基于物理层子信道的单频网组网优化方法

段海宁，张 彧，潘长勇，宋 健

（清华大学 电子工程系，北京 100084）

基于物理层子信道的单频网组网优化方法

段海宁，张 彧，潘长勇，宋 健

（清华大学 电子工程系，北京 100084）

针对利用物理层子信道传输多种业务的地面数字电视单频网，提出了一种基于叠加编码调制的单频网优化方法。该方法对子信道的资源分配方式寻优，并通过启发式算法联合优化基站参数，综合考虑多种业务需求，在保证公共业务覆盖要求的同时提升本地业务的接收效果，对充分利用信道资源、减少单频网分析设计周期具有重要意义。

单频网；子信道；叠加编码；遗传算法

随着信息技术的飞速发展和不断渗透，用户对广播业务的需求呈现出越来越多样化、个性化的多业务特征，充分利用有限的频谱资源最大限度地支持不同环境下的多业务传输成为无线通信和广播领域的关键问题。现有的多业务传输方法基于叠加编码原理将物理层信道分割为公共信道和本地信道，用以传输公共业务和本地业务，灵活分配信道时频空域资源。然而，由于单频网内存在强烈的多径效应，如何选取叠加编码时物理层信道资源分配方式、高效地分析优化单频网的传输参数意义重大。单频网的可调节参数主要包括子信道的传输参数以及发射基站的发射参数，本文综合考虑多业务的传输速率、覆盖率等要求，基于合理的单频网性能评价模型，提出一种基于物理层子信道的单频网组网优化方法，以期实现最佳多业务覆盖效果。

1 子信道划分与叠加编码

传统的单频网中，各个基站提供给用户的广播信息完全相同。但由于地域文化的差异，实际生活中，每个基站周边的用户需要接收不同的本地信息，这要求发射基站能够同时传输相同的公共业务和不同的本地业务。基于叠加编码的物理层子信道分割是一种实现方式，其中分割后的公共信道和本地信道可进一步分割为多个子信道以传输多种业务。叠加编码主要包括直接线性叠加编码和比特分割复用方式。

1.1 直接线性叠加编码

直接线性叠加编码，即在单符号上按照给定的子信道资源分配比例进行线性叠加。具体分割方法为：在物理层信道中，比例为α1的功率资源分配给公共信道，比例为α2的功率归属为本地信道，其中α1+α2=1。由两信号的目标传输速率分别对其进行独立编码，并映射到与之相对应的星座图上，然后根据功率约束对二者进行矢量叠加，如图1所示。

1.2 比特分割复用

比特分割复用叠加编码在比特层次上分割物理层信道，得到公共信道和本地信道，组成各个信道的基本单位为比特。具体分割方法是将物理层信道中传输的符号资源看成一个维度，在此称为符号维度，把每个符号内的多个比特看成另一个维度，在此称为比特维度。将物理层信道中的P个符号看作一个整体，联合符号维度和比特维度，将物理层信道进行比特层次的分割，一部分比特归属为公共信道，其余比特归属为本地信道。其中，公共信道或本地信道包括符号维度和比特维度中的一组比特，其输入输出均为比特。

图1 直接线性叠加编码示意图（α1=α2=1/2）

图2是单频网比特分割复用叠加编码示意图，假设每一个基站的物理层信道符号采用256阶Gray-APSK调制方式，将每8个连续符号中优先级最高的24个比特分配给公共信道，如图中无阴影部分，其他比特分配给本地信道，如图中有阴影部分，这里P=8。

图2 比特分割复用叠加编码示意图

相比直接叠加编码，比特分割复用利用高阶星座映射同一星座符号内携带的比特具有不均等差错保护程度的特性，以比特为单位划分子信道，在多业务具有不同信噪比阈值时能获得更加逼近高斯极限的信道容量，同时在接收端可以采用单级解码（single-stage decoding）方式，各子信道独立解码，避免了串行干扰消除（Successive Interference Cancellation，SIC）引起的解调延时和误码扩散，且复杂度与用户数量无关。

