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DVB-H关键新技术
2007/2/1 11:52:55    产通学院,365PR NET

DVB-H标准的全称为Digital Video Broadcasting Handheld,是DVB组织为通过地面数字广播网络向便携/手持终端提供多媒体业务所制定的传输标准。该标准被公认为是DVB-T标准的扩展应用,但是和DVB-T相比,DVB-H终端具有更低的功耗,移动接收和抗干扰性能更为优越。因此,该标准适用于移动电话、手持计算机等小型便携设备,支持厂家包括Crown Castle Mobile Media、DiBcom、Freescale、Intel、Microtune、三星、Nokia、西门子、O2、S-Communications、Silicon & Software Systems、TI、TTPCom和UDcast等公司。

DVB-H虽然是DVB数据广播和DVB-T两种技术的融合,但是如果仅仅依靠上述两种技术是不能完全解决DVB-H所面临的问题。例如,虽然DVB-T已经被证明在固定、移动、便携接收等方面具有非常出众的性能,但是对于手持设备而言还需要进行进一步的改进,这是因为:
(1)DVB-H终端采用电池进行供电,因此要求射频接收和信道解调、解码部分的功耗小于100mW,而DVB-T计划2007年才能将该指标降到600mW,显然二者要求相距甚远。
(2)由于蜂窝环境下的信道状况多变,因此DVB-T要在以下3个方面进行改进:移动信道的C/N、移动信道的多普勒效应和抗脉冲干扰能力。
(3)由于DVB-H终端在网络内移动时接收天线小巧且单一,因此对于大、中型单频网要有优化设计考虑。

为了解决上述问题此,DVB-H增加了一些新的技术模块,它们主要包括:时间分片——基于时分复用技术,用于节省接收终端功耗和便于网络交换;MPE-FEC——基于RS纠错编码技术,为MPE增加额外的前向纠错编码,用于提高系统的移动和抗脉冲干扰能力;4K模式——在DVB-T的2K、8K传输模式基础上增加4K模式,用于提高网络设计的灵活性;DVB-H TPS(传输参数信令)——为DVB-H设计专用的传输参数信令,用于提高系统同步和业务访问速度。


1、时间分片

时间分片技术是DVB-H中最为重要的新技术模块,它不但能够有效降低手持终端的平均功耗,并且还是不同网络间实现平稳、无缝业务交换的基础。

时间分片技术采用突发方式传送数据,每个突发时间片传送一个业务,在业务传送时间片内该业务将单独占有全部数据带宽,并指出下一个相同业务时间片产生的时刻,这样手持终端能够在指定的时刻接收选定的业务,在业务空闲时间做节能处理,从而降低总的平均功耗。当然,这期间前端放射机是一直工作的,在相同业务的两个时间片之间将会传送其他业务数据,DVB-H信号就是由这样许多的时间片组成的。从接收机的角度而言,接收到的业务数据并非是如传统恒定速率的连续输入方式,数据以离散的方式间隔到达,因此称之为突发传送,如果解码终端要求数据速率较低但必须是恒定码率,接收机可以对接收到的突发数据首先进行缓冲,然后生成速率不变的数据流。

(1)时间分片与功耗

时间分片技术采用突发方式传送数据,与传统数据流业务相比具有更高的瞬时速率。为了达到节省功耗的要求,突发带宽一般为固定带宽的10倍左右。例如一个恒定速率为350kbit/s的业务流,它意味着要求一个4Mbit/s左右的突发带宽。注意,突发带宽在固定带宽两倍的情况下功耗就可以节省50%,因此如果带宽为10倍,可以节省90%。

(2)时间分片与PSI/SI

DVB-H标准规定PSI/SI信息不进行时间分片处理,它们将被分配一个固定带宽进行传送,这主要是因为目前使用的PSI/SI信息并不支持时间分片传送,如果进行改动将难以和目前数据表兼容,此外移动手持终端不也要求PSI/SI被时间分片。

