段海寧，張 彧，潘長勇，宋 健

（清華大學(xué) 電子工程系，北京 100084）

基于物理層子信道的單頻網(wǎng)組網(wǎng)優(yōu)化方法

段海寧，張 彧，潘長勇，宋 健

（清華大學(xué) 電子工程系，北京 100084）

針對利用物理層子信道傳輸多種業(yè)務(wù)的地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)，提出了一種基于疊加編碼調(diào)制的單頻網(wǎng)優(yōu)化方法。該方法對子信道的資源分配方式尋優(yōu)，并通過啟發(fā)式算法聯(lián)合優(yōu)化基站參數(shù)，綜合考慮多種業(yè)務(wù)需求，在保證公共業(yè)務(wù)覆蓋要求的同時提升本地業(yè)務(wù)的接收效果，對充分利用信道資源、減少單頻網(wǎng)分析設(shè)計周期具有重要意義。

單頻網(wǎng)；子信道；疊加編碼；遺傳算法

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展和不斷滲透，用戶對廣播業(yè)務(wù)的需求呈現(xiàn)出越來越多樣化、個性化的多業(yè)務(wù)特征，充分利用有限的頻譜資源最大限度地支持不同環(huán)境下的多業(yè)務(wù)傳輸成為無線通信和廣播領(lǐng)域的關(guān)鍵問題?，F(xiàn)有的多業(yè)務(wù)傳輸方法基于疊加編碼原理將物理層信道分割為公共信道和本地信道，用以傳輸公共業(yè)務(wù)和本地業(yè)務(wù)，靈活分配信道時頻空域資源。然而，由于單頻網(wǎng)內(nèi)存在強烈的多徑效應(yīng)，如何選取疊加編碼時物理層信道資源分配方式、高效地分析優(yōu)化單頻網(wǎng)的傳輸參數(shù)意義重大。單頻網(wǎng)的可調(diào)節(jié)參數(shù)主要包括子信道的傳輸參數(shù)以及發(fā)射基站的發(fā)射參數(shù)，本文綜合考慮多業(yè)務(wù)的傳輸速率、覆蓋率等要求，基于合理的單頻網(wǎng)性能評價模型，提出一種基于物理層子信道的單頻網(wǎng)組網(wǎng)優(yōu)化方法，以期實現(xiàn)最佳多業(yè)務(wù)覆蓋效果。

1 子信道劃分與疊加編碼

傳統(tǒng)的單頻網(wǎng)中，各個基站提供給用戶的廣播信息完全相同。但由于地域文化的差異，實際生活中，每個基站周邊的用戶需要接收不同的本地信息，這要求發(fā)射基站能夠同時傳輸相同的公共業(yè)務(wù)和不同的本地業(yè)務(wù)?；诏B加編碼的物理層子信道分割是一種實現(xiàn)方式，其中分割后的公共信道和本地信道可進一步分割為多個子信道以傳輸多種業(yè)務(wù)。疊加編碼主要包括直接線性疊加編碼和比特分割復(fù)用方式。

1.1 直接線性疊加編碼

直接線性疊加編碼，即在單符號上按照給定的子信道資源分配比例進行線性疊加。具體分割方法為：在物理層信道中，比例為α1的功率資源分配給公共信道，比例為α2的功率歸屬為本地信道，其中α1+α2=1。由兩信號的目標(biāo)傳輸速率分別對其進行獨立編碼，并映射到與之相對應(yīng)的星座圖上，然后根據(jù)功率約束對二者進行矢量疊加，如圖1所示。

1.2 比特分割復(fù)用

比特分割復(fù)用疊加編碼在比特層次上分割物理層信道，得到公共信道和本地信道，組成各個信道的基本單位為比特。具體分割方法是將物理層信道中傳輸?shù)姆栙Y源看成一個維度，在此稱為符號維度，把每個符號內(nèi)的多個比特看成另一個維度，在此稱為比特維度。將物理層信道中的P個符號看作一個整體，聯(lián)合符號維度和比特維度，將物理層信道進行比特層次的分割，一部分比特歸屬為公共信道，其余比特歸屬為本地信道。其中，公共信道或本地信道包括符號維度和比特維度中的一組比特，其輸入輸出均為比特。