2 单频网优化方法

2.1 优化流程

基于物理层子信道的单频网组网优化方法包括以下步骤：

1）将物理层信道分割为公共子信道和本地子信道，分别传输公共业务和本地业务，并根据业务特征对各业务赋予不同的权重。

2）根据组网信息和业务需求设定发射基站参数和子信道传输参数的初始值，并选取部分参数作为待优化参数，包括子信道的可调节传输参数——信道资源的分配方式，如功率资源分配比例和比特资源分配图案，以及发射基站的可调节参数，如基站的天线方向图、天线高度、发射功率、发射时延、信号相位等。

3）根据所述单频网的接收性能判定准则计算目标区域的总体接收性能对应的目标函数值，对子信道的可调节传输参数进行寻优，最大化目标函数值。

4）通过启发式算法对所述发射基站的可调节参数进行优化迭代，并逐代更新所述目标函数值，得到满足目标函数的最优可调节参数。

5）重复执行步骤2）至步骤4），选择不同的初始值，得到一组优化结果。

2.2 覆盖判定准则

单频网优化的目标是预设目标速率下的业务覆盖率，这里需要先给出覆盖判定的准则。在加性高斯白噪声信道下，根据香农理论，一个通信系统发射信号X与接收信号Y间的平均互信息I(X；Y)为信道容量，即该系统能承载的最大传输速率。若同时存在两种业务，分别占用不同的信道资源，在已知资源分配情况以及业务目标速率的条件下可以得到相应业务待传输信号的接收信噪比门限SNRGauss1，SNRGauss2。

然而，实际的解码门限受诸多因素的影响，比理论门限低3～5 dB，影响因素包括由保护子载波、保护间隔、帧头、导频等辅助位信息带来的时频域的带宽损失，成形、独立解映射和编码调制过程的非理想带来的损失，信道误差、定时误差等带来的损失。由于单频网内的强多径环境，将公共业务的传输信道近似为瑞利信道，本地业务的信道近似为加性高斯白噪声信道。进而在上述SNRGauss1，SNRGauss2的基础上得到实际信道下的解码门限SNRth1，SNRth2。

单频网接收点众多，为方便统计，以一定步长将其划分为若干正方形网格，以每个网格中心点的接收效果表示整个网格的接收效果。若该点的信噪比高于SNRth，则视为可接收点，反之为不可接收点。统计每种业务的可接收点和不可接收点的个数，得到对应业务的覆盖率。

设B为发射基站集合，ωi，vi，αi分别表示发射基站i对应的本地业务的权重、目标传输速率和覆盖率，优化目标函数可记为

2.3 子信道参数优化

给定公共业务和本地业务的传输速率，通过I(X；Y)=f(SNR)的关系可以得到一条理论SNR1—SNR2曲线，曲线上的每个点对应一组SNR1，SNR2的值，从而对应一组覆盖率。在比特分割复用中，由于高阶星座映射同一星座符号内携带的比特具有不均等差错保护程度，每比特互信息随信噪比变化的函数不同，不同的比特选取策略对应不同的曲线。将容量较大的比特优先分配给目标速率大的业务，可以得到最低解码门限，反之得到最高解码门限。为提高覆盖率，根据最优选取策略对应的SNR曲线，对该曲线进行逐点计算，得到每个点对应的目标函数值，取其中最优覆盖效果对应的SNR解码门限组合，得到分配给两种业务的比特数目。

2.4 发射基站参数优化

联合优化各个基站的发射时延、发射功率、天线方向图的计算量大、自由度多，传统的穷举法要耗费大量人力物力，且工作量随网络规模的扩大呈指数增长。启发式算法，以遗传算法、模拟退火算法、粒子群算法为代表，基于直观经验构造，在可接受的花费下给出待解决组合优化问题每一个实例的一个可行解。本文以模拟退火算法为主要研究对象进行说明。

模拟退火算法来源于冶金学的特有名词——退火，是一种通用的概率算法，用来在大的搜寻空间内寻找最优解，同时在固定的时间内完成。固体材料原子常温下在相对固定的位置附近振动，经过加热，其内能变大，材料中的原子随机在其他位置中来回移动，由有序变为无序。加热停止后，材料会以特定的速度冷却，且冷却速度较慢，使得原子有充分的时间寻找比原位置内能更低、更稳定的位置，最后在常温时达到平衡态，内能降至最低。

