，保障数据传输可靠性方面采用的思路基本相同。三种标准的系统中在数据链 路层均使用f e c 来保障数据传输的可靠性。而f e c 功能一般采用纠错编码和外 部交织来实现【3 1 。d v b h 采用r s ( 2 5 5 ，1 9 1 ) ，t - d m b 与m e d i a f l o 采用r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) 。 r s 码是一类具有很强纠错能力的多进制b c h 码，他由r e e d 和s o l o m o n 应 用m s 多项式于1 9 6 0 年构造出来。在线性分组码中r s 码的纠错能力和编码效 率是最高的。r s 码是在伽罗华域g f ( g a l o i sf i e l d ) 中运算的，其编译码原理如 下所示： 设口是g f ( 2 “) 的本原域元素，且设计距离为d 的r s 码，其生成多项式可 表示为： g ( 功= ( x 一口) ( x 一口2 ) ( x - a 4 1 ) 由此生成一个g f ( 2 ”) 上的码r s ( n ，k ，d ) 。其中，码长n = 2 “一1 个符号，信息 位k 个符号，监督位n - k = 2 t 个符号，最小码距d = 2 t + l 。r s 码是多进制b c h 码， 每个符号为m 比特，符号域与生成多项式的根域一致，均取自g f ( 2 ”1 。 对于r s 码的系统码编码，可采用两种方法： 1 ) 由g ( x ) 得生成矩阵g ( x ) ，将其单位化后得g ( z ) = i k p 】，则信息码多项式 m ( x ) 与生成矩阵g ( x ) 相乘后可得系统码。 2 ) 由系统码结构，码字多项式c ( x ) 的第n 一1 次至n k 次的系数是信息位，其 余为校验位，即 c ( 石) = m ( x ) x ”一。+ ，( x ) 兰0 ( m o dg ( x ) ) 贝0 一r ( x ) = c ( x ) + m ( x ) x ”一三m ( x ) x ”一( m o dg ( x ) ) 编码时先将信息多项式乘以x ”变成x n - k m ( 功，再除以g ( x ) 得到余式“x ) ， 2 北京邮电大学硕士学位论文c m m b 系统数据传输可靠性机制的研究 最后将其各项系数取加法逆元，得到所求的校验位。 r s 码的译码与其他线性分组码的译码一样，都需要经过以下几步： 1 ) 由接收码字r ( x ) 与校验矩阵h ( x ) 相乘得伴随式s 。 2 ) 由伴随式求错误图样虚( x ) 。 3 ) 由r ( 工) 一虚( 工) 得最可能发送得码字e ( x ) 。 下面以d v b h 为例，简要说明使用f e c 机制来保障数据传输可靠性的方法。 在d v b h 中，所有上层传来的数据包采用均m p e 封装方式【4 】，因此数据传输机 制称为m p e f e c ，其处理过程是链路层将上层传来的m p e 数据包进行处理，填 入m p e 。f e c 帧中，通过对这些包数据进行计算，然后r s 编码，从而形成 m p e f e c 帧，然后将这些帧打包为m p e 格式，分解为m p e g - t s 数据流，通过 广播信道传输到接收端，再进行r s 译码和纠错。 其中，m p e f e c 帧结构由应用数据表和r s 数据表两部分组成。帧列数为 2 5 5 ，其中前1 9 1 列为应用数据表部分，后6 4 列为r s 数据部分。当处理m p e 包的时候，将包数据从数据表的开始按列依次填入，如果包数据无法填满整个帧， 则将应用数据表中余下部分全部填充0 ，然后在根据数据表中数据按每一行进行 r s ( 2 5 5 ，1 9 1 ) 编码，形成r s 数据部分。从而形成m p e f e c 帧。m p e f e c 帧结构图为【5 】= o 9 1c o l u m n s6 4c o l u m n s o 9 0o6 3 a p p l i c a t i o nd a t at a b l e r sd a t at a b i e ( l a y a r3d a t a o r a m l )( r sd a t a ) 图卜1i d p e f e c 帧结构 另外，这三种标准的系统中，除了使用上述f e c 机制之外，在信道传输技 术中( 物理层) 还使用了独特的信内外码来提高数据传输可靠性。