幀間卷積交織和幀內塊交織級聯的時間交織性能評估

楊 穎，田金鳳，黃 飛，寇亞軍，李明齊

(1.南京航空航天大學電子信息工程學院，江蘇南京 210016;2.中國科學院上海高等研究院新媒體無線技術研究中心，上海 201210)

0 引言

數字電視廣播信道條件復雜多變，尤其在移動場景下，系統沒有上行回傳反饋信道，僅依靠糾錯編碼，系統的魯棒性能并不理想。為此，最新的數字視頻廣播標準均在糾錯編碼后引入時間交織。其中比較典型的是 DVB－T2(digital video broadcasting－terrestrial 2rd generation)標準［1］。DVB－T2 標準是歐洲數字地面傳輸組織于2008年6月推出的第二代數字電視地面傳輸標準，其最初設計主要面向固定和手持接收，時間交織技術的引入使得DVB－T2系統可以獲取一定的時間分集增益而適用于移動接收場景。然而DVB－T2標準中的塊交織受標準定義存儲量的限制無法實現長交織，從而無法有效地抵抗移動場景下時間選擇性衰落對信號傳輸的影響。

為了使DVB－T2系統能夠有效地支持固定接收和移動接收，DVB組織于2012年2月開始在DVBT2標準的基礎上制訂 DVB－NGH(digital video broadcasting－next generation handheld) 標 準［2］。DVB－NGH標準是第二代DVB家族的最新成員，是目前世界上最先進的數字地面傳輸系統，與DVBT2以時分復用的結構在DVB－T2的未來擴展幀內傳輸移動業務。為了有效地抵抗移動場景下時間選擇性衰落對信號傳輸的影響，DVB－NGH標準提案對現有廣播系統標準提出的時間交織方案進行了調研總結和分析，包括DVB－SH(digital video broadcasting－satellite handheld)標準［3］提出的卷積交織和MPE－iFEC(multi－protocol encapsulation inter－burst forward error correction)以及DVB－T2標準采用的塊交織。DVB－NGH在這些交織方案的基礎上分別提出了 BB－iFEC(base band inter－frame FEC)以及幀間卷積交織和幀內塊交織級聯的時間交織方案。

文獻［4］針對DVB－T2標準的塊交織在移動場景下的性能進行了評估。文獻［5］在文獻［4］的基礎上，在快衰落和陰影衰落的場景下，針對DVB－T2標準的塊交織進行了更加細致的性能評估，并針對MPE－iFEC進行了仿真分析。文獻［6－7］針對上層交織方法MPE－iFEC的工作原理以及誤碼性能進行了研究。文獻［8］則分析了物理層交織方法 BB－iFEC具體的工作原理和誤碼性能。針對DVB－SH標準采用的卷積交織，文獻［9－12］分別給出卷積交織的工作原理，誤碼性能以及硬件實現方法。但是目前為止還沒有文獻針對適用于未來廣播系統發展方向的幀間卷積交織和幀內塊交織級聯的時間交織方案進行全面的性能評估。為此本文主要針對DVBNGH標準計劃采用的幀間卷積交織和幀內塊交織級聯的時間交織方案在移動場景下進行性能評估，并將其與DVB－T2標準中的塊交織進行比較分析，同時還針對級聯交織方案中的卷積交織和塊交織不同的實現方法在移動場景下進行性能評估。為我國下一代廣播電視無線系統實現幀間卷積交織和幀內塊交織級聯的時間交織提供參考。

本文首先討論了DVB－T2標準中的塊交織和DVB－NGH標準提出的幀間卷積交織和幀內塊交織級聯的交織方案;其次，討論了級聯交織方案中卷積交織和塊交織不同的實現方法;最后，通過參考DVB－T2系統仿真參數，在移動場景下針對級聯交織方案進行性能評估和比較分析。

1 時間交織

時間交織按某種特定規則將原始數據序列打亂，使交織前后數據序列相關性減弱，從而降低無線信道傳輸中突發錯誤對數據傳輸的影響。其中，最典型的交織方法為塊交織和卷積交織。DVB－T2標準即采用簡單易行的塊交織實現時間交織。其依據具體的數據輸入速率，將輸入數據存儲在一個或者多個時間交織(time interleaving，TI)塊中，且每個

