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      幀間卷積交織和幀內(nèi)塊交織級聯(lián)的時間交織性能評估

      2014-02-23 07:04:08田金鳳寇亞軍李明齊
      關(guān)鍵詞:存儲量交織級聯(lián)

      楊 穎,田金鳳,黃 飛,寇亞軍,李明齊

      (1.南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院,江蘇南京 210016;2.中國科學(xué)院上海高等研究院新媒體無線技術(shù)研究中心,上海 201210)

      0 引言

      數(shù)字電視廣播信道條件復(fù)雜多變,尤其在移動場景下,系統(tǒng)沒有上行回傳反饋信道,僅依靠糾錯編碼,系統(tǒng)的魯棒性能并不理想。為此,最新的數(shù)字視頻廣播標(biāo)準(zhǔn)均在糾錯編碼后引入時間交織。其中比較典型的是 DVB-T2(digital video broadcasting-terrestrial 2rd generation)標(biāo)準(zhǔn)[1]。DVB-T2 標(biāo)準(zhǔn)是歐洲數(shù)字地面?zhèn)鬏斀M織于2008年6月推出的第二代數(shù)字電視地面?zhèn)鬏敇?biāo)準(zhǔn),其最初設(shè)計主要面向固定和手持接收,時間交織技術(shù)的引入使得DVB-T2系統(tǒng)可以獲取一定的時間分集增益而適用于移動接收場景。然而DVB-T2標(biāo)準(zhǔn)中的塊交織受標(biāo)準(zhǔn)定義存儲量的限制無法實現(xiàn)長交織,從而無法有效地抵抗移動場景下時間選擇性衰落對信號傳輸?shù)挠绊憽?/p>

      為了使DVB-T2系統(tǒng)能夠有效地支持固定接收和移動接收,DVB組織于2012年2月開始在DVBT2標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上制訂 DVB-NGH(digital video broadcasting-next generation handheld) 標(biāo) 準(zhǔn)[2]。DVB-NGH標(biāo)準(zhǔn)是第二代DVB家族的最新成員,是目前世界上最先進的數(shù)字地面?zhèn)鬏斚到y(tǒng),與DVBT2以時分復(fù)用的結(jié)構(gòu)在DVB-T2的未來擴展幀內(nèi)傳輸移動業(yè)務(wù)。為了有效地抵抗移動場景下時間選擇性衰落對信號傳輸?shù)挠绊?,DVB-NGH標(biāo)準(zhǔn)提案對現(xiàn)有廣播系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)提出的時間交織方案進行了調(diào)研總結(jié)和分析,包括DVB-SH(digital video broadcasting-satellite handheld)標(biāo)準(zhǔn)[3]提出的卷積交織和MPE-iFEC(multi-protocol encapsulation inter-burst forward error correction)以及DVB-T2標(biāo)準(zhǔn)采用的塊交織。DVB-NGH在這些交織方案的基礎(chǔ)上分別提出了 BB-iFEC(base band inter-frame FEC)以及幀間卷積交織和幀內(nèi)塊交織級聯(lián)的時間交織方案。

      文獻[4]針對DVB-T2標(biāo)準(zhǔn)的塊交織在移動場景下的性能進行了評估。文獻[5]在文獻[4]的基礎(chǔ)上,在快衰落和陰影衰落的場景下,針對DVB-T2標(biāo)準(zhǔn)的塊交織進行了更加細致的性能評估,并針對MPE-iFEC進行了仿真分析。文獻[6-7]針對上層交織方法MPE-iFEC的工作原理以及誤碼性能進行了研究。文獻[8]則分析了物理層交織方法 BB-iFEC具體的工作原理和誤碼性能。針對DVB-SH標(biāo)準(zhǔn)采用的卷積交織,文獻[9-12]分別給出卷積交織的工作原理,誤碼性能以及硬件實現(xiàn)方法。但是目前為止還沒有文獻針對適用于未來廣播系統(tǒng)發(fā)展方向的幀間卷積交織和幀內(nèi)塊交織級聯(lián)的時間交織方案進行全面的性能評估。為此本文主要針對DVBNGH標(biāo)準(zhǔn)計劃采用的幀間卷積交織和幀內(nèi)塊交織級聯(lián)的時間交織方案在移動場景下進行性能評估,并將其與DVB-T2標(biāo)準(zhǔn)中的塊交織進行比較分析,同時還針對級聯(lián)交織方案中的卷積交織和塊交織不同的實現(xiàn)方法在移動場景下進行性能評估。為我國下一代廣播電視無線系統(tǒng)實現(xiàn)幀間卷積交織和幀內(nèi)塊交織級聯(lián)的時間交織提供參考。

