一种数字交互式多媒体网络系统和利用该系统的数据传输方法 【技术领域】
本发明涉及一种数字交互式多媒体网络系统和利用该系统的数据传输方法，特别是，本发明涉及具有一个宏覆盖网络和一个微蜂窝结构的微覆盖网络组成的两级传输层结构的数字交互式多媒体网络系统和利用该系统的数据传输方法。
背景技术
未来的地面无线电视网络将是一个能同时发送高清晰度电视、交互节目和宽带双向多媒体业务的统一平台。由于无线传输在带宽、功率和成本方面存在严格的限制，而最终用户的需求越来越多样化，因此，一个能最有效利用频谱资源的空中接口(包括组网、调制解调等问题)的优化设计就成为最重要的需求。
由于自身固有的差异，广播和电信传统上各踞一方，彼此独立。广播采取“点对面”的传输方式，适合于大面积的音视频、多媒体内容的发送。数字广播中一个主要的问题是多径衰落和阴影衰落。现有系统，比如DVB-T利用OFDM和卷积/里德-所罗门编码来消除衰落影响。为了进一步地改善覆盖，广播可以采用在覆盖盲区(信号强度弱地地方)发射相同的信号的所谓“填空发射机”方法，但是不能预计主发射机和本地发射机之间能够协作到何种程度。
相反的，通信采用的是“点到点”的连接方式。典型的应用是电话、双向数据交换和多媒体内容的点播业务。通信信道常常是双向的(双工)的，由于对系统整体容量的较高要求，因此其覆盖区域通常是微蜂窝或微微蜂窝型区域。
由于多媒体内容变得越来越重要，两种类型业务的基本区别已经消失，由于目标业务超越了单一广播或电信的局限，因此，单一广播或电信的局限显得越来越突出。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种具有两级传输层结构的数字地面交互多媒体系统和利用该系统的数据传输方法，它可以包括传统广播并提供增值业务(如宽带互联网、VOIP业务等)。由于目标业务超越了单一广播或电信的局限，本发明的方案可以满足运营商和用户对于系统业务增强和平滑过渡能力要求的需要。本发明的重要特征是它良好的性能(无论是数据率、覆盖还是鲁棒性)和它可以包括传统广播并提供增值业务(如宽带互联网、VOIP业务等)的能力。
根据本发明第一方面的数字交互式多媒体网络，由两级网络协作组成，其特征在于，该网络包括一个宏覆盖网络组成的一级网络，其发射功率较高，主要用于单向广播；和一个微覆盖网络(微蜂窝结构)组成的二级网络，用于进行广播和双向通信；
该网络允许基本广播业务到高级双向宽带业务的无缝过渡；根据业务应用需要和网络规模的不同，第一级网络可以按多种方式进行配置，运行在另一个频段上，根据所实施的微蜂窝形式及双向通信业务特点，第二级网络有不同的参数组合可以选择设置。
根据本发明第二方面的数字交互式多媒体网络，其特征在于该系统的数据传输方法是在同时性的混合模式下，一级网络和二级网络之间恰当的协同传输而实现；其中，该数据传输的广播功能由一、二级网络共同完成，应用将宏分集技术和编码技术结合在一起的时空编码(STC)以实现更高的接收可靠性。
根据本发明第三方面的利用数字交互式多媒体网络系统的数据传输方法，其特征在于，所属的STC编码可以分为格型编码和块编码两类，其中，与格型时空编码相比，时空块编码可以采用低复杂度的最大似然解码器，而且可以利用编码矩阵的正交性实现全部的分集增益，而不需要进行带宽扩展；通过与LDPC编码的级联，该编码方案可以实现高分集和编码增益。
根据本发明第四方面的利用数字交互式多媒体网络系统的数据传输方法，其特征在于，该数据传输的双向互联网功能是微蜂窝结构的二级网络承担。
根据本发明第五方面的利用数字交互式多媒体网络系统的数据传输方法，其特征在于，该数据传输的双向通信功能是采用MIMO(多入多出模式)，通过空分处理技术，多入多出通道可以缩减到若干个并行的分离信道中，使各个独立的数据流可以同时用不同的天线进行传输，从而大大提高数据速率。
根据本发明第六方面的利用数字交互式多媒体网络系统的数据传输方法，其特征在于，数据传输采用正交频分复用(OFDM)方案，该方案是基于单载波传输的替代方式，它可以通过低成本的IFFT处理将高速的数据流变换成并行的低速数据流，以明显降低在频率选择性衰落环境下的接收机复杂度。
