分集技術在CMMB中的應用

摘要：文章首先介紹了CMMB系統(tǒng)的架構，接著總結了移動通信中無線信道的特征，通過對衰落信道與AWGN信道的對比引出了分集的概念。然后從時間，頻率，空間的角度分析了分集的實現(xiàn)方法。最后闡述了CMMB系統(tǒng)是如何利用這些分集技術的。
關鍵詞：CMMB分集

0 引言
本文主要研究了CMMB的傳輸技術以及分集思想在CMMB傳輸中的應用。在參考了CMMB傳輸標準的基礎上，結合數(shù)字通信的理論，研究了多徑衰落信道對CMMB傳輸?shù)挠绊?，進而將分集的理論與CMMB的傳輸標準結合，分析了其實現(xiàn)分集的原理，從時間分集、頻率分集、空間分集的角度對分集在CMMB中的應用進行了歸納和總結。

1 CMMB系統(tǒng)簡介
CMMB是英文China Mobile Multimedia Broadcasting(中國移動數(shù)字多媒體廣播)的簡稱。國家廣電總局于2006年10月頒布了中國移動多媒體廣播行業(yè)標準，確定采用我國自主研發(fā)的移動電視接收標準STiMi，該標準從同年11月1日起實施。CMMB是國內(nèi)自主研發(fā)的第一套面向手機、PDA、MP3、MP4、數(shù)碼相機、筆記本電腦等多種移動終端的系統(tǒng)，利用大功率S波段衛(wèi)星信號覆蓋全國，利用地面增補轉發(fā)器同頻同時同內(nèi)容轉發(fā)衛(wèi)星信號補點覆蓋衛(wèi)星信號盲區(qū)，利用無線移動通信網(wǎng)絡構建回傳通道，從而組成單向廣播和雙向交互相結合的移動多媒體廣播網(wǎng)絡。
CMMB系統(tǒng)的物理層邏輯信道的編碼和調(diào)制功能框圖如圖1所示。來自上層的輸入數(shù)據(jù)流經(jīng)過前向糾錯編碼、交織和星座映射后，與離散導頻和連續(xù)導頻復接在一起進行OFDM(正交頻分多路復用)調(diào)制。調(diào)制后的信號插入幀頭后形成物理層信號幀，再經(jīng)過基帶至射頻變換后發(fā)射。

CMMB物理層通過物理層邏輯信道(PLCH)為上層業(yè)務提供廣播通道。PLCH分為控制邏輯信道(CLCH)和業(yè)務邏輯信道(SLCH)。CLCH用于承載廣播系統(tǒng)控制信息，SLCH用于承載廣播業(yè)務，如圖2所示。
物理層對每個PLCH進行單獨的編碼和調(diào)制，其中CLCH采用固定的信道編碼和調(diào)制模式。SLCH的編碼和調(diào)制模式根據(jù)系統(tǒng)需求可靈活配置，配置模式通過系統(tǒng)控制信息向終端廣播。根據(jù)編碼和調(diào)制參數(shù)不同，物理層可提供不同的傳輸凈荷。