TI塊內可以包含數量可變的前向糾錯編碼(forward error correction，FEC)塊。在各個TI塊內分別對數據獨立地進行塊交織。DVB－T2標準中塊交織的交織深度可按公式(1)計算［5］。

(1)式中，DVB－T2標準定義TI塊最大存儲量為219個單元字，故在碼率、調制階數和信息輸入速率固定的情況下，DVB－T2標準的塊交織受標準定義TI塊存儲量的限制而無法實現長交織。同時，塊交織的換臺時間與換臺時刻有關，假設接收端接收到全部碼字后才能正確譯碼，則塊交織的換臺時間介于交織深度的1至2倍之間，均值為交織深度的3/2倍［13］，且塊交織和解塊交織時需將所有數據寫入寄存器中后才可讀出，故塊交織端到端時延為交織深度的2倍。而卷積交織的換臺時間與換臺時刻無關，假設接收端接收到全部碼字才可正確譯碼，由于卷積交織和解交織時數據寫入讀出同步，故相同條件下卷積交織換臺時間和端到端時延均等于交織深度。同時，交織深度相同時，卷積交織所需存儲量約為塊交織的一半。所以，在存儲量相同的情況下，卷積交織比塊交織可以實現更長的時間交織。

DVB－NGH標準主要面向地面和混合地面－衛星移動接收，信道環境復雜，尤其當終端慢速移動時，信道相干時間較大，同時針對 DVB－T2幀和DVBNGH幀的時分復用結構，短時間交織無法滿足移動場景下的系統性能需求。且DVB－NGH系統主要面向手持移動接收，接收終端體積小，容許的存儲量、端到端時延和換臺時間有限。故塊交織無法適用于DVB－NGH系統。而卷積交織可以在存儲量一定的情況下實現長交織，且端到端時延小、換臺時間短?；诖?，DVB－NGH標準計劃利用卷積交織進行幀間交織。同時，再對幀內數據進行簡單的塊交織，進一步地提高時間分集度。

圖1為DVB－NGH標準計劃采用的級聯交織方案。由圖1可知，該方案將卷積交織和塊交織巧妙地結合在一起，在DVB－NGH幀間進行卷積交織，在DVB－NGH幀內進行塊交織。首先，假定子卷積交織器的通道數為B，將各個FEC塊分別送入不同的交織單元(interleaving unit，IU)分組模塊，每個IU分組模塊將FEC塊等分為B個IU，其次，每個IU分組模塊將輸出的B個IU依次分別送入相應子卷積交織器B個時延通道中，不同時延通道可以設置不同時延參數，以DVB－NGH幀為單位，進而實現基于IU的幀間卷積交織。最后，對各個子卷積交織器輸出的IU進行統一的幀內塊交織。

圖1 級聯交織工作原理Fig.1 Operationing principle of concatenated interleaver

IU的長度，即每個IU所包含單元字的數量為

(2)式中:NCELLS代表一個FEC塊內單元字的數量;B代表子卷積交織器通道數。在選擇FEC塊長度和通道數 B時，應使得 NCELLS能夠被 B整除，即(NCELLSmod B)=0，從而保證一個FEC塊內所有IU的長度相同，進而方便實現幀內塊交織。

2 幀間卷積交織和幀內塊交織級聯的不同實現方法

進行幀間卷積交織時，可根據具體的應用場景靈活地選擇卷積交織方法，共有以下3種方法。

方法1 均勻交織。即數據經時間交織后被均勻的映射到相應幀周期內，子卷積交織器各通道時延與通道基本時延成正比，各通道時延可按(3)式計算［11］。

(3)式中:i∈(1，…，B)表示第i個通道;M 表示通道基本時延。

方法2 非均勻－early。數據被非均勻地映射到相應幀周期內，其中大部分數據被映射到時間上相對靠前的幀周期內，其余數據則被映射到時間上相對靠后的幀周期內。此時，通道時延值相對較小的通道數目大于通道時延值較大的通道數目。

方法3 非均勻－late。數據被非均勻地映射到相應幀周期內，其中大部分數據被映射到時間上相對靠后的幀周期內，其余數據則被映射到時間上相對靠前的幀周期內。此時，通道時延值相對較大的通道數目大于通道時延值較小的通道數目。

