分集技术在CMMB中的应用

摘要：文章首先介绍了CMMB系统的架构，接着总结了移动通信中无线信道的特征，通过对衰落信道与AWGN信道的对比引出了分集的概念。然后从时间，频率，空间的角度分析了分集的实现方法。最后阐述了CMMB系统是如何利用这些分集技术的。
关键词：CMMB分集

0 引言
    本文主要研究了CMMB的传输技术以及分集思想在CMMB传输中的应用。在参考了CMMB传输标准的基础上，结合数字通信的理论，研究了多径衰落信道对CMMB传输的影响，进而将分集的理论与CMMB的传输标准结合，分析了其实现分集的原理，从时间分集、频率分集、空间分集的角度对分集在CMMB中的应用进行了归纳和总结。

1 CMMB系统简介
    CMMB是英文China Mobile Multimedia Broadcasting(中国移动数字多媒体广播)的简称。国家广电总局于2006年10月颁布了中国移动多媒体广播行业标准，确定采用我国自主研发的移动电视接收标准STiMi，该标准从同年11月1日起实施。CMMB是国内自主研发的第一套面向手机、PDA、MP3、MP4、数码相机、笔记本电脑等多种移动终端的系统，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。
    CMMB系统的物理层逻辑信道的编码和调制功能框图如图1所示。来自上层的输入数据流经过前向纠错编码、交织和星座映射后，与离散导频和连续导频复接在一起进行OFDM(正交频分多路复用)调制。调制后的信号插入帧头后形成物理层信号帧，再经过基带至射频变换后发射。

    CMMB物理层通过物理层逻辑信道(PLCH)为上层业务提供广播通道。PLCH分为控制逻辑信道(CLCH)和业务逻辑信道(SLCH)。CLCH用于承载广播系统控制信息，SLCH用于承载广播业务，如图2所示。
    物理层对每个PLCH进行单独的编码和调制，其中CLCH采用固定的信道编码和调制模式。SLCH的编码和调制模式根据系统需求可灵活配置，配置模式通过系统控制信息向终端广播。根据编码和调制参数不同，物理层可提供不同的传输净荷。

