CN101438521A

CN101438521A - 一种应用于数字广播单频网的协同发射系统及方法

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Publication number: CN101438521A
Application number: CNA2006800545115A
Authority: CN
Inventors: 刁心玺
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: Global Innovation Polymerization LLC
Priority date: 2006-05-24
Filing date: 2006-05-24
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2026-05-24
Also published as: WO2007134486A1; CN101438521B; US8068452B2; US20090154582A1; EP2023511A4; EP2023511A1

Abstract

本发明公开了一种应用于数字广播单频网的协同发射系统及方法，所述协同发射系统包括一种双层协同同频发射结构，其包括：主发射层，包括若干个发射频率相同的主发射机；辅助发射层，包括若干个发射频率相同的辅助发射机，其中，所述主发射机与辅助发射机发射的电磁波的频率相同，承载的信息符号相同，且具有满足避免符号间干扰所要求的同步关系。进一步通过叠加另一个双层协同同频发射结构，构成了双重层间协同发射结构。同时，公开了双层协同同频发射结构的同步方法与确定发射功率的方法。应用本发明，综合改善数字广播系统的频谱效率、覆盖质量和对移动性的支持能力，可以保持与现有数字广播系统的高度兼容。

Description

一种应用于数字广播单频网的协同发射系统及方法技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种应用于数字广播单频网的协同发射系统及方法。背景技术

地面数字音频广播和地面数字视频广播系统中采用的单频组网技术是指这些系统中的相邻发射机以相同的频率同步发射相同的广播码流。采用单频组网的地面数字音频广播和地面数字视频广播系统中相邻发射机不但不相互干扰，反而会获得叠加增益。单频组网产生这种效果的一个因素是 OFDM调制中保护间隔的引入，在这样的措施采取之后，可以有效地抑制或避免 ISI。

采用单频组网（SFN)的地面数字音频广播和地面数字视频广播系统中相邻发射机以相同的频率同步发射相同的广播码流可以获得组网增益的事实已经得到场测验证，单频组网的基于编码正交频分复用（COFDM) 调制的地面视频广播系统（DVB-T)和地面音频广播系统的实测结果表明，在单频组网的视频、音频广播系统中，当接收机接收到的各个相邻发射机发射信号的功率相当时，相邻发射机发射信号的引入可以显著提高接收信号的功率均值、有效降低信号衰落的方差和降低信号的误码率。测试表明，当由 3个发射机组成单频网时，最大 SFN增益（分集增益）接近 6dB。这里的 SFN增益是指在同样的接收效果下，单个发射机时接收机需要的接收信号功率与单频网时接收机需要的接收信号功率之比。

作为对单频网性能的进一步改进，通过在发射天线对发射信号引入特定的时变相位旋转来人为增加信道的时间频率选择性，能够达到提高 SFN 分集增益的效果，并且其方法与现有视频（DVB-T)、音频 (DAB)标准兼容。通过采用循环延迟发射和双天线最大比合并技术，可以使 SFN网络增益获得显著的改善，并且和现有标准，如 DVB-T标准，完全兼容。空时编码技术自问世以来受到愈来愈多的关注，该技术既可侧重于提高传输性能，又可侧重于提高传输速率，为无线通信技术的发展打开了一个全新的领域。采用正交空时分组编码方案，能带来额外的编码增益和分集增益，从而提高系统性能，且收发机结构简单实用。此外，空时编码技术可以获得比 SFN宏分集更好的分集效果。

目前在 WIMAX系统里面已经采用了多基站联合空时编码广播

(Multi-BS-MBS) 方式， Multi-BS-MBS要求参加同一 Multi-BS-MBS服务的多个 BS同步传输共同的组播 /广播数据。由于多个 BS间同步的组播服务使 MS可以从多个 BS接收组播 /广播数据，从而提高了接收的可靠性和频谱效率。在使用多个基站进行联合空时编码的空时编码方法和收发机结构中，融合了分层空时码和空时分组码的思想，并能够使具有不同接收天线数量的接收机可获得不同的传输速率和差错性能。

从网络架构上看，目前用于数字广播的单频网都是采用如图 1所示的一般结构形式：发射机 101A〜101N发射的信号覆盖区域 A~N，广播码流通过馈缆（或者无线链路） 103配送到各个发射机 101A〜101N。在一些边远地区或者特殊地理环境导致的发射机 101A〜101N无法良好覆盖的区域 a〜！ 1，采用中继器（或直放站） 102a~102n进行补充。在图 1所示的单频网网络架构中，发射机 101A〜101N和中继器（或直放站）

102a~102n以相同的频率、按照所需的同步关系发射相同的信息符号。在这种单频网网络架构中，只有在一些覆盖区域的边缘，如 Al、 A2、 A3，才会存在正交频分复用的数字移动单频网较好的 SFN增益。

现有 SFN技术只是在同一个系统内的各个基站之间采用单频组网，其缺点在于：只是小区边沿有一些地区可以获得 SFN增益，更多的区域内 SFN增益很小或者没有 SFN增益。

现有的多基站空时编码技术讨论的是同一个系统内（或者单层网内）同一个基站的不同通道之间，或者各个基站之间的联合空时编码，对分层系统的层间协同空时编码缺少相应的解决方案

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种应用于数字广播单频网的协同发射系统及方法，达到综合改善数字广播系统的频谱效率、移动性、覆盖性能的效果。通过层间协同发射对频谱效率的提高，为频谱管理和频谱使用提供更为灵活的方式。

本发明提供一种应用于数字广播单频网的协同发射系统，包括：第一双层协同同频发射结构，包括：

主发射层，包括若干个发射频率相同的主发射机；

辅助发射层，包括若干个发射频率相同的辅助发射机；

其中，所述主发射机发射的电磁波的覆盖范围大于所述辅助发射机发射的电磁波的覆盖范围，且在一个主发射机发射的电磁波覆盖范围内存在至少一个辅助发射机发射的电磁波；所述主发射机与辅助发射机发射的电磁波的频率相同，承载的信息符号相同，且具有满足避免符号间干扰所要求的同步关系。

