CN108989840B - 适用于高速运动接收的数据帧的设计方法和传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种适用于高速运动接收的数据帧的设计方法和传输系统，其特征在于，包括：数据帧包含相级联的自引导程序、前置码和至少一个数据子帧，上述自引导程序并不需要每个数据帧都传输，当数据帧中不发射自引导程序时留有空隙用于获得额外信息容量，其中，按照数据帧持续时间长短将时域均匀分割为若干时间片段，避免技术模式组合TMC的变更时刻前后一定范围的时间内跳过，在其他剩余时间内均匀分配设置至少一个可跳过的时间片段，该可跳过的时间片段中数据帧不传输所述自引导程序，能够实现不影响技术组合模式变更的前提下，在稳健性增强和信息容量增加两方面都增益。

Description

适用于高速运动接收的数据帧的设计方法和传输系统
技术领域
本发明属于通信领域，尤其涉及一种适用于高速运动接收的数据帧的设计方法和传输系统。
背景技术
ATSC(Advanced Television System Committee)在2016年03月和2016年09月先后发布A/321自引导程序和A/322物理层协议两个标准，该两个标准分别为A/321标准，system discovery and detection，2016年3月23日；以及A/322标准，physical layerprotocol，2016年9月7日。
其中，A/321的自引导程序(bootstrap)和A/322的前置码(Preamble)部分具有相当优秀的性能，已经为启动ATSC3.0新服务做好准备，该标准适用于6,7,8和2*5＝10MHz频道带宽，优点显著性能比较优秀，在韩国已经率先启动。
但是，优点中同时带来不足，该标准在高速运动接收的情形下并未充分利用频谱资源，尤其是额外信息容量的获取上。
此处高速运动接收选择针对数据帧时间＝50ms和自引导程序时间＝2ms而言，但并非限定于此。例如不同频带宽度的国家/地区而言，对于6MHz频道国家/地区，有效频谱闲置率10.4％；动用时可获得额外信息容量+0.418％。对于8MHz频道国家/地区，有效频谱闲置率10.0％；动用时可获得额外信息容量+0.402％。加上为数极少的7MHz频道国家/地区，全球在近5年内若采用ATSC3.0,都可有此额外信息容量。
已知的是，A/321占用4.5MHz是为2*5＝10MHz定制的，该2*5MHz的来由是因为2016-06美国FCC启动第二轮700MHz频段的电视频谱拍卖，其中有10对(pairs)频道是按照2*5MHz占拍卖频谱的绝大多数，其政策要把美国每个广播业者拥有的2*6MHz许可证，通过拍卖和优惠政策改革为2*5MHz频道。除了上述2*5MHz带宽，其他频道的有效带宽利用率分析进行以下表格分析，按照A/321文件对符号-2中对bsr_coefficient之N选取，可得“基带取样率”等数据，见表1如下：
Figure GDA0002618490680000021
表1自引导程序的频谱闲置率
值得重要说明的是：在高速运动接收和未考虑功分复用(PDM)时，特别是发射功率不变时，尽管额外信息容量看似为数不多，但在频谱使用密集的大城市中心地区(如纽约、东京、上海、香港等地)，可发送电子购物广告等，可见，额外信息容量的获取是十分可观且必要的，但并未出现针对性的技术方案考量。
需要说明的是，上述仅只是结合利用ATSC3.0标准中具体参数来体现并未充分利用频谱资源、未充分获取额外信息容量这样的背景技术问题，并非仅仅局限于仅能解决ATSC3.0标准中的问题，而是也适用于其他传输协议标准中所遇到的相同原理的技术问题。
发明内容
为了解决上述现有技术问题和实现上述发明目的，本发明提供了一种适用于高速运动接收的数据帧的设计方法和传输系统。
本发明提供了一种适用于高速运动接收的数据帧的设计方法，其特征在于，包括：数据帧包含相级联的自引导程序、前置码和至少一个数据子帧，上述自引导程序并不需要每个数据帧都传输，当数据帧中不发射自引导程序时留有空隙用于获得额外信息容量，其中，按照数据帧持续时间长短将时域均匀分割为若干时间片段，避免技术模式组合TMC的变更时刻前后一定范围的时间内跳过，在其他剩余时间内均匀分配设置至少一个可跳过的时间片段，该可跳过的时间片段中数据帧不传输所述自引导程序。
进一步可选的，在本发明提供的上述设计方法中，其特征在于，其中，TMC的变更时刻前后一定范围的时间内是指前后一或二或三个时间片段内不进行跳过模式。
进一步可选的，在本发明提供的上述设计方法中，其特征在于，其中，数据帧不传输所述自引导程序该可跳过的时间片段占全部时间片段中的少数，该少数是指在划分出的总体量的时间片段中所选取出来进行自引导程序跳过模式的时间片段的数量为一半以下。
进一步可选的，在本发明提供的上述设计方法中，其特征在于，适用于高速运动接收则数据帧的持续时间短，以最短数据帧持续时间为50ms，则将每秒分割为20个时间片段。