其中，方法1適用于誤碼性能要求高的場景;方法2適用于實時傳輸場景;方法3可實現快速換臺，適用于對換臺時間要求嚴格的應用場景。

實際在進行幀內塊交織時，可以靈活地設置幀間卷積交織在當前幀內輸出數據寫入幀內塊交織的規則。方法1采用DVB－T2標準定義的塊交織方法，首先，將當前幀內各個子卷積交織器輸出的IU重組，每組數據長度為一個FEC塊的長度，然后，將其均分為5列后按列寫入矩形寄存器;方法2依次將當前幀內各個子卷積交織器輸出的IU按列寫入矩形寄存器，一列一個IU;方法3依次將當前幀內各個子卷積交織器相同時延通道輸出的IU按列寫入矩形寄存器，一列一個IU。最后，將寫入矩形寄存器中的數據按行讀出，完成幀內塊交織。

以上所述幀間卷積交織和幀間卷積交織輸出數據寫入幀內塊交織的方法均可以組合實現級聯交織，以下將針對這些級聯交織方案在移動場景下進行性能評估和比較分析。

3 性能評估

為了有效地評估廣播系統中時間交織在移動場景下的性能，本文將在DVB－T2標準仿真平臺中，參考DVB－T2系統仿真參數，針對塊交織以及級聯交織進行性能評估和分析。其中，信道模型采用城市環境移動測試比較經典的6徑典型城市(6－taps typical urban，TU6)信道模型。

表1為進行時間交織性能仿真時采用的系統仿真參數。其中，幀長為100 ms，仿真長度為1 000幀。為了全面地評估時間交織在高低速移動場景下的性能，本文選擇6種終端移動速度，即3，10，30，60，100及150 km/h。為了保證一個FEC塊內的IU長度相同，本文通道數B選擇1，2，3，4和6。同時，本文選擇FER=1%(FEC error rate)作為系統誤碼性能參考標準，利用BER(bit error rate)評估系統誤碼性能。

表1 系統仿真參數Tab.1 Simulation parameters of the system

4 仿真結果

我們將給出仿真結果針對所述級聯時間交織進行性能評估，并與塊交織進行比較?？紤]到長時間交織帶來的端到端時延和換臺時間較大，本文仿真中時間交織深度均選擇小于1 s進行性能評估，利于實際應用參考。

在終端移動速度為3 km/h的移動場景下，圖2分別給出了交織深度相同(均為400 ms)以及存儲量相同(均為40個FEC塊)時3種不同的級聯交織和塊交織的BER性能比較曲線。塊交織為DVB－T2標準定義交織方法，級聯交織方法1、級聯交織方法2和級聯交織方法3中幀間卷積交織采用均勻卷積交織，而幀內塊交織則依次采用塊交織方法1、塊交織方法2和塊交織方法3。其中，子卷積交織器通道數B為4，通道基本時延M為1個幀，即其交織深度為400ms。從圖2可以看出，交織深度相同時，級聯交織比塊交織的誤碼性能稍好;3種不同級聯交織的誤碼性能非常接近，這是由于幀長較短，幀內數據量較少，幀內塊交織所獲分集增益有限，差異較小造成的。同時，交織深度為400 ms時，塊交織所需存儲量為80個FEC塊，換臺時間介于400 ms和800 ms之間，端到端時延為800 ms。而級聯交織中卷積交織所需存儲量為30個FEC塊大小的數據量，幀內塊交織所需最大存儲量為20個FEC塊大小的數據量，級聯交織共需存儲50個FEC塊大小的數據量。級聯交織的交織深度主要由幀間卷積交織決定，故級聯交織端到端時延和換臺時間均約為400 ms。故交織深度相同時，級聯交織性能要比塊交織的誤碼性能好，且所需存儲量少，端到端時延小，換臺時間也相對較短。