根据本发明第七方面的利用数字交互式多媒体网络系统的数据传输方法，其特征在于，数据传输系统首先对电视、数据和控制数据流进行分离处理。不同的码流可以采用不同的信道编码和调制方式，调制器的输出传送到各自的传送通道上，在基于OFDM技术的系统中可以很容易通过给不同通道分配不同的子载波数来确定各通道的数据率。通过组合不同的编码码率和调制方式，以适应各种不同节目内容和交互程度的业务的码率需求。
根据本发明第八方面的利用数字交互式多媒体网络系统的数据传输方法，其特征在于，其数据传输的编码采用低密度奇偶校验(LDPC)码。根据本发明第九方面的利用数字交互式多媒体网络系统的数据传输方法，其特征在于，数据传输采用的低密度奇偶校验(LDPC)码具有内置交织，因此无需常规编码调制方式所需的额外交织模块，其编码参数如下：
QPSK@1K模式，48个OFDM符号；
QPSK@4K模式，12个OFDM符号；
64QAM@1K模式，16个OFDM符号；
64QAM@4K模式，4个OFDM符号；
对应上述模式，可用码率：1/2-8/9；数据块大小：64Kbit(编码后的比特数)。
根据本发明第十方面的利用数字交互式多媒体网络系统的数据传输方法，其特征在于，数据传输采用的帧结构是将其数据流分解成超帧。每个超帧包括一个时域导引信号序列和若干OFDM净荷数据帧，时域导引信号序列包括长、短同步符号，分别用于快速同步和精确估值，时域导引信号序列中也可编入系统配置信息；每个OFDM数据帧包含一个FFT数据块和循环的前缀和后缀。OFDM数据帧进行时域窗处理或脉冲成形滤波，以抑制带外频谱。
根据本发明第十一方面的数字交互式多媒体网络系统，其特征在于，该系统的建立分以下阶段：
a.第一阶段：单向无线数字广播网(建立一级网络结构)，利用窄带回传信道，如拨号，按次付费、电子商务等；
b.第二阶段：区域性的无线宽带交互网(建立部分的二级网络)，交互电视，最后一公里宽带数据接入(互联网浏览、视频会议、视频点播等)，固定电话或移动电话；
c.第三阶段：移动宽带互联网(一级网络和二级网络全部建立)和信息通信业务，移动办公；
广播业务以宏覆盖网络为基础开始开展，广播业务随着微覆盖网络的发展逐渐增强；
双向通信业务从部分微覆盖网络建立开始运营，双向通信业务随着微覆盖网络的发展得到增强。
本发明的地面交互多媒体系统传输层结构(简称TiMi)，这个结构在信道容量、链路特性上有显著特点，还具有已有的广播系统方案(如DVB-T)不能实现的多业务能力。由于在组网技术等各方面进行了优选，采用了一套协作得很好的技术和实施方案，所以该结构能满足并胜任各项业务需求和网络需求，如HDTV、SDTV和高速数据，按次付费、电子商务、检索和交互、消息和移动宽带互联网。并且具有单频网组网能力，可扩展、可升级，可无缝过渡到双向多媒体网络，能够满足未来的广播和无线宽带传输应用。
【附图说明】
图1是本发明的数字交互式多媒体网络系统的示意图；
图2是在不同模式下一级和二级网络的协同传输方式的示意图；
图3是基本帧结构示意图；
图4是频率分配示意图；
图5是帧结构示意图；
图6是OFDM子载波分配示意图；
图7是OFDM调制解调框图。
【具体实施方式】
1.系统概述
图1显示了本发明的数字交互式多媒体网络系统所采用的新型网络基本结构。如图1所示，本发明提出的交互多媒体系统有一个两级的系统结构，包括一个宏覆盖网络(一个典型的大覆盖的常规电视网)和一个微覆盖网络(蜂窝形式的)，后者是可以逐步发展建立起来的。
一级网络(宏覆盖网络)的中心是电视发射塔，发射大功率广播信号，目的是面对特定服务区域尽可能实现业务覆盖。
二级网络(微覆盖网络)包括散落分布或簇状分布的微蜂窝，如图1所示。
它们的主要功能是扩大广播的信号覆盖，消除“信号盲区”并提供双向宽带接入业务。
其中一级网络是运营商开始提供广播业务前必须实现的，而第二级网络则是可以逐渐发展起来的网络结构，依覆盖和业务需要而定。两级网络以不同方式协作改善系统的整体性能。
该方案的灵活性允许网络按下列方式发展起来：
广播业务以宏覆盖网络为基础开始开展，广播业务随着微覆盖网络的发展逐渐增强；