      本文首先討論了DVB-T2標(biāo)準(zhǔn)中的塊交織和DVB-NGH標(biāo)準(zhǔn)提出的幀間卷積交織和幀內(nèi)塊交織級聯(lián)的交織方案;其次,討論了級聯(lián)交織方案中卷積交織和塊交織不同的實現(xiàn)方法;最后,通過參考DVB-T2系統(tǒng)仿真參數(shù),在移動場景下針對級聯(lián)交織方案進行性能評估和比較分析。

      1 時間交織

      時間交織按某種特定規(guī)則將原始數(shù)據(jù)序列打亂,使交織前后數(shù)據(jù)序列相關(guān)性減弱,從而降低無線信道傳輸中突發(fā)錯誤對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?。其中,最典型的交織方法為塊交織和卷積交織。DVB-T2標(biāo)準(zhǔn)即采用簡單易行的塊交織實現(xiàn)時間交織。其依據(jù)具體的數(shù)據(jù)輸入速率,將輸入數(shù)據(jù)存儲在一個或者多個時間交織(time interleaving,TI)塊中,且每個

      TI塊內(nèi)可以包含數(shù)量可變的前向糾錯編碼(forward error correction,F(xiàn)EC)塊。在各個TI塊內(nèi)分別對數(shù)據(jù)獨立地進行塊交織。DVB-T2標(biāo)準(zhǔn)中塊交織的交織深度可按公式(1)計算[5]。

      (1)式中,DVB-T2標(biāo)準(zhǔn)定義TI塊最大存儲量為219個單元字,故在碼率、調(diào)制階數(shù)和信息輸入速率固定的情況下,DVB-T2標(biāo)準(zhǔn)的塊交織受標(biāo)準(zhǔn)定義TI塊存儲量的限制而無法實現(xiàn)長交織。同時,塊交織的換臺時間與換臺時刻有關(guān),假設(shè)接收端接收到全部碼字后才能正確譯碼,則塊交織的換臺時間介于交織深度的1至2倍之間,均值為交織深度的3/2倍[13],且塊交織和解塊交織時需將所有數(shù)據(jù)寫入寄存器中后才可讀出,故塊交織端到端時延為交織深度的2倍。而卷積交織的換臺時間與換臺時刻無關(guān),假設(shè)接收端接收到全部碼字才可正確譯碼,由于卷積交織和解交織時數(shù)據(jù)寫入讀出同步,故相同條件下卷積交織換臺時間和端到端時延均等于交織深度。同時,交織深度相同時,卷積交織所需存儲量約為塊交織的一半。所以,在存儲量相同的情況下,卷積交織比塊交織可以實現(xiàn)更長的時間交織。

      DVB-NGH標(biāo)準(zhǔn)主要面向地面和混合地面-衛(wèi)星移動接收,信道環(huán)境復(fù)雜,尤其當(dāng)終端慢速移動時,信道相干時間較大,同時針對 DVB-T2幀和DVBNGH幀的時分復(fù)用結(jié)構(gòu),短時間交織無法滿足移動場景下的系統(tǒng)性能需求。且DVB-NGH系統(tǒng)主要面向手持移動接收,接收終端體積小,容許的存儲量、端到端時延和換臺時間有限。故塊交織無法適用于DVB-NGH系統(tǒng)。而卷積交織可以在存儲量一定的情況下實現(xiàn)長交織,且端到端時延小、換臺時間短?;诖耍珼VB-NGH標(biāo)準(zhǔn)計劃利用卷積交織進行幀間交織。同時,再對幀內(nèi)數(shù)據(jù)進行簡單的塊交織,進一步地提高時間分集度。

      圖1為DVB-NGH標(biāo)準(zhǔn)計劃采用的級聯(lián)交織方案。由圖1可知,該方案將卷積交織和塊交織巧妙地結(jié)合在一起,在DVB-NGH幀間進行卷積交織,在DVB-NGH幀內(nèi)進行塊交織。首先,假定子卷積交織器的通道數(shù)為B,將各個FEC塊分別送入不同的交織單元(interleaving unit,IU)分組模塊,每個IU分組模塊將FEC塊等分為B個IU,其次,每個IU分組模塊將輸出的B個IU依次分別送入相應(yīng)子卷積交織器B個時延通道中,不同時延通道可以設(shè)置不同時延參數(shù),以DVB-NGH幀為單位,進而實現(xiàn)基于IU的幀間卷積交織。最后,對各個子卷積交織器輸出的IU進行統(tǒng)一的幀內(nèi)塊交織。