进一步可选的，在本发明提供的上述设计方法中，其特征在于，其中，所设置至少一个可跳过的时间片段进行跳过模式包含B-6/20跳过模式、B-8/20跳过模式、以及B-10/20跳过模式，
即20个时间片段中避开TMC变更的关键时刻且均匀分配分别选取出来6个、8个及10个进行自引导程序跳过模式。
进一步可选的，在本发明提供的上述设计方法中，其特征在于，其中，高速运动接收的速度范围包含地面车辆的行驶速度、高速动车的行驶速度，及航空/航天业速度：发送端和接收端相对至少百公里每小时。
进一步可选的，在本发明提供的上述设计方法中，其特征在于，其中，跳过自引导程序模式所需的用于指示跳过部分、数据帧持续长度、时间片段个数、可跳过的时间片段的各种参数，即跳过模式的参数承载于信令的设计之中。
进一步可选的，在本发明提供的上述设计方法中，其特征在于，进一步，数据帧中除了上述以自引导程序的整体为单位进行跳过，还可以可在自引导程序的内部进行局部跳过。
本发明还提供了一种适用于高速运动接收的数据帧传输系统，其特征在于，包括：在发射端和接收端两侧的调制器和解调器中添加跳过程序，并使用现有的芯片样片及硬件，该添加跳过程序用于对数据帧进行设计，得到的数据帧包含相级联的自引导程序、前置码和至少一个数据子帧，上述自引导程序并不需要每个数据帧都传输，当数据帧中不发射自引导程序时留有空隙用于获得额外信息容量，其中，按照数据帧持续时间长短将时域均匀分割为若干时间片段，避免技术模式组合TMC的变更时刻前后一定范围的时间内跳过，在其他剩余时间内均匀分配设置至少一个可跳过的时间片段，该可跳过的时间片段中数据帧不传输所述自引导程序。
进一步可选的，在本发明提供的上述设计系统中，其特征在于，其中，数据帧不传输所述自引导程序该可跳过的时间片段占全部时间片段中的少数，该少数是指在划分出的总体量的时间片段中所选取出来进行自引导程序跳过模式的时间片段的数量为一半以下。
发明的作用和效果
通过本发明这种既可以涵盖互联网也可以涵盖广播网中，尤其适合用于高速运动接收情况下，通过跳过自引导程序、前置码“跳过模式，且避开了在技术模式组合(TMC)可能有变更这样的“时间标记”关键时刻进行跳过，TMC可能变更的关键时刻前后不跳过，那么，可以实现所传输的节目内容发生变更时，在不影响表示技术组合模式变更的前提下，在稳健性增强和信息容量增加两方面都增益。
本发明中，既可以单独设计自引导程序的跳过模式，也可以单独设计前置码的跳过模式，进一步还可以设计为自引导程序和前置码跳过的模式。
另外本发明中，还提供了一种在功分复用(PDM)基础上，再采用B/P跳过模式组合，这样把自引导程序B和前置码P两类跳过模式组合后，在引入PDM创新技术，可以获得“跳过较少的”、“跳过中等的”，“跳过较多的”的几种典型组合跳过模式，其稳健性增强特别适用于抵御短脉冲干扰；如自然闪电、汽车引擎火花、电气火车火花等；但不适用于Gauss噪声模型和霓虹灯宽谱噪声(其SNR门限值不变)，获得的额外信息容量潜力十分大，例如在没有引入PDM时，与ATSC3.0与1.0相比的+36％的信道增益，充分发挥ATSC3.0信道编码效率。
附图说明
图1是本发明实施例中引自A/321标准中数据帧的结构示意图；
图2是本发明实施例中最短数据帧持续时间情况下每秒所划分的时间片段结构示意图；
图3是图2划分情况下B-6/20跳过模式的示意图；
图4是图2划分情况下B-8/20跳过模式的示意图；
图5是图2划分情况下B-10/20跳过模式的示意图；
图6是图2划分情况下P-13/20跳过模式的示意图；
图7是图2划分情况下P-15/20跳过模式的示意图；
图8是图2划分情况下P-17/20跳过模式的示意图；
图9是本发明实施例中数据帧的时域中功率分布示意图；
图10是本发明实施例中数据帧的时域和频域中功率分布示意图；及
图11是本发明实施例中功分复用基础上再跳过模式情况下数据帧的时域功率分布示意图。
具体实施方式
本发明所讨论的跳过模式既可适用于其创新的互联网服务、又仍然适用于传统的广播服务等通信传输领域当中，除了ATSC3.0新服务的高速运动服务接收以外，本建议还可应用于其他类型的服务，如采用手机或者平板电脑的手持移动(mobile)接收(人行道【pedestrian】和室内【in-door】)以及采用屋顶或者室内天线/机顶盒/大屏幕显示器之“家庭中固定接收(fixed receptions in the home)”，即也适用于其他通信传输协议标准中，
通过本发明的跳过模式后两者(手持移动接收和家庭中固定接收)尽管信息容量的增加不多，但前置码的稳健性仍可显著增强。
本说明书中，采用适用于高速运动接收一词，是因为区别于本行业常用的惯用词汇“high speed(高速)”，该high speed(高速)通常指高比特率，因而采用“fast moving(高速运动)”更为适宜。
图1是本发明实施例中引自ATSC3.0的A/321标准中数据帧的结构示意图。对图1内容进行介绍之前，对该跳过模式的实现可行性进行以下说明。
