基于地面广播的层分复用系统研究

王广敏，何大治，张　良，李　伟，管云峰，赵　淼，史毅俊，郭序峰

(1.上海交通大学，上海 200240；2.数字电视国家工程研究中心，上海 200125；3.加拿大通信研究中心，渥太华 K2H8S2)



基于地面广播的层分复用系统研究

王广敏1，何大治1，张良2，李伟2，管云峰1，赵淼1，史毅俊3，郭序峰3

(1.上海交通大学，上海 200240；2.数字电视国家工程研究中心，上海 200125；3.加拿大通信研究中心，渥太华 K2H8S2)

摘要：介绍了基于地面广播的层分复用(Layered Division Multiplexing，LDM)技术的研究与进展。采用层分复用技术可以在不同的接收环境下根据应用需求来选择不同的功率和不同的编码调制方式，能极大地提高频谱的利用率和使用灵活性，且可应用于多个不同的系统中。正是由于该技术的以上特点，层分复用技术被ATSC 3.0的专家组选为下一代ATSC 3.0标准物理层的核心技术之一，同时被2015年美国广播电视协会展选为最佳技术。首先介绍层分复用技术的初始思想——“云传输”的基本概念，进一步从层分复用系统框架方面，着重介绍层分复用技术在噪声与层间干扰处理、帧结构设计、发射识别和信号消除等方面的设计方法，最后对层分复用技术为地面广播系统带来的性能提升进行了总结。

关键词：云传输；LDM；噪声与层间干扰处理；帧结构设计；发射识别；信号消除

1LDM系统背景与发展

1.1LDM的提出

近年来，作为大众传媒的地面广播，在人们的日常生活中起着越来越重要的角色，特别是在面对自然灾害的情况下，能够及时地向大众群体播报灾情并提供帮助。随着地面广播业务的快速发展，广播频段的频谱逐渐成为一种稀缺资源。许多研究人员都在致力于寻找一种新的频谱利用技术以满足日益增长的频谱需求，因而能够高效利用频谱资源的层分复用技术具有广泛的研究前景和重要的研究价值。

过去的二十几年里，提高频谱的利用率和灵活性是地面广播研究领域的一个重要方向。20世纪90年代，随着模拟到数字的转变和相关标准的制定，以及从21世纪初开始，日益增加的广播业务所导致的频谱资源紧缺，使得频谱利用率的研究逐渐成为地面广播研究的一大热点[1-2]。

此外，全球广播技术的一致性发展也对频谱利用率提出了更高的要求，由欧洲、美洲和亚洲的主要广播电视研究机构组成的未来全球广播电视合作研究计划(FOBTV Initiative)就是典型代表[3]。该全球范围内的合作研究计划汇集了全球广播电视领域最前沿的科研机构，目标是通过跨区域的技术协同，共同推进未来数字电视系统技术的研发。同时根据2013年ATSC 3.0 的议案[4-5]可知，未来广播频段标准的制定都将以追求更高的频谱利用率和更大的兼容性为目标。

层分复用系统来源于吴亦彦博士(层分复用系统方案的提出者)在文献[6]中提到的云传输思想，该思想是希望通过多层信号的灵活叠加来满足第二代广播系统对频谱高效利用的需求。云传输相对于传统的数字电视技术，覆盖的区域看起来像云一样， 所以被称为云传输(如图1c所示)。传统的数字电视覆盖网(如图1a所示)，发射台的覆盖半径为100 km，而干扰半径为300 km，那么另外一个发射点的位置就需要在400 km以外。如果使用4个频点来覆盖这个区域(如图1b所示)，那么此时的频谱利用率仅为25%。云传输思想希望通过传输不同的业务来实现100%的信道利用率。云传输的一个重要特点就是接收机需要具有很高的同信道干扰消除能力，云传输的叠加信号中有些信号的信噪比可以为负值，具有较强的抗噪能力，能够承受比期望信号功率强的干扰信号，通过解调这些信号，并完整构建信号的波形，消除该层信号，从而进一步解调下一层信号。