其中，d v b h 和t - d m b 采用卷积编码【6 】作为信内外码，而m e d i a f l o 采用了t u r b o 码技术。 上述f e c 机制与信内外码技术相结合，即链路层与物理层技术双重保护， 成为了目前移动多媒体广播系统提高数据传输可靠性的主要手段。而我国自主研 发的c m m b 系统标准体系同样沿用了这一思路。 北京邮电大学硕士学位论文c m m b 系统数据传输可靠性机制的研究 目前，我国c m m b 系统标准体系共颁发了9 个标准文件，分别为：( ( g y t 2 2 0 1 2 0 0 6 移动多媒体广播第l 部分：广播信道帧结构、信道编码和调制、 g y t2 2 0 2 2 0 0 6 移动多媒体广播第2 部分：复用、( ( g y t2 2 0 3 2 0 0 7 移 动多媒体广播第3 部分：电子业务指南、( g y t2 2 0 4 2 0 0 7 移动多媒体广播第 4 部分：紧急广播、( ( g y t2 2 0 5 2 0 0 8 移动多媒体广播第5 部分：数据广播、 g y 厂r2 2 0 6 2 0 0 8 移动多媒体广播第6 部分：条件接收、g y 厂r2 2 0 7 2 0 0 8 移 动多媒体广播第7 部分：终端技术要求、( g y t2 2 0 8 2 0 0 8 移动多媒体广播第 8 部分：复用器技术要求与测量方法、g y t2 2 0 9 2 0 0 8 移动多媒体广播第9 部分：卫星分发信道帧结构、信道编码和调制 2 , 7 - 1 4 】。 其中，与提高数据传输可靠性最密切相关的是以下两个标准：g y t 2 2 0 5 2 0 0 8 移动多媒体广播第5 部分：数据广播，它规定了c m m b 系统中数 据广播业务的数据传输和封装方法；g y 厂r2 2 0 1 2 0 0 6 移动多媒体广播第1 部 分：广播信道帧结构、信道编码和调制，它详细描述了c m m b 系统所采用的 s t i m i 关键技术，包括r s 编码与字节交织、l d p c 编码、比特交织、星座映射、 o f d m 调制、成帧等。 这两个标准的发布就是从数据链路层和物理层两方面考虑，将f e c 机制( 通 过r s 码和外部交织实现) 与先进的l d p c 信内外码技术相结合，组成其数据传 输可靠性机制的核心部分，从而保证了c m m b 系统传输数据的可靠性。 与国际三大主流标准t - d m b 、d v b h 、m e d i a f l o 的不同之处在于，c m m b 采用的r s 码灵活性更大，标准 2 】规定了四种可用的r s 码：r s ( 2 4 0 ，2 4 0 ) ， r s ( 2 4 0 ，2 2 4 ) ，r s ( 2 4 0 ，1 9 2 ) ，r s ( 2 4 0 ，1 7 6 ) ，它们分别为r s ( 2 5 5 ，2 5 5 ) ， r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ) ，r s ( 2 5 5 ，2 0 7 ) ，r s ( 2 5 5 ，1 9 1 ) 的截短码。系统可根据不同 场合、不同应用需求选择合适的码字类型进行编码。 c m m b 与国际标准相比，另一个优势在于l d p c 码的使用。虽然d v b h 和 t - d m b 采用的卷积码具有很好的纠错性能，但它采用高译码复杂度的v i t e r b i 译 码器，限制了它在实际通信中的应用。m e d i a f l o 采用的t u r b o 码的高复杂度译 码算法成为了其处理速度的瓶颈0 5 , 1 6 】。而c m m b 系统采用的l d p c 码既具有接 近香农限的纠错性能【1 7 】，又具有较低的译码复杂度，有利于硬件实现，这使 c m m b 系统在数据传输及处理能力方面更胜一筹。 