CN104486641A - 基于叠加编码的多业务广播单频网优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于叠加编码的多业务广播单频网优化方法，包括以下步骤：S1：将物理层信道分割为公共子信道和本地子信道，分别传输公共业务和本地业务；S2：根据组网信息和业务需求设定发射基站参数和子信道传输参数的初始值，并选取部分参数作为待优化参数，包括子信道的可调节传输参数和发射基站的可调节参数；S3：计算目标区域的总体接收性能对应的目标函数值，对子信道的可调节传输参数进行寻优，最大化目标函数值；S4：对发射基站的可调节参数进行优化迭代，逐代更新目标函数值，得到最优可调节参数；S5：重复执行步骤S2至步骤S4，选择不同的初始值，得到一组优化结果。本发明的方法在保证公共业务覆盖要求的同时提升本地业务的覆盖效果。

Description

基于叠加编码的多业务广播单频网优化方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种基于叠加编码的多业务广播单频网优化方法。

背景技术

在传统的模拟电视广播中，为避免同频干扰，相邻的发射基站在不同频率发射信号，同一频率只有在相隔一定距离以外才可复用，这种多频网(Multiple Frequency Network，MFN)的组网方式造成了对有限频率资源的严重浪费。随着地面电视广播由模拟时代向数字时代过渡，数字电视频道迅速增多，频率资源日趋紧张，单频网(Single Frequency Network，SFN)组网凭借其覆盖范围大、发射机成本低、频率利用率高等优点逐渐取代多频网，成为无线数字广播覆盖网的主流技术方案。在单频网中，多个发射基站在相同时间以相同频率发射相同信号，大大节约了频率资源，同时能提供分集增益以增强接收的可靠性。

随着信息技术的飞速发展和不断渗透，用户对广播业务的需求越来越呈现出多样化、个性化的多业务特征，如何充分利用有限的频谱资源最大限度地支持不同环境下的多业务传输成为无线通信和广播领域的关键问题。传统的单频网中，各个基站提供给用户的广播信息完全相同。但由于地域文化的差异，实际生活中，每个基站周边的用户需要接收不同的本地信息，这要求发射基站能够同时传输相同的公共业务和不同的本地业务。现有的多业务传输方法基于叠加编码原理，采用直接线性叠加编码或比特分割复用的方式将物理层信道分割为公共信道和本地信道，分别传输公共业务和本地业务，其中公共信道和本地信道可进一步分割为多个子信道以传输多种业务。该方法可实现对信道时频空域资源的灵活分配，在保证广播公共业务的基础上满足用户对本地业务的不同需求。

然而，由于单频网内存在强烈的多径效应会导致信号的码间干扰和频率选择性衰落，进行叠加编码时物理层信道资源分配方式的选取也会对整体覆盖产生很大影响，对用于多业务传输的单频网进行高效合理的分析、设计和优化意义重大。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于叠加编码的多业务广播单频网优化方法，该方法在保证公共业务覆盖要求的同时提升本地业务的覆盖效果。

为达到上述目的，本发明的实施例提出了一种基于叠加编码的多业务广播单频网优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将物理层信道分割为公共子信道和本地子信道，对所述公共子信道和本地子信道进行叠加编码以分别传输公共业务和本地业务，并根据业务特征对各业务赋予不同的权重；S2：获取组网信息和业务需求，根据所述组网信息和业务需求设定发射基站参数和子信道传输参数的初始值，并在其中选取部分参数作为待优化参数，其中，所述待优化参数包括子信道的可调节传输参数和发射基站的可调节参数；S3：根据所述单频网的接收性能判定准则计算目标区域的总体接收性能对应的目标函数值，并对所述子信道的可调节传输参数进行寻优，以最大化所述目标函数值；S4：通过启发式算法对所述发射基站的可调节参数进行优化迭代，并逐代更新所述目标函数值，得到满足目标函数的最优可调节参数；S5：重复执行步骤S2至步骤S4，选择不同的发射基站参数和子信道传输参数的初始值，得到一组优化结果。

另外，根据本发明上述实施例的基于叠加编码的多业务广播单频网优化方法还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一个实施例中，所述叠加编码的方式包括直接线性叠加编码和比特分割复用叠加编码。

