CN102123000B - 一种数字地面电视广播系统双向化平滑升级方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种数字地面电视广播系统双向化平滑升级方法，该方法将数字地面电视广播系统平滑升级为双向化无线广播通信融合的系统。所述的方法具体步骤为：首先，对于物理传输层，增加无线上行回传信道，基站侧采用基于软件无线电技术的若干模式的无线宽带回传策略并在基站侧增加回传信号接收模块实现；终端侧增加的上行回传通道与原广播系统的下行信道可用频分双工方式FDD或时分双工TDD方式，采用FDD时，回传信道可利用频率规划和时空差异形成的空闲FM/VHF/UHF广播频段和免授权频段及模拟/数字转换时期形成的空闲广播电视频段，通过在双向化终端侧增加回传信号发送模块实现；然后，对于媒体接入控制层，交互业务在媒体接入控制MAC和广播复用MUX层融合。

Description

一种数字地面电视广播系统双向化平滑升级方法

技术领域

本发明涉及地面数字电视和地面无线宽带技术领域，特别针对地面电视网双向化与无线宽带接入融合技术，具体涉及一种数字地面电视广播系统双向化平滑升级方法。 

背景技术

数字电视广播主要通过卫星、有线电视及地面无线等三种传输方式实现。地面无线广播以其独具的简单接收和移动接收的能力，能够满足现代信息化社会人们随时随地对于信息的需求。本发明所述数字地面电视包括包含面向固定接收机顶盒和面向移动接收的车载以及手持终端，以地面无线方式实现的地面移动多媒体广播系统或数字地面电视系统。 

目前，国外形成了三大地面数字电视广播传输标准，即美国的ATSC标准、欧洲的DVB-T标准、日本的ISDB-T标准。 

自1996年中国开展地面数字电视的研究，并于2006年8月制定了国家地面数字电视广播标准DTTB，该标准既参考了清华大学基于多载波的地面数字电视方案DMB-T，同时也融合了上海交大ADTB-T方案中的单载波技术。 

国内针对广播制式的手持电视主要有广电总局推出的移动多媒体广播标准CMMB。中国移动多媒体广播标准CMMB是基于OFDM技术的地面传输解决方案，在传输层同时参考了DVB-T和DAB/T-DMB，规定了工作带宽为8MHz和2MHz两种模式，分别采用8MHz-4K和2MHz-1K子载波OFDM+BPSK/QPSK/16QAM调制方式，循环保护前缀统一为1/8OFDM符号长，信道编码采用RS和LDPC联合方案，8MHz模式下可提供最高达16Mbps的信道传输容量。 

随着业务融合不断地深入，传统单向电视广播业务已不能满足用户的需求。交互电视ITV(Interactive TV)系统，又称互动电视，为大家所期待。通过有线数字电视广播方式提供互动电视业务已经随着三网融合的实施而铺开，以地面无线广播方式提供互动电视业务则并不多见，大都采用借助移动通信网络的方式提供回传信道，这种方式需要很长的连接时间。目前只有欧洲制定了双向地面数字电视标准DVB-RCT。 

全国信息技术标准化技术委员会2006年9月正式立项制定基于“广播”、“通信” 和“无线宽带接入”三网融合的宽带无线多媒体(Broadband Wireless Multimedia，BWM)标准。BWM网络是一个融合移动电视网络和宽带无线接入网络技术特征的新型宽带无线移动网络。在无线接入网络架构方面，BWM网络充分考虑了移动电视网络和宽带无线接入网络的组网特征，既支持传统广播电视网络的大基站覆盖的大区模式，又支持以蜂窝组网为特征的全小基站覆盖的小区模式。 

相对模拟电视而言，地面数字电视具有更高的频谱利用率。随着模拟电视广播向数字电视转换，原来广播电视频段如果全部用来提供电视广播业务，将使节目数量成倍增加，或只需使用原来所占频段的一半以下即可提供同样多的电视广播节目，那么就会空闲出一些频段资源。而与此同时，各种无线宽带通信技术发展使得可用频段越来越难以安排，继续往高频如3GHz/5GHz发展并不适合地面传输覆盖，而适合地面传播覆盖的频段如VHF/UHF频段大部分用于广播电视业务和2G通信。WiMAX一直寻求分享3G的TDD频段资源。世界上第一个利用感知无线电的无线通信系统标准IEEE 802.22，通过感知动态利用UHF频段中空闲广播电视频段来实现固定无线区域网络。对于传统地面电视的优质空闲频段，无线宽带通信行业迫切的希望得到并且使用，但电视行业模拟/数字转换各国进度不平衡，还将要持续并存多年才能完成。电视系统基本均以6/7/8MHz为带宽划分频道，对于宽带通信行业的高达20MHz甚至更高的工作频段宽度则需要使用多个空闲的连续电视频段，这样也降低了可用机会。另外，只将传统电视频带重新划分为宽带无线通信频段所用，并不能实现地面无线广播与宽带通信融合发展的目标。交互宽带通信业务应与数字广播业务一样具有提供普及性公众服务，消除“数字鸿沟”，以低成本保障大众的信息知情权、信息选择权和表达权，是信息化社会可均衡持续发展的必然需求。无线宽带行业4G概念如IMT-ADVANCED计划将无线宽带通信系统融合支持广播功能纳入考虑范围。 