手持终端在DVB-H系统中需访问SI中的NIT和INT表。NIT表的内容是固定的,当手持终端加入到一个新网络中时首先要接收该表,确定网络参数。当在不同的传输流之间切换时,手持终端需读取INT表,除非以后INT表发生了变更,否则终端将不再接收INT表,INT表变更信息在PSI的PMT表中进行标识。

由于DVB标准规定PSI信息必须每隔100ms重传一次,如果突发脉冲的业务传送时间比100ms时间长,则手持终端能够在接收业务的同时访问所有PSI信息;如果业务传送时间小于100ms,手持终端需在业务接收完毕后继续保持一段工作时间,以确保完成所请求PSI表的接收。

(3)时间分片与业务交换

采用时间分片技术使手持终端能够在业务传送空闲周期对相邻蜂窝进行监视,扫描其他频率信号、测试信号强度,但并不中断本业务的接收。那幺当用户进入新的网络时,手持终端根据监视结果在空闲周期切换到具有相同业务的不同传输流上,从而实现准最优、无缝业务交换。如果我们在前端对业务同步精确编排,完全能够使相同业务及时出现在相邻峰窝的不同时隙上,而用户不会察觉这种变化。注意在单频网情况下,只有终端处于不同网络时才进行业务交换,对于单频网内所有发射机而言被认为是同一峰窝。

此时,需要考虑的问题是这种监视工作必定会影响降低功耗要求,实际上如果将这种影响限制在一个可接受的量级,例如监测某个单一频率信号强度的时间不超过20ms,并且用智能预测等方式降低需监测信号的数量,就可以满足DVB-H系统的要求。

(4)时间片和条件接收

DVB-H可采用两种方式实现条件接收,一种是基于IP的条件接收系统(IP-CAS)。所有的CAS相关信息都在IP数据中,并可以支持时间分片技术,确保节省功耗。注意,DVB-H标准不须支持CAS和接收机间的双向传送,IP-CAS的只须支持广播环境即可。

另一种方式是采用DVB通用加扰算法的条件接受系统(DVB-CAS),此时在DVB-H系统通中传送CAS信息将面临一些问题。由于DVB-CAS使用ECM传送解扰密钥,因此ECM不能进行时间分片,另外DVB-CAS还使用EMM,用于传送授权管理信息,由于EMM的时间间隔是随机的,终端必须一直工作以确保不会丢失EMM,并且直接使用DVB-CAS将影响网络漫游业务。

为确保解扰工作的进行,接收机必须完成ECM接收,系统通过ECM重复率描述符(ECM repetition rate descriptor)标识ECM最小重复周期。如果手持终端在开始接收业务数据前至少完成了一个ECM最小周期接收,则至少能收到一个ECM,从而获取解扰密钥。通常解扰密钥的有效时间为10s,为此接收机必须确保在业务数据到达前10s完成解扰密钥接收。

EMM将采用时间片方式传送。首先将EMM封装为IP数据报形式,封装后EMM-IP 数据的时间分片方式与其他的IP数据相同,并采用MPE-FEC以减少数据丢失。从接收终端的角度来看,载有EMM的IP数据是一个附加业务,它是必须被接收的,恢复出的EMM-IP数据将被传送到DVB-CAS特定的模块对EMM信息处理。

通过上述方式处理后,DVB-CAS不会对用户漫游造成任何影响。


2、MPE-FEC

DVB-H标准在数据链路层为IP数据报增加了RS(Reed-Solomon)纠错编码,作为MPE的前向纠错编码,校验信息将在指定的FEC段中传送,我们称之为MPE-FEC。MPE-FEC的目标是提高移动信道中的C/N、多普勒性能以及抗脉冲干扰能力。注意,该部分内容在标准中不是强制的,因此没有MPE-FEC功能的接收终端可以简单地略过FEC段完成业务接收。
实验证明即使在非常糟糕的接收环境中,适当的使用MPE-FEC仍可以准确无误恢复出IP数据。MPE-FEC的数据开销分配非常灵活,在其它传输参数不变的情况下,如果校验开销提高到25%,则MPE-FEC能够使手持终端达到和使用天线分集接收时相同的C/N。实际上,我们可以通过选定一个高配置的传输参数提高传输码率来补偿MPE-FEC的开销,而它将提供比DVB-T(没有MPE-FEC)好得多的性能,例如在高速、单一天线的情况下,采用MPE-FEC的手持终端能够在DVB-T环境下接收8K/16-QAM甚至是8K/64-QAM信号,此外MPE-FEC提供非常好的抗脉冲干扰能力。