所述的系统进一步包括：

第二双层协同同频发射结构，与所述第一双层协同同频发射结构纵向叠加在一起，该第二双层协同同频发射结构包括：

主发射层，包括若干个发射频率相同的主发射机；

辅助发射层，包括若干个发射频率相同的辅助发射机；

其中，所述第二双层协同同频发射结构中的主发射机发射的电磁波的覆盖范围大于所述辅助发射机发射的电磁波的覆盖范围，且在一个主发射机发射的电磁波覆盖范围内存在至少一个辅助发射机发射的电磁波；所述主发射机与辅助发射机发射的电磁波的频率相同，承载的信息符号相同，且具有满足避免符号间干扰所要求的同步关系。

所述第二双层协同同频发射结构在与所述第一双层协同同频发射结构纵向叠加时，构成双重层间协同发射结构，其中，第一双层协同同频发射结构的主发射层作为上层，第二双层协同同频发射结构的辅助发射层作为下层，第一双层协同同频发射结构的辅助发射层与第二双层协同同频发射结构的主发射层共同作为中间层。

所述双重层间协同发射结构的一种方式为：所述第一双层协同同频发射结构的辅助发射机与第二双层协同同频发射结构的主发射机采用同一个发射机或同一站址上的不同发射机，并且所述第一双层协同同频发射结构中的主发射机发射的电磁波与所述第二双层协同同频发射结构中的主发射机发射的电磁波之间采用不同的频率，其中，

第一双层协同同频发射结构中的主发射机发射的电磁波与第一双层协同同频发射结构中的辅助发射机之间以相同的频率、满足避免符号间干扰所需要的同步关系发送相同的信息符号；

第二双层协同同频发射结构中的主发射机发射的电磁波与第二双层协同同频发射结构中的辅助发射机之间以相同的频率、满足避免符号间干扰所需要的同步关系发送相同的信息符号。

所述第一双层协同同频发射结构中的辅助发射层与第二双层协同同频发射结构中的辅助发射层一起都作为第一双层协同同频发射结构中的主发射层的辅助发射层，构成双重层间协同发射结构，这三个层内的发射机发射的电磁波具有相同的频率，承载相同的信息符号，且具有满足避免符号间干扰所要求的同步关系。

所述第一双层协同同频发射结构中的主发射层，与所述第一双层协同同频发射结构中的辅助发射层之间一起进行联合空时编码。

所述第一双层协同同频发射结构中的主发射层，与所述第一双层协同同频发射结构中的辅助发射层和第二双层协同同频发射结构中的辅助发射层发射的电磁波之间一起进行联合空时编码。

所述同一个双层协同同频发射结构中的主发射机与辅助发射机发射的电磁波之间进一步具有满足单频网增益要求的功率关系。所述同一个双层协同同频发射结构中的主发射机与辅助发射机都锁定在一个公共的频宗上，以获得相同的频率。

所述同一个双层协同同频发射结构中的主发射机与辅助发射机都通过配送网接收相同的广播码流，以发送相同的信息符号。

所述同一个双层协同同频发射结构中的主发射机与辅助发射机发射的电磁波所具有的满足避免符号间干扰所要求的同步关系为：

所述辅助发射机根据主发射机发射的特定符号序列到达辅助发射机天线口面的时间 to为基准，在一个时间区间土 Δ内发送与主发射机发射的信息符号序列相同的符号序列，其中，所述 Δ为主发射层使用的保护间隔。

所述主发射机与辅助发射机之间的满足单频网增益要求的功率关系为- 在辅助基站所覆盖的区域内，所述主发射机与辅助发射机发射的电磁波强度相当，强度之差在预设门限范围之内；

在所述主发射机发射信号强度高于预设最高门限的区域，辅助发射机不发射信号；

在所述主发射机发射信号强度低于预设最低门限的区域，辅助发射机独立决定发射信号的强度。

所述同一个双层协同同频发射结构中的主发射机与辅助发射机发射的电磁波都采用编码正交频分复用信号、或扩频信号。

所述同一个双层协同同频发射结构中的主发射机与辅助发射机发射的电磁波之间进行联合空时编码。

所述同一个双层协同同频发射结构中的主发射机与辅助发射机以相同的发射方式发射电磁波，包括连续发射或以时间片的方式间歇地、周期地发射。

所述主发射机与辅助发射机在以时间片方式间歇地、周期地发射信号时，其使用的频谱在发射间歇期间用于双向通信。所述主发射机和辅助发射机是地面数字广播的发射机、或是卫星数字广播的发射机、或是具有广播发射能力的蜂窝移动通信基站的发射机。

所述主发射机和所述辅助发射机所发射的电磁波，包含 DVB-T信号、或 DVB-H信号、或 DVB-S信号、或它们的组合。本发明还提供一种基于所述协同发射系统的同步方法，用于实现所述双层协同同频发射结构的所述主发射机与所述辅助发射机之间的同步关系，包括如下步骤：

( 1 ) 所述辅助发射机获取主发射层使用的保护间隔 Δ、本辅助发射机的覆盖半径对应的电磁波传播时间 t_R，并确定辅助发射机的发射时间误差 ε;

(2)比较保护间隔 Δ与所述传播时间 t_R，如果 A»t_R，则进入步骤（6)，否则进入步骤（3) ；

(3)判断所述辅助发射机是否采用全向天线，如果不是，则进入步骤（4) ，如果是，则进入步骤（5) ；

(4)获取主发射机发射电磁波的传播方向的方位角 Θ和本辅助发射机天线的主瓣方向的方位角 η，如果 Θ和 η的夹角大于 90°, 则进入步骤

(5) ，否则进入步骤（6) _;

( 5 ) 获取主发射层内该辅助发射机所协同的主发射机发射信号的到达时间 t_Q，在以 t_Q为基准计算出该辅助发射机的发射时间提前量卩后，确定该辅助发射机在时刻 β，以±₆的误差范围，与所协同的主发射机同步发射信号；

( 6 ) 获取主发射层内该辅助发射机所协同的主发射机发射信号的到达时间 t。，确定该辅助发射机在时刻 t_Q，以士 ε的误差范围，与所协同的主发射机同步发射信号。本发明还提供一种基于所述协同发射系统的功率确定方法，用于确定所述双层协同同频发射结构的所述主发射机与所述辅助发射机之间的功率关系，包括如下步骤：

(A)辅助发射机获取一组来自不同位置的所协同的主发射机发射场强的测量值 {Pl〜Pk}，并据其计算得到在该辅助发射机附近的所述主发射机发射场强度分布的估计值 P (x,y) ；