在本发明的一个实施例中，所述发射基站的可调节参数包括各基站的天线方向图、天线高度、发射功率、发射时延、信号相位中的一个或多个。

在本发明的一个实施例中，所述子信道的可调节传输参数指信道资源的分配方式，包括功率资源分配比例和比特资源分配图案。

在本发明的一个实施例中，所述业务需求包括业务覆盖目标区域内的业务覆盖率和业务传输速率。

在本发明的一个实施例中，其中，所述单频网的接收性能判定准则具体包括：根据公共子信道和本地子信道的资源分配情况及公共业务和本地业务的目标传输速率，结合实际的编码调制模式，计算相应业务信号在高斯加性白噪声信道下的接收信噪比门限；根据所述接收信噪比门限分析预测公共业务或本地业务在实际信道条件下的接收信噪比门限；根据所述公共业务或本地业务在实际信道条件下的接收信噪比门限对相应业务目标区域内的接收信噪比进行判定，当接收信噪比高于接收信噪比门限时，则判定结果为可正常接收；根据上述判定结果统计各业务的覆盖率。

在本发明的一个实施例中，所述目标函数值为预设目标速率下的业务覆盖率。

在本发明的一个实施例中，其中，各个基站为公共子信道分配的信道资源保持一致。

在本发明的一个实施例中，所述启发式算法包括遗传算法、模拟退火算法、粒子群优化算法及其变种和组合。

在本发明的一个实施例中，在所述步骤S5之后，进一步包括：根据不同本地业务的权重差异，在预设公共业务目标速率和覆盖率的情况下，对各本地业务速率和覆盖率进行折中，具体包括：设B为发射基站集合，ω_i、v_i、α_i分别表示发射基站i对应的本地业务的权重、目标传输速率和覆盖率，则其优化结果的折中函数为：

$Q=\underset{i\∈B}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ω}}_i{v}_i{\mathrm{\α}}_i.$

根据本发明实施例的基于叠加编码的多业务广播单频网优化方法，对数字电视单频网广播的物理层子信道分割方式统一寻优，利用遗传算法、模拟退火算法等启发式算法联合优化各发射基站的发射时延、天线方向图、发射功率等参数。综合考虑多种业务需求，如覆盖面积、传输速率，实现了信道资源的高效利用，在保证公共业务基本覆盖要求的同时提升了本地业务的覆盖效果，对充分利用信道资源、减少单频网分析设计周期具有重要意义。另外，根据不同业务的优先级差别对整体覆盖效果进行折中，解决了现有算法仅针对单一业务优化且算法复杂度高的问题。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的基于叠加编码的多业务广播单频网优化方法的流程图；

图2为根据本发明一个实施例的单频网示意图；

图3为根据本发明一个实施例的直接线性叠加编码示意图；

图4为根据本发明一个实施例的单频网接收性能判定准则流程图；

图5为根据本发明一个实施例的遗传算法流程图；

图6为根据本发明一个实施例的比特分割复用叠加编码示意图；

图7为根据本发明一个实施例的模拟退火算法的流程图；

图8为根据本发明一个实施例的粒子群算法流程图；以及

图9为根据本发明一个实施例的预设传输速率时多业务解码门限关系曲线示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面参照附图描述根据本发明实施例的基于叠加编码的多业务广播单频网优化方法。

图1为根据本发明一个实施例的基于叠加编码的多业务广播单频网优化方法的流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤S1：将物理层信道分割为公共子信道和本地子信道，对公共子信道和本地子信道进行叠加编码以分别传输公共业务和本地业务，并根据业务特征对各业务赋予不同的权重。

具体地说，本发明实施例中的单频网的物理层信道的划分基于数字基带等效系统模型，即发射信号和接收信号都是星座映射符号，发射符号经过信道传输和噪声、干扰的叠加成为接收符号，发射端和接收端之间的过程等效为离散符号信道。

