STiMi技术与其他移动多媒体广播标准之剖析

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  [摘要]详细介绍中国移动多媒体广播CMMB系统的传输技术STiMi,对STiMi系统采用的关键技术进行详细描述并与其他手机电视技术进行对比。
  [关键词]手机电视标准 StiMi DMB DVB-H MediaFLO
  中图分类号:TP3文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0320017-02
  
  一、引言
  
  广播手机电视技术目前还没有形成统一的移动多媒体广播标准,主要技术有日本、韩国采用的S-DMB、T-DMB系统,欧洲采用的DVB-H,T-DMB系统,美国高通的Media FLO和DVB-H两个网络也在同时运营。而我国于2006年10月24日由国家广电总局正式颁布了中国移动多媒体广播系统(简称“CMMB”)广播信道行业标准《GY/T 220.1-2006移动多媒体广播第1部分:广播信道帧结构、信道编码和调制》,确定了采用我国自主研发的移动多媒体广播传输技术(该技术简称“STiMi”),该标准对我国移动多媒体广播和民族工业的发展具有重要意义。
  
  二、体系架构
  
  CMMB技术体系是利用大功率S波段卫星信号覆盖全国,利用地面增补转发器同频同时同内容转发卫星信号补点覆盖卫星信号盲区,利用无线移动通信网络构建回传通道,从而组成单向广播和双向交互相结合的移动多媒体广播网络。地面发射中心将信号发向S波段同步卫星后,同步卫星对接收到的信号进行转发,转发后的S波段信号直接被地面的接收终端接收下来,该卫星还通过分发信道将信号发送给增补转发器处理,通过增补转发器处理后转发,对卫星覆盖的阴影区域进行增补。
  CMMB系统是针对我国幅员辽阔、传输环境复杂、东部地区城市密集、西部地区人口稀疏的特点,以及用户众多和业务需求多样化的情况,立足我国国情,通过吸纳成熟的先进技术设计的“天地一体化”的技术体系,拥有低成本、可快速实现移动多媒体广播信号全国覆盖的优点,从而可以促进东西部“数字鸿沟”的弥合。CMMB系统采用的STiMi传输技术充分考虑了在我国开展移动多媒体广播业务的需求和特点,是一项具有先进性、实用性和经济性的自主技术。
  T-DMB(Terrestrial Digital Multimedia Broadcasting)系统包括1个DMB监视系统、2个视频编码器、视频网关和多路复用器,可以提供灵活的服务,包括视频广播、音频广播以及数据广播等。S-DMB(SatelliteDigitalMultimediaBroadcasting,卫星数字多媒体广播)是一个卫星与移动网络相融合的系统,卫星提供广播信道,移动网络提供交互通道,完成业务导航、定购及激活。
  DVB-H组网时可采用地面单频网(SFN)或多频网(MFN)的方式,从节约频率资源的角度,多采用单频网的组网方式。在一个SFN中包含多个同步无线发射器,这些发射器以完全相同的频率发射完全相同的比特流。一个SFN区域可以视为一个分布式发射器,这个发射器向整个小区均匀地发送信号。
  MediaFLO是美国高通公司提出的一套有别于传统数字电视系统的单向广播网+3G移动通信网的移动广播系统。它是与DVB-H相类似的手持移动电视技术,是一套完整的服务系统,包括发射台、3G网络、运营中心、手机终端四个组成部分。
  
