CN101867438A - 自适应分配多级速率方法和多级速率自适应配置器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种自适应分配多级速率方法和多级速率自适应配置器，自适应分配多级速率方法包括：利用已知多优先级业务对多级速率的不同要求，灵活自适应配置出多级码率-调制对模式和多级速率复用模式。该多级速率自适应配置器包括：多码率编码单元、多级调制单元、复用单元、使用上述方法的自适应分配控制单元。本发明将星座图映射和多码率编码均灵活配置的多级传输技术与时分技术、频分技术或时频二位动态分配技术结合起来，能够为多优先级业务提供更灵活的多级速率分配方案，使各优先级业务更方便地得到所需的不同速率，且对单载波模式和多载波模式均适用。
Description
技术领域
本发明涉及数字信息传输技术领域，特别涉及一种普遍适合无线或有线通信系统单载波和多载波模式的自适应分配多级速率方法和多级速率自适应配置器。
背景技术
随着现代无线通信技术的飞速发展，不同用户的不同业务因为有着不同的信道条件和终端条件而对传输速率和业务质量有着不同的要求。为了满足不同的用户和不同接收设备的需求，而多级传输(Multilevel Transmission)正因为其自适应强和频谱利用率高等优点而被广泛应用。
多级传输是指把待传输的数据根据不同的重要性或者不同的内容分成不同的优先级，在发射端的编码调制过程中对各个优先级的数据进行区别处理，使得不同优先级的数据获得不同的差错保护，高优先级数据解码所需的解码门限较低，解码相对容易，例如适于移动接收；低优先级数据解码门限较高，解码相对复杂，例如适于固定接收。在接收端，用户根据收到信号的质量以及接收设备的处理能力，或者选择只解调高优先级数据，或者选择解调所有优先级数据。这样既保证了网络的基本覆盖，又能使某些信道条件好的用户获得更高的数据率，从而提高了系统整体的传输效率。多级传输技术有着广泛的应用范围，目前在一些标准中，如欧洲和日本的数字电视地面广播标准中都涉及到了多级传输技术。
数字调制用“星座图”来描述，星座图中定义了一种调制技术的两个基本参数：(1)信号分布；(2)星座点与调制数字比特之间的映射关系。星座图中规定了星座点与传输比特间的对应关系，这种关系称为“映射”，一种调制技术的特性可由信号分布和映射完全定义，即可由星座图来完全定义。虽然多级传输方案是基于星座图映射和不同码率编码的，以中国数字电视地面广播标准(Digital Television Terrestrial Multimedia Broadcast，DTMB)中64-QAM调制和LDPC0.4(7488，3048)和LDPC0.8(7488，6092)为例，参见图1和图2所示，如果高低优先级的LDPC码率分别选择0.4和0.8，64-QAM星座图高低优先级数据分别占用1bit和5bit，此时高低优先级码流的速率之比达到最大，净荷速率比最多相差不超过10倍；特别的，按照DTMB标准中符号速率7.56Mbps计算，其中高优先级数据的最低速率也高达2.4Mbps。而实际应用中高优先级的信息传输业务有时只有几百Kbps的速率，例如手持小屏幕设备接收的视频流速率仅为384Kbps，同时低优先级数据的速率可达19.2Mbps，例如HDTV(High Definition Television，高清数字电视)信号的传输，因此现有的多级传输方案已不能满足较高优先级的信息传输业务的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种普遍适合无线或有线通信系统单载波和多载波模式的自适应分配多级速率方法和多级速率自适应配置器，为了满足不同业务优先级数据传输速率巨大差别的需求，把前面提出的多级传输方案与复用方式结合起来，扩大提高应用范围，普遍适用于单载波模式和多载波模式。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种自适应分配多级速率方法，该方法包括步骤：