用手机短信与广播电视节目单对比，分析电信网(目前互联网的物理基础)与广播电视网的固有区别来看，从时间域对比，分析电信网和广播电视网在发送端、传输链路和接收端的随机性和连续性对比的基本区别：手机处于待机状态时，用户发送一个短信：这在时间域具有随机性；在传输链路和接收端，也都具有随机性；广播电视网则不同：除用户收看时具有随机性以外，其信号24小时不间断发送，没有随机性。仅仅当节目内容发生变更时，其技术模式组合(Technical Modes Combination,TMC)会有变更(最短的广告插入也需3-4秒)。
从图2来看，典型例子：晚间黄金时段从20:00起播放4k-UHDTV崭新节目时，TMC必定有变更；必须有新的前置码说明后续数据子帧的TMC(特别是插入广告一般也采用相同的TMC,并已与音频/视频节目源“包装”在一起。
这时，“时间标记(time stamp)”【以天文钟为参考；并以秒为单位】发挥关键的作用，因为它是节目表中不同节目更换的分界时刻：例如，GMT-12：00.00，GMT-12：00.01…，即北京时间-20：00.00，GMT-20：00.01…非常精确。各种跳过模式首先要满足这个广播电视网的基本需求，反之，离开这个时间域分界的其余时刻，则由于电视节目源的连续性和TMC多次重复具有“冗余度(redundancy)”而可充分利用(仅需时间域的概念)
前置码(preamble)紧接自引导程序(bootstrap)、位于自引导程序后续部分(post-bootstrap part)之头部，当不发射前置码(preamble)时，自引导程序和数据子帧之间出现“空隙(gap)”。此空隙情况可由图9和图10可知。图10中，频率域坐标中，两侧区域和中间区域之间留有山谷状保护间隔，此保护间隔是工程实施中必须保留的，对于保护间隔的设计是预留的，需要进行工程设计尤其是样机的现场测试辅助。
本实施例中，只讨论数据帧最短持续时间为50ms的情况来具体说明，以符合高速运动接收之需求，适用于高速运动的其他数据帧持续时间均在本发明的实施范围之内。
ATSC3.0的S/32技术小组的主席Luke Fay的技术文章：Luke Fay et al，AnOverview of ATSC3.0 Physical Layer Specification，IEEE Tran.Broadcast.,vol.62,NO.1,Mar.2016,pp.159-171,此ATSC3.0物理层介绍一文中，第VII节的第G部分：前置码”中的第一句话就是：前置码在每个数据帧中出现一次…。
图2是本发明实施例中最短数据帧持续时间情况下每秒所划分的时间片段结构示意图。
针对上述前置码在每个数据帧中出现一次的观点，本申请人却认为该前置码并不需要每个数据帧都发射，在每24小时的“时间标记(time stamp)”时刻(例如，GMT-00:00.00,01:00.00等,在这些缝隙中必须发送前置码，但其必须发送前置码的“时间标记(time stamp)”为数不多。
现在，对于高速运动接收的互联网/广播网而言，每3-4/8个数据帧只发射1次(并不是全部时间)，则前置码的稳健性将显著改善由于每个前置码所需的头部开销(overheads)也将降低，从利用可使用的“空隙”，可获得信息容量将有不可忽视的增长(non-negligible increase)。
此ATSC3.0新服务中的高速运动接收(fast moving reception)的速度约高达～300千米/小时，该速度通过计算机仿真得到：129HZ Doppler效应时(中心频率500MHZ时对应时速278千米/小时)，SNR门限值＜-8dB。高速运动可以适用于至少几十公里每小时，高速运动接收的例子有，例如地面车辆的约100至200km/h、高速动车的约400-600km/h，甚至是航空业中返回舱接收图像传输指挥系统中几km/s。适用于各种航空航天服务，其发送端和接收端的相对速度＞100km/hr。例如，中国“神舟返回舱搜救活动”中的指挥系统，包含宇航员音频和视频图像传输系统。
本发明所采用的是数据帧的最短持续时间＝50ms来具体说明的，也可以涵盖所有长短的数据帧持续时间，例如较普遍的100ms，150ms，200ms的计算，本发明不重复分别具体计算说明。
本跳过模式的实现也较为简单：只需要把短的、行数不多的计算机程序，添加到现有的发射端和接收端两侧的ATSC3.0调制器和解调器，并使用现有的芯片样片及其其他现有的硬件，而不需要担心CPU或者存储器方面的设计，不产生太多复杂的硬件改动和存储成本。
但是，本发明必须在自引导程序(bootstrap)部分设计信令过程(signaling)，以说明这种“跳过前置码模式”所需的各种参数，即跳过模式的具体参数可选择承载于信令的设计之中。
具体而言，对于高速运动接收的互联网服务来说：如果数据帧的持续时间＝50ms，而如果对前置码采纳其持续时间最短的2.96ms，其中L1-BASIC(基本)和L1-Detail(细节)每个在时间域各为1.48ms，那么，额外信息容量的增益为(用％表示)：
A)对于互联网服务(每4个数据帧1个前置码)：
2.96×(4-1)/(50×4)＝4.44％；
B)对于广播服务(每8个数据帧1个前置码)：
2.96×(8-1)/(50×8)＝5.18％；