在本发明的一个实施例中，叠加编码的方式例如包括直接线性叠加编码和比特分割复用叠加编码等。直接线性叠加编码即在单符号上给定子信道资源分配比例常数α₁、α₂，将信号X₁、X₂叠加为总信号X＝α₁X₁+α₂X₂。比特分割复用叠加编码方案则是利用高阶星座映射同一星座符号内携带的比特具有不均等差错保护程度的特性，以比特为单位划分子信道，每个子信道占用部分符号的部分比特资源，特别地，将同一比特维度上的全部比特分配给一个子信道的方式为分层调制。相比直接线性叠加编码，比特分割复用在接收端可以采用单级解码(single-stage decoding)方式，各子信道独立解码，避免了串行干扰消除(successiveinterference cancellation，SIC)引起的解调延时和误码扩散，且复杂度与用户数量无关。

另一方面，出于实际需求的考虑，本发明的实施例将全部业务分为所有用户共享的公共业务和具有特异性的本地业务两大类，每类业务包括一个或多个业务，分别由一个子信道进行传输，因而不同发射基站公共信道内的子信道划分及每个子信道采用的帧结构和编码调制模式必须相同，换言之，即各个基站为公共子信道分配的信道资源保持一致。而本地信道内的子信道划分及每个子信道采用的帧结构和编码调制模式可以相同或不同。

步骤S2：获取组网信息和业务需求，根据组网信息和业务需求设定发射基站参数和子信道传输参数的初始值，并在其中选取部分参数作为待优化参数，其中，待优化参数包括子信道的可调节传输参数和发射基站的可调节参数。具体地说，子信道的可调节传输参数主要指信道资源的配置方式，例如包括公立资源分配比例和比特资源分配图案等。不同的资源配置对应不同的子信道容量，结合实际的编码调制方案对应不同的传输速率。例如，在比特分割复用中，给定业务所需的传输速率(预设传输速率)，由香农信息论可计算出理论最小解码门限SNR，合适的比特分割策略可使得多业务的最小解码门限相比传统的正交复用更接近理论极限，从而得到更大的覆盖范围。在本发明的一个实施例中，发射基站的可调节参数例如包括各基站的天线方向图、天线高度、发射功率、发射时延、信号相位中的一个或多个，其中发射时延的微调会对受多径影响严重的公共业务整体覆盖率产生影响，发射功率和天线方向图对公共业务和本地业务的覆盖均有影响。

其中，在本发明的一个实施例中，业务需求包括业务覆盖目标区域内的业务覆盖率和业务传输速率。

步骤S3：根据单频网的接收性能判定准则计算目标区域的总体接收性能对应的目标函数值，并对子信道的可调节传输参数进行寻优，以最大化目标函数值。

在本发明的一个实施例中，单频网的接收性能判定准则具体包括：根据公共子信道和本地子信道的资源分配情况及公共业务和本地业务的目标传输速率，结合实际的编码调制模式，计算相应业务信号在高斯加性白噪声信道下的接收信噪比门限；根据接收信噪比门限分析预测公共业务或本地业务在实际信道条件下的接收信噪比门限；根据公共业务或本地业务在实际信道条件下的接收信噪比门限对相应业务目标区域内的接收信噪比进行判定，当接收信噪比高于接收信噪比门限时，则判定结果为可正常接收；根据上述判定结果统计各业务的覆盖率。

在本发明的一个实施例中，目标函数值为预设目标速率下的业务覆盖率。

步骤S4：通过启发式算法对发射基站的可调节参数进行优化迭代，并逐代更新目标函数值，得到满足目标函数的最优可调节参数。

其中，在本发明的一个实施例中，启发式算法例如包括遗传算法、模拟退火算法、粒子群优化算法及其变种和组合。

步骤S5：重复执行步骤S2至步骤S4，选择不同的发射基站参数和子信道传输参数的初始值，得到一组优化结果。

在本发明的一个实施例中，在步骤S5之后，进一步包括：根据不同本地业务的权重差异，在预设公共业务目标速率和覆盖率的情况下，对各本地业务速率和覆盖率进行折中，具体包括：

设B为发射基站集合，ω_i、v_i、α_i分别表示发射基站i对应的本地业务的权重、目标传输速率和覆盖率，则其优化结果的折中函数为：

$Q=\underset{i\∈B}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ω}}_i{v}_i{\mathrm{\α}}_i.$