  三、关键技术
  
  (一)STiMi技术
  STiMi技术是面向移动多媒体广播的业务需求而专门设计的无线信道传输技术,构成了中国自主研发的CMMB体系架构中的核心技术。STiMi技术充分考虑到移动多媒体广播业务的特点,针对手持设备接收灵敏度要求高,移动性和电池供电的特点,采用了先进的信道纠错编码(LDPC码)技术和OFDM调制技术,提高了系统的抗干扰能力,支持高移动性,并且采用了时隙(time slot)节能技术来降低终端功耗,提高终端续航能力。
  STiMi系统可工作于30MHz-3000MHz的频率范围内,物理带宽支持8MHz和2MHz两种工作模式。
  图1给出了STiMi系统的物理层信号处理流程。来自上层的多路数据流独立地分别进行RS编码和字节交织、LDPC编码、比特交织和星座映射等操作,然后和离散导频以及承载传输指示信息的连续导频组合起来,形成OFDM频域符号,再对频域符号数据进行加扰,进行OFDM调制、成帧、上变频等操作,最后将信号发向空中。下面对物理层一些关键的处理技术进行介绍。
  1.RS编码和字节交织。STiMi系统采用了Reed-Solomon码作为外码,字节交织器作为外交织器。RS编码和字节交织根据列输入列输出、行编码的方式进行处理。RS码采用了码长为240字节的RS(240,K)截短码。该RS码由原始的RS(255,M)系统码通过截短产生,其中M=K+15。K为一个码字中信息序列的字节数,校验字节数为(240-K)。RS(240,K)码提供了4种工作模式,分别为K=240,K=224,K=192,K=176。
  RS编码和字节交织的工作原理:输入数据以字节的形式按列写入,充满后按行进行RS编码;当所有行的RS编码完成后,再按列读出数据作为输出。
  2.LDPC编码。LDPC码是一类可以逼近Shannon限的纠错编码方法,拥有较低的译码复杂度。STiMi系统采用了自主研发的LDPC码,支持1/2和3/4两种编码速率。下面是LDPC码的配置参数:1/2码率时,信息长度4608比特,码字长度9216比特;3/4码率时,信息长度6912比特,码字长度9216比特。
  3.比特交织。STiMi系统采用了比特交织作为内交织。LDPC编码后的比特输入到比特交织器进行交织。比特交织器采用Mb×Ib的块交织器,
  LDPC编码后的二进制序列按照从上到下的顺序依次写入块交织器的每一行,直至填满整个交织器,再从左到右按列依次读出。
  4.星座映射。STiMi系统支持BPSK、QPSK和16-QAM三种星座映射方案,可灵活地适应不同的传输速率需求。QPSK星座映射方案是I为横轴,Q为纵轴,第一象限00,第二象限10,第三象限11,第四象限01,比特顺序
  5.OFDM调制。STiMi系统采用OFDM调制。频域OFDM符号由数据子载波、离散导频子载波和连续导频子载波组成。离散导频不承载任何数据信息,部分连续导频上承载了系统传输指示信息。OFDM符号中的有效子载波数目具体取值如下:
  6.帧结构。图2给出了STiMi系统的基于时隙的帧结构。1秒共包含40个时隙(编号0-39),每个时隙为25毫秒,由1个信标和53个OFDM符号(编号0-52)组成。OFDM符号形成分别采用4096点(8MHz带宽模式)和1024点(2MHz带宽模式)的FFT操作实现,循环前缀长度分别为512点(8MHz带宽模式)和128点(2MHz带宽模式)。系统采样速率分别是10MSps(8MHz带宽模式)和2.5MSps(2MHz带宽模式)。
  在同时传送的多路多媒体信号中,接收机根据用户收看的频道,利用时隙开关天线、调谐器等大功耗的器件,只接收相关时隙,而在其他时隙这些大功耗器件都处于关闭状态,从而大大降低终端功耗,有效的提高了终端续航能力。以一般384kbps的视频业务为例,需要占用两个时隙,接收机只需要在这两个时隙处于工作状态,而在其他时隙都处于关闭状态,节电效率为95%。
  为了实现系统的快速捕获,STiMi系统采用了信标技术。信标结构为:TXID--同步信号同步信号,包括发射机标识信号(TxID)以及2个相同的同步信号。其中,发射机标识信号专为系统测量设备而设计,不用于普通的接收终端。
  (二)DMB技术
  1.T-DMB系统设计是将ITU-T H.264或SMPTE VC-1编码技术用于视频,将MPEG-4位分片算术编码技术用于音频,然后,采用MPEG-4同步层和MPEG-2传输串流将它们连同额外数据一起复用后,进行传输发射。主要特点如下:
  (1)FFT:应用256、512、1K、2K,带宽1.5MHz;
  (2)时间分片:帧结构决定了数据的阵发,24ms后接一个空符号;
  (3)时间交织:能将突发误码分散到时间轴上,通过FEC进行较正。DAB中通过16个数据阵发流进行时间交织,每个流24ms,共384ms;可采用不均等误码保护技术(UEP);