云传输思想需要接收机处理大量的信号波形重构和迭代消除，对接收机的芯片处理能力提出了很高的要求，相信在不久的将来随着芯片工艺和能力的提升，会成为重点研究的方向之一。此外，在信噪比为负值的情况下，上层低阶调制系统信号的解调和波形重构会受到下层高阶调制信号的干扰，而由于信号重构引起的误差会影响下层高阶调制信号的解调，考虑到波形重构面临的多个技术上和实现上的问题，进一步考虑两层信号是符号上的叠加而不是波形上的叠加，这样仍然可以实现两层不同阶数信号的叠加，同时避免由于信号重构引起的误差。为了可以兼顾高阶调制数据率高与低阶调制鲁棒性好的优势，引入了层分复用技术。

1.2LDM简介

层分复用(Layered Division Multiplexing， LDM)技术的目标是兼顾高数据率和高鲁棒性两大特点，为下一代广播电视业务提供更高的传输效率和更好的灵活性。吴亦彦博士和加拿大通信研究中心的同事李伟博士和张良博士等在云传输的思想基础上，进一步研究并提出了层分复用技术。层分复用技术是在原有的数据层中加入第二层数据流，称之为B层信号(也叫下层信号，LL)，A层信号(也叫上层信号，UL)与B层信号共享同一带宽，但功率比B层信号功率高，其中A层相对于B层信号的功率差异通过功率比(Injection Level)来定义(如图2所示)。

系统中，数据的传输速率为

(1)

式中：γ为编码码率；M为调制阶数；Tofdm为单个OFDM符号周期；α为有效数据率。以DVB-T2中4K子载波个数为例，在实际系统中，考虑10 MHz的系统采样率，上层信号UL采用4QAM调制，编码码率为4/15，下层信号LL采用64QAM，编码码率为10/15，有效数据率α为100%。因此根据式(1)，上下层数据的传输速率为

(2)

(3)

由式(2)、式(3)可知，UL采用低阶调制方式，因此数据传输速率较低，但是由于鲁棒性高，因此可以应用于移动设备和标清业务。而LL采用高阶调制方式，数据传输速率较高，可以为UHDTV和HDTV提供高吞吐量的数据速率。同时，LDM也可以服务于另一种应用场景，即UL与LL共同提供超高清业务，而UL又可以单独传输视频的标清模式，因此两层信号既各自独立工作又相互协同。在图2中，B层信号后面还保留一个扩展层(FEL)信号， 主要是为将来提供更多业务。

1.3LDM应用

LDM发射机覆盖网有两种形式：一是集中式LDM，二是分布式LDM。其中集中式LDM结构如图3所示，图中蓝线为上层信号的覆盖范围，红线为下层信号的覆盖范围。由于上层信号的鲁棒性较高，所以覆盖范围大，下层信号的鲁棒性低覆盖范围小。基站同时发送上层与下层信号，当接收机处于C点时，由于不在覆盖范围内，所以无法接收任一信号。当接收机处于A点时，由于超出了下层信号的覆盖范围，所以只能接收到上层信号。只有当接收机处在B时，才能够接收到上下层的混合信号，因此可以获得上下两层信号。

而分布式LDM覆盖范围如图4所示，蓝线同样为上层信号的覆盖范围，红线为下层信号的覆盖范围。同集中式分布类似，当接收机处于D或F位置时，只能接收到上层信号或下层信号。而当接收机在E处时，可以接收到上下层的混合信号。因而可以看出，与传统的单频网(SFN)相比，LDM系统支持传输不同的业务类型。

由于LDM可以在不同的覆盖范围内提供不同质量的服务，因此可以显著提高系统的容量(如图5所示)。广播信道的容量满足图5a中的下降趋势，即接收信号的能量随着接收机与发射基站之间距离的增大而减弱。为了能够正确译出接收信号，接收到的信号能量不能低于图5a中的可解码能量。而LDM系统中，由于发射机传输两层信号，因此在接收到的A层信号满足传统广播的译码条件下，即接收到的A层信号的能量高于A层可解码能量，B层信号也有自己的可解码能量范围。因此，LDM技术通过将传统广播中浪费掉的信道容量加以利用，从而提高了信道容量。