前置码稳健性的增益：
当每4个数据帧或8个数据帧只有1个前置码时，可获得SNR门限值的显著下降-6/-9dB(对于1/4或1/8特别适用于脉冲噪声，但不适用于AWGN)；因而很容易把门限值调节为接近自引导程序的。
因此，用于高速运动接收ATSC3.0互联网/广播网服务的“跳过前置码模式”之优点是：在稳健性增强(SNR门限值下降-6/-9dB)和信息容量增加(+4.44/5.18％)两方面都增益。
上述所提及的额外信息容量的增益，是在如果不考虑LDM的情况下，ATSC3.0获得的信息容量与ATSC1.0/8-VSB相比，增加36％。
基本设计来看，可定义数据超帧(super frame)结构，其中总数为NSUP个数据帧；而前置码仅包含在第一个数据帧内，其余数据帧则没有前置码(留出“空隙”)；其中，如下表2，NSUP＝2，3，…8…24。当NSUP＝8时，前置码的：捕获时间(capture time)为：
MAX(最大值)＝8×50＝400ms(＜0.5s)
Aver.(平均值)＝200ms(＜0.25s)(此平均值为最大值之半)
此数值显著大于自引导程序捕获时间(在所讨论的情况中Aver.＝25ms)，此揭示了这类“跳过模式”现有暂时的缺陷。针对的是数据帧持续时间＝50ms；捕获时间max.＝2*Aver.。
Figure GDA0002618490680000111
表2前置码的增益和平均(Aver.)捕获时间
从上述表2可见对于ATSC3.0互联网服务而言，在高速运动接收时：
1)如果需要快速捕获/复原(Acquisition/Recovery)，则NSUP＝3或4可能是良好的解答；
2)具有捕获时间(capture time)平均值/最大值Aver/Max＝75/150ms或100/200ms，更接近自引导程序(bootstrap)的25/50ms，而这种差别对于一般消费者而言，是可忽略不计的或可接受的；
3)获得的额外信息容量为+3.95％或+4.44％；
4)而前置码稳健性则获得-4.8dB或-6.0dB；
从表2还可见对于ATSC3.0广播服务而言，在高速运动接收时：
1)可获得的额外信息容量为：从NSUP＝3(+3.95％)到NSUP＝8(+5.18％)；
2)在上面首个例子中选用NSUP＝8是考虑前置码稳健性的改善达-9.0dB，可使得前置码的SNR门限值更接近自引导程序的数值。
综合比较A/321自引导程序和A/322前置码的优秀性能，建议的跳过前置码模式(skip preamble mode)是：每NSUP个数据帧发射一次前置码；其结果是，在ATSC3.0的互联网和广播网新服务的高速运动接收中，当NSUP＝3到8时，可增强前置码的稳健性(-4.8dB至-9.0dB)，还可增加信息容量(+3.95％至+5.18％)。
因此，任何互联网服务或其广播网服务等通信传输领域业者可在其覆盖区域内试验不同的NSUP值，并在不同的时段调整修改它，以获得相对应自身最优的最佳解答。
第一具体例子
本第一具体例子中，结合图3-图5介绍适用于ATSC3.0的高速运动接收在少数时间内跳过自引导程序(B)模式。该少数是指在划分出的总体量的时间片段(fragments)来说所选取出来进行B跳过模式的时间片段的数量较少，一半以下为宜，例如本第一具体例子中，基于数据帧持续时间而得出的每秒20个时间片段来说，一半以下可选为6、8、10等。
通过图3-图5中,将1s/50ms＝20，也即每秒需要划分20个时间片段(fragments)，该20个时间片段分别利用数字和字母来指示：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F、G、H、I以及J，这样圈状示意的方式可以体现“时间标记”在关键时刻(TMC变更)发挥的作用。
一般来讲，既然广播电视节目单大都是从每秒开始TMC变更，那么需重点说明的是，应该优先保证TMC变更的关键时刻，即如图2中I/J/0/1或J/0指示的时间片段绝不“跳过”。那么，对于其他剩余可选进行跳过的时间片段来讲，通过较为对称图形的设计，保证在每秒时间内除上述关键时刻以外的其余时刻，跳过模式尽量均匀分配。
该均匀分配可由图3-图5中可知，阴影线部分表示为“跳过”，未涂阴影部分为“不跳过”，图3中跳过的6个时间片段中2、5、8和B、E、H之间为避开TMC且尽量对称设计；图4中跳过的8个时间片段中2、4、6、8和B、D、F、H之间为避开TMC且尽量对称设计；图5中跳过的10个时间片段中2、4、5、6、8和B、D、E、G、I之间为避开TMC变更且尽量对称设计。上述时间片段的具体选取并非本发明的范围，满足避开TMC变更的关键时刻且均匀分配即可。
关于实现“跳过模式”所导致的捕获时间的增大的验证，除了继续进行理论分析(含计算机仿真)和样机的测试(实验室和现场)，还可以通过捕获时间的主观测试(不跳过与跳过的对比)：例如参加测试者区分专家和一般观众；测试结果分类：不能区分(几乎全体)、难以区分(大多数)、可以区分、可以接受、基本可以接受、难以接受、不能接受等。