以下结合三个具体地实施例来详细描述本发明上述实施例的基于叠加编码的多业务广播单频网优化方法，需要说明的是，以下的实施例仅是用于对本发明进行具体地描述，不能理解为对本发明的限制。

实施例一

该实施例针对一种DTMB(Digital Television Terrestrial Multimedia Broadcasting，数字电视地面传输国家标准)系统中基于直接线性叠加编码进行多业务传输的的单频网，按照图1所示的本发明的方法给出了采用遗传算法的优化策略实施步骤。

本实施例选取的待优化单频网包括三个发射基站，其布局和各业务的目标区域如图2所示。其中，外围最大的椭圆表示公共业务的目标区域，器内部三个较小的椭圆为本地业务的目标区域，各基站的位置、高度、天线增益、天线高度、极化方式如下表1所示：

表1

那么，系统所需的多业务服务质量要求(即业务需求)为：1)传输速率：公共业务为R_global＝10Mbps，本地业务为R_local1＝R_local2＝R_local3＝10Mbps；2)各个本地业务的优先级权重相同。

结合图1和图2所示，在本实施例中，该方法包括以下步骤：

步骤1：将物理层信道分割为公共子信道和本地子信道，利用叠加编码分别传输公共业务和本地业务，并根据业务特征对各业务赋予不同的权重。

具体地说，本实施例采用直接叠加编码的方式，在单符号上按照给定的子信道资源分配比例进行线性叠加。具体分割方法为：在物理层信道中，比例为α₁的功率资源分配给公共信道，比例为α₂的功率归属为本地信道，其中α₁+α₂＝1。通过这两个信号的目标传输速率分别对其进行独立编码，并映射到与之相对应的星座图上，然后根据功率约束对二者进行矢量叠加。图3所示为本实施例中所述的单频网直接线性叠加编码示意图，如图3所示，α₁＝α₂＝1/2。

步骤2：根据组网信息和业务需求，设定发射基站参数和子信道传输参数的初始值，并在其中选取部分参数作为待优化参数，包括子信道的可调节传输参数和发射基站的可调节参数。

在本实施例中，子信道可调节参数为公共业务和本地业务的功率分配比例α₁、α₂；而发射基站可调参数仅为发射时延。

步骤3：根据单频网的接收性能判定准则计算目标区域的总体接收性能对应的目标函数值，对子信道的可调节传输参数寻优，最大化目标函数值。

如图4所示，在本实施例中，单频网接受性能判定准则具体包括以下步骤：

S301、根据公共子信道和本地子信道的资源分配情况及公共业务和本地业务的目标传输速率，结合实际的编码调制模式，计算相应业务信号在高斯加性白噪声信道下的接收信噪比门限。

具体地说，根据香农的信息论，一个通信系统发射信号X与接收信号Y间的平均互信息I(X；Y)为信道容量，即该系统能承载的最大传输速率为I(X；Y)＝f(SNR)，f通常为SNR的增函数。预先给定两种业务的传输速率和要求，通过上述关系可以得到一条理论SNR₁～SNR₂曲线，如图9所示。图9中的三条曲线分别表示高斯信道理论极限、叠加编码和时域正交复用对应的SNR曲线，曲线上的每个点对应一组SNR₁、SNR₂的值，从而对应一组覆盖率。可以看出，直接叠加编码的SNR解码门限相比正交复用更接近Gauss极限。为方便下一步的优化，可以先选取曲线上SNR₁-SNR₂＝5dB的点，可得公共业务的最小解码门限为7.9dB，本地业务的最小解码门限为12.9dB。

S302、根据步骤S301中所述的信噪比门限分析预测公共业务或本地业务在实际信道条件下的接收信噪比门限。

具体地说，由于单频网内的强多径环境较为复杂，为简化讨论，可以将公共业务的传输信道近似为瑞利信道，本地业务的传输信道近似为加性高斯白噪声信道。此信道仅为举例方便设置，本实施例的处理方法不限于此，也可扩展至其他任意信道条件。