2LDM系统框架

现有的广播电视下行系统如DVB-T2系统中均使用OFDM系统结构，这是由于OFDM系统结构具有灵活的调制编码方式，极佳的频谱利用率，更优的抗多径性能等优势。因而本文将在传统的OFDM结构基础上考虑LDM系统整体物理层架构以及相应的关键设计。

2.1发射机结构

图6为基于OFDM系统的LDM发射端原理框图。其中数据流A与数据流B分别表示上层与下层信号。 在发端，信号通过FEC编解码、比特交织、映射、混合、时间交织后，进行成帧设计，最后调制发送。其中在FEC编解码、比特交织、映射等结构上与传统的OFDM结构相同，而在时间交织与导频设计等方面存在较大的差异。

其中以时间交织为例，由于LDM系统支持不同功率、不同编码调制方式的两层UL和LL数据流的同时传输，因此针对两LDM结构有两种时间交织方式，即不同(方式1)或相同(方式2)的时间交织方式，结构如图7所示。不同的时间交织虽然可以提高不同层数据抵抗动态信道的能力，但是增加了硬件开销的复杂程度。相同的交织方式不仅可以简化系统而且便于硬件实现。因而在实现过程中，更多地采用相同的时间交织方式。

2.2接收端结构

图8为LDM接收端原理框图。在接收端，接收信号首先进行OFDM解调，然后进行信道估计、同步、均衡、解交织等处理。与传统的OFDM接收机结构相比，在OFDM解调、均衡和解交织等方面差异较小，但是由于LDM是双层信号传输，因而在设计接收机的同步、信道估计算法时，不仅需要考虑到层间干扰带来的影响，还需要通过算法的优化设计来提高双层信号的译码性能。

由于LDM系统的信道估计MSE将直接影响到上层信号的消除误差，进而影响下层信号的解调与译码，因而LDM系统对于信道估计有着更高的要求。对于上层信道的估计算法可以沿用传统的LS与MMSE估计算法，在信道估计与上层信号的正确解调译码后，将译码后的上层信号按照发端的方式进行重构，然后从接收信号中消除，如果消除性能较好，则可以实现下层信号正确的解调译码。

2.3相比于TDM/FDM的优势

从上文的介绍中可以看出LDM技术不仅可以提供高鲁棒性和高数据率，还可以提供不同的业务。同时，与传统的复用技术如TDM、FDM技术相比，LDM还可以实现传输频谱和时间的100%利用。

图9为传统的TDM、FDM复用结构。在TDM中时间被划分为不同的时隙，每个服务占用不同的时隙，因此对单一服务来说，时间利用率达不到100%。同样在FDM中，由于将频率分割成段，每个服务占用不同的频率段，因此达不到频率利用的100%。然而，LDM技术因为是信号符号上的叠加，结构如图10所示，因此可以实现频率和时间上的100%利用。

3LDM系统关键技术

在LDM系统中，由于其多层信号同时传输特性，因此在系统中会有一些新的可行的设计和技术。以下将分别介绍LDM系统中噪声与层间干扰处理、帧结构设计、发射机识别、信号消除等方面的技术。

3.1噪声与层间干扰处理

由LDM的混合叠加结构可知，在接收端对信号的解调过程中，首先需要对上层信号进行解调。并且在解调过程中，由于下层信号的统计独立与随机特性，可以将下层信号当成高斯白噪声进行处理，以实现上层信号的解调解码。所以系统设置的SNR不能真实反映上层信号与噪声之间的关系，需要根据功率比来重新计算上层信号与噪声之间的SNR，此时的噪声包含信道引入的高斯白噪声还有下层信号，如式(4)与式(5)所示