1 3 本文主要研究内容 本论文对c m m b 系统的数据传输可靠性机制( 链路层的f e c 机制与物理层 的l d p c 码技术相结合) 进行了深入研究，并分别对f e c 传输机制和l d p c 技 4 北京邮电大学硕士学位论文c m m b 系统数据传输可靠性机制的研究 术进行了改进，具体包含的主要内容有： 首先，c m m b 标准体系中的g y 厂r 2 2 0 5 2 0 0 8 移动多媒体广播第5 部分： 数据广播，规定了c m m b 系统中数据广播业务的数据传输和封装方法。本论 文通过研究原标准中所述的数据传输和封装方法，提出了通过r s 编码及外交织 实现一种x p e f e c 的数据传输新机制e x p e f e c 机制，并与不含有此f e c 机制的x p e 数据传输进行性能比较。 同时，在上述提出并实现的x p e f e c 的数据传输机制中，本论文针对 x p e f e c 封装格式进行改进，设计新的传输格式，使其更适合f e c 技术的应用； 同时，设计新的循环冗余校验( c r c ) 方案，进一步提高纠错编码的纠错能力， 既可以提高c m m b 系统数据传输的可靠性又可以减小开销。 其次，c m m b 标准体系中的g 们2 2 0 1 2 0 0 6 移动多媒体广播第1 部分： 广播信道帧结构、信道编码和调制，规定使用l d p c 编码与o f d m 调制来保证 数据传输可靠性。本论文基于对l d p c 编译码算法的研究及仿真分析，对比不同 参数对于c m m b 系统数据传输可靠性产生的影响。 另外，由于c m m b 系统需要运算的l p d c 矩阵为4 6 0 8 9 2 1 6 ，运算量巨大， 因此目前常用的l d p c 编译码算法容易对编译码效率和误码率造成影响，本论文 针对c m m b 系统的特点，对l d p c 的译码算法进行优化和改进，提出一种适用 于c m m b 系统提高数据可靠性传输的l d p c 算法，并进行了仿真论证。 论文结构安排如下： 第一章为绪论，介绍了本课题的研究背景、研究现状以及关键技术，总结了 研究c m m b 系统数据传输可靠性机制的意义。 。 第二章主要介绍了c m m b 系统的数据传输体系架构、数据广播业务协议栈， 从链路层和物理层两方面说明该系统中的保障数据传输可靠性机制，即链路层的 的数据传输和封装方法，及物理层的传输技术。 第三章在分析了c m m b 系统原有数据传输方法不足的基础上，提出了提高 业务数据传输可靠性的新机制e x p e f e c 机制，包括构造x p e f e c 帧，改 进x p e 封装以及c r c 解码新方案，并且给出仿真结果加以验证，最后给出新机 制的实施案例。 第四章仿真实现了c m m b 系统中l d p c 编译码算法，并从码字长度，编码 码率，和迭代译码的迭代次数等方面对l d p c 编译码性能及c m m b 系统数据传 输性能的影响进行了分析。同时，对目前常用的b p 译码算法进行了改进，提出 了一种适用于c m m b 系统、综合考虑性能与复杂度的改进算法，通过仿真结果 加以比较验证。 第五章为结束语，对整篇论文进行总结，提出未来的工作展望。 北京邮电大学硕士学位论文c m m b 系统数据传输可靠性机制的研究 1 4 本文主要贡献 本论文对c m m b 系统数据传输可靠性机制进行了深入研究，提出了提高系 统数据传输可靠性的新机制，对比分析了影响数据传输性能的l d p c 参数，提出 了适用于c m m b 系统、综合考虑性能与复杂度的改进算法。本论文的主要贡献 包括以下几个方面： 1 ) 深入分析了c m m b 系统现有数据传输方法的不足之处，提出了提高数 据传输可靠性新机制一一e x p e f e c 的处理流程( 即总体方案) ，即从构造 x p e f e c 帧、对x p e f e c 帧进行x p e 封装到对接收到的x p e 包进行c r c 解 码、重构并对x p e f e c 帧进行解码，最后解析得到业务数据包。根据此流程， c m m b 系统中的终端可以接收到应用层发送的业务数据包，并且由于上述方法 中结合了新的纠错编码机制，业务数据包传输可靠性大大提高。终端通过对数据 包进行解析，即可得到业务数据。从而实现了c m m b 系统中业务数据的高可靠 性传输。 2 ) 对原有链路层的数据传输和封装方法进行了改进，包括四方面：第一， 设计了x p e f e c 帧，并在封装时为业务数据与纠错校验数据添加地址信息。