S1，获取多优先级业务数据流Dates及其不同速率要求；
S2，按照优先级及不同速率要求为Dates选取不同码率的编码模式和不同调制方式；
S3，选取传输Dates所采用的复用方式并分配该复用方式下的复用形式，使按所选取的编码模式、调制方式对Dates分别进行编码、调制后，按复用形式复用时所计算出的传输速率满足不同速率要求。
优选地，步骤S3中，所选取的复用方式为时分复用，以帧群为单位，每个帧群划分为若干帧片，每个帧片长短不同，包含不同个数的信号帧；
分配该复用方式下的复用形式为调整不同优先级的Dates所占的帧片长度。
优选地，步骤S3中，所选取的复用方式为频分复用，以频域正交频分复用OFDM块为单位，每个OFDM块划分为若干个载波段，每个载波段长短不同，包含不同个数子载波；
分配该复用方式下的复用形式为调整不同优先级的Dates所占的子载波个数。
优选地，步骤S3中，所选取的复用方式为时频二维动态分配复用，以结合频域正交频分复用OFDM块的帧群为单位，每个帧群划分为若干帧片，每个帧片长短不同，包含不同个数信号帧，同时每个OFDM块划分为若干个载波段，每个载波段长短不同，包含不同个数子载波；
分配该复用方式下的复用形式为调整不同优先级的Dates所占的帧片长度及子载波个数。
优选地，步骤S2中所选取的不同调制方式包括分级星座图映射和等级星座图映射调制方式。
本发明还提供了一种多级速率自适应配置器，该配置器包括：
输入单元，获取多优先级业务数据流Dates及其不同速率要求；
编码调制方式选取单元，用于按照优先级及不同速率要求为Dates选取不同码率的编码模式和不同调制方式；
复用方式选取单元，用于选取传输Dates所采用的复用方式并分配该复用方式下的复用形式，使按所选取的编码模式、调制方式对Dates分别进行编码、调制后，按复用形式复用时所计算出的传输速率满足不同速率要求。
优选地，该配置器还包括：
多码率编码单元，用于根据自适应分配控制单元所选用的不同码率的编码模式对Dates进行相应的信道编码；
多级调制单元，用于根据自适应分配控制单元所选用的不同调制方式对Dates进行相应的调制；
复用单元，用于根据自适应分配控制单元所选用的复用方式及该复用方式下的复用形式对Dates进行复用，使复用后Dates的数据传输形式满足不同速率要求。
优选地，所述多码率编码单元同时包括多个不同码率的编码子单元，所采用的编码方式包括LDPC码、RS码或卷积码。
优选地，多级调制单元同时包括分级调制单元和等级调制单元，用于分别对Dates进行相应的分级星座图映射或等级星座图映射。
优选地，所述分级调制单元结合星座图配置和优化非均匀映射因子满足Dates的优先级需求。
优选地，所述复用单元时分复用、频分复用或时频二维动态分配复用单元，用于分别对Dates进行时分复用、频分复用和时频二维动态分配复用，使复用后Dates的数据传输形式满足不同速率要求。
利用本发明提供的自适应分配多级速率方法和多级速率自适应配置器，具有以下优点：将多级调制和多码率编码均灵活配置的多级传输技术与时分技术、频分技术或时频二维动态分配技术结合起来的技术方案提供了更加灵活的自适应多级速率分配方案，能够使各优先级业务数据方便地得到所需的多级速率，成为一种高效和智能的方法，提高频谱利用率，节省系统资源。
附图说明
图1为现有技术中DTMB标准系统发送端的结构示意图
图2为现有技术中DTMB标准系统接收端结构示意图；
图3为本发明自适应分配多级速率方法的流程图；
图4为本发明实施例中用于DTMB系统的多级速率自适应配置器的结构示意图；
图5为本发明实施例中时分复用码流分配示意图；
图6为本发明实施例中应用自适应分配多级速率方法的DTMB系统发射结构示意图；
图7为本发明实施例中16-QAM在非均匀映射因子为1下两级分级传输与不分级传输的性能比较曲线图；
图8为本发明实施例加性白色高斯噪声AWGN信道下的误符号率性能曲线图。
具体实施方式