如果能够通过充分的利用现有资源和先进技术，将单向移动多媒体广播系统平滑演进升级改造为宽带无线广播通信融合网络，不仅能够提供无线回传信道以实现实时关联的交互业务，同时也是提高电视频段频谱利用的新思路。 

广播与通信系统的融合是未来无线通信系统的发展方向。单向传输的广播系统和双向传输的通信系统存在各自的优缺点。广播系统的单向传输特性使得广播系统只能支持点对多点的单向业务。基于蜂窝的通信系统虽然能提供双向业务，但是其微蜂窝结构和单播发送方式存在分发效率低的缺点。广播与无线宽带通信的在传输层上融合既能发挥现代数字广播系统频谱资源丰富和频谱资源利用率高的特点，又能结合利用现在宽带通信系统的回传技术优势，为广播系统提供灵活可靠的交互回传路径，以较低成本提供无线宽带接入功能，支持上下行带宽需求差别较大的非对称交互通信和广播混合业务。 

发明内容

本发明目的在于，融合将无线宽带通信与地面电视/多媒体广播融合，既发挥广播系统频谱资源丰富和数据内容下行分发效率高的特点，又利用通信系统的双向传输的优势，为广播系统提供灵活可靠的回传路径，同时低成本支持非对称业务的宽带无线接入，并使现有广播终端在双向化系统中能不用升级改造即可使用原有广播业务或或简单升级即可使用交互广播业务，提供一种数字地面电视广播系统双向化平滑升级方法。 

为了上述目的，本发明的一种数字地面电视广播系统双向化平滑升级方法，该方法用于将数字地面电视广播系统平滑升级为双向化广播通信融合的系统，所述的方法具体步骤为： 

首先，对于物理传输层，增加无线上行回传信道，基站侧采用基于软件无线电技术的若干模式的无线宽带回传策略并在基站侧增加回传信号接收模块实现；终端侧增加的上行回传通道利用频率规划和时空差异形成的空闲FM/VHF/UHF广播频段和免授权频段及模拟/数字转换时期形成的空闲广播电视频段，通过在双向化终端侧增加回传信号发送模块实现； 

然后，对于媒体接入控制层，交互业务在媒体接入控制MAC和广播复用MUX层融合，具体为在媒体接入控制层，双向化系统的媒体接入控制层(MAC)/MUX层参照现有宽带通信系统和地面电视/多媒体广播系统的MUX层进行融合，具有完备数据成帧、网络接入以及带宽分配功能，MAC层/MUX层将基于IP的双向业务下行数据和全网单向广播数据分别在相应的信道时隙上通过物理层基带调制和无线射频发射传送到终端； 

其中，所述的物理信道传输层，下行前向通道沿用兼容现行数字地面电视/多媒体广播技术的传输方式，单向广播业务和双向业务下行数据在下行通道采用时分复用方式，单向广播业务与双向交互业务分别占用独立时隙，使传统数字电视或多媒体广播接收终端可以不受系统双向化升级影响而继续接收相应广播时隙的业务；所述的基站侧的回传信号接收基于软件无线电平台技术，该回传信号接收模块包括：射频接收子模块、数字中频子模块和基带处理子模块；所述的射频子模块负责选择接收放大回传信道无线信号并下变频到中频，数字中频子模块负责将中频模拟信号数字化转换并数字降频提取基带信号，基带子模块负责信号同步、解调解码恢复发 端数据信息。所述的终端侧的回传信号发送模块包含：信道编码保护子模块、基带调制子模块和无线射频发送子模块。 

上述技术方案，所述的双向化系统对CMMB实施方式的下行方向的超帧结构为：超帧时长为1s，分成40个时隙，每个时隙25ms，广播和宽带交互划分以25ms时隙为单位，且限定连续配置的广播时隙为3个以下；每个超帧的第一个时隙限定为双向化广播系统的配置时隙。 

上述技术方案，所述的物理层的回传信道能采用：以200KHz带宽划分信道，并采用基带处理技术兼容GSM/GRPS/EDGE上行信号的无线宽带回传策略；所述的200KHz的无线宽带回传策略为：以200KHz带宽为基本单位划分使用频段用于回传，并采用频分双工FDD方式工作。所述的FDD方式采用适合地面传输的碎片空闲频段，基带兼容GSM/GPRS/EDGE上行信号方式，并采用按需分配的时分多址TDMA结合频分复用接入。 