图3-图5中，3类B的6/20、8/20和10/20跳过模式捕获时间(aver./max)、稳健性增强(特别适用于短脉冲噪声；不适用于AWGN噪声)和可获得的额外信息容量见表3，由该表3可知：捕获时间最大增加仅由25/50ms增加为37.5/75ms(+50％)，额外信息容量为：+1.20％，+1.60％和+2.00％，数据帧的持续时间＝50ms；B的持续时间＝2ms，没有跳过模式时的捕获时间：aver./max＝25/50ms。
Figure GDA0002618490680000141
表3自引导程序B跳过模式的性能
本发明中也提出一种该第一具体例子的变形实施例，对自引导程序其他可采用“跳过模式”的可能性，例如第一具体例子中讨论的“跳过模式”是以B的整体为单位进行的，变形例中可在B的内部进行局部跳过。B-6/20跳过模式的潜力比其他2个B-8/20、B-10/20模式潜力要大些。
例如，ATSC3.0标准的A/321技术分组中自引导程序标准的“符号-1”，“符号-2”，“符号-3”中，数据段A(还有配套的数据段B和C)多次重复，可选择针对少量数据段进行上述跳过模式处理。又例如，上述3个符号：可考虑跳过少量的“符号-1”，“符号-2”，“符号-3”携带的3*8＝24个信令比特位中一部分。
对该第一具体例子的简短小结来看，从广播电视节目表TMC可能变更的“时间标记”关键时刻出发，导出6/20,8/20,10/20三种实用的B跳过模式，获得的稳健性增强分别为SNR＝-1.55dB,-2.22dB,-3.01dB；额外信息容量则为+1.20％，+1.60％，+2.00％；而捕获时间最大仅+50％。
第二具体例子
在多数时间内跳过前置码(preamble)模式，用于ATSC3.0的高速运动接收—目录。该多数是指在划分出的总体量的时间片段(fragments)来说所选取出来进行P跳过模式的时间片段的数量较多，一半以上为宜，例如本第一具体例子中，基于数据帧持续时间而得出的20个时间片段来说，一半以上可选为13、15、17等。
考虑电视节目单和时间标记的关键时刻后，实用的前置码P模式有下述3种图6至图8的具体跳过模式：P-13/20，P-15/20，P-17/20跳过模式的设计。对该推荐的“P-13/20，P-15/20，P-17/20跳过模式”的性能可以通过以下表4来得知。
前置码P跳过模式中，满足避开TMC变更的关键时刻且均匀分配的原则，均匀分配可由图3-图5中可知，阴影线部分表示为“跳过”，未涂阴影部分为“不跳过”，将1s/50ms＝20，也即每秒需要划分20个时间片段(fragments)，该20个时间片段分别利用数字和字母来指示，此时间片段的分割设计同上述第一具体例子相同。
表4中，数据帧的持续时间＝50ms；P的持续时间＝-3ms，没有跳过模式时的捕获时间：aver./max.＝25/50ms。
Figure GDA0002618490680000161
表4前置码P跳过模式的性能
从表4的最后一列结果可看出：都没有考虑B的跳过模式情况下，其结果与实际测试出的额外信息容量数据+3.95％，4.44％，5.18％非常接近，也即实用模式符合理论分析。
第三具体例子
对于B和P两类跳过模式的组合，从原理而言，自引导程序B和前置码P的捕获时间、稳健性增强数值、额外信息容量的％三个性能参数，都是些相加关系。
在信令过程的部署过程中，A/321自引导程序标准的符号-2中对bsr_coefficient【基带取样率_系数】N设计有7个比特位；而且对于N＝12，bsr_coeff.＝28*0.384＝10.752Mbps，非常接近ATSC1.0的A/53标准之10.76Mbps，因而采用该参数来部署信令过程。
除了被占用的比特位，此外，bsr_coeff.还有81-127共46个保留值，可供使用。
现在结合第一具体例子和第二具体例子来看，B跳过模式和P跳过模式各有3种跳过模式，总共有如下表5中9种实用的B/P跳过模式组合；可考虑动用bsr_coeff.数值127至119，作为其信令过程(表5)。
表5为B/P组合的跳过模式之信令过程：动用B-符号-2内bsr_coeff.保留值，频道带宽6MHz和N＝12都是约定值。对表5的重要说明：原来发送N＝12；现在发送此表5左列中的单个数值127、126、125等等。
Figure GDA0002618490680000171
表5为B/P组合的跳过模式之信令过程
那么，B和P两类跳过模式的组合的性能而言：自引导程序B和前置码P两类跳过模式组合后的性能汇总见以下表6。由表6可看出：从“跳过较少”的【B-6/20；P-13/20】模式到“跳过较多”的【B-10/20；P-17/20】模式之汇总性能为：
捕获时间增大：从2.0倍至3.6倍，其中，如果希望有较小的捕获时间，可增加P-5/20,P-7/20,P-9/20和P-11/20跳过模式；总数为21个B/P跳过模式组合(或优选10-12种推荐模式组合；而且本处讨论的9种模式组合也可优选4-5种)。
稳健性增强：从SNR＝-4.2dB之-10.5dB(特别适用于抵御短脉冲干扰；但不适用于AWGN噪声模型)。