  (4)业务组合的灵活性:DAB复用器基于864个CU,适用于业务要求的各种码率;
  (5)DAB可经形成更大范围的单频网,减少了符号间干扰;
  (6)DAM系统要求的发射功率小,接收机功耗小,适于移动接收。
  2.S-DMB技术的优势所在:大区域覆盖。一个卫星支持最多6个波束,覆盖直径达到700~1000km。
  当需同时考虑运营成本和大覆盖(室内和室外)因素时,卫星和地面直放站的混合方案应该是最适合的方案。这也顺应了当前渐进式的投资方向。
  S-DMB系统所建立的传输网络,对于移动运营商来说,是提供多媒体业务不错的选择。
  兼容现有3GPP系统和标准。S-DMB系统采用的技术是基于3GPP定义的技术,所以可配合使用现有市场占有率极大的3G手机终端。同时,S-DMB系统可与3GPP网络(2G/3G)兼容,共同提供业务管理和交互式的广播业务。
  支持国际漫游。由于在全世界范围内,系统使用的都是相同频段,所以能支持国际漫游业务。
  (三)DVB技术
  DVB-H技术是DVB和DVB-T两种技术的融合并进行了改进: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。
  1.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。
  2.DVB-H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);另一种方式是采用DVB通用加扰算法的条件接受系统(DVB-CAS)。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,DVB-CAS不会对用户漫游造成任何影响。
  3.多协议封装-前向纠错。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,即:MPE-FEC。MPE-FEC帧被安排在一个255列的矩阵中,行的数量是可变化的,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数据报和内容填充为应用数据表;靠右边的64个列用于描述FEC码的校验信息为RS数据表;这种RS编码称为RS(255,191)。DVB-H采用基于IP的数据广播方式。
  4.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。
  5.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。
  6.为进一步提高移动时2K和4K模式的抗脉冲干扰性能,DVB-H标准特为两者引入了深度符号交织技术。
  7.DVB-H的传输参数信令(TPS)能够为系统供一个鲁棒性好、容易访问的信令机制,能使接收机更快地发现DVB-H业务信号。
  (四)MediaFLO技术
  MediaFLO系统采用的技术包括:
  1.信道传输:调制4K OFDM信道编码RS码+Turbo码;
  2.节电方案:时、频域分片传输;
  3.逻辑信道(MLC):FLO技术采用逻辑信道(MLC)被用来传输可变速率的实时(直播流)节目内容,以获得使用不同速率的编解码器(压缩器和解压缩装置集于一体)可能达到的统计复用增益;
  
  4.视频编码:FLO系统使用H.264支持实时流媒体节目;
  5.低功耗优化设计:FLO空中接口采用时分复用(TDM)方式在FLO波形中特定的时间间隔内传输各个频道的节目内容数据。FLO技术将节目频道的获取和切换时间降至最少。一般频道获取和切换时间不超过2秒;
  6.分层调制:FLO数据流在信源编码时被分为基础层和增强层。对于基础层,所有用户均可进行解码,而对于增强层,只有信噪比(SNR)较高的区域才能进行解码。大多数的目标用户终端可同时接收到两层信号,从而收看30f/s品质的视频节目。与有相似总容量但没有分层的模式相比,基础层的覆盖更大,提供的视频质量可达到15f/s;
  7.帧结构:FLO发射的信号被组织在超帧中。每个超帧由四个数据帧组成,还包括时分复用(TDM)的导频、系统开销信息符号(OIS)以及包含广域和局域数据的数据帧。
  四、几种技术比较
  这几种技术的共性是:采用H.264信源压缩编码;采用4K模式的正交频分复用(OFDM),上行通道都利用移动通信网,下行利用了互联网的IP数据进行广播。
  表1列出了STiMi与DVB-H、Media FLO、T-DMB的参数对比。
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