本发明提出的自适应分配多级速率(Adaptive Assign Multilevel Rate，AAMR)方法和多级速率自适应配置器(Adaptive Multilevel Rate Collocation，AMRC)，结合附图和实施例说明如下。
为了能够满足不同业务优先级数据传输速率巨大差别的需求，本发明把现有技术中提出的多级传输方案与复用方式结合起来，例如时分复用方式、频分复用方式和时频二维的动态分配方式；其中，已有专利提出时频二维的动态分配技术，用于把输入的多媒体节目码流分配到时域同步正交频分复用TDS-OFDM(Time Domain Synchronous Orthogonal Frequency-Division-Multiplex)相应的信号帧和正交频分复用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)子载波位置上，参见申请号为“200410009722.X”、名称为“用于TDS-OFDM系统传输多个多媒体节目的方法”的中国发明专利。本发明将多级调制技术和多码率编码均灵活配置的多级传输技术与时分技术、频分技术或时频二维动态分配技术结合起来的技术方案提供了更加灵活的自适应多级速率分配方案，能够使各优先级业务数据方便地得到所需的多级速率，成为一种高效和智能的方法，提高频谱利用率，节省系统资源。
本发明所提供的自适应分配多级速率方法和多级速率自适应配置器，在有线或无线系统发送端，所提出的方法利用已知多优先级业务数据流Dates对多级速率的不同要求(即不同速率要求)，灵活自适应配置出多级码率-调制对模式和多级速率复用模式，如图3所示，本发明提出的自适应分配多级速率方法包括步骤：
S1，获取多优先级业务数据流Dates及其不同速率要求；
S2，按照优先级及不同速率要求为Dates选取不同码率的编码模式和不同调制方式；
S3，选取传输Dates所采用的复用方式并分配该复用方式下的复用形式，使按所选取的编码模式、调制方式对Dates分别进行编码、调制后，按复用形式复用时所计算出的传输速率满足不同速率要求。
其中步骤S2为对Dates进行多级编码、多级调制方案分配的步骤，对不同优先级的Dates形成多级码率-调制对，关于如何根据多优先级业务数据流Dates选取不同码率的编码模式、及如何根据优先级及不同速率要求选取Dates的不同调制方式，现有技术中也有涉及，这里再详述。而关于步骤S3，可以选取现有的复用方式中的时分复用、频分复用或时频二维动态分配复用中任一种方式，在选用了复用方式后，也就决定了Dates的数据传输形式，如采用时分传输形式、频分传输形式还是时频二维动态分配，而如何达到多优先级业务数据流Dates的不同速率要求，配置出不同优先级Dates传输时的多级速率，还需要通过分配该复用方式下的复用形式来实现。
优选在步骤S2中将多优先级业务数据流分别按照不同优先级和不同速率要求判别选取分级星座图映射调制方式或等级星座图映射调制方式；
若步骤S3中，所选用的复用方式为用时分复用方式时，决定了数据传输形式为：以帧群为单位，每个帧群划分为若干帧片，每个帧片长短不同，包含不同个数的信号帧；利用已知多优先级业务数据流的不同速率要求，将不同的帧片的不同调制优先级位置传输不同优先级业务数据流，通过设置Dates所占的每个帧片的长度灵活自适应配置出多优先级业务要求的多级速率。
若步骤S3中，所选用的复用方式为用频分复用方式时，决定了数据传输形式为：以频域OFDM块为单位，每个OFDM块划分为若干载波段，每个载波段长短不同，包含不同个数子载波；利用已知多优先级业务的不同速率要求，将不同的载波段的不同调制优先级位置传输不同优先级业务数据流，然后通过设置每个载波段的个数灵活自适应配置出多优先级业务要求的多级速率。
若步骤S3中，所选用的复用方式为时频二维动态分配复用方式时，定了数据传输形式为：以结合频域OFDM块的帧群为单位，每个帧群划分为若干帧片，每个帧片长短不同，包含不同个数信号帧，同时每个OFDM块划分为若干载波段，每个载波段长短不同，包含不同个数子载波；利用已知多优先级业务的不同速率要求，将不同的载波段的不同调制优先级位置传输不同优先级业务数据流，然后通过设置每个帧片和每个载波段的个数灵活自适应配置出多优先级业务要求的多级速率。