上述技术方案所述的，所述的物理层的上行回传信道能采用：以1MHz/1.6MHz/1.75MHz/2MHz或适用的电视频道带宽划分信道的无线宽带上行回传策略；所述的上行回传策略为：以1MHz、1.6MHz、1.75MHz、2MHz或电视频道带宽划分信道的无线回传模式，并采用FDD、TDD或TDD+FDD混合方式的双工方式。所述的2MHz回传信道的针对CMMB系统实施方式的上下行信道的FDD的帧结构如下所示：上下行都将自然秒划分为40个时隙，每个时隙25ms，下行沿用CMMB广播信道，其中广播业务和交互业务分别占用不同的25ms下行时隙中，上行回传信道采用2MHz划分信道带宽，用于传输交互上行业务数据。 

所述的2MHz回传信道采用SC-FDE调制时，针对8MHz模式CMMB系统实施方式的上下行信道的TDD的宽带交互时隙帧结构如下所示：每秒划分成的40个25ms时隙中，通过时隙1广播系统配置，将若干时隙配置为广播时隙，剩余的所有时隙配置为交互业务时隙； 

其中，所述的广播时隙沿用8MHz CMMB广播信道下行方式，每个交互业务时隙头部广播前导和下行上行配置信息，指示下行交互各子业务划分、下行和上行转换时间点、各个2MHz回传信道的测距接入及各个上行子业务的时间窗口；所述的交互时隙上行回传时将8MHz可用频宽划分4个2MHz信道并行用于回传。 

所述的2MHz回传信道用SC-FDE调制时，针对2MHz模式CMMB系统实施方式的的上下行信道的TDD的宽带交互时隙帧结构为：每秒划分成的40个25ms时系中，通过时隙1广播系统配置，将不包含时隙1的若干时隙配置为广播时隙，剩余的所有时隙配置为交互业务时隙； 

其中，所述的广播时隙沿用2MHz CMMB广播信道下行方式，每个交互业务时隙头部广播前导和下行上行配置信息，指示下行交互各子业务划分、下行上行转换时间点、测距接入及各个上行子业务地时间窗口。 

上述技术方案，所述的采用TDD+FDD混合双工方式时，位于基站覆盖中心区的终端选择TDD方式，位于覆盖边缘区的终端选用FDD方式，采用TDMA多址接入。 

所述的上行回传信道的信号能采用单载波频域处理技术，该单载波技术包含：单载波频域均衡SC-FDE、通用多载波GMC和单载波-频分多址SC-FDMA，支持BPSK/QPSK/8PSK/16QAM/64QAM符号映射；所述的上行回传信道的信号能采用正交频分复用OFDM处理技术，支持BPSK/QPSK/8PSK/16QAM/64QAM符号映射。 

上述技术方案，所述的基站侧支持若干模式的无线宽带回传策略，具体包括： 

(1)以200KHz带宽为基本单位划分使用频段的回传方式，(2)以1MHz/1.6MHz/1.75MHz/2MHz或适用的电视频道带宽为基本单位划分使用频段的回传模式。 

本发明优点：可以对现有数字电视(或多媒体)广播系统双向化升级的同时保护现有数字广播终端投资，现有终端不用升级依然可以接收数字广播业务或经过简单的低成本升级即可支持双向宽带交互业务，同时双向化系统实现了广播、交互广播和即时双向宽带业务的融合传输，利用广播基站大覆盖和中小城市和郊区乡村高楼少回传信道条件好特点，通过单一系统实现低成本提供广播和双向通信融合服务目的。 

本发明的方法可为城郊乡村和中小城市利用地面广播电视网逐步双向化升级改造提供高效适用的低成本无线宽带广播通信融合网络基础设施，同时改造后系统可继续兼容支持原有数字广播电视终端，不会中断广播电视服务。 

附图说明

图1本发明提出的移动多媒体广播双向化网络体系架构； 

图2本发明提出的双向化系统的下行超帧结构(以CMMB为例)； 

图3本发明提出的移动多媒体广播双向化系统FDD帧结构； 

图4本发明提出的双向化系统宽带交互时隙帧结构(TDD，8MHz模式)； 

图5本发明提出的双向化系统宽带交互时隙帧结构(TDD，2MHz模式)； 

图6本发明提出的上行子突发格式； 

图7本发明提出的移动多媒体广播双向化系统协议栈架构，其中OFDM下 行，SC-FDE上行。 

具体实施方式

下面结合附图针对本发明的内容进行详细描述。 

本发明设计了地面电视双向化系统架构，采用软件无线电技术，设计了多种无线回传方式和物理信道结构，包括兼容GSM/GPRS/EDGE上行基带200KHz带宽划分信道的回传方法，及采用单载波频域处理(包括SC-FDE/SC-FDMA/GMC)或正交频分复用OFDM技术的1MHz/1.6MHz/1.75MHz/2MHz和电视频道带宽划分信道的回传方法，设计了广播通信融合MAC协议结构和采用改造宽带通信MAC协议实现融合的方法。 