(B)判断所述 P (x₅y) 的所有取值是否大于一个预先确定的高功率门限值 Thr— H，如果是，则直接确定所述辅助发射机的发射功率为 0，如果不是，则进入（C) ；

(C)判断所述 P (x,y)的所有取值是否小于一个预先确定的低功率门限值 Thr__L，如果是，则由所述辅助发射机独立确定自身的发射功率，否则，进入（D) ；

(D)判断所述辅助发射机是否采用全向天线，如果是，则确定全向天线发射时所需的发射功率值 P—om作为发射功率，否则，进入步骤（e)；

(E)获取主发射机发射电磁波的传播方向的方位角 Θ和本辅助发射机天线的主瓣方向的方位角 η，如果 Θ和 η的夹角小于 90°，则进入步骤

(F) ，否则进入步骤（G) ；

(F)确定在所述辅助发射机所覆盖的扇区的大部分区域内，所发射的电磁波强度大于主发射机的电磁波强度的功率值 p___secji作为发射功率； (G)确定在所述辅助发射机所覆盖的扇区的大部分区域内，所发射的电磁波强度小于主发射机的电磁波强度的功率值 P_sec—L作为发射功率。本发明可以综合改善数字广播系统的频谱效率、覆盖质量和对移动性的支持能力，可以保持与现有数字广播系统的高度兼容。同时，为频谱管理和频谱使用提供更为灵活的方式，如数字广播网和移动通信网可以在互利双赢的情况下实现频谱共享。附图概述

图 1是一种现有的单频网结构；

图 2是依据本发明的一种双层协同同频发射结构；

图 3是依据本发明的一种双重层间协同发射结构；

图 4是依据本发明的一种同步关系示意图；

图 5是依据本发明的一种层间协同同频发射的同步方法；

图 6是所述双层协同同频发射结构电磁波功率强度分布示意图；图 7是依据本发明的一种层间协同同频发射的功率确定方法。本发明的最佳实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明所述系统及方法进行详细说明。如图 2所示，是本发明所提供的一种双层协同同频发射的结构，由主发射层 201和辅助发射层 202组成，其中：

主发射层 201由若干个可以发射频率相同、覆盖一定区域的电磁波的主发射机组成；

辅助发射层 202由若干个可以发射频率相同、覆盖一定区域的电磁波的辅助发射机组成。

在所述主发射层 201内，主发射机发射的电磁波（如 201a) 的覆盖区域，大于辅助发射层 202内的辅助发射机发射的电磁波（如 202a) 的覆盖区域。一般地，一个主发射层 201内主发射机发射的电磁波所覆盖的区域内，存在若干个辅助发射机发射的电磁波，比如，在电磁波 201a 覆盖的区域内存在电磁波 202a、 202b. 202c等。

主发射层 201内的主发射机发射的电磁波与辅助发射层 202内的辅助发射机发射的电磁波具有相同的频率。其中，一种实现相同频率的方法是主发射层 201内的主发射机与辅助发射层 202内的辅助发射机都锁定到一个公共的频宗，如使用全球定位系统、伽利略系统或者其它系统的频率作为频宗。

主发射层 201内的主发射机发射的电磁波与辅助发射层 202内的辅助发射机发射的电磁波之间满足避免符号间干扰所要求的同步关系。其中，一种实现主发射层 201内的主发射机发射的电磁波与辅助发射层 202 内的辅助发射机同步的方法是：辅助发射机根据主发射机发射的特定符号序列到达辅助发射机天线口面的时间 t_Q为基准，在一个时间区间士 Δ ( Δ : 主发射层使用的保护间隔）内发送与主发射机发射的信息符号序列相同的符号序列。

主发射层 201内的主发射机发射的电磁波与辅助发射层 202内的辅助发射机发射的电磁波承载相同的信息符号。其中，一种方法是把同一种广播码流，通过配送网 203，发送给主发射层 201内的所有主发射机和辅助发射层 202内的所有辅助发射机，辅助发射机与其辅助的主发射机以特定的同步关系，把通过配送网 203送来的与主发射机发射的信息符号发送出去。

配送网 203可以是有线网，如蜂窝移动通信的无线接入网（RAN:radio access network) ，有线电视的 HFC (hybrid fiber and cable) 网、全光网 (如无源光纤网 PON,有源光纤网 APON) ，电力线通信网；或者也可以是无线网，如蜂窝基站与中继器之间的无线链路、 LMDS或者卫星链路。

主发射层 201内的主发射机发射的电磁波与辅助发射层 202内的辅助发射机发射的电磁波之间满足产生良好的 SFN增益所要求的功率关系。一种产生良好的 SFN增益所要求的功率关系是：在辅助基站覆盖的区域的绝大部分，辅助发射机发射的电磁波强度和主发射机发射的电磁波强度相当如，强度之差小于 10分贝。在主基站发射信号过强的区域，如高于预设门限 Thr— H时，辅助基站不发射信号；在主基站发射信号过弱的区域，如低于预设门限 Thr— L时，辅助基站独立决定其发射信号的强度。

主发射层 201内的主发射机的实现方式是使用地面数字广播的发射机、或使用卫星数字广播的发射机、或使用具有广播发射能力的蜂窝移动通信基站的发射机。

辅助发射层 202内的辅助发射机的一种实现方式是使用地面数字广播发射机。辅助发射层 202内的发射机的另一种实现方式是使用具有地面数字广播发射能力、或者和地面数字广播发射机综合设计的蜂窝移动通信基站发射机。

主发射层 201内的主发射机发射的电磁波与辅助发射层 202内的辅助发射机发射的电磁波之间的一种协同方式是都采用 COFDM信号，层间不使用联合空时编码，这样的层间协同用于实现与现有广播标准，如 DVB-T、 DVB-S, DVB-H, ISDB, DMB、 DAB保持完全兼容。

主发射层 201内的主发射机发射的电磁波与辅助发射层 202内的辅助发射机发射的电磁波之间的一种协同方式是采用层间联合空时编码，即：主发射层 201内的电磁波（如 201a)和其覆盖区域内的辅助发射层 202内的电磁波（如 202a、 202b, 202c)之间进行联合空时编码，这样的层间协同用于获得更好的频谱效率。