2 无线信道与分集技术
2．1 无线信道的特征
    无线信道的主要特征是信道随着时间和频率的变化，大致可以分为两种类型：大尺度衰落和小尺度衰落。大尺度信号衰落由发射机和接收机之间的主要地形(如山丘、树林、建筑等)引起，表示了平均信号强度的衰减；而小尺度信号衰落主要是信号的时间扩展及信道时变，前者由多径效应引起，表现为频率选择性衰落或平坦衰落，后者由多普勒效应引起，表现为快衰落或慢衰落。对于通信系统的研究主要针对于小尺度衰落，大尺度衰落针对通信基站规划这样的问题更为密切一些。
    多径效应：多径指无线电信号从发射天线经过多个路径抵达接收天线的传播现象。大气层对电波的散射、电离层对电波的反射和折射，以及山峦、建筑等地表物体对电波的反射都会造成多径传播。多径效应会导致信号的衰落和相移。
    移动通信系统中与多径效应相关的一个重要参数是多径时延扩展，常把多径衰落信道的多径强度分布基本为零的时间范围称为信道的多径扩展。从多径扩展可以引出相干带宽的概念。相干带宽与多径扩展之间存在反比关系。当输入带宽远小于相干带宽时，我们通常把这样的信道称为平坦衰落(flat fading)信道，在这种情况下，多径时延扩展远小于码元时间l／W，信号在平坦衰落信道上传输拥有近似的传播特性，没有明显的畸变，不会导致时域波形上的剧烈变化。而当输入带宽远大于相干带宽时，通常把这样的信道称为频率选择性衰落(frequen cy-selective fading)信道，在这样的信道中传输，对不同频率的电磁波的传播特性是不一样的，所以随着在其中传送的电磁波的频率的变化，其信道响应也不停地变化，这也就是称作频率选择性的本质原因。
    多普勒效应：信道时变效应是由发射端和接收端的相对运动或信道中的物体运动引起的，这些相对运动都会导致接收端接收到的电磁波信号的频率有所变化，在频域表现为多普勒频移。多普勒效应会引起信道的响应随时间变化。
    移动通信系统中与多普勒效应相关的一个重要参数是多普勒扩展。我们常常把多径衰落信道的多普勒功率谱基本为零的带宽范围称为信道的多普勒扩展。从多普勒扩展可以引出相干时间的概念。相干时间与多普勒扩展之间存在反比关系。如果相干时间大于时延要求，那么信道为慢衰落(slow fading)信道，在这种情况下，信道的冲击响应在符号传播期间能够保持较为“一致”，不会发生巨大的畸变。慢衰落一般来说所传信号频谱中的各个频率分量几乎产生同样影响，因而对信号损害不大，一般可通过均衡补偿；相反，如果相干时间远小于应用的时延要求，那么信道为快衰落(fast fading)信道，在这种情况下，符号传输期间信道的冲击响应随时间变化剧烈，通信系统设计中必须用特殊手段对抗快衰落。
2．2 无线通信中的分集技术
    无线通信领域权威David Tse博士在文献中，分析了窄带衰落信道中未编码传输的相干检测与非相干检测，通过与AWGN信道传输的对比，指出前两者传输的差错概率比AWGN信道的高得多的根本原因并不是因为接收机缺乏关于信道的知识，而是因为信道增益是随机的，并且信道处于深度衰落的概率很大这样的事实。当可靠通信取决于一条路径的信号强度，而该路径处于深度衰落的概率又很大时，任何通信方案都有可能出现差错。
    提高性能的解决方法是要确保信息码元通过多条信号路径，并且各路径的衰落是相互独立的，从而只要有一条路径的信号足够强就可以保证可靠的通信。这种技术在通信中就叫做“分集”，它可以极大地改善衰落信道中的性能。分集的实现方法有很多，比如时间分集、频率分集、空间分集，等等。
    (1)时间分集。时间分集是指以超过信道相干时间的时间间隔重复发送信号，以便让再次收到的信号具有独立的衰落环境，从而产生分集效果。一般可以对信息进行编码，并将编码后的码元交织分散到不同的相干周期，从而使得码字的不同部分经历相互独立的衰落，实现时间分集。
    (2)频率分集。如果信道是频率选择性的，可以将信号在不同频率的通道下发送，只要频率间隔大于信道相干带宽，那么它们就会经历相互独立的衰落，从而达到分集的效果。
    (3)空间分集。也叫天线分集，是一种在发射端或(和)接收端安装多根不同位置的天线的分集技术。若这些天线的距离足够大，则电磁波受到衰落的影响就相互独立，达到分集的作用

3 CMMB中的分集应用
    CMMB在传输技术的系统设计上利用到了上述的分集思想。
3．1 时间分集
    CMMB在传输技术上主要利用编码与交织实现时间分集。由图1可见，来自上层数据流在进行星座映射、并随后进行OFDM调制之前经历了如下的处理：RS编码、字节交织、LDPC编码、比特交织。其中RS编码常被称为外码，LDPC常被称为内码。在通信系统设计中经常采用这种级联码，RS码因其具有较强的纠正突发错误的能力，再结合LDPC纠正随机误码能力较强，使得信道编码具有十分优异的性能。
    CMMB传输标准采用了两次交织，交织的本质是把信息离散化，再利用编码技术进行纠错。两次交织是为了降低内码和外码的纠错译码相关性。字节交织将整个块中的信息离散化，比特交织通过按行写入，按列读出的方法，使数据序列的相关性大大减弱，而在接收端通过信道编码技术极大地消除突发错误的危害。图3非常直观地说明了编码交织与时间分集的作用，如果没有编码交织，在连续码元发送的情况下，深度衰落会导致x2码字完全消失；而在有编码与交织的情况下，仅会导致各码字其中一个编码码元消失，此时利用级联的信道编码技术仍然能够从其他三个未衰落的码元中恢复出各个码字来。