主要内容包括：系统架构设计，物理层设计和融合MAC/MUX设计。详细设计思想和方法通过具体实施示例说明。 

本发明在信道传输层，下行前向广播业务通道沿用兼容现行数字地面电视/多媒体广播技术的传输方式，保护原有单向数字电视终端接收不受影响。在原有地面数字电视广播系统中增加无线回传功能，通过在数字电视终端增加无线回传发送模块和基站侧增加无线回传接收模块，实现无线宽带回传功能。无线回传信道在具有空闲频段可用于回传时(如利用空闲FM/VHF/UHF广播频段和模拟电视向数字电视转换形成的广播电视频段空白频谱片段或免授权频段)，使用频分双工FDD方式和非对称带宽成对频段构建双向传输系统，无法获得空闲可用回传频段时，采用原数字电视系统的广播频段，以时分双工TDD方式构建双向传输系统。基站侧无线回传接收处理模块采用软件无线电技术，支持多种无线回传方式，包括：1)以200KHz带宽划分信道的无线回传模式。采用频分双工FDD或时分双工TDD方式，按需分配的时分多址接入TDMA，基带兼容GSM/GPRS/EDGE上行方式；2)以1MHz、1.6MHz、1.75MHz、2MHz或电视频道带宽划分信道的无线回传模式。双工方式采用FDD或TDD或TDD+FDD混合方式，采用TDD+FDD混合双工方式时，位于基站覆盖中心区的终端选择TDD方式，位于覆盖边缘区的终端选用FDD方式，采用TDMA多址接入，无线回传信号采用单载波频域处理技术(如单载波频域均衡SC-FDE、通用多载波GMC、单载波-频分多址SC-FDMA)上行回传或采用兼容现在流行无线广播或通信系统技术的正交频分复用OFDM技术。在媒体接入控制MAC层/广播复用MUX层，实现广播业务和双向化业务融合。双向化系统的媒体接入控制层(MAC)/MUX层参照现有宽带通信系统如DOCSIS的MAC层和地面电视/多媒体广播系统(如CMMB)的MUX层进行融合，具有完备数据成帧、网络接入以及带宽 分配等功能。MAC/MUX层之上的应用层包括两大部分业务，第一部分为广播业务，包括音视频广播、数据广播和电子业务指南；第二部分包括internet数据及交互广播等其它双向业务，非广播的双向业务通过IP封装。MAC层/MUX层将基于IP的双向业务下行数据和全网单向广播数据分别在相应的信道时隙上通过物理层基带调制和无线射频发射传送到终端。 

下面以CMMB的双向化为实施例只是上述发明方法的一种具体实时方式。采用本发明思想和方法也可用于其他数字地面电视或数字多媒体广播系统与无线通信融合实现双向化，同样属于本发明专利保护范围。 

双向化系统架构 

移动多媒体广播CMMB双向化系统在已有的移动多媒体广播单向系统CMMB的基础上，通过在前端系统和终端设备增加支持回传和双向交互业务的子系统而构建。双向化系统设计遵循下行兼容移动多媒体广播系统的物理层的原则，同时由于移动多媒体广播单向系统的MAC层/复用层只有简单的多业务广播复用功能，因此参照宽带无线通信系统的MAC层进行改造设计，以支持广播和交互业务。 

设计的移动多媒体广播双向化网络体系架构如图1所示，其中广播和数据业务由相同基站提供，广播和数据业务的功率等级一致，支持最大小区半径为10/30/60km三种。 

双向化网络体系架构主要由基站、连网服务器、宽带接入网关、媒体服务器、资源调度中心以及用户数据库组成。 

(1)基站包含空中接口物理层、MAC层功能，完成广播下发和数据收发，业务映射、会聚，用户终端SS功率控制功能，网络接入和初始化等功能。 

(2)连接服务器负责IP配置和AAA认证。 

(3)宽带接入网关负责宽带接入、资源控制以及路由管理等。 

(4)媒体服务器负责提供广播业务以及点播业务等媒体信号。 

(5)资源调度中心负责广播和数据业务的资源调度、内容分发以及路由优化。 

(6)用户数据库包含用户入网数据以及业务定制信息。 

广播和通信业务物理传输层融合方法 

移动多媒体广播双向化系统中广播和宽带交互下行采用时分复用的方式，这种复用结构有利于广播业务和宽带无线接入业务的独立运营，也能够最大程度上兼容现有的移动多媒体广播系统。 

