杨 颖，田金凤，黄 飞，寇亚军，李明齐

(1.南京航空航天大学电子信息工程学院，江苏南京 210016;2.中国科学院上海高等研究院新媒体无线技术研究中心，上海 201210)

0 引言

数字电视广播信道条件复杂多变，尤其在移动场景下，系统没有上行回传反馈信道，仅依靠纠错编码，系统的鲁棒性能并不理想。为此，最新的数字视频广播标准均在纠错编码后引入时间交织。其中比较典型的是 DVB－T2(digital video broadcasting－terrestrial 2rd generation)标准［1］。DVB－T2 标准是欧洲数字地面传输组织于2008年6月推出的第二代数字电视地面传输标准，其最初设计主要面向固定和手持接收，时间交织技术的引入使得DVB－T2系统可以获取一定的时间分集增益而适用于移动接收场景。然而DVB－T2标准中的块交织受标准定义存储量的限制无法实现长交织，从而无法有效地抵抗移动场景下时间选择性衰落对信号传输的影响。

为了使DVB－T2系统能够有效地支持固定接收和移动接收，DVB组织于2012年2月开始在DVBT2标准的基础上制订 DVB－NGH(digital video broadcasting－next generation handheld) 标 准［2］。DVB－NGH标准是第二代DVB家族的最新成员，是目前世界上最先进的数字地面传输系统，与DVBT2以时分复用的结构在DVB－T2的未来扩展帧内传输移动业务。为了有效地抵抗移动场景下时间选择性衰落对信号传输的影响，DVB－NGH标准提案对现有广播系统标准提出的时间交织方案进行了调研总结和分析，包括DVB－SH(digital video broadcasting－satellite handheld)标准［3］提出的卷积交织和MPE－iFEC(multi－protocol encapsulation inter－burst forward error correction)以及DVB－T2标准采用的块交织。DVB－NGH在这些交织方案的基础上分别提出了 BB－iFEC(base band inter－frame FEC)以及帧间卷积交织和帧内块交织级联的时间交织方案。

文献［4］针对DVB－T2标准的块交织在移动场景下的性能进行了评估。文献［5］在文献［4］的基础上，在快衰落和阴影衰落的场景下，针对DVB－T2标准的块交织进行了更加细致的性能评估，并针对MPE－iFEC进行了仿真分析。文献［6－7］针对上层交织方法MPE－iFEC的工作原理以及误码性能进行了研究。文献［8］则分析了物理层交织方法 BB－iFEC具体的工作原理和误码性能。针对DVB－SH标准采用的卷积交织，文献［9－12］分别给出卷积交织的工作原理，误码性能以及硬件实现方法。但是目前为止还没有文献针对适用于未来广播系统发展方向的帧间卷积交织和帧内块交织级联的时间交织方案进行全面的性能评估。为此本文主要针对DVBNGH标准计划采用的帧间卷积交织和帧内块交织级联的时间交织方案在移动场景下进行性能评估，并将其与DVB－T2标准中的块交织进行比较分析，同时还针对级联交织方案中的卷积交织和块交织不同的实现方法在移动场景下进行性能评估。为我国下一代广播电视无线系统实现帧间卷积交织和帧内块交织级联的时间交织提供参考。

本文首先讨论了DVB－T2标准中的块交织和DVB－NGH标准提出的帧间卷积交织和帧内块交织级联的交织方案;其次，讨论了级联交织方案中卷积交织和块交织不同的实现方法;最后，通过参考DVB－T2系统仿真参数，在移动场景下针对级联交织方案进行性能评估和比较分析。

1 时间交织

时间交织按某种特定规则将原始数据序列打乱，使交织前后数据序列相关性减弱，从而降低无线信道传输中突发错误对数据传输的影响。其中，最典型的交织方法为块交织和卷积交织。DVB－T2标准即采用简单易行的块交织实现时间交织。其依据具体的数据输入速率，将输入数据存储在一个或者多个时间交织(time interleaving，TI)块中，且每个

TI块内可以包含数量可变的前向纠错编码(forward error correction，FEC)块。在各个TI块内分别对数据独立地进行块交织。DVB－T2标准中块交织的交织深度可按公式(1)计算［5］。