实际的解码门限受诸多因素的影响比理论门限低3～5dB。主要因素包括：1)时频域的带宽损失，一方面，OFDM调制中部分子载起保护作用波不传送信息，同时每帧信号会插入保护间隔、帧头和导频等辅助信息位；2)非理想编码调制模式，如成型损失、独立解映射损失和非理想编解码过程；3)其他因素，如信道估计误差、定时误差等。经计算，在256QAM、2/3码率下，Gauss信道的平均门限损失约为3.71dB，Rayleigh信道的平均门限损失约为4.7dB。

S303、根据步骤S302中所述的门限对相应业务目标区域内的接收机信噪比进行判定，信噪比高于门限值的视为可正常接收。

此处，公共业务的信噪比门限为7.9+4.7＝12.6dB，三个本地业务的信噪比门限为12.9+3.71＝16.61dB。由于接收点众多，可将目标区域划分为很多矩形网格，用每个网格格点的中心点的接收效果表示整个格点的接收效果，格点划分越小，近似精度越高。

S304、根据步骤S303中得到的判定结果统计业务的覆盖率。

例如对图9所示的SNR曲线进行逐点计算，得到每个点对应的覆盖情况，取其中最优覆盖效果对应的SNR解码门限组合，得到相应的α₁、α₂取值。

步骤4：采用启发式算法优化对发射基站的可调节参数进行优化迭代，逐代更新目标函数值，得到满足目标的最优可调节参数。

在本实施例中，采用遗传算法进行优化。如图5所示，遗传算法具体包括以下步骤：

S401、种群初始化。

由给定的染色体种群规模M，在全解空间内随机生成M个个体得到第一代种群，然后根据变量取值范围等约束条件，对每个个体进行二进制编码，得到成型的染色体。本实施例中种群规模例如设为300，每个种群的个体为三个发射基站的发射时延。

S402、计算种群目标函数。

解码每个染色体得到个体的发射时延，然后利用目标函数计算其种群适应度。适应度越大，该个体被选择算子选中的几率越大。

S403、遗传算子。

将遗传算子作用于种群，具体包括：先利用选择算子筛选种群中的个体，适者生存，某个染色体被选中的概率与其适应度大小在全部染色体中的排序有关。设种群规模为M，某染色体适应度排在第j位，则选择概率为：

$p=\frac{q{(1-q)}^{j-1}}{1-{(1-q)}^M},$

种群经选择算子作用后，再从中随机选取成对的个体进行交叉运算，交叉概率给定，则配对的两个父代个体经基因重组生成两个新的子代个体。最后，再根据变异概率，对子代个体中的小部分染色体进行变异，完成全部运算。

S404、终止条件判断。

当种群的进化代数达到给定上限100代，或连续几代的最优个体适应度的绝对值变化小于给定阈值0.1％，则可视为满足终止条件，此时跳出迭代循环，将末代最优个体输出。若不满足终止条件，转至步骤S402开始下一轮迭代。

步骤5：重复执行步骤2至步骤4，选择不同的初始值，得到一组优化结果。

实施例二

本实施例针对一种DTMB系统中基于比特分割复用进行多业务传输的单频网，按照如图1所示的本发明的方法给出了采用模拟退火算法的优化策略实施步骤。

本实施例选取的待优化单频网基站参数同实施例一。

那么，系统所需的多业务服务质量要求(业务需求)为：

1)传输速率：公共业务R_global＝10Mbps，本地业务R_local1＝R_local2＝R_local3＝15Mbps；2)各个本地业务的优先级权重相同。

在本实施例中，该方法包括以下步骤：

步骤10：将物理层信道分割为公共子信道和本地子信道，利用叠加编码分别传输公共业务和本地业务，并根据业务特征对各业务赋予不同的权重。

在本实施例中，每个基站采用比特分割复用叠加编码，在比特层次上分割物理层信道，得到公共信道和本地信道，组成各个信道的基本单位为比特。具体分割方法为：将物理层信道中传输的符号资源看成一个维度，在此称为符号维度，把每个符号内的多个比特看成另一个维度，在此称为比特维度。将物理层信道中的P个符号作为一个整体，联合符号维度和比特维度，将物理层信道进行比特层次的分割，一部分比特归属为公共信道，其余比特归属为本地信道。其中，公共信道或本地信道包括符号维度和比特维度中的一组比特，其输入输出为比特。