圖1 直接線性疊加編碼示意圖（α1=α2=1/2）

圖2是單頻網(wǎng)比特分割復(fù)用疊加編碼示意圖，假設(shè)每一個基站的物理層信道符號采用256階Gray-APSK調(diào)制方式，將每8個連續(xù)符號中優(yōu)先級最高的24個比特分配給公共信道，如圖中無陰影部分，其他比特分配給本地信道，如圖中有陰影部分，這里P=8。

圖2 比特分割復(fù)用疊加編碼示意圖

相比直接疊加編碼，比特分割復(fù)用利用高階星座映射同一星座符號內(nèi)攜帶的比特具有不均等差錯保護程度的特性，以比特為單位劃分子信道，在多業(yè)務(wù)具有不同信噪比閾值時能獲得更加逼近高斯極限的信道容量，同時在接收端可以采用單級解碼（single-stage decoding）方式，各子信道獨立解碼，避免了串行干擾消除（Successive Interference Cancellation，SIC）引起的解調(diào)延時和誤碼擴散，且復(fù)雜度與用戶數(shù)量無關(guān)。

2 單頻網(wǎng)優(yōu)化方法

2.1 優(yōu)化流程

基于物理層子信道的單頻網(wǎng)組網(wǎng)優(yōu)化方法包括以下步驟：

1）將物理層信道分割為公共子信道和本地子信道，分別傳輸公共業(yè)務(wù)和本地業(yè)務(wù)，并根據(jù)業(yè)務(wù)特征對各業(yè)務(wù)賦予不同的權(quán)重。

2）根據(jù)組網(wǎng)信息和業(yè)務(wù)需求設(shè)定發(fā)射基站參數(shù)和子信道傳輸參數(shù)的初始值，并選取部分參數(shù)作為待優(yōu)化參數(shù)，包括子信道的可調(diào)節(jié)傳輸參數(shù)——信道資源的分配方式，如功率資源分配比例和比特資源分配圖案，以及發(fā)射基站的可調(diào)節(jié)參數(shù)，如基站的天線方向圖、天線高度、發(fā)射功率、發(fā)射時延、信號相位等。

3）根據(jù)所述單頻網(wǎng)的接收性能判定準(zhǔn)則計算目標(biāo)區(qū)域的總體接收性能對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值，對子信道的可調(diào)節(jié)傳輸參數(shù)進行尋優(yōu)，最大化目標(biāo)函數(shù)值。

4）通過啟發(fā)式算法對所述發(fā)射基站的可調(diào)節(jié)參數(shù)進行優(yōu)化迭代，并逐代更新所述目標(biāo)函數(shù)值，得到滿足目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)可調(diào)節(jié)參數(shù)。

5）重復(fù)執(zhí)行步驟2）至步驟4），選擇不同的初始值，得到一組優(yōu)化結(jié)果。

2.2 覆蓋判定準(zhǔn)則

單頻網(wǎng)優(yōu)化的目標(biāo)是預(yù)設(shè)目標(biāo)速率下的業(yè)務(wù)覆蓋率，這里需要先給出覆蓋判定的準(zhǔn)則。在加性高斯白噪聲信道下，根據(jù)香農(nóng)理論，一個通信系統(tǒng)發(fā)射信號X與接收信號Y間的平均互信息I(X；Y)為信道容量，即該系統(tǒng)能承載的最大傳輸速率。若同時存在兩種業(yè)務(wù)，分別占用不同的信道資源，在已知資源分配情況以及業(yè)務(wù)目標(biāo)速率的條件下可以得到相應(yīng)業(yè)務(wù)待傳輸信號的接收信噪比門限SNRGauss1，SNRGauss2。

然而，實際的解碼門限受諸多因素的影響，比理論門限低3～5 dB，影響因素包括由保護子載波、保護間隔、幀頭、導(dǎo)頻等輔助位信息帶來的時頻域的帶寬損失，成形、獨立解映射和編碼調(diào)制過程的非理想帶來的損失，信道誤差、定時誤差等帶來的損失。由于單頻網(wǎng)內(nèi)的強多徑環(huán)境，將公共業(yè)務(wù)的傳輸信道近似為瑞利信道，本地業(yè)務(wù)的信道近似為加性高斯白噪聲信道。進而在上述SNRGauss1，SNRGauss2的基礎(chǔ)上得到實際信道下的解碼門限SNRth1，SNRth2。