      圖1 級聯(lián)交織工作原理Fig.1 Operationing principle of concatenated interleaver

      IU的長度,即每個IU所包含單元字的數(shù)量為

      (2)式中:NCELLS代表一個FEC塊內(nèi)單元字的數(shù)量;B代表子卷積交織器通道數(shù)。在選擇FEC塊長度和通道數(shù) B時,應(yīng)使得 NCELLS能夠被 B整除,即(NCELLSmod B)=0,從而保證一個FEC塊內(nèi)所有IU的長度相同,進而方便實現(xiàn)幀內(nèi)塊交織。

      2 幀間卷積交織和幀內(nèi)塊交織級聯(lián)的不同實現(xiàn)方法

      進行幀間卷積交織時,可根據(jù)具體的應(yīng)用場景靈活地選擇卷積交織方法,共有以下3種方法。

      方法1 均勻交織。即數(shù)據(jù)經(jīng)時間交織后被均勻的映射到相應(yīng)幀周期內(nèi),子卷積交織器各通道時延與通道基本時延成正比,各通道時延可按(3)式計算[11]。

      (3)式中:i∈(1,…,B)表示第i個通道;M 表示通道基本時延。

      方法2 非均勻-early。數(shù)據(jù)被非均勻地映射到相應(yīng)幀周期內(nèi),其中大部分數(shù)據(jù)被映射到時間上相對靠前的幀周期內(nèi),其余數(shù)據(jù)則被映射到時間上相對靠后的幀周期內(nèi)。此時,通道時延值相對較小的通道數(shù)目大于通道時延值較大的通道數(shù)目。

      方法3 非均勻-late。數(shù)據(jù)被非均勻地映射到相應(yīng)幀周期內(nèi),其中大部分數(shù)據(jù)被映射到時間上相對靠后的幀周期內(nèi),其余數(shù)據(jù)則被映射到時間上相對靠前的幀周期內(nèi)。此時,通道時延值相對較大的通道數(shù)目大于通道時延值較小的通道數(shù)目。

      其中,方法1適用于誤碼性能要求高的場景;方法2適用于實時傳輸場景;方法3可實現(xiàn)快速換臺,適用于對換臺時間要求嚴格的應(yīng)用場景。

      實際在進行幀內(nèi)塊交織時,可以靈活地設(shè)置幀間卷積交織在當(dāng)前幀內(nèi)輸出數(shù)據(jù)寫入幀內(nèi)塊交織的規(guī)則。方法1采用DVB-T2標(biāo)準(zhǔn)定義的塊交織方法,首先,將當(dāng)前幀內(nèi)各個子卷積交織器輸出的IU重組,每組數(shù)據(jù)長度為一個FEC塊的長度,然后,將其均分為5列后按列寫入矩形寄存器;方法2依次將當(dāng)前幀內(nèi)各個子卷積交織器輸出的IU按列寫入矩形寄存器,一列一個IU;方法3依次將當(dāng)前幀內(nèi)各個子卷積交織器相同時延通道輸出的IU按列寫入矩形寄存器,一列一個IU。最后,將寫入矩形寄存器中的數(shù)據(jù)按行讀出,完成幀內(nèi)塊交織。

      以上所述幀間卷積交織和幀間卷積交織輸出數(shù)據(jù)寫入幀內(nèi)塊交織的方法均可以組合實現(xiàn)級聯(lián)交織,以下將針對這些級聯(lián)交織方案在移動場景下進行性能評估和比較分析。

      3 性能評估

      為了有效地評估廣播系統(tǒng)中時間交織在移動場景下的性能,本文將在DVB-T2標(biāo)準(zhǔn)仿真平臺中,參考DVB-T2系統(tǒng)仿真參數(shù),針對塊交織以及級聯(lián)交織進行性能評估和分析。其中,信道模型采用城市環(huán)境移動測試比較經(jīng)典的6徑典型城市(6-taps typical urban,TU6)信道模型。

      表1為進行時間交織性能仿真時采用的系統(tǒng)仿真參數(shù)。其中,幀長為100 ms,仿真長度為1 000幀。為了全面地評估時間交織在高低速移動場景下的性能,本文選擇6種終端移動速度,即3,10,30,60,100及150 km/h。為了保證一個FEC塊內(nèi)的IU長度相同,本文通道數(shù)B選擇1,2,3,4和6。同時,本文選擇FER=1%(FEC error rate)作為系統(tǒng)誤碼性能參考標(biāo)準(zhǔn),利用BER(bit error rate)評估系統(tǒng)誤碼性能。