图6所示为本实施例中单频网比特分割复用叠加编码示意图。如图6所示，假设每一个基站的物理层信道符号采用256阶Gray-APSK，将每8个连续符号中优先级最高的24个比特分配给公共信道，如图6中无阴影部分其他比特分配给本地信道，如图6中有阴影部分。此处P＝8。

步骤20：根据组网信息和业务需求，设定发射基站参数和子信道传输参数的初始值，并在其中选取部分参数作为待优化参数，包括子信道的可调节传输参数和发射基站的可调节参数。

在本实施例中，子信道可调节参数例如包括分配给公共信道和本地信道的比特图案，包括比特选取策略和子信道的比特数量。发射基站可调节参数例如包括发射时延和发射功率。

步骤30：根据单频网的接收性能判定准则计算目标区域的总体接收性能对应的目标函数值，对子信道的可调节传输参数寻优，最大化目标函数值。

本实施例中步骤30的具体操作方式同实施例一，由于本地业务的目标传输速率高于公共业务，理论分析所得的SNR曲线不同。由于高阶星座映射同一星座符号内携带的比特具有不均等差错保护程度，每比特互信息随信噪比变化的函数不同，不同的比特选取策略对应不同的曲线。由图9可以看出，最优策略选取下的解码门限比时域正交复用更接近高斯理论极限。

进一步地，将容量较大的比特优先分配给目标速率大的业务可以得到最低的解码门限，反之得到最高解码门限。为提高覆盖率，根据最优选取策略对应的SNR曲线，对该曲线进行逐点计算，得到每个点对应的目标函数值，取其中最优覆盖效果对应的SNR解码门限组合，得到分配给两种业务的比特数目。

步骤40：采用启发式算法优化对发射基站的可调节参数进行优化迭代，逐代更新目标函数值，得到满足目标的最优可调节参数。

在本实施例中，采用模拟退火算法进行优化。如图7所示，模拟退火算法具体包括以下步骤：

S411、初始化。设定初始退火温度T₀和终止温度T_f，在全解空间中随机生成一个发射时延和功率衰减矩阵作为初始解。令迭代参数k＝0，T_k＝T₀。在选择初始温度时，要满足内能与温度之比趋于0，以使得退火过程足够慢。

S412、依照某种规则，从当前解附近产生一个随机的新解。为减少算法耗时，产生新解的方法通常是由当前解经过简单变换，如对某几个发射基站的延时和功率衰减进行互换和置换，或在其较小的邻域内增减等。

S413、计算新解对应的目标函数值，进一步得到新解与当前解的目标函数值之差Δf。

S414、判定接收新解是否为当前解。判断依据是Metropolis准则：如果Δf<0，则无条件接受新解为当前解，否则以P＝exp(-Δf/T_k)的概率接受新解。可见，T_k越高，P越大，广域搜索能力越强，反之，局域搜索能力越强。

S415、若达到热平衡或者该温度下的内循环次数达到给定上限，则转到步骤S416，否则转到步骤S412。

S416、降低T_k，k＝k+1，如果T_k<T_f，则循环结束，以当前解输出，否则转到步骤S412。

步骤50：重复执行步骤20至步骤40，选择不同的初始值，得到一组优化结果。

实施例三

本实施例针对一种DTMB系统中基于比特分割复用进行多业务传输的单频网，按照图1所示的本发明的方法给出了采用粒子群算法的优化策略实施步骤。

本实施例选取的待优化单频网基站参数同实施例一。

那么，系统所需的多业务服务质量要求(业务需求)为：

1)传输速率：公共业务R_global＝10Mbps，本地业务R_local1＝R_local2＝15Mbps，R_local3＝20Mbps；2)本地业务的权重为ω₁＝ω₂＝1,ω₃＝2。

在本实施例中，该方法包括以下步骤：

步骤100：将物理层信道分割为公共子信道和本地子信道，利用叠加编码分别传输公共业务和本地业务，并根据业务特征对各业务赋予不同的权重。

在本实施例中，每个基站采用分层调制叠加编码，在比特层次上分割物理层信道，得到公共信道和本地信道，组成各个信道的基本单位为比特。具体分割方式为：将物理层信道内每个符号的比特看成一个维度，称为比特维度，在该维度进行信道分割，比例为α₁的比特位分配给公共信道，比例为α₂的比特位分配给公共信道。