为了能够灵活配置广播和宽带交互时分复用关系，以CMMB系统双向化为例，设计双向化系统的超帧结构如图2所示。超帧时长为1s，分成40个时隙，每个时隙25ms。广播和宽带交互划分以25ms时隙为单位，为使交互业务具有良好的实时性， 限定连续配置的广播时隙不超过3个。每个超帧的第一个时隙限定为双向化广播系统的配置时隙，该广播时隙广播本双向化广播网系统配置信息，其中包含当前超帧内广播业务、其他频点的双向化广播频道指示、扩展的宽带交互业务的时隙配置信息。某一广播节目安排到超帧的指定位置后，其在每个超帧中将保持相同的位置直到下一次广播和宽带交互业务资源调度重新划分。由于只在超帧的第一个时隙下发超帧内广播和宽带交互业务时隙划分信息，对于传统的移动多媒体广播接收终端而言，需要等到下一个超帧的第一个时隙，方能开始接收系统信息和接收媒体广播；对于双向化系统终端而言，为了避免等待下一帧超帧到来而造成网络接入延迟，设计每个宽带交互业务时隙包含下一个宽带交互业务时隙的指示信息，双向化系统终端在搜索超帧开始广播时隙失败时，将尝试搜索宽带交互时隙，当其成功搜索到一个宽带交互时隙后，可以通过下一宽带交互时隙信息逐步获知随后的宽带交互时隙，使得终端不需要等到下一超帧到来，便可进行宽带交互接入，从而加速网络接入过程，避免长时间持续网络搜索操作，降低了终端功耗。这种超帧结构具有两个优点：(1)广播和数据业务时隙可以灵活配置，并可动态变更，变更的时间粒度为1s；(2)这种超帧设计使得已有的移动多媒体广播接收终端可继续接收双向化系统中的广播，具有后向兼容能力。 

在广播时隙中，采用单频网的方式传送，即所有基站在同一时间在同一频率以相同的编码调制方式发送广播视频内容。在广播时隙中，系统物理层兼容移动多媒体广播CMMB物理层，但在系统配置信息中增加扩展的交互数据业务时隙划分信息。 

物理层上行回传方向在基站侧采用软件无线电技术，支持多种回传方式。为兼容现有多种广播电视和通信体制的频道划分方式，至少支持200KHz和1MHz/1.6MHz/1.75MHz/2MHz和适用的电视频道带宽(如8MHz)等多种回传信道带宽，支持多种流行通信广播体制的上行回传调制方式。 

200KHz带宽划分便于兼容FM和二代通信系统GSM的频道划分，同时利用PC和现有智能终端CPU的处理能力实现回传信号发送基带处理。200KHz带宽回传方式下，可利用广大中小市镇地区大量空闲调频广播FM频段和免授权频段，以FDD双工方式与现有地面广播系统构成双向化系统。200KHz回传方式采用兼容GSM/GPRS/EDGE基带的上行技术，按需分配的时分多址TDMA结合频分多址接入方式，适合用于构建CMMB(或地面电视国标/DAB和DVB-TH/T2系统)的回传通道。利用现有的地面数字电视广播和兼容GSM/GPRS/EDGE的上行回传技术时，可实现数字地面电视广播与GSM/GPRS/EDGE两种成熟技术的融合。最低配置下使用一个200KHz带宽信道回传双向系统即可工作，适合大带宽下行和小带宽上行交互 业务。随业务扩大，下行和上行信道数可以逐步增加。 

1MHz、1.6MHz、1.75MHz、2MHz或电视频道带宽(如8MHz)回传方式下，采用正交频分复用OFDM或单载波频域处理技术(如单载波频域均衡SC-FDE、B3G/LTE上行采用的SC-FDMA、GMC技术)，符号映射包括BPSK，QPSK，8PSK，16QAM和64QAM。由于CMMB系统存在8MHz模式和2MHz模式，以及现有广播和通信系统存在1.6MHz/1.75MHz或2MHz多种广播通信系统信道带宽划分方式，故配置设计多种信道带宽回传方式可兼容其它广播通信系统的频道划分方式，便于采用流行通信和广播系统中的上行回传技术的基带处理部件和中频射频模块，大大降低双向化系统构建成本。其中1MHz/2MHz带宽回传信道模式可以使用6、7、8MHz模拟电视系统数字化转换采用6MHz系统后可能形成的空隙频段，增加了可用机会，1.6MHz带宽划分方式适合未采用TDS-CDMA组网的地区采用ITU已分配给TDS-CDMA系统的频段回传。 

双向化系统双工方式可选用频分双工FDD方式或时分双工TDD方式或TDD+FDD混合方式。采用FDD方式升级时，只需在现有数字电视/多媒体广播系统发射头端增加相应回传支持设备和对现有地面电视/多媒体广播系统多业务复用协议软件进行升级改造为兼容广播业务和和交互数据的复用/MAC融合协议即可支持双向业务，头端发射功放设备可保持不变。新型双向交互终端需要支持FDD回传方式，已有数字电视/多媒体广播终端继续接收广播业务不受升双向化升级影响。适用于初期升级部署。 