主发射层 201内的主发射机发射的电磁波（如 201a) 以及辅助发射层 202内的辅助发射机发射的电磁波（如 202a~202n)可以只包含同一种标准的信号，如 DVB-T信号，也可以包含多种标准的信号，如既有 DVB-T 信号，又有 DVB-H信号，或者既有 DVB-T信号，又有 DVB-H和 DVB-S 信号。

主发射层 201内的主发射机发射的电磁波与辅助发射层 202内的辅助发射机发射的电磁波之间的一种协同方式是都采用扩频信号，如 CDMA信号，层间不使用联合空时编码，这样的层间协同用于获得更加丰富的多径。

主发射层 201内的主发射机发射的电磁波与辅助发射层 202内的辅助发射机发射的电磁波之间的一种协同方式是都采用扩频信号，如 CDMA信号，层间使用联合空时编码，这样的层间协同用于获得更好的空时编码增益。

主发射层 201内的主发射机的一种发射电磁波的方式是连续发射，此时辅助发射层 202内的辅助发射机也与主发射机同步地、连续地发射电磁波。

主发射层 201内的主发射机的一种发射电磁波的方式是以时间片的方式间歇地、周期地发射，此时辅助发射层 202内的辅助发射机也与主发射机同步地以时间片的方式间歇地、周期地发射电磁波。主发射层 201 内的主发射机和发射层 202内的辅助发射机以时间片的方式间歇地、周期地发射广播信号时，其使用的频谱在广播信号发射间歇期间用于双向通信。当发射层 201内的主发射机和发射层 202内的辅助发射机使用的频谱在广播信号发射间歇期间用于双向通信时，一种方式是以 TDD的方式使用这部分频谱。本发明在所述双层协同同频发射的结构的基础上，进一步还提供一种双重层间协同发射结构。如图 3所示，将两种双层协同同频发射结构按照上下方式叠加在一起，就构成一种双重层间协同发射结构。

双重层间协同发射结构的上层 201，包括 201a， 201b, 是一个双层协同同频发射结构的主发射层；下层 202'，包括 202'a〜202'n，是另一个双层协同同频发射结构的辅助发射层；双重层间协同发射结构的中间层 301，由位于上部的那个双层协同同频发射结构的辅助发射层 202与位于下部的那个双层协同同频发射结构的主发射层 201'构成， 201 '包括 201'a、 201'b、 ..·201'η。

在双重层间协同发射结构中，辅助发射机与其辅助的主发射机以特定的同步关系，把通过配送网 203送来的信息符号以同频、同时 /同步、同符号的发送出去。

双重层间协同发射结构中的配送网 203可以是有线网，如蜂窝移动通信的无线接入网（RAN: radio access network)，有线电视的 HFC(hybrid fiber and cable)网、全光网（如无源光纤网 PON、有源光纤网 APON) 、电力线通信网；或者也可以是无线网，如蜂窝基站与中继器之间的无线链路、 LMDS或者卫星链路。

双重层间协同发射结构的一种工作方式是：中间层 301中的辅助发射层 202与上层 201构成双层协同同频发射的结构，其工作方法和前述双层协同同频发射的结构工作方法相同；中间层 301中的主发射层 201' 与下层 202'构成另一个双层协同同频发射的结构，其工作方法和前述双层协同同频发射的结构工作方法相同。

双重层间协同结构的特点在于：构成中间层 301的主发射层 202中的辅助发射机与另一双层协同同频发射结构的辅助发射层 201'中的主发射机，是根据信号覆盖需要确定的，主发射机和辅助发射机之间没有确定的比例关系，例如，在数量关系上对应一致并配合成对，每对发射机在物理关系上可以是同一个发射机，或是同一个站址上的不同发射机，即两层电磁波信号中的每一对，如（202a、 201'a)、（202b、 201'b)、 ...(202η. 201'n), 由同一个发射机，或者由同一个站址上的不同发射机发射。

例如，构成中间层 301的两层电磁波信号中的每一对，如（202a、 201'a)、 (202b 201'b)、 ...(202η, 20Γη)，由同一个发射机发射，或者由同一个站址上的不同发射机发射时，不同频点的信号可以使用相同的天线、馈线。

例如，构成中间层 301的两层电磁波信号中的每一对，如（202a、

201'a)、 (202b ^ 201'b)、 ...(202n、 201*n), 都采用不同的频率，如在 (202a、 201'a)中， 202a的频率与上层 201的频率相同， 201'a的频率与下层 202' 的频率相同。

双重层间协同结构的下层 202'的一种工作方式是：下层 202'与中间层 301中的辅助发射层 202—起都作为上层 201的辅助发射层，构成多重协同发射，但是层间不采用联合空时编码，这样可以得到更好的 SFN增益，并且可以保持与现有数字广播标准的完全兼容。双重层间协同结构的下层 202'的一种工作方式是：下层 202'与中间层 301中的辅助发射层 202—起都作为上层 201的辅助发射层，构成多重协同发射，并且层间采用联合空时编码，这样可以得到更好的空时编码增益，进一步提高频谱效率。实现本发明所述双层协同同频发射需要在主发射层、辅助发射层之间实现如下三个同步：频率、时间以及比特的三同步。

( 1 )频率同步

COFDM调制信号由 2k或 8k个载波构成，每个载波都必须采用同一频率，而且单频网每个发射机的所有载波都必须采用同一频率，频率的精度取决于载波之间的距离，我们将载波距离定义为 Af， fn定义为第 n 个载波的位置，那么理想的频率精度为 fn± (Af/100) ，为了使发射系统中的中频和射频级联后的精度仍然要满足这一精度，通常的做法是将所有发射机中的上变频本振都同步到一个参考时钟，例如 GPS时钟。

(2) 时间同步

从理论上讲只要采用合适的保护间隔，合理设计发射塔间的距离 COFDM调制是可以抵抗多路反射的，这要求发射机实现时间同步，同一码流字符必须从不同的发射机中以同一时间发射，由于存在着保护间隔，时间的精确度不一定很高，通常采用 ±1μ8比较适中。