(1)式中，DVB－T2标准定义TI块最大存储量为219个单元字，故在码率、调制阶数和信息输入速率固定的情况下，DVB－T2标准的块交织受标准定义TI块存储量的限制而无法实现长交织。同时，块交织的换台时间与换台时刻有关，假设接收端接收到全部码字后才能正确译码，则块交织的换台时间介于交织深度的1至2倍之间，均值为交织深度的3/2倍［13］，且块交织和解块交织时需将所有数据写入寄存器中后才可读出，故块交织端到端时延为交织深度的2倍。而卷积交织的换台时间与换台时刻无关，假设接收端接收到全部码字才可正确译码，由于卷积交织和解交织时数据写入读出同步，故相同条件下卷积交织换台时间和端到端时延均等于交织深度。同时，交织深度相同时，卷积交织所需存储量约为块交织的一半。所以，在存储量相同的情况下，卷积交织比块交织可以实现更长的时间交织。

DVB－NGH标准主要面向地面和混合地面－卫星移动接收，信道环境复杂，尤其当终端慢速移动时，信道相干时间较大，同时针对 DVB－T2帧和DVBNGH帧的时分复用结构，短时间交织无法满足移动场景下的系统性能需求。且DVB－NGH系统主要面向手持移动接收，接收终端体积小，容许的存储量、端到端时延和换台时间有限。故块交织无法适用于DVB－NGH系统。而卷积交织可以在存储量一定的情况下实现长交织，且端到端时延小、换台时间短。基于此，DVB－NGH标准计划利用卷积交织进行帧间交织。同时，再对帧内数据进行简单的块交织，进一步地提高时间分集度。

图1为DVB－NGH标准计划采用的级联交织方案。由图1可知，该方案将卷积交织和块交织巧妙地结合在一起，在DVB－NGH帧间进行卷积交织，在DVB－NGH帧内进行块交织。首先，假定子卷积交织器的通道数为B，将各个FEC块分别送入不同的交织单元(interleaving unit，IU)分组模块，每个IU分组模块将FEC块等分为B个IU，其次，每个IU分组模块将输出的B个IU依次分别送入相应子卷积交织器B个时延通道中，不同时延通道可以设置不同时延参数，以DVB－NGH帧为单位，进而实现基于IU的帧间卷积交织。最后，对各个子卷积交织器输出的IU进行统一的帧内块交织。

图1 级联交织工作原理Fig.1 Operationing principle of concatenated interleaver

IU的长度，即每个IU所包含单元字的数量为

(2)式中:NCELLS代表一个FEC块内单元字的数量;B代表子卷积交织器通道数。在选择FEC块长度和通道数 B时，应使得 NCELLS能够被 B整除，即(NCELLSmod B)=0，从而保证一个FEC块内所有IU的长度相同，进而方便实现帧内块交织。

2 帧间卷积交织和帧内块交织级联的不同实现方法

进行帧间卷积交织时，可根据具体的应用场景灵活地选择卷积交织方法，共有以下3种方法。

方法1 均匀交织。即数据经时间交织后被均匀的映射到相应帧周期内，子卷积交织器各通道时延与通道基本时延成正比，各通道时延可按(3)式计算［11］。

(3)式中:i∈(1，…，B)表示第i个通道;M 表示通道基本时延。

方法2 非均匀－early。数据被非均匀地映射到相应帧周期内，其中大部分数据被映射到时间上相对靠前的帧周期内，其余数据则被映射到时间上相对靠后的帧周期内。此时，通道时延值相对较小的通道数目大于通道时延值较大的通道数目。

方法3 非均匀－late。数据被非均匀地映射到相应帧周期内，其中大部分数据被映射到时间上相对靠后的帧周期内，其余数据则被映射到时间上相对靠前的帧周期内。此时，通道时延值相对较大的通道数目大于通道时延值较小的通道数目。

其中，方法1适用于误码性能要求高的场景;方法2适用于实时传输场景;方法3可实现快速换台，适用于对换台时间要求严格的应用场景。

实际在进行帧内块交织时，可以灵活地设置帧间卷积交织在当前帧内输出数据写入帧内块交织的规则。方法1采用DVB－T2标准定义的块交织方法，首先，将当前帧内各个子卷积交织器输出的IU重组，每组数据长度为一个FEC块的长度，然后，将其均分为5列后按列写入矩形寄存器;方法2依次将当前帧内各个子卷积交织器输出的IU按列写入矩形寄存器，一列一个IU;方法3依次将当前帧内各个子卷积交织器相同时延通道输出的IU按列写入矩形寄存器，一列一个IU。最后，将写入矩形寄存器中的数据按行读出，完成帧内块交织。