双向通信业务从部分微覆盖网络建立开始运营，双向通信业务随着微蜂窝网络的发展得到增强；
a.第一阶段：单向无线数字广播网(建立一级网络结构)，利用窄带回传信道，如拨号，按次付费、电子商务等。
b.第二阶段：区域性的无线宽带交互网(建立部分的二级网络)，交互电视，最后一公里宽带数据接入(互联网浏览、视频会议、视频点播等)，固定电话或移动电话。
c.第三阶段：移动宽带互联网(一级网络和二级网络全部建立)和信息通信业务，移动办公。
2.调制解调结构体系
2.1混合模式运行
本发明的数字交互式多媒体网络系统(TiMi系统)可以支持同时性的混合模式运行。该方案的一个最重要创新点是通过一级和二级网络之间恰当的协同传输提高整个网络的性能。这种协同传输如图2所示，具体方式的详细说明如下：
广播(电视和数据)：广播功能由第一、二级网络共同完成。将宏分集技术和编码技术结合在一起的时空编码(STC)可以实现更可靠的接收。由于STC技术在发射机端不需要信道状态的信息，这种技术可以在开环信道中使用，十分适用于单向广播应用。与常规的信道编码方案类似，STC编码可以分为两类：格型编码和块编码。与格型时空编码相比，时空块编码可以采用低复杂度的最大似然解码器，而且可以利用编码矩阵的正交性实现全部的分集增益，而不需要进行带宽扩展。通过与其它信道编码，如LDPC编码的级联，该编码方案可以实现高分集和编码增益，同时其实现仅为中等复杂程度。
双向互联网：从理论上说，一级宏覆盖区网络如果进行点到点的双向传输，效率是非常低的。双向互联网涉及大量的向指定用户的单播。全向式的广播会给整个网络带来不必要的负担。而在TiMi系统中，双向互联网只由本来就是微蜂窝结构的二级网络承担。
MIMO(多入多出模式)：对于双向通信来说，在基站和接收终端上都采用多天线可以动态地改善信道的容量。通过空分处理技术，多入多出通道可以缩减到若干个并行的分离信道中。这样，各个独立的数据流可以同时用不同的天线进行传输，从而大大提高数据速率。在信号较强的区域可以采用这种模式。micro-MIMO(微蜂窝与用户之间)和macro-MIMO(宏蜂窝、微蜂窝和用户之间)都是可实现的。
2.2OFDM调制方案
本方案的一种可能的调制方案是正交频分复用(OFDM)。这是基于单载波传输的替代方式。OFDM的一个最大优点是它可以通过低成本的IFFT处理将高速的数据流变换成并行的低速数据流，这样可以明显降低在频率选择性衰落环境下的接收机复杂度。
为实现混合模式运行，TiMi系统首先对电视、数据和控制数据流进行分离处理。不同的码流可以采用不同的信道编码和调制方式。调制器的输出传送到各自的传送通道上。在基于OFDM技术的系统中可以很容易通过给不同通道分配不同的子载波数来确定各通道的数据率。通过组合不同的编码码率和调制方式，本方案可以适应各种不同节目内容和交互程度的业务的码率需求。
系统支持多种调制、编码方式的组合配置，如表1所示：
表1配置方案 调制 编码码率 扩展1 QPSK 1/2 1/82 QPSK 1/2 1/43 QPSK 1/2 14 QPSK 2/3 16 16QAM 1/2 17 16QAM 2/3 112 64QAM 3/4 113 64QAM 7/8 114 64QAM 8/9 MIMO
2.3LDPC编码
LDPC编码是由Gallager在1962首次提出的(R.G.Gallager，“Lowdensity parity check codes，”IRE Trans.Information Theory，1962年一月IT-8卷21-28页)，它的性能非常接近香农门限。例如，一个块长较大的精心构造的码率1/2的不规则LDPC码在高斯白噪声信道下比特误码率为10-6时，其门限仅比香农门限差0.04dB。多径锐利信道下，LDPC的性能甚至好于turbo码。
具有大的块长度的LDPC码具有与Turbo码相似的性能，但LDPC码解码要容易得多，而且适合并行处理，易于实现。再加上LDPC码具有优良的纠错能力，使其更适合于OFDM系统。此外，LDPC编码具有内置交织，因此无需常规级联编码调制方法所需要的额外交织模块。本系统采用的编码方案是LDPC(低密度奇偶校验)编码的OFDM(正交频分复用)。该系统在数据率更高的情况下，其检测门限要低于DVB-T(2-3dB)。