步骤200：根据组网信息和业务需求，设定发射基站参数和子信道传输参数的初始值，并在其中选取部分参数作为待优化参数，包括子信道的可调节传输参数和发射基站的可调节参数。

在本实施例中，子信道可调节参数例如包括分配给公共信道和本地信道的比特位数比例α₁、α₂。发射基站可调节参数例如包括发射时延、发射功率和天线方向图。

步骤300：根据单频网的接收性能判定准则计算目标区域的总体接收性能对应的目标函数值，对子信道的可调节传输参数寻优，最大化目标函数值。

本实施例的步骤300的具体操作方式同实施例二，由于不同本地业务的目标传输速率不同，理论分析所得的两条SNR曲线对应两个不同的本地业务SNR解码门限。

采用将容量较大的比特优先分配给目标速率大的业务的策略，从而得到解码门限最低值。对两条SNR曲线，其公共业务对应的解码门限需保持一致。以公共业务解码门限为变量，逐点计算该解码门限对应的两个本地业务解码门限，得到该门限组合下的目标函数值，取其中最优覆盖效果对应的SNR解码门限组合作为优化组合，得到分配给公共业务和本地业务的比特数目。

步骤400：采用启发式算法优化对发射基站的可调节参数进行优化迭代，逐代更新目标函数值，得到满足目标的最优可调节参数。

在本实施例中，采用粒子群算法进行优化。如图8所示，粒子群算法具体包括以下步骤：

S421、初始化粒子群。

由给定的群体规模M，随机初始化一群微粒，每个微粒的位置元素包括三个发射基站的发射时延、发射功率衰减和天线方向图调整角度，共计九个维度，并设置随机的微粒移动速度。第i个微粒的当前位置表示为x_i＝(x_i1,x_i2,……x_i9)，它经历过的最好位置(有最好的适应值)记为p_i＝(p_i1,p_i2,……p_i9)，也称为pbest。在群体所有微粒经历过的最好位置的索引号用符号g表示，即Pg，也称为gbest。微粒i的移动速度用v_i＝(v_i1,v_i2,……v_i9)表示。

S422、评价每个微粒的适应度，即每种参数设置对应的目标函数值。

S423、对于每个微粒，将其适应值和其经历过的最好位置pbest进行比较，如果较好，则将其作为当前的最好位置pbest。

S424、对于每个微粒，将其适应值和全局所经历最好位置gbest的作比较，如果较好，则重新设置gbest的索引号。

S425、对于每一代微粒，它的第d维(1≤d≤D)的速度和位置根据如下方程进行变化：

v_id＝w×v_id+c₁×rand()×(p_id-x_id)+c₂×Rand()×(pg_d-x_id)

x_id＝x_id+v_id，

其中w为惯性权重(inertia weight)，c₁和c₂为加速常数(acceleration constants)，rand()和Rand()为两个在[0,1]范围里变化的随机值。

S426、设置最大迭代次数G_max＝100，并重复执行步骤S422至步骤S425，直到得到满足条件的适应值或迭代次数达到上限。

步骤500：重复执行步骤200至步骤400，选择不同的初始值，得到一组优化结果。

综上，本发明实施例的方法的主要思想原理可以概述为：面向采用叠加编码方式进行多业务传输的地面数字电视单频网，提出一种优化策略：选定待优化的可调系统参数，设定参数的初始值，并计算当前的目标函数值；根据给定的各业务传输速率需求，首先结合理论分析和实测结果对子信道传输参数寻优，最大化目标函数值；然后对系统参数联合寻优，必要时可同时调节多个发射基站的多个参数，由于计算量大，在这一步引入遗传算法、模拟退火算法等启发式算法降低复杂度，逐代更新目标函数值，得到满足目标的最优可调节参数；最后根据多个业务的优先级差异，对多个业务分别优化得到的多个目标函数值和最优配置参数进行折中处理。