以上所述帧间卷积交织和帧间卷积交织输出数据写入帧内块交织的方法均可以组合实现级联交织，以下将针对这些级联交织方案在移动场景下进行性能评估和比较分析。

3 性能评估

为了有效地评估广播系统中时间交织在移动场景下的性能，本文将在DVB－T2标准仿真平台中，参考DVB－T2系统仿真参数，针对块交织以及级联交织进行性能评估和分析。其中，信道模型采用城市环境移动测试比较经典的6径典型城市(6－taps typical urban，TU6)信道模型。

表1为进行时间交织性能仿真时采用的系统仿真参数。其中，帧长为100 ms，仿真长度为1 000帧。为了全面地评估时间交织在高低速移动场景下的性能，本文选择6种终端移动速度，即3，10，30，60，100及150 km/h。为了保证一个FEC块内的IU长度相同，本文通道数B选择1，2，3，4和6。同时，本文选择FER=1%(FEC error rate)作为系统误码性能参考标准，利用BER(bit error rate)评估系统误码性能。

表1 系统仿真参数Tab.1 Simulation parameters of the system

4 仿真结果

我们将给出仿真结果针对所述级联时间交织进行性能评估，并与块交织进行比较。考虑到长时间交织带来的端到端时延和换台时间较大，本文仿真中时间交织深度均选择小于1 s进行性能评估，利于实际应用参考。

在终端移动速度为3 km/h的移动场景下，图2分别给出了交织深度相同(均为400 ms)以及存储量相同(均为40个FEC块)时3种不同的级联交织和块交织的BER性能比较曲线。块交织为DVB－T2标准定义交织方法，级联交织方法1、级联交织方法2和级联交织方法3中帧间卷积交织采用均匀卷积交织，而帧内块交织则依次采用块交织方法1、块交织方法2和块交织方法3。其中，子卷积交织器通道数B为4，通道基本时延M为1个帧，即其交织深度为400ms。从图2可以看出，交织深度相同时，级联交织比块交织的误码性能稍好;3种不同级联交织的误码性能非常接近，这是由于帧长较短，帧内数据量较少，帧内块交织所获分集增益有限，差异较小造成的。同时，交织深度为400 ms时，块交织所需存储量为80个FEC块，换台时间介于400 ms和800 ms之间，端到端时延为800 ms。而级联交织中卷积交织所需存储量为30个FEC块大小的数据量，帧内块交织所需最大存储量为20个FEC块大小的数据量，级联交织共需存储50个FEC块大小的数据量。级联交织的交织深度主要由帧间卷积交织决定，故级联交织端到端时延和换台时间均约为400 ms。故交织深度相同时，级联交织性能要比块交织的误码性能好，且所需存储量少，端到端时延小，换台时间也相对较短。

图2还以级联交织方法3为例，与块交织比较了相同存储量配置时的BER性能，存储量均为40个FEC块。每帧输入FEC块数为20，则块交织的最大交织深度为200 ms。级联交织在每个帧内采用20个子卷积交织器，则每个子卷积交织器仅需存储2个FEC块大小的数据量即可存储40个FEC块大小的数据量。此时，子卷积交织器通道数B为3，每个FEC块被均分成3个IU，各时延通道上的寄存器分别存储0，2和4个IU，共6个IU，相应各通道时延分别为0，2和4个帧。故级联交织可以在存储量为40个FEC块大小数据量的情况下，交织深度达到500 ms，为块交织的2.5倍。由图2可以看出，在存储量相同的情况下，系统采用级联交织时的BER比采用块交织时小。这是由于存储量相同时，级联交织可以获得比块交织更长的交织深度。此外，在存储量一定的情况下，可通过配置子卷积器通道结构，如增加子卷积交织器的通道数或增加最大时延通道的时延值来实现兼顾分集度的灵活长交织。

图2 交织深度和存储量相同时，级联交织和块交织BER性能比较Fig.2 BER performance comparison between concatenated interleaver and block interleaver based on the same interleaving depth and memory requirement