接 收端在进行c r c 解码时仅需地址信息可以有效的定位错误信息，提高了r s 的 纠错性能。第二，x p e f e c 帧统一使用x p e 进行封装，改进了原有系统中 x p e x p e f e c 采用不同的语法结构进行封装的方法，不需要进行标记位、数据 总长度的重复使用，减小了系统的开销。第三，采用自适应封装原则进行数据包 设计，将长度相对较长的数据包进行分片，可以更为精确的定位错误字节的位置， 防止一些正确传输的字节的浪费。第四，封装加入c r ca l l 字段，并设计了新 的循环冗余校验( c r c ) 方案，进一步提高了纠错编码的纠错能力。 3 ) 对c m m b 所采用的高结构化的l d p c 码字特点进行了深入分析，提出 了适用于c m m b 系统的l d p c 编译码方案，此方案可以采用灵活的调n 编码配 置，在数据传输速率和硬件复杂程度上可以根据需要灵活调整，这给c m m b 系 统数据传输带来了更大的便利。 4 ) 仿真实现了c m m b 系统中l d p c 编译码方案，使用m a t l a b 工具仿真 比较了不同码长、码率、迭代次数参数下的l d p c 性能，给出了仿真结果，指出 了码长、码率、迭代次数对于系统数据传输性能的影响。 5 ) 针对现有b p 译码算法的不足，提出了c m m b 系统l d p c 译码算法( 针 对l o g - b p 译码算法) 改进方案l d p c 最小和+ 修正项改进算法。此算法综合 考虑了系统性能与复杂度。最后通过仿真，论证了改进算法在保证系统性能不受 影响的同时有效的减小了复杂度。 6 北京邮电大学龋十学位论空c m m b 系统翦据传精日靠性机村的研究 第二章c m m b 系统数据传输方法与关键技术 2 1c m m b 系统数据传输结构 2ii 体系结构 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 部地区人口稀疏的特点，以及用户众多和业务需求多样化的情况，立足我国国情， 通过吸纳成熟的先进技术设计的“天地一体化”的技术体系，其最大特点是 氐成 本、可快速实现移动多媒体广播信号全国覆盖。 c m m b 技术标准体系是利用大功率s 波段卫星信号覆盖全国，利用地面增补 转发器同频同时同内容转发卫星信号补点覆盖卫星信号盲区，利用无线移动通信 网络构建回传通道从而组成单向广播和双向交互相结合的移动多媒体广播网 络。 c m m b 体系架构如图2 1 所示。 ”* m + a r i ：篡 “”“b 莎- 么， 一 。 复用 广播信道 应用层 表示层，a 话层 传输层，网络层 一 数据链路层 一一 物理层 一一- _ 图2 - 2c b 系统数据广播业务协议栈u 们 如上图所示，应用层的数据业务按照业务出现的方式在传输层网络层分成 两种处理模式：流模式和文件模式。若数据业务以连续流的方式展现，如视频流、 音频流等，通常有时序要求、传输有时间标签指示或数据流内部有同步要求，则 采用流模式进行处理。若数据业务以离散数据文件的方式出现，如文字数据等， 通常无时序要求、传输无时间标签指示或同步要求，则采用文件模式进行处理。 可扩展协议封装( e x t e n d a b l ep r o t o c o le n c a p s u l a t i o n ，简称x p e ) 和复用， 可以将来自不同协议层的数据包封装适配到复用子帧的数据单元中。x p e 前向 纠错( e x t e n d a b l ep r o t o c o le n c a p s u l a t i o n - f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ，简称 x p e f e c ) ，作为可选项，在数据链路层对数据传输进行保护。 广播信道即为物理层传输信道，采用自主研发的s t i m i 技术。 下面，就分别从数据链路层和物理层来说明c m m b 系统现有的数据传输可 靠性机制。 2 2c m m b 系统链路层数据传输和封装方法 2 2 1 数据传输方法 在链路层，数据业务按照流模式和文件模式分别进行可扩展协议封装，如图 2 - 3 所示。 