MIMO技术在公交移动电视中的应用研究

王会芹，李鉴增

(中国传媒大学信息工程学院，北京 100024)

MIMO技术在公交移动电视中的应用研究

王会芹，李鉴增

(中国传媒大学信息工程学院，北京 100024)

随着数字移动电视技术的发展，公交电视几乎已经覆盖了整个北京的公交系统。但是在公交电视节目的传送过程中受到多径衰落、多普勒频移等的影响，经常会出现接收信号差或无信号的现象。为了解决衰落，改善数字电视广播移动接收的信号质量，这里引入了基于空时分组码的MIMO技术，来提高公交电视的接收效果。仿真结果说明了MIMO技术可以有效克服多径衰落，提高信号的误码率。

公交电视;DVB-T;MIMO;空时分组码

1 引言

公交电视是一种在公共交通-公共汽车上传播的，以电视节目形式播出的电视。它是一种新型的信息传播平台，通过自动下载功能实现公交车进站后节目更新。通过这种传播平台人们在乘坐公交车的同时，也可以欣赏多种多样的电视节目，给枯燥的乘车过程增加一些乐趣。

但是在公交电视节目的播放过程中，经常会出现接收信号差或无信号的现象，特别是远离发射中心的地方，接收信号很弱，电视质量较差。其主要原因是在整个接收范围内，发送的节目信号受到多径衰落、多普勒频移等小范围衰落的影响，直接导致电视画面变差或根本没有信号。为了解决衰落，改善数字电视广播移动接收的信号质量，在接收设备上使用了多种措施，如信道纠错技术、抗衰落接收技术等，有些城市已采用两根发射天线的分集技术，本文采用MIMO技术来提高公交电视的接收效果。

2 公交电视概述

北京公交电视采用DVB-T标准利用地面移动数字电视试验单频网(SFN网络)，来进行数字电视移动接收，实现在市区范围内公交车辆的移动接收覆盖。DVB-T提供2种子载波数量:2k模式的1705个载波和8k模式的6817个载波、3种调制方式(QPSK、16QAM、64QAM)、4 种保持间隔(1/4、1/8、1/16、1/32)，支持小范围和大范围的单频网运行，同样一路数字电视节目，可以通过多个发射机的同一频率同时接收，以提高接收效果。

与卫星传输信道和有线传输信道相比较，地面开路传输信道环境差，电磁波信号容易受到各种各样的外来杂散电磁波干扰。地面移动数字电视试验单频网中主要存在的问题如下［1］:

(1)建筑物的遮挡和覆盖范围问题:高楼、立交桥、隧道等遮挡的阴影区内，信号出现严重衰落，场强小于接收门限，从而出现接收信号中断。数字电视信号的接收很容易受高层建筑物的遮挡、吸收与反射影响，数字电视广播的图像和声音会随所接收信号的减弱出现有或无的尖锐突变，只要能收到，它的质量一般是优良的。

(2)多径接收问题:因地形地貌等反射，使到达接收的信号不止一个;在数字接收中，多径干扰达到一定程度就会造成频谱衰落，使接收失败;在较强多径干扰的情况下，即使信号场强足够高，也有可能接收不到信号。特别是北京公交电视采用单频网，利用一个主发射机，三个辅助发射机来同频，同时发送信号，必然会导致不同发射机到达移动接收机的时间不同，而产生多径接收问题。

(3)接收区域问题:由于接收地点离主发射台的距离变化和其他发射台发射信号间相对关系的变化而引起的接收条件的变化;数字电视信号质量在接收的效果良好和接收不好之间有突出变化，也称“悬崖”效应。

(4)频率规划问题:数字系统频率规划按99%时间概率和99%的地点概率来规划的。

为了解决上述问题一般采用SFN组网技术，用大中功率或小功率发射机组成SFN，并调整保持单频网时间同步和频率同步的设备单频网适配器(在数字码流中插入了一个MIP包，以传输同步信号)，延长单频网适配器为单频网提供的时间同步信号。同时RF发送系统采用OFDM的信道调制技术，同时伴随着强大的纠错码，达到较高的频谱利用效率。