      表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of the system

      4 仿真結(jié)果

      我們將給出仿真結(jié)果針對所述級聯(lián)時間交織進行性能評估,并與塊交織進行比較??紤]到長時間交織帶來的端到端時延和換臺時間較大,本文仿真中時間交織深度均選擇小于1 s進行性能評估,利于實際應(yīng)用參考。

      在終端移動速度為3 km/h的移動場景下,圖2分別給出了交織深度相同(均為400 ms)以及存儲量相同(均為40個FEC塊)時3種不同的級聯(lián)交織和塊交織的BER性能比較曲線。塊交織為DVB-T2標(biāo)準(zhǔn)定義交織方法,級聯(lián)交織方法1、級聯(lián)交織方法2和級聯(lián)交織方法3中幀間卷積交織采用均勻卷積交織,而幀內(nèi)塊交織則依次采用塊交織方法1、塊交織方法2和塊交織方法3。其中,子卷積交織器通道數(shù)B為4,通道基本時延M為1個幀,即其交織深度為400ms。從圖2可以看出,交織深度相同時,級聯(lián)交織比塊交織的誤碼性能稍好;3種不同級聯(lián)交織的誤碼性能非常接近,這是由于幀長較短,幀內(nèi)數(shù)據(jù)量較少,幀內(nèi)塊交織所獲分集增益有限,差異較小造成的。同時,交織深度為400 ms時,塊交織所需存儲量為80個FEC塊,換臺時間介于400 ms和800 ms之間,端到端時延為800 ms。而級聯(lián)交織中卷積交織所需存儲量為30個FEC塊大小的數(shù)據(jù)量,幀內(nèi)塊交織所需最大存儲量為20個FEC塊大小的數(shù)據(jù)量,級聯(lián)交織共需存儲50個FEC塊大小的數(shù)據(jù)量。級聯(lián)交織的交織深度主要由幀間卷積交織決定,故級聯(lián)交織端到端時延和換臺時間均約為400 ms。故交織深度相同時,級聯(lián)交織性能要比塊交織的誤碼性能好,且所需存儲量少,端到端時延小,換臺時間也相對較短。

      圖2還以級聯(lián)交織方法3為例,與塊交織比較了相同存儲量配置時的BER性能,存儲量均為40個FEC塊。每幀輸入FEC塊數(shù)為20,則塊交織的最大交織深度為200 ms。級聯(lián)交織在每個幀內(nèi)采用20個子卷積交織器,則每個子卷積交織器僅需存儲2個FEC塊大小的數(shù)據(jù)量即可存儲40個FEC塊大小的數(shù)據(jù)量。此時,子卷積交織器通道數(shù)B為3,每個FEC塊被均分成3個IU,各時延通道上的寄存器分別存儲0,2和4個IU,共6個IU,相應(yīng)各通道時延分別為0,2和4個幀。故級聯(lián)交織可以在存儲量為40個FEC塊大小數(shù)據(jù)量的情況下,交織深度達到500 ms,為塊交織的2.5倍。由圖2可以看出,在存儲量相同的情況下,系統(tǒng)采用級聯(lián)交織時的BER比采用塊交織時小。這是由于存儲量相同時,級聯(lián)交織可以獲得比塊交織更長的交織深度。此外,在存儲量一定的情況下,可通過配置子卷積器通道結(jié)構(gòu),如增加子卷積交織器的通道數(shù)或增加最大時延通道的時延值來實現(xiàn)兼顧分集度的靈活長交織。

      圖2 交織深度和存儲量相同時,級聯(lián)交織和塊交織BER性能比較Fig.2 BER performance comparison between concatenated interleaver and block interleaver based on the same interleaving depth and memory requirement

      圖3給出終端移動速度為3 km/h,交織深度為500 ms時,級聯(lián)交織方案中幀間卷積交織采用上文所述不同的實現(xiàn)方法時系統(tǒng)BER性能比較曲線。幀內(nèi)塊交織采用塊交織方法3,幀間卷積交織分別采用均勻卷積交織、非均勻-early和非均勻-late。子卷積交織器通道數(shù)B為3,均勻交織時,通道基本時延M為2個幀;非均勻交織-early時,各通道時延分別為0,1和4個幀;非均勻交織-late時,各個通道時延為0,3和4個幀。由圖3可知,采用均勻卷積交織實現(xiàn)幀間卷積交織時系統(tǒng)BER最小,故級聯(lián)交織采用均勻卷積交織的誤碼性能要比采用非均勻卷積交織的誤碼性能好。在沒有特殊應(yīng)用場景的需求下,建議級聯(lián)交織中幀間卷積交織采用均勻的卷積交織方法。