北京邮电大学硕士学位论文c m m b 系统数据传输可靠性机制的研究 8 ”一? n , - j ”。 ” l 轭 蠢锫蠢 绥 ；j 豫 l ，e 毪， 茸r 羹协敬越簟 坤眦乜一 曩蠢t 务艄 簟t ，| 舅卜嘲 舅： ； ； ! 敷篱支辨 文件 ；熏口饿露穆辚穗，敦 潮 g ， ；： ：。k 。j ? ij ? 图2 - 3 数据业务封装传输 其中，流模式数据业务直接将数据流进行可扩展协议( x p e ) 语法封装，生 成x p e 包，数据流的纠错校验数据经过x p e f e c 语法封装，生成x p e f e c 包。 x p e x p e f e c 包经过复用后，实现透明传输，处理流程如图2 4 所示。 赣瑕娩 一 妤甓燃一 l j | 髓 i l 哪薅i 董 上 - 甩 ：煳语 绷镑接皱毂缒 翦e 斗职 耵静确呶 ! 翰钰 甜链 l i 图2 - 4 流模式处理流程 而文件模式数据业务与流模式数据业务不同，除含有数据文件外，还使用 f a t 文件来描述其数据业务所包含的数据文件的构成、路径、分割参数等信息， 所以，需要将数据文件和f a t 文件分割成文件模式传输包再进行可扩展协议封 装。文件模式传输包通过x p e 语法封装后，生成x p e 包，其纠错校验数据通过 x p e f e c 语法封装后，生成x p e f e c 包。x p e x p e f e c 包经过复用后实现传 输。处理流程如图2 5 所示。 图2 - 5 文件模式处理流程 9 北京邮电大学硕士学位论文 x p e x p e f e c 包的复用过程，就是将这些数据适配到复用子帧数据段中，如图 2 6 所示。 复用+ f 帧 筻用予饿致援獭毅嚣簇羧数锯莰 彳 蠹 图2 - 6x p e x p e - f e c 包复用封装示意 复用配置使用数据单元类型的值见表2 1 。 表2 - 1 数据单元类型 值 数据单元类型 oe s g 数据节 le s g 节目提示信息 2 1 5 9 保留 1 6 0x p e 包 1 6 lx p e f e c 包 1 6 2 1 6 9 数据广播保留 17 0 - - , 2 5 5 保留 2 2 2 数据封装语法 x p e 封装语法可以对不同协议层、不同封装语法的数据包进行统一的封装， 语法结构见图2 7 。 1 0 北京邮电大学硕士学位论文c m m b 系统数据传输可靠性机制的研究 图2 7x p e 包语法结构 x p e 包各字段定义如下： 开始标志：1 位字段，取值“l ”表示本x p e 包携带着流模式文件模式数据 的开始部分，取值“0 表示本x p e 包未携带着流模式文件模式数据的开始部 分。 结束标志：1 位字段，取值“1 表示本x p e 包携带着流模式文件模式数据 的结束部分，取值“0 表示本x p e 包未携带着流模式文件模式数据的结束部 分。 标记位：1 位字段，固定取值“0 ，表示净荷携带的是流模式文件模式数据。 纠错指示：1 位字段，取值“0 ”表示流模式文件模式数据未进行纠错编码，“1 表示进行过纠错编码。 净荷长度：1 2 位字段，表示x p e 包携带的净荷长度，单位为字节。取值应 保证x p e 包总长度( 头+ 净荷+ c r c ) 小于4 0 9 6 字节。 c r c 指示：l 位字段，“0 ”表示净荷未进行c r c 3 2 校验，“1 表示进行过。 传输序号：7 位字段，标识流模式文件模式数据的传输序号，在0 - 1 2 7 范围 内循环递增加一取值，初值为0 。若数据进行了分割，则属于同一个流模式文件 模式数据的x p e 包应具有相同的传输序号。 数据包总长度：1 6 位字段，取值范围为0 - 6 5 5 3 5 ，表示流模式文件模式数 据的总长度，单位为字节。只有当数据分割时才传输此字段，若未分割，“净荷 长度 即表示数据总长度。 业务模式指示：1 位字段，“0 ”表示流模式，“1 表示文件模式。 北京邮电大学硕士学位论文c m m b 系统数据传输可靠性机制的研究 校验和：8 位字段，本字段前面所有所有字节进行异或运算的值，用作x p e 包头信息的校验。 净荷：本字段携带流模式文件模式数据。 c r c3 2 ：3 2 位字段，对x p e 包净荷进行校验。 