本发明还提出了一种使用上述自适应分配多级速率方法的多级速率自适应配置器，如图4所示，该配置器包括：
自适应分配控制单元101，具体包括：输入单元，获取多优先级业务数据流Dates及其不同速率要求；编码调制方式选取单元，用于按照优先级及不同速率要求为Dates选取不同码率的编码模式和不同调制方式；复用方式选取单元，用于选取传输Dates所采用的复用方式并分配该复用方式下的复用形式，使按所选取的编码模式、调制方式对Dates分别进行编码、调制后，按复用形式复用时所计算出的传输速率满足不同速率要求。
自适应分配控制单元101用于根据多优先级业务数据流Dates的不同优先级及其不同速率要求，使用上面提出的方法联合优化选取满足不同速率要求时Dates所采用的不同码率的编码模式、不同调制方式、复用方式并分配该复用方式下的数据复用形式，进而得到对不同优先级Dates所采用的由不同码率的编码模式、不同调制方式确定的多级码率-调制对模式，和由所采用的复用方式及该复用方式下复用形式确定的多级速率复用模式，将所述多级码率-调制对模式传送给多码率编码单元102和多级调制单元103，将多级速率复用模式传送给复用单元104；
多码率编码单元102，包括多个不同码率的编码子单元，且根据系统要求调节所述编码方式和编码码率，如LDPC码、RS码、卷积码等，利用接收到的由所述自适应分配控制单元101传送的多级码率-调制对模式对多优先级业务数据流分别进行相应的自适应码率的信道编码
多级调制单元103，优选但不限于包括分级调制单元和等级调制单元，利用接收到的由所述自适应分配控制单元101传送的多级码率-调制对模式对多优先级业务数据流分别进行相应的分级星座图映射或等级星座图映射调制；
复用单元，利用接收到的由所述自适应分配控制单元传送的多级速率复用模式对多优先级业务数据流进行复用，使复用后多优先级业务数据流的数据传输形式满足不同速率要求。
所述的多级速率自适应配置器，所述多码率编码单元同时包括但不限于多个不同码率的编码单元，且根据系统要求调节所述编码方式和编码码率，如LDPC码、RS码、卷积码等。
所述的多级速率自适应配置器，所述多级调制单元同时包括但不限于分级调制单元和等级调制单元，且根据系统要求调节星座图映射方式，如QAM、PSK调制等。
所述多级调制单元103包括的所述分级调制单元结合星座图配置和优化非均匀映射因子满足多业务优先级的需求。
所述自适应分配控制单元101同时调节星座图映射和多码率编码，灵活配制出所述编码方式和所述调制方式的组合，即所述多级码率-调制对模式。
所述自适应分配控制单元利用多优先级业务对速率的不同要求调节所述多级速率复用模式中的数据传输形式，包括但不限于时分复用、频分复用或时频二位动态分配复用。
本发明提出的多级速率自适应配置器，普遍适用于单载波模式和多载波模式。
实施例
本实施例提供了一种用于DTMB(数字电视地面多媒体广播)系统中的多级速率自适应配置器，如图4所示，所述多级速率自适应配置器包括：多码率编码单元101、多级调制单元102、复用单元103、自适应分配控制单元104；其中，在本实施例中，设定选取高低优先级两个业务，高优先级业务为移动多媒体业务，数据流传输速率要求达到384Kbps，同时低优先级业务为HDTV(High Definition Television)业务，数据流传输速率要求达到19.2Mbps，调制方式选择可以提供两级分级调制的16-QAM(Quadrature Amplitude Modulation)，设定采用DTMB系统分组编码LDPC0.4(7488，3048)和LDPC0.8(7488，6096)，且设定采用DTMB系统每个帧群包含225个信号帧，其中，第1个信号帧是控制帧。