MPE-FEC帧被安排在一个255列的矩阵中,行的数量是可变化的,行数可以从1变化到一个定值,该值在time slice fec identifier descriptor描述符中标识,最大为1024,因此最大的MPE-FEC帧占用2M比特。

矩阵中的每个位置控制一个信息字节,MPEF-FEC靠左边的191个列用于IP数据报和内容填充,称为应用数据表;靠右边的64个列用于描述FEC码的校验信息,称为RS数据表;我们将这种RS编码称为RS(255,191)。

功耗也是我们需要考查的目标,MPE-FEC在0.13µm工艺下消耗2mW功率,在0.18µm工艺下消耗1mW,事实上由于该模块工作的时间很短,其平均功耗甚至可以忽略不计。


3、4K模式和深度符号交织

DVB-H标准在DVB-T原有的2K(2048)和8K(8192)模式下增加了4K(4096)模式,通过协调移动接收性能和单频网规模进一步提高网络设计的灵活性。同时,为进一步提高移动时2K和4K模式的抗脉冲干性能,DVB-H标准特为二者引入了深度符号交织(in-depth interleaving)技术。

在DVB-T系统中,2K模式比8K模式提供更好的移动接收性能,但是2K模式的符号周期和保护间隔非常短,使得2K模式仅仅适用于小型单频网。新增加的4K模式符号具有较长的周期和保护间隔,能够建造中型单频网,网络设计者能够更好地进行网络优化,提高频谱效率,虽然这种优化不如8K模式的效率高,但是4K模式比8K模式的符号周期短,能够更频繁的进行信道估计,提供一个比8K更好的移动性能。总之,4K模式的性能介于2K和8K之间,为覆盖范围、频谱效率和移动接收性能的权衡提供了一个额外的选项。

DVB-H中3种模式关于单频网峰窝规模和移动接收性能的特点可总结如下:
(1)8K模式适用于单个发射机和大、中、小型单频网,它的多普勒性能允许进行高速的移动接收。
(2)4K模式适用于单个放射机和中、小型单频网,它的多普勒性能允许进行更高速的移动接收。
(3)2K模式适用于单个放射机和小型单频网,它的多普勒性能允许进行超高速的移动接收。
在脉冲噪声干扰条件下,由于8K模式的符号周期较长,噪声功率被平均分配到8192个子载波上,因此比2K和4K具有更好的抗干扰性能。DVB-H标准为克服这一缺点,利用8K符号的交织器对2K和4K进行深度符号交织,使二者能够具有接近8K模式的抗脉冲干扰性能。

虽然4K模式和深度符号交织器处在物理层,但这并不意味着要对DVB-T设备过多改造,事实上一个典型的DVB-T移动解调器(8K)已经具有足够的RAM和逻辑控制单元。此外,4K模式的发射频谱与2K和8K模式非常相似,预计不需要对发射机的滤波器进行改造。


4、DVB-H TPS

DVB-H TPS(传输参数信令)能够为系统供一个鲁棒、易访问的信令机制,能使接收机更快地发现DVB-H业务。TPS是一个具有良好鲁棒性的信号,即使在低C/N地条件下,解调器仍能快速将其锁定。DVB-H系统使用两个新TPS比特标识时间片和可选的MPE-FEC是否存在,另外用DVB-T中已存在的一些共享比特表示4K模式、符号交织深度和蜂窝标识。


进一步信息,请访问http://www.dvb.org,或EBU技术报道http://www.ebu.ch/trev_home.html

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