使用TDD方式时，需将广播调制发射设备改造成支持TDD工作模式，同时，双向化终端需要支持TDD方式回传，但单向数字广播终端可在单向广播业务的时间片TIME-SLOT下继续接收广播业务，不需要强制升级替换。 

TDD+FDD混合方式时，系统覆盖中心区采用TDD方式，覆盖边缘区采用FDD方式。 

以2MHz为例，上行物理层统一采用2MHz的信道工作带宽。使用较小的信道带宽，在手持终端情形下，因为终端发送功率有限，频带集中有利于提高回传信号SNR，从而增大上行覆盖范围。 

2MHz回传频道带宽模式可兼容现有DVB-RCT地面回传信道频带和DAB/DMB广播频带划分，也可将空闲的6～8MHz电视频道分成多组2MHz的回传频道或利用空闲DAB/DMB频段，与现有2MHz频道带宽地面的数字多媒体广播DAB/DMB或8MHz带宽的数字电视广播系统DVB-TH/CMMB构建对称或非对称双向交互广播通信系统。 

2MHz回传方式下，宽带交互上下行双工方式可以选择FDD，也可选用TDD。FDD双工方式中，一个下行8MH频段可以只使用一个2MHz频段作为宽带交互上行回传，如图3所示，在下行频段当前位于广播时隙时，用户在上行频段仍可进行上行数据发送，用户在宽带交互下行时隙将下发随后若干个上行交互时隙的带宽分配信息。FDD方式对已有系统修改不大，有利于双向化系统初期部署。TDD利于支持上下行不对称业务，上下行切换点可动态调整，以适应当前业务流特性。 

初始广播双向化阶段，可一个8MHz频道下行配一个2MHz上行，随双向业务增多，采用多个8MHz频道组合为下行频段组和多个2MHz频道组合为上行频段组，以增加系统上下行带宽容量。 

在TDD双工方式下，CMMB双向化系统的上下行工作带宽包含8MHz和2MHz两种模式，其中2MHz模式适用于CMMB 2MHz模式，可兼容DAB/DMB系统频段带宽划分。其宽带交互时隙帧结构如图4和图5所示。 

在8MHz模式时，固定或车载终端发送功率较大，可采用8MHz带宽划分无线回传，手持终端在宽带交互时隙中的上行子帧部分划分为4个2MHz的子信道，集中功率于2MHz带宽以增加上行回传传输距离，如图4所示。终端接入网络时，随机选择一个子信道进行随机接入，当随机接入不成功时，将重新随机选择一个子信道继续进行随机接入直到超过最大尝试次数；当接入成功后用户将驻留在该子信道上，其后该用户的上行数据均从该子信道进行发送。 

数据时隙下行子帧开始为一个前导OFDM符号，后面包含n个OFDM符号用于传送帧控制头(FCH)，上下行配置信息(DL-MAP，UL-MAP)，上下行信道描述信息(DCD，UCD)，以及其他的MAC层控制信息和用户下行数据。下行子帧按照PUSC(部分使用子载波)方式在时间和频率二维资源上划分子信道，用户的带宽划分以子信道为单位。 

上行子帧开始部分为随机接入时隙和带宽请求时隙，随后为各个用户的上行子突发。以SC-FDE技术上行回传为例，子突发的格式如图6所示，其包含子突发前导以及一个到多个SC-FDE符号，每个SC-FDE符号包含独特字和数据符号部分。 

媒体接入控制MAC层/复用MUX层广播通信业务融合方法 

单向传输的移动多媒体广播系统的MAC层/MUX复用层只有较为简单的复用结构来控制数据成帧，结构简单，系统开销小，而为了提供全网广播业务和宽带无线接入业务，移动多媒体广播双向化系统的媒体接入控制层(MAC)需要具有完备数据成帧、网络接入以及带宽分配等功能。如图7为移动多媒体广播双向化系统协议栈架构，MAC_B为基站侧，MAC_T为终端侧。应用层包括两大部分，第一部分为全 网广播业务，包括音视频广播、数据广播和电子业务指南；第二部分包括internet数据及交互广播等业务。网络层基于IP，所有非全网广播业务和宽带接入业务都经过IP封装。MAC层将基于IP的业务数据在分配的信道上通过物理层和射频电路传送到移动终端。 

移动多媒体广播双向化系统的MAC层数据部分是面向连接的，所有的数据通信都在某个连接的上下文中，这样不同的连接可以获得不同的Qos支持。BS本身保留了一定数量的连接，成为预备连接，在SS初始化阶段，基站通过广播系统消息方式将其所支持的预备连接发送给用户。在用户注册完成后，基站可以响应用户的请求动态地建立和修改连接。MAC层需要为动态建立和修改连接定义一组连接建立和维护原语(primitives)。连接分为管理连接和数据承载连接，连接通过连接标志符CID来区分，连接标志符CID的长度为16位，最大支持64K个不同的连接。 