單頻網(wǎng)接收點眾多，為方便統(tǒng)計，以一定步長將其劃分為若干正方形網(wǎng)格，以每個網(wǎng)格中心點的接收效果表示整個網(wǎng)格的接收效果。若該點的信噪比高于SNRth，則視為可接收點，反之為不可接收點。統(tǒng)計每種業(yè)務(wù)的可接收點和不可接收點的個數(shù)，得到對應(yīng)業(yè)務(wù)的覆蓋率。

設(shè)B為發(fā)射基站集合，ωi，vi，αi分別表示發(fā)射基站i對應(yīng)的本地業(yè)務(wù)的權(quán)重、目標(biāo)傳輸速率和覆蓋率，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)可記為

2.3 子信道參數(shù)優(yōu)化

給定公共業(yè)務(wù)和本地業(yè)務(wù)的傳輸速率，通過I(X；Y)=f(SNR)的關(guān)系可以得到一條理論SNR1—SNR2曲線，曲線上的每個點對應(yīng)一組SNR1，SNR2的值，從而對應(yīng)一組覆蓋率。在比特分割復(fù)用中，由于高階星座映射同一星座符號內(nèi)攜帶的比特具有不均等差錯保護程度，每比特互信息隨信噪比變化的函數(shù)不同，不同的比特選取策略對應(yīng)不同的曲線。將容量較大的比特優(yōu)先分配給目標(biāo)速率大的業(yè)務(wù)，可以得到最低解碼門限，反之得到最高解碼門限。為提高覆蓋率，根據(jù)最優(yōu)選取策略對應(yīng)的SNR曲線，對該曲線進行逐點計算，得到每個點對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值，取其中最優(yōu)覆蓋效果對應(yīng)的SNR解碼門限組合，得到分配給兩種業(yè)務(wù)的比特數(shù)目。

2.4 發(fā)射基站參數(shù)優(yōu)化

聯(lián)合優(yōu)化各個基站的發(fā)射時延、發(fā)射功率、天線方向圖的計算量大、自由度多，傳統(tǒng)的窮舉法要耗費大量人力物力，且工作量隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大呈指數(shù)增長。啟發(fā)式算法，以遺傳算法、模擬退火算法、粒子群算法為代表，基于直觀經(jīng)驗構(gòu)造，在可接受的花費下給出待解決組合優(yōu)化問題每一個實例的一個可行解。本文以模擬退火算法為主要研究對象進行說明。

模擬退火算法來源于冶金學(xué)的特有名詞——退火，是一種通用的概率算法，用來在大的搜尋空間內(nèi)尋找最優(yōu)解，同時在固定的時間內(nèi)完成。固體材料原子常溫下在相對固定的位置附近振動，經(jīng)過加熱，其內(nèi)能變大，材料中的原子隨機在其他位置中來回移動，由有序變?yōu)闊o序。加熱停止后，材料會以特定的速度冷卻，且冷卻速度較慢，使得原子有充分的時間尋找比原位置內(nèi)能更低、更穩(wěn)定的位置，最后在常溫時達到平衡態(tài)，內(nèi)能降至最低。

模擬退火算法的基本步驟包括：

1）初始化。設(shè)定初始退火溫度T0和終止溫度Tf，在全解空間中任選初始解，以優(yōu)化發(fā)射臺站時延為例，則是隨機生成一個發(fā)射時延矩陣。令迭代參數(shù)k=0，Tk=T0。在選擇初始溫度時，要滿足內(nèi)能與溫度之比趨于0，以使得退火過程足夠慢。

2）依照某種規(guī)則，從當(dāng)前解附近產(chǎn)生一個隨機的新解。為減少算法耗時，產(chǎn)生新解的方法通常是由當(dāng)前解經(jīng)過簡單變換，如對某幾個發(fā)射臺站的延時進行互換和置換，或在其較小的鄰域內(nèi)增減等。這種變換方式對冷卻進度表的參數(shù)設(shè)置有很大影響，因為一旦變換方式給定，新解的鄰域也隨之確定。

3）計算新解對應(yīng)的單頻網(wǎng)覆蓋情況，進一步得到新解與當(dāng)前解的目標(biāo)函數(shù)之差。由于這個差值由生成新解的變換產(chǎn)生，因此在計算時可考慮結(jié)合變換計算的增量。對多數(shù)應(yīng)用而言，這是最簡便的計算目標(biāo)函數(shù)差的辦法。

4）判定是否接受新解為當(dāng)前解。判斷依據(jù)是Metropolis準(zhǔn)則：如果Δf＜0，則無條件接受新解為當(dāng)前解，否則以P=exp( )