( 3 ) 比特同步

在同一时间传输同一个字符需要所有的载波被完全一致地调制，因此，同一比特需要调制在同一个载波，这一规则必须严格遵守。在单频网中，每一台发射机的调制器，都是通过不同的分配网与前端的复用器连接，因此引入时时间延迟都是不一样的，从复用器无法向发射机内的调制器提供时间基准，有必要从系统外部获得一个精度好于 1 μ S的时间标准，最实用的办法是从卫星全球定位系统中（GPS) 中提取 10MHZ标准频率和标准时间。对于 OFDM调制方式，双层协同同频发射要求的同步关系如图 4所示。当有多径存在时，图 4中的 t_Q、 ^、 t₂、 t₃表示首径的时间，主发射层 201发送的 OFDM字符序列 401包括有用字符 403和保护间隔 404， OFDM 字符序列 401中某个有用字符 403的起始点到达某个辅助发射机天线的时刻是 to。辅助发射层中 202中某个辅助发射机发送的 OFDM字符序列 402中与主发射机发射的同一个有用 OFDM字符的起始点离开发射天线的时间是 t 辅助发射层中 202中某个辅助发射机发送的 OFDM字符序列 402其它可能出现的位置如 402'和 402"所示，对应的离开天线的 13寸刻是 t₂、 t₃。为了避免符号间干扰，以 t。为参照点，辅助发射机发射的与主发射机发射的同一个有用 OFDM字符的起始点 ^与 to的时间差的绝对值

(| to-t! |) 必须远小于 Δ。进一步地，为了避免符号间干扰，在辅助发射机覆盖的任何一个点上，辅助发射机发送的 OFDM字符的起始点到达该点的时刻 t 与主发射机发送的同一个 OFDM字符的起始点到达该点的时刻 t'_c之间的时间差 I t'o-fj I要小于 Δ。

双层协同同频发射的同步和现有单频网存在如下差异：

1 )数字广播中的多径干扰的到达时间总是滞后于发射机发射信号的第一径的到达时间；

2)数字广播的天线一般都是非方向性的，不会采用扇区天线，但是，在双层协同同频发射应用中，在蜂窝移动网基站的发射机作为本发明所述的辅助发射机时，就会使用多个扇区天线发射广播信号来覆盖一个区域。

根据这些特殊问题，本发明给出了用于实现双层协同同频发射结构中主发射机与辅助发射机之间同步关系的同步方法，如图 5所示，包括如下步骤- 501：获取主发射层 201使用的保护间隔数据 Δ ;

502：获取本辅助发射机的覆盖半径对应的电磁波传播时间 t_R，确定发射时间误差范围为士 ε； 503：判断是否主发射层 201采用的保护间隔 Δ » (远大于）本辅助发射机的覆盖半径对应的电波传播时间 t_R，其中，远大于（》) 是指保护间隔 Δ取值是辅助发射机的覆盖半径对应的电波传播时间 t_R的三倍以上。如果是，就依次进入步骤 510和步骤 511 ; 否则进入步骤 504;

504：判断该辅助发射机是否采用全向天线，如果是，则进入步骤 507，如果不是，则进入步骤 505 ;

505：获取主发射机发射电磁波的传播方向的方位角 Θ和本天线的主瓣方向的方位角 η，进入步骤 506;

506：判断是否 Θ与 η的夹角 <90° ，如果 Θ与 η的夹角小于 90° ，就依次进入步骤 510和步骤 511，如果 Θ与 η的夹角大于 90° ，就进入步骤 507;

507：获取主发射层内本辅助发射机所协同的主发射机发射信号的到达时间 t_Q;

508：以主发射机发射信号的到达时间 t_Q为基准，计算辅助发射机的发射时间提前量 β ;

509：辅助发射机在时刻 t_Q— β，以± _£的误差范围，以与主发射机发射信号相同的频率、相同的编码调制方法式发射相同的信息符号；

510：获取主发射层内本辅助发射机所协同的主发射机发射信号的到达时间 t_Q;

511：以主发射机发射信号的到达时间 t_Q为基准，保持与 ^的误差在士 ε范围，以与主发射机发射信号相同的频率、相同的编码调制方法式发射相同的信息符号。为了取得较高的 SFN增益，需要保证在各个辅助发射机覆盖的地理区域内有尽可能多的地理位置上，辅助发射层发射的电磁场和其辅助的主发射机发射的电磁场具有相当的强度，如强度差在 10分贝以内。如图 6所示， 601a是主发射层中的一个发射机 A发射的电磁场强度的空间分布曲线， 602a~602n是 601a覆盖的各个辅助发射机发射的电磁场强度的空间分布曲线， Thr— H是预先设定的主发射机发射的电磁波场强度的一个值，如果实测主发射机发射的电磁波场强在辅助基站覆盖的区域内大于该值，表明信号已经足够强，无需通过辅助发射来获得 SFN增益。 Thr—L 是预先设定的主发射机发射的电磁波场强度的一个值，如果实测主发射机发射的电磁波场强在辅助基站覆盖的区域内小于该值，表明信号已经低于正常接收所需要的强度，并且如果辅助发射机在发射与主发射机发射的电磁波场强在辅助基站覆盖的区域内的强度相当的信号时，也无法获得正常接收所需要的 SFN增益，此时为了保障覆盖，辅助发射机需要独立确定其发射功率。图 6中发射机从 a、 b到 b+j，从 n、 n-1到 k，其发射功率逐步增加，表示为了取得较高的 SFN增益，辅助发射机的电磁场强度要尽量和主发射机的电磁场 601a强度相当；发射机 b+j+l,k-l所处的位置的场强 501a太强，已经超过门限 Thr— H，因此，发射机 b+j+l,k-l 无需发射。

实际环境中存在建筑物等产生的信号遮挡，这种遮挡导致图 6中给出的场强分布发生变化，由于这种场强分布的变化难以预测，需要通过实时、实地测量才可以准确把握。

因而，本发明提供了一种确定辅助层 202中电磁波辐射功率的方法，用于确定主发射机与辅助发射机之间的功率关系，如图 7所示，包括如下步骤：

701：获取一组来自不同位置的主发射机发射场强的测量值 {Pl~Pk}，这组测量值包括本发射机处的测量值和本发射机相邻的发射机处的测量值；

702：利用 {Pl~Pk 古计出主发射机发射场强在本辅助发射机周围的三维空间分布 P (x,y) ，这里的 P (x,y) 是从一组来自不同位置的主发射机发射场强的测量值 {Pl〜Pk}通过数学处理，如内插、中值滤波处理等，得到的在辅助发射机附近的电磁场强度的估计值； 703：判断是否 P (x,y)的所有取值>1¾— H，其中， Thr— H是预先设定的主发射机发射的电磁波场强度的一个值，如果实测主发射机发射的电磁波场强在辅助发射机覆盖的区域内大于该值，表明信号已经足够强，无需通过辅助发射机进行辅助发射来获得 SFN增益，此时进入步骤 708，如果 P (x,y)的最大值在辅助发射机覆盖的区域内小于 Thr— H，就进入步骤 704;