在用户注册到系统的时候，基站为用户提供不同的服务流。每个连接都会关联到一个特定的服务流。服务流定义了在连接上进行交换、传输的Qos参数，包括时延、时延抖动以及速率限制等。服务流提供了上下行业务Qos管理的一种机制，SS的带宽请求和BS的资源调度等都要参照服务流的Qos参数和用户优先级来进行。服务流的管理是动态的，包括建立、修改和删除等操作。 

基站MAC层功能实体MAC_B需要完成广播和宽带交互接入的功能，对于广播部分需要完成广播多路节目的复用和解复用，响应广播和宽带交互动态带宽分配，终端节电机制以及可靠无线传输机制，而对于宽带接入部分需要完成无线资源管理，功率控制，终端节电机制以及网络管理等。在宽带接入部分的无线资源管理包括业务流的分类和Qos支持策略，带宽请求分配以及带宽分配信息的组织等。广播部分终端节电是基于时间分片技术，即将一个频道在1秒时间内所有比特流在一个到两个时隙内发送完毕，而宽带接入部分的终端节电需要综合考虑广播部分的节点操作，即如果双向化系统终端同时也接收着广播业务，则尽量将宽带接入的带宽分配安排在与其所在的广播业务时隙相邻的时段中，避免需要频繁开关接收机。终端MAC层功能实体MAC_T在数据平面主要完成MAC SDU向MAC PDU的相互转换，同时根据需要实现数据的分段和打包等功能，而在控制平面主要功能为与MAC_B交互控制信息，以实现MAC层的管理功能：如入网、无线资源管理、功率控制等。 

MAC/MUX层参照借用有线电视双向化数据传输的调制解调(DOCSIS)架构。MAC层由业务汇聚子层，公共部分子层和安全子层构成，对于宽带交互部分，MAC层各子层功能与DOCSIS系统相似。为了兼容已有的移动多媒体广播终端，在基站端对于全网广播的业务，将广播业务包以传统广播复用帧结构重新组装成广播复用 流，然后按照广播配置信息指定的调制和编码方式在对应的广播时隙进行发送；在用户端接收广播业务时，其在相应广播时隙接收到的广播码流进行解复用，将获得的音视频以及数据内容直接提交到应用层进行呈现给用户，非广播业务则通过IP寻址送到相应接收实体。 

需要说明的是，以上介绍的本发明的实施方案而并非限制。本领域的技术人员应当理解，任何对本发明技术方案的修改或者等同替代都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。 

Claims (14)

1.一种数字地面电视广播系统双向化平滑升级方法，该方法用于将数字地面电视广播系统平滑升级为双向化广播通信融合的系统，所述的方法具体步骤为：

首先，对于物理信道传输层，增加无线上行回传信道，基站侧采用基于软件无线电技术的若干模式的无线宽带回传策略并在基站侧增加回传信号接收模块实现；终端侧增加的上行回传通道与所述广播系统的下行信道用频分双工FDD方式或时分双工TDD方式；当采用FDD时，回传信道利用频率规划和时空差异形成的空闲FM/VHF/UHF广播频段和免授权频段及模拟/数字转换时期形成的空闲广播电视频段，通过在双向化终端侧增加回传信号发送模块实现；

然后，对于媒体接入控制层，交互业务在媒体接入控制MAC和广播复用MUX层融合，具体为在媒体接入控制层，双向化系统的媒体接入控制层MAC/MUX层参照现有宽带通信系统和地面电视/多媒体广播系统的MUX层进行融合，具有完备数据成帧、网络接入以及带宽分配功能，MAC层/MUX层将基于IP的双向业务下行数据和全网单向广播数据分别在相应的信道时隙上通过物理层基带调制和无线射频发射传送到终端；

其中，物理信道传输层，下行前向通道沿用兼容现行数字地面电视/多媒体广播技术的传输方式，单向广播业务和双向业务下行数据在下行通道采用时分复用方式，单向广播业务与双向交互下行业务分别占用独立时隙，使传统数字电视或多媒体广播接收终端可以不受系统双向化升级影响而继续接收相应广播时隙的业务；

所述的基站侧的回传信号接收基于软件无线电平台技术，该回传信号接收模块包括：

射频接收子模块，负责选择接收放大回传信道无线信号并下变频到中频；

数字中频子模块，负责将中频模拟信号数字化转换并数字降频提取基带信号；和

基带处理子模块，负责信号同步、解调解码恢复发端数据信息；

所述的终端侧的回传信号发送模块包含：信道编码保护子模块、基带调制子模块和无线射频发送子模块。

2.根据权利要求1所述的数字地面电视广播系统双向化平滑升级方法，其特征在于，双向化方法结合CMMB实施方式下的下行方向的超帧结构为：超帧时长为1s，分成40个时隙，每个时隙25ms，广播和宽带交互划分以25ms时隙为单位，且限定连续配置的广播时隙为3个以下；每个超帧的第一个时隙限定为双向化广播通信融合的系统的配置时隙。