多码率编码单元101，用于对移动多媒体业务和HDTV业务数据流进行自适应的信道编码；在本发明实施例中，包括2个码率的编码单元，即LDPC0.4(7488，3048)和LDPC0.8(7488，6096)分组编码，接收到由自适应分配控制单元104传送的多级码率-调制对模式后，对移动多媒体业务数据流进行低速率的LDPC0.4(7488，3048)信道编码，对HDTV业务数据流进行高速率的LDPC0.8(7488，6096)信道编码；然后传送给多级调制单元102；
多级调制单元102，用于对移动多媒体业务和HDTV业务数据流进行自适应的分级星座图映射或等级星座图映射；在本发明实施例中，包括16-QAM两级分级调制单元和16-QAM等级调制单元，接收到由自适应分配控制单元104传送的多级码率-调制对模式后，对移动多媒体业务数据流进行16-QAM两级星座图中的高位比特映射，对部分等长度的HDTV业务数据流进行16-QAM两级星座图中的低位比特映射，并以非均匀映射因子为1组合在一起，对其余部分的HDTV业务数据流进行16-QAM均匀映射；然后传送给复用单元103；
复用单元103，用于对移动多媒体业务和HDTV业务数据流进行复用，选取时分复用方式，如图4所示，在本发明实施例中，除去1个控制帧，接收自适应分配控制单元104传送的复用方式及复用形式后，224个信号帧中，前20个信号帧复接成短帧片传输组合有移动多媒体业务和HDTV业务数据流的16-QAM两级分级调制数据，其余204个信号帧复接成长帧片传输16-QAM等级调制的HDTV业务数据，之后控制帧、短帧片和长帧片复接成帧群；
自适应分配控制单元104，用于利用移动多媒体业务和HDTV业务对速率的不同要求联合优化选取最佳多级码率-调制对模式和多级速率复用模式，包括多级码率-调制对模式选择单元和多级速率复用模式选择单元，将最佳多级码率-调制对模式，即LDPC0.4(7488，3048)和16-QAM两级分级调制模式传送给多码率编码单元101和多级调制单元102，将依然如图5所示的时分复用方式传送给复用单元103。
利用本实施例提供的自适应分配控制单元104，本实施例还提供了包含一种自适应分配多级速率方法的DTMB系统，如图6所示，所述方法具体包括以下步骤：
A1.将移动多媒体业务数据和HDTV业务数据分别进行信道编码，其中高优先级的移动多媒体业务数据采用LDPC0.4(7488，3048)，低优先级的HDTV业务数据采用0.8码率的LDPC码；
A2.将移动多媒体业务数据流进行16-QAM两级星座图中的高位比特映射，对部分等长度的HDTV业务数据流进行16-QAM两级星座图中的低位比特映射，并以非均匀映射因子为1组合在一起，对其余部分的HDTV业务数据流进行16-QAM均匀映射；
A3.将组合有移动多媒体业务和HDTV业务数据流的16-QAM两级分级调制数据进行OFDM调制和插入帧头PN序列形成信号帧，然后20个信号帧复接成短帧片，同时，将16-QAM等级调制的HDTV业务数据进行OFDM调制和插入PN序列形成信号帧，然后204个信号帧复接成长帧片；
A4.将控制帧、短帧片和长帧片复接成帧群，最后再经成型滤波、上变频和功放，通过预设的频道带宽发射出去。
基于上述描述，对本发明所提出的一种多级速率自适应配置器和自适应分配多级速率方法进行了计算机仿真，主要仿真参数如表1所示：信号速率为7.56Mbps，OFDM数据子载波数为3800，伪随机序列(Pseudo-random Noise Sequence，PN)为PN420模式，2种块长为7488的LDPC码率：分别为LDPC0.4(7488，3048)和LDPC0.8(7488，6096)，调制方式为16-QAM，本发明实施例仿真中所用的信道为AWGN信道，误码率要求为BER＝10-6，图6表示16-QAM在非均匀映射因子为1下两级分级传输与不分级传输的性能比较曲线图。
表1仿真参数
本发明实施例在AWGN信道下的系统误符号率性能曲线如图7所示。比较图7和图8可以看出，移动多媒体业务数据和HDTV业务数据的解码门限分别为3.9dB和12.2dB，相对于不使用时分复用方式的DTMB系统的性能基本一致，此外，高优先级的移动多媒体业务净荷速率达到481kbps，低优先级的HDTV业务净荷速率达到20.1Mbps，这样能比单独采用时分复用方式更充分地利用广播系统的传输能力，提高了整体的传输效率。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (11)