根据本发明实施例的基于叠加编码的多业务广播单频网优化方法，对数字电视单频网广播的物理层子信道分割方式统一寻优，利用遗传算法、模拟退火算法等启发式算法联合优化各发射基站的发射时延、天线方向图、发射功率等参数。综合考虑多种业务需求，如覆盖面积、传输速率，实现了信道资源的高效利用，在保证公共业务基本覆盖要求的同时提升了本地业务的覆盖效果，对充分利用信道资源、减少单频网分析设计周期具有重要意义。另外，根据不同业务的优先级差别对整体覆盖效果进行折中，解决了现有算法仅针对单一业务优化且算法复杂度高的问题。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于叠加编码的多业务广播单频网优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将物理层信道分割为公共子信道和本地子信道，对所述公共子信道和本地子信道进行叠加编码以分别传输公共业务和本地业务，并根据业务特征对各业务赋予不同的权重；

S2：获取组网信息和业务需求，根据所述组网信息和业务需求设定发射基站参数和子信道传输参数的初始值，并在其中选取部分参数作为待优化参数，其中，所述待优化参数包括子信道的可调节传输参数和发射基站的可调节参数；

S3：根据所述单频网的接收性能判定准则计算目标区域的总体接收性能对应的目标函数值，并对所述子信道的可调节传输参数进行寻优，以最大化所述目标函数值；

S4：通过启发式算法对所述发射基站的可调节参数进行优化迭代，并逐代更新所述目标函数值，得到满足目标函数的最优可调节参数；

S5：重复执行步骤S2至步骤S4，选择不同的发射基站参数和子信道传输参数的初始值，得到一组优化结果。

2.根据权利要求1所述的基于叠加编码的多业务广播单频网优化方法，其特征在于，所述叠加编码的方式包括直接线性叠加编码和比特分割复用叠加编码。

3.根据权利要求1所述的基于叠加编码的多业务广播单频网优化方法，其特征在于，所述发射基站的可调节参数包括各基站的天线方向图、天线高度、发射功率、发射时延、信号相位中的一个或多个。

4.根据权利要求1所述的基于叠加编码的多业务广播单频网优化方法，其特征在于，所述子信道的可调节传输参数指信道资源的分配方式，包括功率资源分配比例和比特资源分配图案。

5.根据权利要求1所述的基于叠加编码的多业务广播单频网优化方法，其特征在于，所述业务需求包括业务覆盖目标区域内的业务覆盖率和业务传输速率。

6.根据权利要求1所述的基于叠加编码的多业务广播单频网优化方法，其特征在于，其中，所述单频网的接收性能判定准则具体包括：

S301、根据公共子信道和本地子信道的资源分配情况及公共业务和本地业务的目标传输速率，结合实际的编码调制模式，计算相应业务信号在高斯加性白噪声信道下的接收信噪比门限；

S302、根据所述接收信噪比门限分析预测公共业务或本地业务在实际信道条件下的接收信噪比门限；

S303、根据所述公共业务或本地业务在实际信道条件下的接收信噪比门限对相应业务目标区域内的接收信噪比进行判定，当接收信噪比高于接收信噪比门限时，则判定结果为可正常接收；

S304、根据上述判定结果统计各业务的覆盖率。

7.根据权利要求1所述的基于叠加编码的多业务广播单频网优化方法，其特征在于，所述目标函数值为预设目标速率下的业务覆盖率。

8.根据权利要求1所述的基于叠加编码的多业务广播单频网优化方法，，其特征在于，其中，各个基站为公共子信道分配的信道资源保持一致。

9.根据权利要求1所述的基于叠加编码的多业务广播单频网优化方法，其特征在于，所述启发式算法包括遗传算法、模拟退火算法、粒子群优化算法及其变种和组合。

10.根据权利要求1所述的基于叠加编码的多业务广播单频网优化方法，，其特征在于，在所述步骤S5之后，进一步包括：

根据不同本地业务的权重差异，在预设公共业务目标速率和覆盖率的情况下，对各本地业务速率和覆盖率进行折中，具体包括：

设B为发射基站集合，ω_i、v_i、α_i分别表示发射基站i对应的本地业务的权重、目标传输速率和覆盖率，则其优化结果的折中函数为：

$Q=\underset{i\&Element;B}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{\&omega;}}_i{v}_i{\mathrm{\&alpha;}}_i.$