图3给出终端移动速度为3 km/h，交织深度为500 ms时，级联交织方案中帧间卷积交织采用上文所述不同的实现方法时系统BER性能比较曲线。帧内块交织采用块交织方法3，帧间卷积交织分别采用均匀卷积交织、非均匀－early和非均匀－late。子卷积交织器通道数B为3，均匀交织时，通道基本时延M为2个帧;非均匀交织－early时，各通道时延分别为0，1和4个帧;非均匀交织－late时，各个通道时延为0，3和4个帧。由图3可知，采用均匀卷积交织实现帧间卷积交织时系统BER最小，故级联交织采用均匀卷积交织的误码性能要比采用非均匀卷积交织的误码性能好。在没有特殊应用场景的需求下，建议级联交织中帧间卷积交织采用均匀的卷积交织方法。

图3 帧间卷积交织采用不同实现方法BER性能比较Fig.3 BER performance comparison between different implementation methods of inter－frame convolutional interleaver

在终端移动速度和交织深度不同的情况下，图4给出级联交织BER性能比较曲线。帧间卷积交织采用均匀卷积交织，通道基本时延M均为1个帧，帧内块交织采用块交织方法 3;终端移动速度分别为3 km/h和30 km/h;交织深度选择100 ms，200 ms和400 ms，对应通道数分别为1，2和4。由图4可以看出，交织深度为100 ms时，3 km/h和30 km/h的性能非常接近。这是由于交织深度为100 ms时，通道数B为1，无帧间卷积交织，仅对帧内数据进行块交织，所获分集增益有限。同时，由图4还可以发现，终端移动速度相同，交织深度越大，BER越小，系统性能越好;交织深度相同，移动速度越大，信道相干时间越小，交织作用越大，BER越小，系统性能越好;信噪比较低时，信道条件较差，时间交织带来的性能提升较小，随着信噪比增大，时间交织带来的性能提升也较大。

图5给出终端移动速度和交织深度不同，系统采用级联交织在FER达到1%时所需信噪比曲线。其中，帧间卷积交织采用均匀卷积交织，帧内块交织采用块交织方法3。交织深度为0 ms时，不进行时间交织，其他4种交织深度曲线所对应子卷积交织器的通道数B分别为1，2，4和6，基本时延M为1帧。由图5可知，采用时间交织给系统性能带来的性能增益比较明显，交织深度越大，时间交织带来的系统性能增益越大。但是交织深度越大，端到端时延和换台时间也相应地变大，故在选择交织深度时需要在系统BER性能和端到端时延以及换台时间之间折中选择。同时，由图5还可以发现，随着终端移动速度增加，增大交织深度，系统性能增益增速变缓。本文仿真均为理想信道估计，否则终端移动速度较大，以至于信道估计速度无法与信道多普勒频移匹配，时间交织性能则出现瓶颈，甚至出现系统性能急速变差的情况。

图4 不同终端移动速度及交织深度时级联交织BER性能比较Fig.4 BER performance comparison of concatenated interleaver based on different terminalmovement speed and interleaving depth

图5 FER=1%，不同终端移动速度及交织深度级联交织所需信噪比Fig.5 Required SNR for FER 1%with concatenated interleaver based on different terminalmovement speed and interleaving depth

5 结束语

本文主要针对基于帧间卷积交织和帧内块交织级联的时间交织方案进行性能评估。仿真结果表明，交织深度相同，级联交织比块交织的误码性能稍好;帧间卷积交织采用均匀的卷积交织，级联交织可以在存储量一定的情况下实现灵活的长时间交织，误码性能比块交织更好。在终端移动速度和交织深度不同的条件下，针对级联交织进行性能仿真。结果表明，终端移动速度相同，交织深度越大，系统性能越好;交织深度相同，移动速度越大，信道相干时间越小，时间交织误码性能越好。综上所述，级联时间交织方案为DVB－NGH系统在DVB－T2系统中以时分复用方式共存提供方便的同时，具有存储量少、端到端时延小、换台时间短的优点，故其可以作为广播系统移动场景下的时间交织方案，对其进行性能评估，可以为我国下一代广播电视无线系统实现帧间卷积交织和帧内块交织级联的时间交织方案提供有效的参考，具有非常实际的指导意义。

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(编辑:魏琴芳)