3.根据权利要求1所述的数字地面电视广播系统双向化平滑升级方法，其特征在于，物理信道传输层的回传信道采用：以200KHz带宽划分信道，并采用基带处理技术兼容GSM/GRPS/EDGE上行信号的无线宽带回传策略。

4.根据权利要求3所述的数字地面电视广播系统双向化平滑升级方法，其特征在于，所述的200KHz的无线宽带回传策略为：以200KHz带宽为基本单位划分使用频段用于回传，并采用频分双工FDD。

5.根据权利要求3所述的数字地面电视广播系统双向化平滑升级方法，其特征在于，所述的FDD方式采用适合地面传输的碎片空闲频段，基带兼容GSM/GPRS/EDGE上行信号方式，并采用按需分配的时分多址TDMA结合频分复用接入。

6.根据权利要求1所述的数字地面电视广播系统双向化平滑升级方法，其特征在于，所述的物理信道传输层的上行回传信道采用：以1MHz、1.6MHz、1.75MHz、2MHz或适用的电视频道带宽划分信道的无线宽带上行回传策略。

7.根据权利要求6所述的数字地面电视广播系统双向化平滑升级方法，其特征在于，所述的无线宽带上行回传策略采用FDD、TDD或TDD+FDD混合方式的双工方式。

8.根据权利要求7所述的数字地面电视广播系统双向化平滑升级方法，其特征在于，所述的2MHz回传信道的针对CMMB系统实施方式的上下行信道的FDD的帧结构如下所示：上下行都将自然秒划分为40个时隙，每个时隙25ms,下行沿用CMMB广播信道，其中广播业务和交互业务分别占用不同的25ms下行时隙中，上行回传信道采用2MHz划分信道带宽，用于传输交互上行业务数据。

9.根据权利要求7所述的数字地面电视广播系统双向化平滑升级方法，其特征在于，所述的2MHz回传信道采用SC-FDE调制时，针对8MHz模式CMMB系统实施方式的上下行信道的TDD的宽带交互时隙帧结构如下所示：每秒划分成的40个25ms时隙中，通过第1时隙广播系统配置，将若干时隙配置为广播时隙，剩余的所有时隙配置为交互业务时隙；

其中，所述的广播时隙沿用8MHz CMMB广播信道下行方式，每个交互业务时隙头部广播前导和下行上行配置信息，指示下行交互各子业务划分、下行和上行转换时间点、各个2MHz回传信道的测距接入及各个上行子业务的时间窗口；所述的交互时隙上行回传时将8MHz可用频宽划分4个2MHz信道并行用于回传。

10.根据权利要求7所述的数字地面电视广播系统双向化平滑升级方法，其特征在于，所述的2MHz回传信道用SC-FDE调制时，针对2MHz模式CMMB系统实施方式的的上下行信道的TDD的宽带交互时隙帧结构为：每秒划分成的40个25ms时系中，通过第1时隙广播系统配置，将不包含首时隙的若干个25ms时隙配置为广播时隙，剩余的所有时隙配置为交互业务时隙；

其中，所述的广播时隙沿用2MHz CMMB广播信道下行方式，每个交互业务时隙头部广播前导和下行上行配置信息，指示下行交互各子业务划分、下行上行转换时间点、测距接入及各个上行子业务的时间窗口。

11.根据权利要求7所述的数字地面电视广播系统双向化平滑升级方法，其特征在于，所述的采用TDD+FDD混合双工方式时，位于基站覆盖中心区的终端选择TDD方式，位于覆盖边缘区的终端选用FDD方式，采用TDMA多址接入。

12.根据权利要求7所述的数字地面电视广播系统双向化平滑升级方法，其特征在于，所述的上行回传信道的信号能采用单载波频域处理技术，该单载波技术包含：单载波频域均衡SC-FDE、通用多载波GMC和单载波－频分多址SC-FDMA，支持BPSK/QPSK/8PSK/16QAM/64QAM符号映射。

13.根据权利要求7所述的数字地面电视广播系统双向化平滑升级方法，其特征在于，所述的上行回传信道的信号能采用正交频分复用OFDM处理技术，支持BPSK/QPSK/8PSK/16QAM/64QAM符号映射。

14.根据权利要求1所述的数字地面电视广播系统双向化平滑升级方法，其特征在于，所述的基站侧支持若干模式的无线宽带回传策略，具体包括：（1）以200KHz带宽为基本单位划分使用频段的回传方式，（2）以1MHz/1.6MHz/1.75MHz/2MHz或适用的电视频道带宽为基本单位划分使用频段的回传模式。

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