虽然DVB-T采用的多载波OFDM技术能够有效地抵消多径效应，将频率选择性衰落转变成易补偿的信道传输系数。但载波频偏会使DVB-T性能严重恶化，这是因为频偏破坏了DVB-T中子载波之间的频率正交性，引起了不可逆转的载波间串扰(ICI)，非常类似于宽带单载波系统的码间［2］。虽然DVB-T内接收机的载波同步部分可以有效地捕获载波频率，并跟踪载频缓慢变化。但对于随着接收机运动速度和方向变化的多普勒频移，尤其是接近或超过子载波频率间隔的频移，接收机载波同步部分的性能大大恶化，此时即使是提高载噪比C/N，也无法明显改善移动接收机的性能。对于距离因素引起的“悬崖”效应上述方法没有明显的改善效果。

也有采用双天线分集技术分别用于发射系统［3］或接收系统来改进接收性能［2］，提高接收机正常工作所能承受的最大多普勒频移。例如英诺科技采用多天线分集技术应用于手持移动设备、车载、家用机顶盒、地铁、楼宇等场合。仅双天线分集接收，在8k、64QAM、2/3的调制模式下，信号灵敏度可以提高2～10dB，降低6dB的C/N门限值，在周边复杂环境的情况下，如闹市区，展览会等地区，可以提高多达3dB以上的多径路抗干扰性能。所以这里将MIMO技术用于公交电视的地面移动数字电视系统中。

3 基于MIMO技术移动数字电视系统

3.1 系统模型

MIMO通信系统是在发射端和接收端均有多个天线通道的通信系统，DVB-T系统采用多载波OFDM技术，其典型结构如图1所示［4］。该系统具有MT个发射天线和MR个接收天线。在发送端，数据经过OFDM调制器(OFDM)后，通过不同的发送天线发送。在接收端，发送的信号通过每一个接收天线接收，并且，依靠相应的OFDM解调器(OFDM-DEM)解调。每个OFDM具有N个(N=1705)子载波，可以产生长度为N的OFDM信号。L个可识别路径的离散时间MIMO衰落信道输入输出关系为

其中x(n)表示MT×1维发送信号矢量，y(n)表示MR×1维接收信号矢量，L表示多径信道可识路径数，由L=Bτ确定，B表示信号带宽，τ表示最大延时扩展，zn为加权高斯白噪声，H为信道矩阵，为复值随机矩阵，Hl表示第l径信道脉冲响应。可表示为

多径衰落和多普勒频移引起的衰落在小范围内都属于快衰落，理论和实测表明:快衰落的振幅服从瑞利分布，相位服从均匀分布。所以这里的信道模型选为瑞利信道。

图1MIMO系统结构图

3.2 空时编码及译码

空时编码技术是MIMO技术的核心技术，该编码在多要发射天线和各个时间周期的发射信号之间能够产生空域和时域的相关性，这种空时相关性可以使接收机克服MIMO信道衰落和减少发射误码，Alamouti提出了基于发射端为2根天线空时分组码(STBC)的结构，Tarokh按正交设计理论拓展了空时分组码理论，构造了发射天线大于2的正交空时块编码，空时分组码可一种能够提供满分集增益和具有非常低的编码和译码复杂度的多个发射天线系统的调制方案，这里通过以2根发射天线和2根接收天线为例进行空时编码和译码［5］。

首先将调制后的两个发送信号矢量(码元)为一组进行分组，并根据如下给出的编码矩阵将它们映射到发射天线［6］:

编码器的输出在两个连续发射周期里从两根发射天线发射出去。在第一个发射周期中，信号x(n)(x1和x2)同时从天线1和天线2分别发射。在第二个发射周期中，信号x(n+1)(-，)从天线1和2发射。