1.自适应分配多级速率方法，其特征在于，该方法包括步骤：
S1，获取多优先级业务数据流Dates及其不同速率要求；
S2，按照优先级及不同速率要求为Dates选取不同码率的编码模式和不同调制方式；
S3，选取传输Dates所采用的复用方式并分配该复用方式下的复用形式，使按所选取的编码模式、调制方式对Dates分别进行编码、调制后，按复用形式复用时所计算出的传输速率满足不同速率要求。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
步骤S3中，所选取的复用方式为时分复用，以帧群为单位，每个帧群划分为若干帧片，每个帧片长短不同，包含不同个数的信号帧；
分配该复用方式下的复用形式为调整不同优先级的Dates所占的帧片长度。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
步骤S3中，所选取的复用方式为频分复用，以频域正交频分复用OFDM块为单位，每个OFDM块划分为若干个载波段，每个载波段长短不同，包含不同个数子载波；
分配该复用方式下的复用形式为调整不同优先级的Dates所占的子载波个数。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
步骤S3中，所选取的复用方式为时频二维动态分配复用，以结合频域正交频分复用OFDM块的帧群为单位，每个帧群划分为若干帧片，每个帧片长短不同，包含不同个数信号帧，同时每个OFDM块划分为若干个载波段，每个载波段长短不同，包含不同个数子载波；
分配该复用方式下的复用形式为调整不同优先级的Dates所占的帧片长度及子载波个数。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中所选取的不同调制方式包括分级星座图映射和等级星座图映射调制方式。
6.一种多级速率自适应配置器，其特征在于，该配置器包括：
输入单元，获取多优先级业务数据流Dates及其不同速率要求；
编码调制方式选取单元，用于按照优先级及不同速率要求为Dates选取不同码率的编码模式和不同调制方式；
复用方式选取单元，用于选取传输Dates所采用的复用方式并分配该复用方式下的复用形式，使按所选取的编码模式、调制方式对Dates分别进行编码、调制后，按复用形式复用时所计算出的传输速率满足不同速率要求。
7.如权利要求6所述的多级速率自适应配置器，其特征在于，该配置器还包括：
多码率编码单元，用于根据自适应分配控制单元所选用的不同码率的编码模式对Dates进行相应的信道编码；
多级调制单元，用于根据自适应分配控制单元所选用的不同调制方式对Dates进行相应的调制；
复用单元，用于根据自适应分配控制单元所选用的复用方式及该复用方式下的复用形式对Dates进行复用，使复用后Dates的数据传输形式满足不同速率要求。
8.如权利要求7所述的多级速率自适应配置器，其特征在于，
所述多码率编码单元同时包括多个不同码率的编码子单元，所采用的编码方式包括LDPC码、RS码或卷积码。
9.如权利要求7所述的多级速率自适应配置器，其特征在于，多级调制单元同时包括分级调制单元和等级调制单元，用于分别对Dates进行相应的分级星座图映射或等级星座图映射。
10.如权利要求9所述的多级速率自适应配置器，其特征在于，所述分级调制单元结合星座图配置和优化非均匀映射因子满足Dates的优先级需求。
11.如权利要求7所述的多级速率自适应配置器，其特征在于，所述复用单元时分复用、频分复用或时频二维动态分配复用单元，用于分别对Dates进行时分复用、频分复用和时频二维动态分配复用，使复用后Dates的数据传输形式满足不同速率要求。
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