704：判断是否 P (x,y) 的所有取值 <Thr— L，其中， Thr—L是预先设定的主发射机发射的电磁波场强度的一个值，如果实测主发射机发射的电磁波场强在辅助发射机覆盖的区域内小于该值，表明信号已经低于正常接收所需要的强度，并且如果辅助发射机在发射和主发射机发射的电磁波场强在辅助发射机覆盖的区域内的强度相当的信号时，也无法获得正常接收所需要的 SFN增益，此时进入步骤 709，如果 P(x,y)大于 Thr— L，说明在辅助发射机附近的主发射机发射的场强处于正常的范围内，可以通过辅助发射机的发射来获得显著的分集增益，此时进入步骤 705;

705：判断辅助发射机是否采用全向天线，如果采用全向天线，就进入步骤 710，否则，进入步骤 706;

706：估计主发射机发射电磁波的传播方向的方位角 Θ和获取本辅助发射机天线的主瓣方向的方位角 η，进入步骤 707。

其中，一种估计主发射机发射电磁波的传播方向的方位角 Θ的具体方法是：根据主发射机的地理坐标和辅助发射机的地理坐标进行计算，从主发射机地理坐标点到辅助发射机地理座标点连线的方位角就是主发射机发射电磁波的传播方向的方位角 Θ；

另一种估计主发射机发射电磁波的传播方向的方位角 Θ的具体方法是：连接 P (x,y) 的最大值点和最小值点，估计这个连线的方位角就是主发射机发射电磁波的传播方向的方位角 Θ。

707：判断是否 Θ与 η的夹角 <90° ，如果是，就进入步骤 711 , 如果不是，就进入步骤 712; 708：辅助发射机将发射功率设定为" 0", 即辅助发射机不发射； 709：辅助基站独立设定发射功率，以满足发射所需的功率； 710：采用发射功率 P—om发射辅助广播信号， P_om是全向天线发射时需要的发射功率值；

711：采用发射功率 P_sec— H发射广播信号， P— sec— H是当 Θ与 η的夹角 <90° 时辅助发射机需要的发射功率，此时辅助发射机的发射电磁波和主发射机的发射电磁波的传播方向大致一致，辅助发射机选取的 P_sec_H要在理论上保证在其覆盖的扇区内其发射的电磁波强度在大部分区域内大于主发射机的电磁波强度；

712：采用发射功率 P— sec— L发射广播信号， P—sec— L是当 Θ与 η的夹角大于 90° 时，辅助发射机需要的发射功率，此时辅助发射机的发射电磁波和主发射机的发射电磁波的传播方向大致相反，辅助发射机选取的 P— sec—L要在理论上保证在其覆盖的扇区内其发射的电磁波强度在大部分区域内小于主发射机的电磁波强度。下面结合实施例，说明本发明所述系统的具体应用。

实施例 1 : 双层协同同频发射结构的一个实施例，用于说明 DVB-T 与 DVB-H的协同发射。

主发射层 201内的主发射机发射 DVB-T和 DVB-H信号，辅助发射层 202内的辅助发射机也发射 DVB-T和 DVB-H信号。辅助发射层 202 内的辅助发射机分别对主发射层内的 DVB-T和 DVB-H两种信号进行同频协同发射。具体方法是把送往主发射机（如 201a、 201b) 的 DVB-T和 DVB-H广播码流也送往辅助发射层 202内的辅助发射机，辅助发射机分别按照主发射机发射的 DVB-T和 DVB-H电磁波在其所在位置的到达时间、场强和信息比特来同步地发送 DVB-T和 DVB-H信号。辅助发射机通过同一套射频通道和天馈发射 DVB-T和 DVB-H信号。实施例 2 ：双层协同同频发射结构的另一个实施例，用于说明 GSM 系统与 DBV-T/H协同实现地面数字广播。

参见图 2，一种通过 GSM与 DVB-T/H协同实现地面广播的系统，包括：由若干个 DVB-T/H发射机组成的主发射层 201 , 由配有数字广播发射机的 GSM基站构成辅助发射层 202， DVB-T/H使用的广播码流通过 GSM系统的回馈网（BACKHALL) 203配送到广播发射机。

配有数字广播发射机的 GSM基站按照本发明所述的同步方法和功率确定方法与 DVB-T/H发射机发射的电磁波组成的主发射层 201构成双层协同同频发射结构，通过这种结构来获得 SFN增益，提高 DVB-T/H发射机的室内覆盖性能和对高速移动接收机的支持。

该实施例是以采用 DVB-T/H标准的系统作为实施例的，所述实施方法同样地适用于其他采用 OFDM调制方式的地面视频广播系统向基于协同的地面视频广播系统的演进，如 ISDB， DMB。该方法同样地适用于地面数字音频广播 DAB。实施例 3: 双层协同同频发射结构的又一个实施例，用于说明有线电视网与 DBV-T/H协同实现地面数字广播。

参见图 2，一种实现有线电视网与 DVB-T/H协同来实现地面广播的系统，包括：由若干个 DVB-T/H发射机组成的主发射层 201，由连接到有线电视网上的数字广播发射机构成辅助发射层 202，辅助发射层 202内的发射机以有线电视网为依托，辅助发射层 202内的发射机可以是只协同地发射地面广播发射机（DVB-T和 /或 TDV-H)发送的码流，也可以是除了协同发射地面广播发射机（DVB-T和 /或 TDV-H)发送的码流之外还发射自己的业务码流。

送往 DVB-T/H发射机的广播码流通过有线电视网 203配送到以有线电视网为依托的辅助发射层 202内的发射机。以有线电视网为依托的辅助发射层 202内的发射机按照本发明所述的同步方法和功率确定方法与主发射层 201内的 DVB-T/H发射机构成双层协同同频发射结构，通过这种结构来获得 SFN增益，提高 DVB-T/H发射机的室内覆盖性能和对高速移动接收机的支持。