圖2還以級聯交織方法3為例，與塊交織比較了相同存儲量配置時的BER性能，存儲量均為40個FEC塊。每幀輸入FEC塊數為20，則塊交織的最大交織深度為200 ms。級聯交織在每個幀內采用20個子卷積交織器，則每個子卷積交織器僅需存儲2個FEC塊大小的數據量即可存儲40個FEC塊大小的數據量。此時，子卷積交織器通道數B為3，每個FEC塊被均分成3個IU，各時延通道上的寄存器分別存儲0，2和4個IU，共6個IU，相應各通道時延分別為0，2和4個幀。故級聯交織可以在存儲量為40個FEC塊大小數據量的情況下，交織深度達到500 ms，為塊交織的2.5倍。由圖2可以看出，在存儲量相同的情況下，系統采用級聯交織時的BER比采用塊交織時小。這是由于存儲量相同時，級聯交織可以獲得比塊交織更長的交織深度。此外，在存儲量一定的情況下，可通過配置子卷積器通道結構，如增加子卷積交織器的通道數或增加最大時延通道的時延值來實現兼顧分集度的靈活長交織。

圖2 交織深度和存儲量相同時，級聯交織和塊交織BER性能比較Fig.2 BER performance comparison between concatenated interleaver and block interleaver based on the same interleaving depth and memory requirement

圖3給出終端移動速度為3 km/h，交織深度為500 ms時，級聯交織方案中幀間卷積交織采用上文所述不同的實現方法時系統BER性能比較曲線。幀內塊交織采用塊交織方法3，幀間卷積交織分別采用均勻卷積交織、非均勻－early和非均勻－late。子卷積交織器通道數B為3，均勻交織時，通道基本時延M為2個幀;非均勻交織－early時，各通道時延分別為0，1和4個幀;非均勻交織－late時，各個通道時延為0，3和4個幀。由圖3可知，采用均勻卷積交織實現幀間卷積交織時系統BER最小，故級聯交織采用均勻卷積交織的誤碼性能要比采用非均勻卷積交織的誤碼性能好。在沒有特殊應用場景的需求下，建議級聯交織中幀間卷積交織采用均勻的卷積交織方法。

圖3 幀間卷積交織采用不同實現方法BER性能比較Fig.3 BER performance comparison between different implementation methods of inter－frame convolutional interleaver

在終端移動速度和交織深度不同的情況下，圖4給出級聯交織BER性能比較曲線。幀間卷積交織采用均勻卷積交織，通道基本時延M均為1個幀，幀內塊交織采用塊交織方法 3;終端移動速度分別為3 km/h和30 km/h;交織深度選擇100 ms，200 ms和400 ms，對應通道數分別為1，2和4。由圖4可以看出，交織深度為100 ms時，3 km/h和30 km/h的性能非常接近。這是由于交織深度為100 ms時，通道數B為1，無幀間卷積交織，僅對幀內數據進行塊交織，所獲分集增益有限。同時，由圖4還可以發現，終端移動速度相同，交織深度越大，BER越小，系統性能越好;交織深度相同，移動速度越大，信道相干時間越小，交織作用越大，BER越小，系統性能越好;信噪比較低時，信道條件較差，時間交織帶來的性能提升較小，隨著信噪比增大，時間交織帶來的性能提升也較大。

圖5給出終端移動速度和交織深度不同，系統采用級聯交織在FER達到1%時所需信噪比曲線。其中，幀間卷積交織采用均勻卷積交織，幀內塊交織采用塊交織方法3。交織深度為0 ms時，不進行時間交織，其他4種交織深度曲線所對應子卷積交織器的通道數B分別為1，2，4和6，基本時延M為1幀。由圖5可知，采用時間交織給系統性能帶來的性能增益比較明顯，交織深度越大，時間交織帶來的系統性能增益越大。但是交織深度越大，端到端時延和換臺時間也相應地變大，故在選擇交織深度時需要在系統BER性能和端到端時延以及換臺時間之間折中選擇。同時，由圖5還可以發現，隨著終端移動速度增加，增大交織深度，系統性能增益增速變緩。本文仿真均為理想信道估計，否則終端移動速度較大，以至于信道估計速度無法與信道多普勒頻移匹配，時間交織性能則出現瓶頸，甚至出現系統性能急速變差的情況。

圖4 不同終端移動速度及交織深度時級聯交織BER性能比較Fig.4 BER performance comparison of concatenated interleaver based on different terminalmovement speed and interleaving depth

圖5 FER=1%，不同終端移動速度及交織深度級聯交織所需信噪比Fig.5 Required SNR for FER 1%with concatenated interleaver based on different terminalmovement speed and interleaving depth