在接收端接收天线i，i=1，2在连接两个周期内接收信号为［7］

在接收端，天线的每个接收信号为2路发送信号与噪声的线性叠加，检测时，可采用解相关接收。通常情况下，由于空时分组码的正交性使得最大似然译码简化为一个线性处理，复杂度大大降低，因此，一般采用最大似然译码。

若接收端的信道矩阵H(n)已知，并假定调制星座图中的所有信号都是等概率的，最大似然译码器对所有可能的，值，从信号调制星座图中选择一对信号，)，最大似然译码可以表示为:

对于给定信道实现H1(n)和H2(n)而言，统计结果(i=1，2)仅仅是 xi(i=1，2)的函数。因此，可以将最大似然译码准则式(6)分为对于x1和x2的两个独立译码算法，即:

4 MIMO技术在公交电视的中应用仿真

由于实际中受到空间和成本的限制，不可能无限增加天线个数，所以这里通以两根发射天线两根接收天线为例进行仿真，仿真参数设置如下:采用2k模式，保护间隔为1/4(224μs)，调制方式为64QAM，使用标准中的瑞利衰减信道，假设多径接收问题是由不同发射机到达移动接收机的时间不同引起的，所以设多径数为3，最大多普勒频率为60Hz发射中心频率794MHz，频率范围790～798MHz。仿真结果如图2所示。

图2 不同数目收发天线下的误码率

从图2给出了单发单收，两发一收，两发两收系统不在同的信噪比下的误码率。从图中可以看出，随着发送天线和接收天线数量的增加，误码率大大降低，必然会使接收质量得到改善。这说明利用MIMO技术确实可以有效的改善公交电视的收视效果。

5 结论

本文以北京公交电视数字电视移动接收系统为平台，针对由于不同发射机到达移动接收机的时间不同而产生多径问题，引入了 MIMO技术，构造出多天线系统，来克服多径衰落现象，改善接收效果。最后的仿真结果证明了这种基于MIMO技术的多天线系统的有效性。

［1］程小平.DVB-T地面移动数字电视单频网［J］. 西部广播电视，2006(2):14-15.

［2］王剑，杨知行，潘长勇.DVB-T在移动接收中的问题与对策［J］.电视技术，2004(2):4-6.

［3］叶磊.发射分集技术在数字电视地面广播中的应用研究［J］.铁道通信信号，2008，44(9):43-45.

［4］李莉，王珂，韩力.多径衰落信道 MIMOOFDM系统容量分析与仿真［J］.计算机仿真，2008，25(2):141-144.

［5］宋士天，吴虹，戈立军.一种基于 MIMOOFDM技术四发射天线接收系统的设计［J］.南开大学学报，2010，43(1):60-61

［6］韦堂开，何海浪.MIMO系统中空时分组编码仿真实现［J］.通信技术，2010(7):141-144.

［7］张朝柱，李大鹏，赵春晖.多接收天线下空时分组码解码算法的研究［J］.系统工程与电子技术，2006，28(8):1141-1142.

Application of MIMO Technology in Transportation Mobile-TV System

WANG Hui-qin，LI Jian-zeng
(Information Engineering School，Conmunication University of China，Beijing 100024，China)

With the development of wireless digital television technology，television programs can be enjoyed on almost every bus in Beijing whenever and wherever.However，the receive signals often in poor quality due to the influences of doppler shifts and carrier frequency offsets.Multiple-transmit antenna and multiple-receive system based on the technology of MIMO is proposed here to improve the quality of TV programs.Besides，Space-time block code is also employed.Simulation results indicate that it has better error performance.

Bus TV;DVB-T;MIMO;STBC

TN949.197

A

1673-4793(2012)01-0027-04

2011-11-17

王会芹(1975-)，河北邢台人，中国传媒大学讲师.E-mail:hqwang@cuc.edu.cn.

(责任编辑

:宋金宝)