(4)

(5)

式中：snr0为发射信号的总功率与信道产生的噪声之间的比值；injection_level为注入功率比。因为发射端信号能量归一化，所以有

SNR_UL=snr0+injection_level-10log(1+

(6)

(7)

式中：SNR_UL为解调上层信号时所需的信噪比；SNR_LL为解调下层信号的信噪比。因此，在LDM解调中，需要根据实际的情况来重新计算上下层信号所需的信噪比。

3.2帧结构设计

图11所示为LDM系统的典型帧结构，上下层信号共用同一导频。在信号解调过程中，先根据导频估计出信道响应，然后去除导频，此时余下的信号就是上下层有效信号的混叠。根据上文提到的上层信号信噪比SNR_UL的值直接对余下信号进行解调和解码，接着根据估计出的信道响应和解码后的上层信号，对上层信号重新编码调制，接着从接收信号中消除，然后再根据计算出的下层信号的信噪比SNR_LL来解调解码下层信号。

然而，针对LDM双层传输的特性，可以对图11的典型结构提出一些新的设计。在图12中，将下层信号中信息量大的数据放在下层有效信号1的位置上，将信息量小的数据放置在下层有效信号2的位置。导频去除后，由于下层有效信号1处的能量较高，从而其SNR相对于有效信号2而言更高，更易于译码。同时，由于下层有效信号1不存在消除误差的影响，所以下层信号的数据可以实现较好的恢复。余下的信号按照图11中的处理方式进行信号恢复和重构。因此相比于第一个结构，图12结构是以损失上层信号的数据率来提高下层信号的译码性能，而对于适当的选取下层信号1的子载波分配数目，可以在译码性能与数据率之间进行折中。

3.3发射识别技术

考虑到分布式LDM，即两台发射机Tx1与Tx2分别发射数据流UL与数据流LL，在接收机中同时收到数据流UL与数据流LL的混叠信号，需要进行发射机Tx1与Tx2的识别。ATSC A/110 标准通过使用射频水印(RF Watermark)来实现发射机识别技术(Transmitter Identification，TxID)。然而由于ATSC A/110中TxID系统最初是为固定的数字电视信号接收机设计的，是通过直接相关的方式进行射频水印检测。所以，随着ATSC移动数字电视的到来，传统的射频水印检测技术必须进行改善以满足移动接收的需求。

在LDM系统中可以借鉴ATSC DTV系统的发射识别序列，即采用伪随机序列作为识别信号。当前的TxID实现方式是按照图13的方式注入在ATSC DTV信号内[7]。

第i个发射机的注入过程如下[8]

(8)

(9)

式中：wi(n)是第i个发射机信号在传输过程中的噪声。那么接受信号为

(10)

式中：T为总的发射机的个数。

根据第j个发射机的信道响应hj为接受信号r(n)和本地伪随机序列xj(n)的互相关[9-10]，有

(11)

式中：N是嵌入序列的长度。同时，由随机序列的正交性可知，Rxjxj可以近似看做是δ函数，因此第一项近似为ρhi。式(11)中最后一行的第二项和第三项是由发射机产生的统计独立的随机序列的互相关。因此，来自第j个发射机的信道响应hj近似等于Rrxj。从上述中可以看出，通过在不同发射信号中注入伪随机序列，进而通过与本地接收机进行相关的方式可以实现对不同发射机的正确识别，从而可以应用于分布式的LDM系统中。

3.4信号消除技术

上述可知，在LDM系统中，对上层信号消除会带来消除误差，并且这些误差会进一步影响到对下层信号的解调。因此信号消除误差是系统性能的一个重要指标。如何衡量消除误差就是信号消除技术的关键。以下将介绍在LDM系统中可以通过信道估计误差来表示信号消除误差。

令接收信号为

Y(k)=[XLL(k)+XUL(k)]H(k)+n(k)

(12)