该实施例是以采用 DVB-T/H标准的系统作为实施例的，所述实施方法同样地适用于其他采用 OFDM调制方式的地面视频广播系统与有线电视网之间的协同发射，如地面视频广播系统 ISDB、 DMB (及其在支持便携接收方面的变体标准）与有线电视网之间的协同发射。该方法同样地适用于地面数字音频广播 DAB。实施例 4: 双重层间协同发射结构的一个实施例，用以说明 WIMAX 系统与 DBV-T/H协同实现地面数字广播。

参见图 3，一种通过 WIMAX与 DVB-T/H协同实现地面广播的系统，包括：双重层间协同结构的上层 201，由若干个 DVB-T/H发射机组成；双重层间协同结构的中间层 301中的辅助发射层 202由若干个 DVB-T/H 发射机组成，辅助发射层 202内的发射机发射电磁波 202a、 202b

202η;双重层间协同结构的中间层 301中的主发射层 201 '由若干个发射机组成，一般地，主发射层 201'内的发射机的覆盖范围和 202a、 202b

202η相当，但是工作频率和下层 202' (包括 202'a、 202'b、 ...202'n)的电磁波相同，其覆盖范围包括 201'a、 201'b、 ...20Γη。

202'a、 202'b、 ...202'n是若干个带有广播发射机的 WIMAX基站，

201'a、 201'b、 ...201'n是若干个覆盖范围大于 WIMAX基站的覆盖范围，在每个 201'a〜n下面覆盖若干个带有广播发射机的 WIMAX基站； 201'a、 201'b、 ...201'n与 WIMAX配有的广播发射机同频工作。

202a、 202b, …、 202η和 201 'a、 201'b、 ...20Γη由同一个发射机发射，这些中间层内的发射机就如同一个 "两面贴"，把上层的 DVB-T/H 与下层的 WIMAX结合起来，实现了广播和无线 IP接入系统在空中接口上的有机协同。该实施例是以采用 DVB-T/H标准的系统作为实施例的，类似地，只要把地面馈送系统 203与卫星的上行配送链路结合起来，把 201a、 201b 换成卫星数字广播发射机，就构成了一个卫星与 WIAMX协同的数字广播发射系统，可以显著改善卫星广播系统的室内覆盖和频谱效率。节约出来的频谱也可用于 WIAMX系统。综上所述，本发明所提供的协同发射系统及方法能够达到如下效果:

1、显著提高广播信道的频谱效率；

2、显著改善广播信号的覆盖，特别是室内覆盖；

3、显著改善广播信号的移动接收效果

4、其非空时编码分集模式可以与现有基于 OFDM的广播系统实现完全兼容；

5、同时，为频谱管理和频谱使用提供更为灵活的方式，如数字广播网和移动通信网可以在互利双赢的情况下实现频谱共享。工业实用性本发明提供的一种应用于数字广播单频网的协同发射系统及方法，弥补了现有单频网的不足，能够显著提高广播信道的频谱效率、改善广播信号的覆盖（特别是室内覆盖）、显著改善广播信号的移动接收效果，其非空时编码分集模式可以与现有基于 OFDM的广播系统实现完全兼容；同时，为频谱管理和频谱使用提供更为灵活的方式，如数字广播网和移动通信网可以在互利双赢的情况下实现频谱共享。

Claims

权利要求书

1、一种应用于数字广播单频网的协同发射系统，其特征在于，包括：第一双层协同同频发射结构，包括：

主发射层，包括若干个发射频率相同的主发射机；

辅助发射层，包括若干个发射频率相同的辅助发射机；

其中，所述主发射机发射的电磁波的覆盖范围大于所述辅助发射机发射的电磁波的覆盖范围，且在一个主发射机发射的电磁波覆盖范围内存在至少一个辅助发射机发射的电磁波；所述主发射机与辅助发射机发射的电磁波的频率相同，承载的信息符号相同，且具有满足避免符号间干扰所要求的同步关系。

2、如权利要求 1所述的系统，其特征在于，进一步包括- 第二双层协同同频发射结构，与所述第一双层协同同频发射结构纵向叠加在一起，该第二双层协同同频发射结构包括：

主发射层，包括若干个发射频率相同的主发射机；

辅助发射层，包括若干个发射频率相同的辅助发射机；

其中，所述第二双层协同同频发射结构中的主发射机发射的电磁波的覆盖范围大于所述辅助发射机发射的电磁波的覆盖范围，且在一个主发射机发射的电磁波覆盖范围内存在至少一个辅助发射机发射的电磁波；所述主发射机与辅助发射机发射的电磁波的频率相同，承载的信息符号相同，且具有满足避免符号间干扰所要求的同步关系。

3、如权利要求 2所述的系统，其特征在于，所述第二双层协同同频发射结构在与所述第一双层协同同频发射结构纵向叠加时，构成双重层间协同发射结构，其中，第一双层协同同频发射结构的主发射层作为上层，第二双层协同同频发射结构的辅助发射层作为下层，第一双层协同同频发射结构的辅助发射层与第二双层协同同频发射结构的主发射层共同作为中间层。 4、如权利要求 3所述的系统，其特征在于，所述双重层间协同发射结构的一种方式为：所述第一双层协同同频发射结构的辅助发射机与第二双层协同同频发射结构的主发射机采用同一个发射机或同一站址上的不同发射机，并且所述第一双层协同同频发射结构中的主发射机发射的电磁波与所述第二双层协同同频发射结构中的主发射机发射的电磁波之间采用不同的频率，其中，

第一双层协同同频发射结构中的主发射机发射的电磁波与第一双层协同同频发射结构中的辅助发射机之间以相同的频率、满足避免符号间干扰所需要的同步关系发送相同的信息符号；

第二双层协同同频发射结构中的主发射机发射的电磁波与第二双层协同同频发射结构中的辅助发射机之间以相同的频率、满足避免符号间干扰所需要的同步关系发送相同的信息符号。

5、如权利要求 3所述的系统，其特征在于，所述第一双层协同同频发射结构中的辅助发射层与第二双层协同同频发射结构中的辅助发射层 —起都作为第一双层协同同频发射结构中的主发射层的辅助发射层，构成双重层间协同发射结构，这三个层内的发射机发射的电磁波具有相同的频率，承载相同的信息符号，且具有满足避免符号间干扰所要求的同步关系。