额外信息容量：从+5.10％至+7.10％。
该表6中，数据帧的持续时间＝50ms；原捕获时间：aver./max.＝50/100ms。
Figure GDA0002618490680000181
Figure GDA0002618490680000191
表6自引导程序B和前置码P跳过模式组合之性能
因而从简短小结来看，采用自引导程序B和前置码P的9种实用模式组合时，可获得：稳健性增强：从SNR＝-4.2dB至-10.5dB；额外信息容量：从+5.10％至+7.10％，这些数值在未考虑PDM(功分复用)时，同ATSC3.0与1.0的额外信息容量+36％相比，可增加1/7至1/5，因而具有显著的社会效益和经济效益。而付出的代价是捕获时间上升为2.0倍至3.6倍(数值由aver./max.＝50/100ms增为104/208ms至179/358ms)。
第四具体例子
结合上述第一具体例子中少数时间内跳过自引导程序(B)模式和第二具体例子中多数时间内跳过前置码(preamble)模式，在本第四具体例子中，对在功分复用(PDM)基础上，再采用B/P跳过模式组合，用于ATSC3.0的高速运动接收的方案进行介绍，技术方案相同重复的部分不再赘述。
图11是本发明实施例中功分复用基础上再跳过模式情况下数据帧的时域功率分布示意图。对图11进行图解说明，2.14KW*2.5＝5,3KW，5.3KW+2.14KW＝7.5KW；但这仅仅是50ms中的45ms的功率；B/P合计5ms，其功率需要占总比率的5/50＝10％。这就是说，总功率＝7.5/0.9＝8.3KW，PDM后，额外信息容量实际的有效比特率显著增大，因而获得显著的增益，不然就闲置不用了。
已知的是，ATSC3.0占首位的关键技术是功分复用(PDM)创新技术，A/322标准中采用功率分割复用(PDM，Power Division Multiplexing)的名词，而不采用层分复用(LDM)的名词；简称“功分复用”，以对应时分复用(TDM)和频分复用(FDM)。其中暂时只推荐“双分层”的应用：核心分层(CL,Core Layer)和增强分层(EL,Enhanced Layer)。
首先，对功分复用(PDM)的主要特性介绍来看：
如下述表中所体现的，QPSK的2种技术模式(B跳过模式+P跳过模式)的SNR为负数值的原因分析说明如下：平原地区某电视发射站的信号，可不受同频道干扰(CCI,Co-Channel Interference)而进入邻近地区，增加不同电视台提供新服务之间、争夺用户的竞争。核心分层CL的QPSK调制和增强分层EL的MSB(最高有效位)前2位具有简单的“模2加”运算关系，两者的功率共享。但PDM需要显著增大发射功率为代价；采纳QPSK调制和较低的信道编码率3/15和4/15。
在PDM中的B/P跳过模式组合之基本性能
韩国或美国等已采用ATSC1.0 A/53标准的某个广播业者，可假设其原发射功率为1KW；现在转换为ATSC3.0后，采用PDM创新技术。其中EL需要能发送1套4k-UHDTV崭新服务：
原ATSC 1.0-A/53的技术模式为：8-VSB调制，信道编码率2/3.有效比特率19.38Mbps，现场测试值SNR＝15.2dB(计算值～14.7dB，恶化～0.5dB)；
现ATSC 3.0的技术模式：64～QAM，10/15,20.5Mbps，SNR＝18.5dB(计算值～16.1dB，恶化～2.4dB)；
由于SNR 18.5-15.2＝3.3dB或2.138倍；也即EL要获得20.5Mbps的有效比特率(发送4k-UHDTV所需)，采用OFDM后，发射机提供EL的功率必须由1Kw上升为2.14KW，才能维持原有的覆盖范围，而CL的发射功率则取决于注入电平数值。本实施例仅讨论注入电平数值为-4.0dB和注入电平数值为-1.76dB两种典型情况；而数据子帧的合计发射功率主要部分由CL和EL两个部分相加而得。B/P部分还需要另行计算。
自引导程序和前置码在时间域合计为5ms，而数据子帧为45ms；B/P和数据子帧的发射功率之比例为1:9。此外，信息容量已上升为20.5/6＝3.42bit/s/Hz。
那么，PDM技术下的2种典型注入电平(IJ)时，B/P跳过模式组合的所能获得性能分析：
表7给出了同时实现B和P两类跳过模式的汇总结果(B:自引导程序；P前置码；数据帧时间＝50ms；频道带宽＝6MHz；IJ＝-4dB)
Figure GDA0002618490680000211
Figure GDA0002618490680000221
表7同时实现两类跳过模式的汇总结果
把自引导程序B和前置码P两类跳过模式组合后，在引入PDM创新技术，获得9种模式组合中的3种典型结果，在表7中列出；其中【B-6/20；P-13/20】是“跳过较少的”，【B-8/20；P-15/20】是“跳过中等的”，而【B-10/20；P-17/20】则是“跳过较多的”稳健性增强。
特别适用于抵御短脉冲干扰；如自然闪电、汽车引擎火花、电气火车火花等；但不适用于AWGN噪声模型和霓虹灯宽谱噪声.