模拟退火算法的基本步骤包括：

1）初始化。设定初始退火温度T0和终止温度Tf，在全解空间中任选初始解，以优化发射台站时延为例，则是随机生成一个发射时延矩阵。令迭代参数k=0，Tk=T0。在选择初始温度时，要满足内能与温度之比趋于0，以使得退火过程足够慢。

2）依照某种规则，从当前解附近产生一个随机的新解。为减少算法耗时，产生新解的方法通常是由当前解经过简单变换，如对某几个发射台站的延时进行互换和置换，或在其较小的邻域内增减等。这种变换方式对冷却进度表的参数设置有很大影响，因为一旦变换方式给定，新解的邻域也随之确定。

3）计算新解对应的单频网覆盖情况，进一步得到新解与当前解的目标函数之差。由于这个差值由生成新解的变换产生，因此在计算时可考虑结合变换计算的增量。对多数应用而言，这是最简便的计算目标函数差的办法。

4）判定是否接受新解为当前解。判断依据是Metropolis准则：如果Δf＜0，则无条件接受新解为当前解，否则以P=exp( )

-Δf/Tk的概率接受新解。可见，Tk越高，P越大，广域搜索能力越强；反之，局域搜索能力越强。

5）若达到热平衡或者该温度下的内循环次数达到给定上限，转到第6步，否则转到第2步。

6）降低Tk，k=k+1，如果Tk＜Tf，则循环结束，以当前解输出，否则转到第2步。

3 仿真结果

仿真待优化单频网包括3个发射基站，其布局和各业务的目标区域如图3所示。其中，外围最大的椭圆表示公共业务的目标区域，内部3个较小的椭圆为本地业务的目标区域，各基站的位置、高度、天线增益、天线高度、极化方式如表1所示。

图3 待优化单频网示意图

表1 单频网发射基站参数

系统所需的多业务服务质量要求为：1）传输速率：公共业务 Rglobal=10Mbit/s，本地业务 Rlocal1=Rlocal2=Rlocal3= 15Mbit/s；2）各个本地业务的优先级权重相同，均为1。采用256QAM、2/3码率传输，仅优化发射时延。

优化结果为：

1）公共业务与本地业务的比特分割图案如图4所示。

2）3个发射台站的发射时延分别为4.13 μs，9.52 μs，25.4 μs。

3）目标函数Q=25.4，比优化前提升了256%。

4 总结

本文提出了一种基于物理层子信道的单频网组网优化方法，对用于传输多业务的数字电视单频网广播的物理层子信道分割方式统一寻优，利用遗传算法、模拟退火算法等启发式算法联合优化各发射基站的发射时延、天线方向图、发射功率等参数。综合考虑多种业务需求，如覆盖面积、传输速率，实现了信道资源的高效利用，并根据不同业务的优先级差别对整体覆盖效果进行折中，解决了现有算法仅针对单一业务优化且算法复杂度高的问题。经仿真验证，该方法的优化结果在保证公共业务基本覆盖要求的同时，明显提升了本地业务的覆盖效果。

图4 公共业务与本地业务的比特分割图案

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责任编辑：薛 京

Optimization Method of Single Frequency Network Based on Subchannels of Physical Layer

DUAN Haining,ZHANG Yu,PAN Changyong,SONG Jian
（Electronic Engineering Department,Tsinghua University,Beijing 100084,China）

In this paper,an optimization method for the single frequency network in digital terrestrial television broadcasting system using subchannels ofphysicallayer is proposed to provide severalservices based on superposition coding.The proposed method optimizes the allocation scheme of subchannels as well as parameters of the transmittersthrough heuristic algorithm.The simulation resultindicatesthatthismethod can improve the reception of local services while still ensuring the requirements of global service,being of great importance in the full use of channel resource and reducing the computation complexity.

single frequency network(SFN);subchannel;superposition coding;genetic algorithm

TN949.6

A

10.16280/j.videoe.2015.04.001

2014-12-04

【本文献信息】段海宁，张彧，潘长勇，等.基于物理层子信道的单频网组网优化方法[J].电视技术，2015，39（4）.

中国电子科技集团公司技术创新基金项目（20134113014）