3．2 频翠分集
    在CMMB这样的宽带无线通信系统中存在的主要问题是利用频率分集的同时处理由频率选择性衰落所引起的符号间干扰(ISI)问题，一般而言，有三种常用的方法：采用均衡技术的单载波系统、直接序列扩频、多载波系统。CMMB采用的是CMMB这种多载波系统。
    OFDM是近年来备受人们关注的一项宽带多载波传输新技术。由于接收机所接收到的信号是通过不同的直射、反射、折射等路径到达接收机的，这些信号的到达时间和相位都不相同。这样，接收信号的幅度将会发生急剧变化，从而产生衰落。同时由于多径传输，在发射端发射的一个脉冲信号，在接收端将收到多个脉冲信号，这就造成了信道的时间弥散性。这种时间弥散性会造成接收信号中的一个符号的波形会扩展到其他符号当中，造成ISI。
    为了避免产生ISI，应该令符号宽度要远远大于无线信道的最大时延扩展。而增大符号宽度必然会使数据传输速率降低，这就给在无线信道中高速传输数据造成了困难。OFDM就是为了解决在无线信道中高速传输数据而被提出的。它把数据流分解为多个独立的子比特流，这样每个子数据流将具有低得多的比特速率，用这样的低比特率形成的低速率符号，通过快速傅立叶反变换(IFFT)将数据调制到多个正交子载波上，在保证总的传输速率很高的前提下，使每个子载波上的数据以较低的速率传输，构成多个低速率符号并行发送的传输系统，
从而能克服ISI。
    CMMB系统中，信道呈频率选择性衰落。而OFDM正是将信号分割为N个子信号，然后用N个子信号分别调制N个相互正交的子载波，从而通过控制每个子载波的带宽，使其满足平坦衰落，以克服多径效应。每个OFDM符号包含一个51．2μs的循环前缀(CP)和409．6μs的数据体，因此OFDM符号长度为460．8μs，从而使子载波满足平坦衰落，避免符号问串扰。循环前缀的加入也正是为了保证这一点的实现，且不影响数据内容。CMMB从信号处理的角度做了大量改进。通过应用正交多载波并合理设计帧结构、添加循环前缀、控制OFDM符号长度等手段大大削弱了频率选择性衰落和多普勒频移的影响，基本保证了平坦衰落和慢衰落的实现。
3．3 空间分集
    空间分集，也叫天线分集，是一种在发射端或(和)接收端安装多根不同位置的天线的分集技术。目前，在CMMB终端，特别是手机终端中，由于受到成本、天线摆放、堆叠等限制，应用还不是很广。但是也有厂商在推广支持天线分集接收的CMMB解调芯片。Siano提出了一种解决方案以及他们支持天线分集接受的芯片：SMS1186。传统的CMMB解调芯片只有一路U波段的射频信号输入，而这款芯片同时支持两路U波段输入和两路S波段的输入，以便于天线分集的使用，如图4所示。

    厂商声称来自两个天线的信号经过MRC合并后可以获得可观的分集增益，但由于目前CMMB主要应用频谱还在U波段，典型的波长在0．5m左右，在手机中应用往往受制于天线摆放无法满足空间分集的要求，所以在目前最热门的手机移动研发中实际应用不多。可能车载的CMMB系统会有其用武之地。
    另外一家厂商DIBCOM也推出了同样基于MRC(最大比值)合并技术的天线分集接收方案，如图5所示：

    厂商称其分集信号合成算法上领先于竞争对手，并示意如图6。

    同时，对于信道衰落大、或移动速度要求更高的环境下，DIBCOM还可多颗IC采用菊花链形式连接实现分集接收，即每个芯片都可以把自己接收到的信号和其他芯片接收到的信号MRC合并，如图7所示，这也是DIBCOM公司的专利技术。

    但是同样也存在在手机中应用的问题，目前针对U波段的CMMB手机终端多采用拉杆天线。进入智能手机时代后，没有人希望从手机中拉出天线，更别提两根天线，因此，DIBCOM的解决方案也应该是更多地应用于车载等其他应用场合。
3．4 其他分集方案
    在文献中还可以看到有其他应用分集方案的尝试，比如在文献中，作者分析了空间分集、角度分集、以及极化分集，对其进行了理论分析，并采用了极化分集方案，设计了两种双圆极化、宽波束的结构，分析了某些结构特征对天线性能的影响。对CMMB的分集接收有很大参考价值，但其侧重点是针对车载环境以及CMMB卫星接收，同样无法应用于目前最为火热的智能手机平台上。