2 無線信道與分集技術
2．1 無線信道的特征
無線信道的主要特征是信道隨著時間和頻率的變化，大致可以分為兩種類型：大尺度衰落和小尺度衰落。大尺度信號衰落由發(fā)射機和接收機之間的主要地形(如山丘、樹林、建筑等)引起，表示了平均信號強度的衰減；而小尺度信號衰落主要是信號的時間擴展及信道時變，前者由多徑效應引起，表現(xiàn)為頻率選擇性衰落或平坦衰落，后者由多普勒效應引起，表現(xiàn)為快衰落或慢衰落。對于通信系統(tǒng)的研究主要針對于小尺度衰落，大尺度衰落針對通信基站規(guī)劃這樣的問題更為密切一些。
多徑效應：多徑指無線電信號從發(fā)射天線經(jīng)過多個路徑抵達接收天線的傳播現(xiàn)象。大氣層對電波的散射、電離層對電波的反射和折射，以及山巒、建筑等地表物體對電波的反射都會造成多徑傳播。多徑效應會導致信號的衰落和相移。
移動通信系統(tǒng)中與多徑效應相關的一個重要參數(shù)是多徑時延擴展，常把多徑衰落信道的多徑強度分布基本為零的時間范圍稱為信道的多徑擴展。從多徑擴展可以引出相干帶寬的概念。相干帶寬與多徑擴展之間存在反比關系。當輸入帶寬遠小于相干帶寬時，我們通常把這樣的信道稱為平坦衰落(flat fading)信道，在這種情況下，多徑時延擴展遠小于碼元時間l／W，信號在平坦衰落信道上傳輸擁有近似的傳播特性，沒有明顯的畸變，不會導致時域波形上的劇烈變化。而當輸入帶寬遠大于相干帶寬時，通常把這樣的信道稱為頻率選擇性衰落(frequen cy-selective fading)信道，在這樣的信道中傳輸，對不同頻率的電磁波的傳播特性是不一樣的，所以隨著在其中傳送的電磁波的頻率的變化，其信道響應也不停地變化，這也就是稱作頻率選擇性的本質(zhì)原因。
多普勒效應：信道時變效應是由發(fā)射端和接收端的相對運動或信道中的物體運動引起的，這些相對運動都會導致接收端接收到的電磁波信號的頻率有所變化，在頻域表現(xiàn)為多普勒頻移。多普勒效應會引起信道的響應隨時間變化。
移動通信系統(tǒng)中與多普勒效應相關的一個重要參數(shù)是多普勒擴展。我們常常把多徑衰落信道的多普勒功率譜基本為零的帶寬范圍稱為信道的多普勒擴展。從多普勒擴展可以引出相干時間的概念。相干時間與多普勒擴展之間存在反比關系。如果相干時間大于時延要求，那么信道為慢衰落(slow fading)信道，在這種情況下，信道的沖擊響應在符號傳播期間能夠保持較為“一致”，不會發(fā)生巨大的畸變。慢衰落一般來說所傳信號頻譜中的各個頻率分量幾乎產(chǎn)生同樣影響，因而對信號損害不大，一般可通過均衡補償；相反，如果相干時間遠小于應用的時延要求，那么信道為快衰落(fast fading)信道，在這種情況下，符號傳輸期間信道的沖擊響應隨時間變化劇烈，通信系統(tǒng)設計中必須用特殊手段對抗快衰落。
2．2 無線通信中的分集技術
無線通信領域權威David Tse博士在文獻中，分析了窄帶衰落信道中未編碼傳輸?shù)南喔蓹z測與非相干檢測，通過與AWGN信道傳輸?shù)膶Ρ?，指出前兩者傳輸?shù)牟铄e概率比AWGN信道的高得多的根本原因并不是因為接收機缺乏關于信道的知識，而是因為信道增益是隨機的，并且信道處于深度衰落的概率很大這樣的事實。當可靠通信取決于一條路徑的信號強度，而該路徑處于深度衰落的概率又很大時，任何通信方案都有可能出現(xiàn)差錯。
提高性能的解決方法是要確保信息碼元通過多條信號路徑，并且各路徑的衰落是相互獨立的，從而只要有一條路徑的信號足夠強就可以保證可靠的通信。這種技術在通信中就叫做“分集”，它可以極大地改善衰落信道中的性能。分集的實現(xiàn)方法有很多，比如時間分集、頻率分集、空間分集，等等。
(1)時間分集。時間分集是指以超過信道相干時間的時間間隔重復發(fā)送信號，以便讓再次收到的信號具有獨立的衰落環(huán)境，從而產(chǎn)生分集效果。一般可以對信息進行編碼，并將編碼后的碼元交織分散到不同的相干周期，從而使得碼字的不同部分經(jīng)歷相互獨立的衰落，實現(xiàn)時間分集。
(2)頻率分集。如果信道是頻率選擇性的，可以將信號在不同頻率的通道下發(fā)送，只要頻率間隔大于信道相干帶寬，那么它們就會經(jīng)歷相互獨立的衰落，從而達到分集的效果。
(3)空間分集。也叫天線分集，是一種在發(fā)射端或(和)接收端安裝多根不同位置的天線的分集技術。若這些天線的距離足夠大，則電磁波受到衰落的影響就相互獨立，達到分集的作用