-Δf/Tk的概率接受新解?？梢?，Tk越高，P越大，廣域搜索能力越強；反之，局域搜索能力越強。

5）若達到熱平衡或者該溫度下的內(nèi)循環(huán)次數(shù)達到給定上限，轉(zhuǎn)到第6步，否則轉(zhuǎn)到第2步。

6）降低Tk，k=k+1，如果Tk＜Tf，則循環(huán)結(jié)束，以當(dāng)前解輸出，否則轉(zhuǎn)到第2步。

3 仿真結(jié)果

仿真待優(yōu)化單頻網(wǎng)包括3個發(fā)射基站，其布局和各業(yè)務(wù)的目標(biāo)區(qū)域如圖3所示。其中，外圍最大的橢圓表示公共業(yè)務(wù)的目標(biāo)區(qū)域，內(nèi)部3個較小的橢圓為本地業(yè)務(wù)的目標(biāo)區(qū)域，各基站的位置、高度、天線增益、天線高度、極化方式如表1所示。

圖3 待優(yōu)化單頻網(wǎng)示意圖

表1 單頻網(wǎng)發(fā)射基站參數(shù)

系統(tǒng)所需的多業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量要求為：1）傳輸速率：公共業(yè)務(wù) Rglobal=10Mbit/s，本地業(yè)務(wù) Rlocal1=Rlocal2=Rlocal3= 15Mbit/s；2）各個本地業(yè)務(wù)的優(yōu)先級權(quán)重相同，均為1。采用256QAM、2/3碼率傳輸，僅優(yōu)化發(fā)射時延。

優(yōu)化結(jié)果為：

1）公共業(yè)務(wù)與本地業(yè)務(wù)的比特分割圖案如圖4所示。

2）3個發(fā)射臺站的發(fā)射時延分別為4.13 μs，9.52 μs，25.4 μs。

3）目標(biāo)函數(shù)Q=25.4，比優(yōu)化前提升了256%。

4 總結(jié)

本文提出了一種基于物理層子信道的單頻網(wǎng)組網(wǎng)優(yōu)化方法，對用于傳輸多業(yè)務(wù)的數(shù)字電視單頻網(wǎng)廣播的物理層子信道分割方式統(tǒng)一尋優(yōu)，利用遺傳算法、模擬退火算法等啟發(fā)式算法聯(lián)合優(yōu)化各發(fā)射基站的發(fā)射時延、天線方向圖、發(fā)射功率等參數(shù)。綜合考慮多種業(yè)務(wù)需求，如覆蓋面積、傳輸速率，實現(xiàn)了信道資源的高效利用，并根據(jù)不同業(yè)務(wù)的優(yōu)先級差別對整體覆蓋效果進行折中，解決了現(xiàn)有算法僅針對單一業(yè)務(wù)優(yōu)化且算法復(fù)雜度高的問題。經(jīng)仿真驗證，該方法的優(yōu)化結(jié)果在保證公共業(yè)務(wù)基本覆蓋要求的同時，明顯提升了本地業(yè)務(wù)的覆蓋效果。

圖4 公共業(yè)務(wù)與本地業(yè)務(wù)的比特分割圖案

[1]劉志飛，潘長勇，楊知行.復(fù)雜地形地貌下的單頻網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)[J].電視技術(shù)，2011，35（8）：39-44.

[2]GB/20600—2006，數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制[S].2006.

[3]劉勇，康立山.非數(shù)值并行算法—遺傳算法：第1冊[M].北京：科學(xué)出版社，1995.

[4] JIN H，PENG K，SONG J.Bit division multiplexing for broadcast?ing[J].IEEE Trans.Broadcasting，2013（59）：539-547.

[5] ROMEO F，SANGIOVANNI-VINCENTELLI A.A theoretical framework for simulated annealing[J].Algorithmica，1991，6（1/6）：302-345.

[6]ANGUEIRA P，MA VELEZ M，DE LA VEGA D，et al.DTV re?ception quality field tests for portable outdoor reception in a sin?gle frequency network[J].IEEE Trans.Broadcasting，2004，50（1）：42-48.

責(zé)任編輯：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

【本文獻信息】段海寧，張彧，潘長勇，等.基于物理層子信道的單頻網(wǎng)組網(wǎng)優(yōu)化方法[J].電視技術(shù)，2015，39（4）.

中國電子科技集團公司技術(shù)創(chuàng)新基金項目（20134113014）