额外信息容量获得+5.10％，+6.10％至+7.10％所挖掘的潜力，在没有引入PDM时，与ATSC3.0与1.0相比的+36％的信道增益，已达到其1/7,1/6和1/5的数值。
在表7还给出引入PDM的结果，特别是B/P也有自已的CL和EL双分层，充分发挥ATSC3.0信道编码效率，B和P还可分开使用于音频和视频服务。
本发明对在高速运动接收中积极动用其闲置的有效带宽频谱进行以下说明，到以下不同频道带宽应用下注入不同电平的分析比对结果。
(1)对6MHZ频道有效带宽的应用
考虑高速运动接收和引入功分复用(PDM)创新技术，可参照背景技术中表1的，可有下述结果：
(1.A)注入电平IJ＝-4.00dB(表8)
(1.B)注入电平IJ＝-1.76dB(表9)
由于发射功率的功率显著增大，上述表格中可使用的CL和EL之有效比特率与表1中最后一列对应的有效比特率22.5kbps和30.9kbps是完全不同的。
(2)对8MHZ频道有效带宽的应用
(2.A)注入电平IJ＝-4.00dB(表10)
(2.B)注入电平IJ＝-1.76dB(表11)
而8/6频道有效比特率之比例＝7.680/5.376＝1.429。
表8：6MHz频道动用闲置有效带宽的结果(IJ＝-4.00dB)
(已引入PDM；高速运动接收；数据帧＝50ms)
Figure GDA0002618490680000231
表9：6MHz频道动用闲置有效带宽的结果(IJ＝-1.76dB)
(已引入PDM；高速运动接收；数据帧＝50ms)
Figure GDA0002618490680000232
Figure GDA0002618490680000241
表10：8MHz频道动用闲置有效带宽的结果(IJ＝-4.00dB)
(已引入PDM；高速运动接收；数据帧＝50ms)
Figure GDA0002618490680000242
表:11：8MHz频道动用闲置有效带宽的结果(IJ＝-1.76dB)
(已引入PDM；高速运动接收；数据帧＝50ms)
Figure GDA0002618490680000243
Figure GDA0002618490680000251
值得指出的是，上述表8、表9，表10和表11的结果中，增强分层已经由原来ATSC1.0-8-VSB时发射功率1KW，乘2.14倍成为2.14KW才能够提供20.5Mbps(6MHz频道)，用于发送4K-UHDTV崭新服务。不同的注入电平以此数值推算CL的发射功率。
数据帧时间从50ms推广到100ms，150ms等情况时，额外信息容量就明显下降；但对于大城市中心地区、频谱稀缺的而用户又众多的条件下，这些为数不多的有效比特率仍然居于使用价值
本实施例从频率域的讨论，计算了自引导程序占用4.5MHz后，还闲置的有效带宽频谱的闲置率；在高速运动接收条件下，动用这些频谱可获得不多的额外信息容量：+0.418％(6MHz频道)和+0.402％(8MHz频道)。
而表8、表9，表10和表11中的每张都反映所动用的闲置有效带宽，也具有CL/EL的功分复用特性，同样的频率域分析方法，也可应用于ATSC3.0前置码对应L1-Basic的部分，但所获得的额外信息容量估计只有表8、表9，表10和表11的一半左右
小结来看，额外信息容量都将有约+0.20％(6或8MHz频道)；把这些结果与“B/P跳过模式组合”汇总，可得额外信息容量：+5.7％，+6.7％，+7.7％，没有引入PDM时，为“+36％”的1/6.31，1/5.37,1/4.68。
在上述表8、表9，表10和表11中，对其中的在6MHz频道内获得额外信息容量之可用比特率进行以下说明。
从“空隙”2.96ms获得的额外信息容量，可当做独立的数据流，与后续的负荷部分没有任何关联，为了从6MHz频道的额外信息容量中获得可用的比特率，可使用上述提及的Luke Fay的技术文章公布如下表12中的核心分层2个模式和增强分层2个模式，来用于进行高速运动接收。此6MHZ频道的表12中，左边引自上述Luke Fay发表的技术文章，取最高值。
Figure GDA0002618490680000261
表12来自额外信息容量的可用比特率