      圖3 幀間卷積交織采用不同實現(xiàn)方法BER性能比較Fig.3 BER performance comparison between different implementation methods of inter-frame convolutional interleaver

      在終端移動速度和交織深度不同的情況下,圖4給出級聯(lián)交織BER性能比較曲線。幀間卷積交織采用均勻卷積交織,通道基本時延M均為1個幀,幀內(nèi)塊交織采用塊交織方法 3;終端移動速度分別為3 km/h和30 km/h;交織深度選擇100 ms,200 ms和400 ms,對應(yīng)通道數(shù)分別為1,2和4。由圖4可以看出,交織深度為100 ms時,3 km/h和30 km/h的性能非常接近。這是由于交織深度為100 ms時,通道數(shù)B為1,無幀間卷積交織,僅對幀內(nèi)數(shù)據(jù)進行塊交織,所獲分集增益有限。同時,由圖4還可以發(fā)現(xiàn),終端移動速度相同,交織深度越大,BER越小,系統(tǒng)性能越好;交織深度相同,移動速度越大,信道相干時間越小,交織作用越大,BER越小,系統(tǒng)性能越好;信噪比較低時,信道條件較差,時間交織帶來的性能提升較小,隨著信噪比增大,時間交織帶來的性能提升也較大。

      圖5給出終端移動速度和交織深度不同,系統(tǒng)采用級聯(lián)交織在FER達到1%時所需信噪比曲線。其中,幀間卷積交織采用均勻卷積交織,幀內(nèi)塊交織采用塊交織方法3。交織深度為0 ms時,不進行時間交織,其他4種交織深度曲線所對應(yīng)子卷積交織器的通道數(shù)B分別為1,2,4和6,基本時延M為1幀。由圖5可知,采用時間交織給系統(tǒng)性能帶來的性能增益比較明顯,交織深度越大,時間交織帶來的系統(tǒng)性能增益越大。但是交織深度越大,端到端時延和換臺時間也相應(yīng)地變大,故在選擇交織深度時需要在系統(tǒng)BER性能和端到端時延以及換臺時間之間折中選擇。同時,由圖5還可以發(fā)現(xiàn),隨著終端移動速度增加,增大交織深度,系統(tǒng)性能增益增速變緩。本文仿真均為理想信道估計,否則終端移動速度較大,以至于信道估計速度無法與信道多普勒頻移匹配,時間交織性能則出現(xiàn)瓶頸,甚至出現(xiàn)系統(tǒng)性能急速變差的情況。

      圖4 不同終端移動速度及交織深度時級聯(lián)交織BER性能比較Fig.4 BER performance comparison of concatenated interleaver based on different terminalmovement speed and interleaving depth

      圖5 FER=1%,不同終端移動速度及交織深度級聯(lián)交織所需信噪比Fig.5 Required SNR for FER 1%with concatenated interleaver based on different terminalmovement speed and interleaving depth

      5 結(jié)束語

      本文主要針對基于幀間卷積交織和幀內(nèi)塊交織級聯(lián)的時間交織方案進行性能評估。仿真結(jié)果表明,交織深度相同,級聯(lián)交織比塊交織的誤碼性能稍好;幀間卷積交織采用均勻的卷積交織,級聯(lián)交織可以在存儲量一定的情況下實現(xiàn)靈活的長時間交織,誤碼性能比塊交織更好。在終端移動速度和交織深度不同的條件下,針對級聯(lián)交織進行性能仿真。結(jié)果表明,終端移動速度相同,交織深度越大,系統(tǒng)性能越好;交織深度相同,移動速度越大,信道相干時間越小,時間交織誤碼性能越好。綜上所述,級聯(lián)時間交織方案為DVB-NGH系統(tǒng)在DVB-T2系統(tǒng)中以時分復(fù)用方式共存提供方便的同時,具有存儲量少、端到端時延小、換臺時間短的優(yōu)點,故其可以作為廣播系統(tǒng)移動場景下的時間交織方案,對其進行性能評估,可以為我國下一代廣播電視無線系統(tǒng)實現(xiàn)幀間卷積交織和幀內(nèi)塊交織級聯(lián)的時間交織方案提供有效的參考,具有非常實際的指導(dǎo)意義。

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      (編輯:魏琴芳)

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