6、如权利要求 1或 2所述的系统，其特征在于，所述第一双层协同同频发射结构中的主发射层，与所述第一双层协同同频发射结构中的辅助发射层之间一起进行联合空时编码。

7、如权利要求 5所述的系统，其特征在于，所述第一双层协同同频发射结构中的主发射层，与所述第一双层协同同频发射结构中的辅助发射层和第二双层协同同频发射结构中的辅助发射层发射的电磁波之间一起进行联合空时编码。

8、如权利要求 1或 2所述的系统，其特征在于，所述同一个双层协同同频发射结构中的主发射机与辅助发射机发射的电磁波之间进一步具有满足单频网增益要求的功率关系。 9、如权利要求 1或 2所述的系统，其特征在于，所述同一个双层协同同频发射结构中的主发射机与辅助发射机都锁定在一个公共的频宗上，以获得相同的频率。

10、如权利要求 1或 2所述的系统，其特征在于，所述同一个双层协同同频发射结构中的主发射机与辅助发射机都通过配送网接收相同的广播码流，以发送相同的信息符号。

11、如权利要求 1或 2所述的系统，其特征在于，所述同一个双层协同同频发射结构中的主发射机与辅助发射机发射的电磁波所具有的满足避免符号间干扰所要求的同步关系为- 所述辅助发射机根据主发射机发射的特定符号序列到达辅助发射机天线口面的时间 to为基准，在一个时间区间士 Δ内发送与主发射机发射的信息符号序列相同的符号序列，其中，所述 Δ为主发射层使用的保护间隔。

12、如权利要求 8所述的系统，其特征在于，所述主发射机与辅助发射机之间的满足单频网增益要求的功率关系为：

在辅助基站所覆盖的区域内，所述主发射机与辅助发射机发射的电磁波强度相当，强度之差在预设门限范围之内；

在所述主发射机发射信号强度高于预设最高门限的区域，辅助发射机不发射信号；

在所述主发射机发射信号强度低于预设最低门限的区域，辅助发射机独立决定发射信号的强度。

13、如权利要求 1或 2所述的系统，其特征在于，所述同一个双层协同同频发射结构中的主发射机与辅助发射机发射的电磁波都采用编码正交频分复用信号、或扩频信号。

14、如权利要求 1或 2所述的系统，其特征在于，所述同一个双层协同同频发射结构中的主发射机与辅助发射机发射的电磁波之间进行联合空时编码。

15、如权利要求 1或 2所述的系统，其特征在于，所述同一个双层协同同频发射结构中的主发射机与辅助发射机以相同的发射方式发射电磁波，包括连续发射或以时间片的方式间歇地、周期地发射。

16、如权利要求 15所述的系统，其特征在于，所述主发射机与辅助发射机在以时间片方式间歇地、周期地发射信号时，其使用的频谱在发射间歇期间用于双向通信。

17、如权利要求 1或 2所述的系统，其特征在于，所述主发射机和辅助发射机是地面数字广播的发射机、或是卫星数字广播的发射机、或是具有广播发射能力的蜂窝移动通信基站的发射机。

18、如权利要求 1或 2所述的系统，其特征在于，所述主发射机和所述辅助发射机所发射的电磁波，包含 DVB-T信号、或 DVB-H信号、或

DVB-S信号、或它们的组合。

19、一种基于权利要求 1或 2所述协同发射系统的同步方法，用于实现所述双层协同同频发射结构的所述主发射机与所述辅助发射机之间的同步关系，其特征在于，包括如下步骤：

( 1 )所述辅助发射机获取主发射层使用的保护间隔 Δ、本辅助发射机的覆盖半径对应的电磁波传播时间 t_R，并确定辅助发射机的发射时间误差 ε;

(2)比较保护间隔 Δ与所述传播时间 t_R，如果 Δ»½，则进入步骤（6)，否则进入步骤（3 ) ；

(3 ) 判断所述辅助发射机是否采用全向天线，如果不是，则进入步骤（4) ，如果是，则进入步骤（5) ；

(4) 获取主发射机发射电磁波的传播方向的方位角 Θ和本辅助发射机天线的主瓣方向的方位角 η，如果 Θ和 η的夹角大于 90°，则进入步骤 (5 ) ，否则进入步骤（6) ；

(5) 获取主发射层内该辅助发射机所协同的主发射机发射信号的到达时间 t_Q，在以 t_Q为基准计算出该辅助发射机的发射时间提前量 β后，确定该辅助发射机在时刻 β，以士 ε的误差范围，与所协同的主发射机同步发射信号；

(6) 获取主发射层内该辅助发射机所协同的主发射机发射信号的到达时间 t_Q，确定该辅助发射机在时刻 t_Q，以±_£的误差范围，与所协同的主发射机同步发射信号。

20、一种基于权利要求 1或 2所述协同发射系统的功率确定方法，用于确定所述双层协同同频发射结构的所述主发射机与所述辅助发射机之间的功率关系，其特征在于，包括如下步骤：

(A) 辅助发射机获取一组来自不同位置的所协同的主发射机发射场强的测量值 {Pl〜Pk}，并据其计算得到在该辅助发射机附近的所述主发射机发射场强度分布的估计值 P (x,y) ；

(B)判断所述 P (x,y) 的所有取值是否大于一个预先确定的高功率门限值 Thr_H，如果是，则直接确定所述辅助发射机的发射功率为 0，如果不是，则进入（C) ；

(C)判断所述 P (x,y) 的所有取值是否小于一个预先确定的低功率门限值 Thr—L，如果是，则由所述辅助发射机独立确定自身的发射功率，否则，进入（D) ；

(D)判断所述辅助发射机是否采用全向天线，如果是，则确定全向天线发射时所需的发射功率值 P—om作为发射功率，否则，进入步骤（e)；

(E) 获取主发射机发射电磁波的传播方向的方位角 Θ和本辅助发射机天线的主瓣方向的方位角 η，如果 Θ和 η的夹角小于 90°, 则进入步骤

(F) ，否则进入步骤（G) ；

(F)确定在所述辅助发射机所覆盖的扇区的大部分区域内，所发射的电磁波强度大于主发射机的电磁波强度的功率值 P— sec—H作为发射功率； (G)确定在所述辅助发射机所覆盖的扇区的大部分区域内，所发射的电磁波强度小于主发射机的电磁波强度的功率值 P— sec—L作为发射功

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