其结果在表12中列出，并可看出：
1)由于核心分层的稳健性较高，其优先应用是应急告警和反恐等用途，还有各种公共服务(气象预报、高速公路车况等)；
2)对于增强分层而言，向广播业者提供一系列新机遇，因为，比特率有0.5-1.0Mbps(＞384kbps.足以提供1或2套额外的11.1沉浸式环绕声)
在上述实施例中的“单分层”系统，单独分别适用于核心分层(CL)或增强分层(EL)，因为它们每个都有自己的前置码、并多次重复，至于“双分层”的LDM系统的也是本发明所涵盖的权利范围。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的说明书仅是本发明众多实施例中的一种或几种实施方式，而并非用对本发明的限定。任何对于以上所述实施例的均等变化、变型以及等同替代等技术方案，只要符合本发明的实质精神范围，都将落在本发明的权利要求书所保护的范围内。

Claims (9)

1.一种适用于高速运动接收的数据帧的设计方法，其特征在于，包括：
数据帧包含相级联的自引导程序、前置码和至少一个数据子帧，上述自引导程序并不需要每个数据帧都传输，当数据帧中不发射自引导程序时留有空隙用于获得额外信息容量，
其中，按照数据帧持续时间长短将时域均匀分割为若干时间片段，避免技术模式组合TMC的变更时刻前后一定范围的时间内跳过，在其他剩余时间内均匀分配设置至少一个可跳过的时间片段，该可跳过的时间片段中数据帧不传输所述自引导程序。
2.如权利要求1所述的适用于高速运动接收的数据帧的设计方法，其特征在于，
其中，TMC的变更时刻前后一定范围的时间内是指前后一或二或三个时间片段内不进行跳过模式。
3.如权利要求1所述的适用于高速运动接收的数据帧的设计方法，其特征在于，
其中，数据帧不传输所述自引导程序该可跳过的时间片段占全部时间片段中的少数，该少数是指在划分出的总体量的时间片段中所选取出来进行自引导程序跳过模式的时间片段的数量为一半以下。
4.如权利要求3所述的适用于高速运动接收的数据帧的设计方法，其特征在于，
适用于高速运动接收则数据帧的持续时间短，以最短数据帧持续时间为50ms，则将每秒分割为20个时间片段。
5.如权利要求4所述的适用于高速运动接收的数据帧的设计方法，其特征在于，
其中，所设置至少一个可跳过的时间片段进行跳过模式包含B-6/20跳过模式、B-8/20跳过模式、以及B-10/20跳过模式，
即20个时间片段中避开TMC变更的关键时刻且均匀分配分别选取出来6个、8个及10个进行自引导程序跳过模式。
6.如权利要求1所述的适用于高速运动接收的数据帧的设计方法，其特征在于，
其中，高速运动接收的速度范围包含地面车辆的行驶速度、高速动车的行驶速度及航空/航天业速度，高速运动的定义为：发送端和接收端之间的相对速度为至少百公里每小时。
7.如权利要求1所述的适用于高速运动接收的数据帧的设计方法，其特征在于，
其中，跳过自引导程序模式所需的用于指示跳过部分、数据帧持续长度、时间片段个数、可跳过的时间片段的各种参数，即跳过模式的参数承载于信令的设计之中。
8.一种适用于高速运动接收的数据帧传输系统，其特征在于，包括：
在发射端和接收端两侧的调制器和解调器中添加跳过程序，并使用现有的芯片样片及硬件，
该添加跳过程序用于对数据帧进行设计，得到的数据帧包含相级联的自引导程序、前置码和至少一个数据子帧，上述自引导程序并不需要每个数据帧都传输，当数据帧中不发射自引导程序时留有空隙用于获得额外信息容量，
其中，按照数据帧持续时间长短将时域均匀分割为若干时间片段，避免技术模式组合TMC的变更时刻前后一定范围的时间内跳过，在其他剩余时间内均匀分配设置至少一个可跳过的时间片段，该可跳过的时间片段中数据帧不传输所述自引导程序。
9.如权利要求8所述的适用于高速运动接收的数据帧传输系统，其特征在于，
其中，数据帧不传输所述自引导程序该可跳过的时间片段占全部时间片段中的少数，该少数是指在划分出的总体量的时间片段中所选取出来进行自引导程序跳过模式的时间片段的数量为一半以下。
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