式中：XUL(k)、XLL(k)为发送的上、下层信号；H(k)是信道响应；n(k)是噪声。

在上层信号消除后，下层需要解码的信号为

YLL(k)=Y(k)-X%UL(k)H%(k)=XLL(k)H(k)+

I(k)+n(k)

(13)

消除误差为

I(k)=XUL(k)H(k)-X%UL(k)H%(k)

(14)

假设上层信号解码无误差，那么可以知道

I(k)=XUL(k)[H(k)-H%(k)]=

XUL(k)[ChannelEstimationError]

(15)

消除误差功率为

Var[I(k)]=Var{XUL(k)[H(k)-H%(k)]}=

Var[XUL(k)]Var[H(k)-H%(k)]=

(ULsignalpower)

(ChannelEstimationError)

(16)

从上文对于信道消除影响的分析可知，信道消除的性能取决于信道估计的准确程度，因而在信道估计性能达到要求的情况下，并不需要额外的消除技术，而在信道估计性能无法达到要求时，需要考虑消除技术算法，如通过决策反馈卷积(DecisionFeedbackConvolution)或者决策反馈判决误差(DecisionFeedbackError)的算法进行信号的精细消除[10]。

4小结

本文主要介绍了一种能够有效提高频谱利用率和灵活性的层分复用技术——LDM技术。该技术能够兼顾上层信号的低阶调制和下层信号的高阶调制，从而使系统具有良好的鲁棒性和较高的数据率。在数字地面广播系统中，层分复用技术可以得到广泛的应用，因为它不仅能抵抗同信道干扰，而且对多径引起的失真也具有一定的抵抗能力，并且极大地提高频谱的利用率。同时，LDM系统还具有较好的兼容性和普适性，不仅对未来的发展层具有兼容性，并且可以适用于未来的新技术中，如未来的5G系统等。

参考文献：

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责任编辑：时雯

Layered division multiplexing technology in broadcast television system

WANG Guangmin1，HE Dazhi1，ZHANG Liang2，LI Wei2，GUAN Yunfeng1，ZHAO Miao1，SHI Yijun3，GUO Xufeng3

(1.ShanghaiJiaoTongUniversity，Shanghai200240，China；2.NationalEngineeringResearchCenterofDigitalTelevision，Shanghai200240，China；3.CommunicationsResearchCenterCanada，OttawaK2H8S2，Canada)Abstract： The research and development of Layered Division Multiplexing (LDM) technology based broadcast television system is proposed. Thanks to supporting physical layer data streams with different power levels， channel coding and modulation schemes for different services and reception environments. Layered Division Multiplexing technology can greatly improve the spectrum utilization and flexibility. Recently， Layered Division Multiplexing has been adopted as the key technology for the next generation of ATSC PHY 3.0 standard and the best technology of the American Broadcast Television Association. In this paper， the concept of “cloud transmission” is first introduced. Then， starting from basic physical structure of LDM， the key designs of LDM system in noise and interlayer interference processing， frame designing， transmitter identification and signal canceling process is comprehensively introduced in this paper. Lastly， the performance improvement of terrestrial broadcast system brought by LDM technology is summarized.

Key words：cloud transmission； LDM； noise and interlayer interference processing； frame design； transmitter identification； signal canceling

中图分类号：TN929.5

文献标志码：A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.01.010

基金项目：国家自然科学基金项目(61420106008)；111引智计划(B07022)；国家高技术研究发展计划项目(2013AA013503)；上海市数字媒体处理与传输重点实验室，上海交通大学科技创新基金项目(Grant No. AF0300021)；上海市科技创新行动计划项目(15DZ1100100)；国家发改委创新能力建设项目(发改办高技[2011]2512号)

收稿日期：2015-07-17

文献引用格式：王广敏，何大治，张良，等. 基于地面广播的层分复用系统研究[J].电视技术，2016，40(1)：51-57.

WANG G M，HE D Z，ZHANG L，et al. Layered division multiplexing technology in broadcast television system [J].Video engineering，2016，40(1)：51-57.