x p e f e c 的语法结构如图2 8 所示： 眶死c 包 、 炙净麓 c r c _ 3 2 吣。 开纺 豁 净 c 传 ：纠貉 始缎 记像籀 r 辕 。棱浚戳经 标杯 位 麓长 e 廖 7 羧褥蜜。虢 鲻镄绶骏数糕 指，慈燕壤秘 志溢 ( i 。l ) 缝蟹 鼍、i 纛 llll1 2l 71 6 8 i 、 瞧； f e c f e c l 刍歼娥杯客= t 野禽f 我扩髓挈段 算参 经警歼鲍练意= l 缝绣袭掾瘩= o 法数 f e c 参数 瓣霄筑磁黢验羧糍总靛魔宇段 ( 3 刍戳纭5 - - - - - l 嬲零翘c3 2 孝黢 标长 识缱 8 8 伽正5 5 孕麓 图2 - 8x p e - f e c 包的语法结构 开始标志、结束标志、净荷长度、c r c 指示、传输序号、数据总长度、校 验和、c r c3 2 的语法结构定义同x p e 包。 标记位：1 位字段，固定取值“l ”，表示净荷携带的是纠错校验数据。 传输序号：x p e f e c 包的传输序号与其对应的x p e 包的传输序号应保持一 致。 f e c 算法标识：8 位字段，f e c 算法的标识号。取值如表2 2 所示。 表2 - 2f e c 算法标识 值( 十六进制) 类型 0 x 0 0 r s ( 2 5 5 ，2 0 7 ) o x 0 1 o x f f保留将来扩展 f e c 参数长度：8 位字段，取值范围0 2 5 5 ，单位为字节，表示“f e c 参数” 字段的总长度。 f e c 参数：g y t2 2 0 5 2 0 0 8 移动多媒体广播第5 部分：数据广播标准 中定义了r s ( 2 5 5 ，2 0 7 ) 的f e c 参数。 1 2 北京邮电大学硕士学位论文c m m b 系统数据传输可靠性机制的研究 2 3c m m b 系统物理层可靠性传输技术 2 0 0 6 年1 0 月2 4 日，我国广播电影电视总局正式颁布了c m m b 广播信道行 业标准g y t2 2 0 1 2 0 0 6 移动多媒体广播第l 部分：广播信道帧结构、信道 编码和调制，确定了采用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 a t e l l i t e t e r r e s t r i a li n t e r a c t i v em u l t i s e r v i c ei n f r a s t r u c t u r e ) 。s t i m i 技术是c m m b 系统物理层保障数据传输可靠性的核心【l 引，s t i m i 中的l d p c 编译码技术成为了 c m m b 系统优于d v b h 、t - d m b 、m e d i a f l o 等多媒体广播系统的关键所在。 2 3 1s t i m i 整体结构及特点 s t i m i 技术是面向移动多媒体广播的卫星与地面覆盖相结合的广播信道传 输技术，构成了中国自主研发的c m m b 体系架构中的核心技术。该技术通过采 用o f d m 调制、l d p c 编码、时频逻辑信道、快速同步等先进技术，利用卫星 覆盖面广、建设周期短、见效快的特点，结合地面增补覆盖，以实现面向手持类 终端的广播电视和信息服务。 s t i m i 技术系统可工作于3 0m h z 3 0 0 0m h z 的频率范围内。物理带宽支持 8m h z 和2m h z 两种工作模式。图2 - 9 给出了s t i m i 技术系统的物理层结构及 信号处理流程。来自上层的多路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，最后将信号发向空中。 基 带 0 f 1 ) ! 到 频域 成 射 0 f d i 符号扰调制帧频 形成码的 变 换 图2 - 9s ti m i 系统整体结构及处理流程 1 3 北京邮电大学硕士学位论文c m m b 系统数据传输可靠性机制的研究 2 3 2s t l m i 各功能模块介绍 1 ) r s 编码和字节交织 s t i m i 系统采用了r e e d s o l o m o n 码作为外码，字节交织器作为外交织器。 r s 编码和字节文织根据列输入列输出、行编码的方式进行处理。r s 码采用了码 长为2 4 0 字节