5 結束語

本文主要針對基于幀間卷積交織和幀內塊交織級聯的時間交織方案進行性能評估。仿真結果表明，交織深度相同，級聯交織比塊交織的誤碼性能稍好;幀間卷積交織采用均勻的卷積交織，級聯交織可以在存儲量一定的情況下實現靈活的長時間交織，誤碼性能比塊交織更好。在終端移動速度和交織深度不同的條件下，針對級聯交織進行性能仿真。結果表明，終端移動速度相同，交織深度越大，系統性能越好;交織深度相同，移動速度越大，信道相干時間越小，時間交織誤碼性能越好。綜上所述，級聯時間交織方案為DVB－NGH系統在DVB－T2系統中以時分復用方式共存提供方便的同時，具有存儲量少、端到端時延小、換臺時間短的優點，故其可以作為廣播系統移動場景下的時間交織方案，對其進行性能評估，可以為我國下一代廣播電視無線系統實現幀間卷積交織和幀內塊交織級聯的時間交織方案提供有效的參考，具有非常實際的指導意義。

［1］ETSI EN 302 755 V1.1.1.Digital Video Broadcasting(DVB);Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system(DVB－T2) ［S］//European Standard(Telecommunications series). ［s.l.］:EBU－UER，Digital Video Broadcasting，2009.

［2］SELGERT F，SUBRAMANIAM R.TM－H0452 Commercial requirements for DVB－NGH［S］.［s.l.］:CM－NGH，2009.

［3］ETSI EN 302 583.Framing Structure，Channel coding and modulation for Satellite services to Handheld devices(SH)below 3GHz［S］//European Standard(Telecommunications series).［s.l.］:EBU－UER，Digital Video Broadcasting，2010.

［4］GOZALVEZ D，VARGASD，GOMEZ B D，et al.Performance evaluation of DVB－T2 time interleaving inmobile environments［C］//IEEE VCT 2010，September 2010.Ottawa，Canada:Conference Publications，2010:1－5.

［5］GOZALVEZ D，VARGASD，GOMEZ B D，et al.Time Diversity in Mobile DVB－T2 Systems［J］.IEEE Transactions on broadcasting，2011，57(3):617－628.

［6］ETSITS 102 772 v1.1.1.Multi－Protocol Encapsulationinter－burst Forward Error Correction(MPE－iFEC)［S］//European Standard(Telecommunications series).［s.l.］:EBU－UER，Digital Video Broadcasting，2010.

［7］GOZALVEZ D，VARGASD，GOMEZ B D，et al.Performance evaluation of the MPE－iFEC sliding RSencoding for DVB－H streaming services［C］//IEEE.PIMRC 2008，September 2008.Cannes，France:Conference Publications，2008:1－5.

［8］GOMEZ B D，GOMEZ P F，GOZALVEZ D.Base Band inter－frame FEC(BB－iFEC)for Next Generation Handheld DVB－NGH［C］//IEEE.BMSB 2011，June 2011.Nuremberg:Conference Publications，2011:1－6.

［9］VARGAS A，BREILING M，GERSTACKER W H.Adding different levels of QoS to the DVB－SH standard［C］//Advanced Satellite Multimedia Systems Conference and the 11th Signal Processing for Space Communications Workshop，September 2010.Cagliari:Conference Publications，2010:469－475.

［10］CHAUVET W，AMIOT－BAZILE C，LACAN J.Prediction of performance of the DVB－SH system relying onmutual information［C］//Advanced Satellite Multimedia Systems conference and the 11th Signal Processing for Space Communications workshop，September 2010.Cagliari:Conference Publications，2010:413－420.

［11］梁小萍，肖嵩.卷積交織器和解交織器的VHDL設計和 FPGA 實現［J］.現代電子技術，2004 ，20:102－104.

LIANG Xiaoping，XIAO Song.VHDL design and FPGA implementation of interleaver and deinterleaver［J］.Modern Electronics Technique，2004，20:102－104.

［12］沈劉平，于江，秦愛祥.視頻會議系統［J］.四川兵工學報，2011，(4):83.SHEN Liuping，YU Jiang，QIN Aixiang.Video conference system［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2011，(4):83.

［13］BREILING M，SCHUH K，NAGEL P.TM－NGH443 A－nalysis time interleaving［S］.［s.l.］:CM－NGH，2010.

(編輯:魏琴芳)