建议的编码参数如下文所述(除此之外，其它配置也是可用的)：
QPSK@1K模式，48个OFDM符号；
QPSK@4K模式，12个OFDM符号；
64QAM@1K模式，16个OFDM符号；
64QAM@4K模式，4个OFDM符号。
对应上述模式，可用码率：1/2-8/9；数据块大小：64Kbit(编码后的比特数)。
4.帧结构
如图3所示，数据流分解成超帧。每个超帧包括一个时域导引信号序列和若干OFDM净荷数据帧。时域导引信号包含长同步符号和短同步符号分别用于快速同步、精确估值。在导引信号中还编入了一些重要的系统配置信息。
每个OFDM数据帧包含一个FFT数据块和循环的前缀和后缀。OFDM数据帧进行时域窗处理或脉冲成形滤波，以抑制带外频谱。根据网络规模的不同，第一级网络可以按多种方式进行配置。
运行在另一个频段上，根据所实施的微蜂窝结构和双向通信业务特点，第二级网络有不同的参数组合可以选择设置。
实施例
下面提出几个可行的技术实施例。
频谱分配：
图4显示了一种频谱分配的方案：A类频谱将首先分配，用于广播业务。典型的A类频道为8MHz，一些这样的频道将作数字电视广播频道。根据交互业务和双向通信需要增加双向频道。可以如图4分配12块(96MHz)的高端频谱用于双向通信，这种分配可以实现组网的双向微蜂窝宽带系统。更适合传输的低端频谱保留用于宏覆盖区域广播。40MHz左右的保护带保护双向网络不受广播网络的干扰。
一种实施方式是发射塔到用户(下行)和用户到发射塔(上行)通信以TDD(时分复用)模式实现。双向频带里的每个8MHz形成了自己的上行和下行频道。
另一种实现方式是下行和上行按FDD(频分复用)模式实现。高端中的每个8MHz形成了一个上行(或下行)频道，而低端频带中的每8MHz形成下行(或上行)频道。
帧结构：
在广播中，输入信号按帧进行调制，如图5所示，包括日帧(与每天时间同步)，超帧(1分钟)，帧块(125us)和OFDM符号(根据不同配置长度可变)。
下面是一些OFDM块的配置参数，表2按4K模式的范例给出。其它的一些关键参数包括：
采样速率：10MHz
信号带宽：7.62MHz/8MHz
数据载波：
3120/4096(4K模式)
780/1024(1k模式)
表2：OFDM块参数配置应用区域每块保护FDM符号数(125us)符号长度(us)循环长度(us)循环载荷延时扩展(Km)宏246507.597.924％29.4中等271460.751.112.5％15.3微290430.520.95.1％6.3微微297420.310.72.6％3.2
图6给出了4k模式OFDM子载结构的示意图。如图6所示，3120个子载波(7.62MHz)用于数据和导频传输，两端各有488个虚拟子载波提供相邻8MHz频带间的保护频率。
调制解调设备结构：
系统中决定性地采用了LDPC(低密度奇偶校验)编码的OFDM(正交频分复用)的调制方案。
图7显示了OFDM调制解调设备结构。OFDM的一个最大优点是能够利用低成本的IFFT运算将高速数据流转换为并行的低速率的流，因此在频率选择性衰落环境下可以明显降低接收设备复杂程度。
为了支持混合模式操作，电视、数据和控制用码流首先在分离器处分开。不同的信道编码调制将根据不同的码流应用。调制输出到多个不同的信道。基于OFDM的系统中各信道的数据流码率很容易调整，只需对每个信道分配不同数量的子载波即可。联合不同的编码率和调制方式，本系统可以适应于不同节目和交互形式多变的传输码率要求。更详细的情况参见专利文档P003。
由于调制解调都在频域进行，OFDM对载波频率偏移特别敏感。DVB中，连续导频和分散导频以时频格栅图样插入以改善信号接收。所谓的连续导频占据OFDM块确定的子载波位置，在解调过程中频率跟踪、相位噪声校正和可能进行的定时时钟恢复中起到重要的作用。另一方面，分散导频主要用于信道估计。
本系统中采用两种导频：导引信号和连续导频，而不使用分散导频。其余频谱全部用于数据传输。
时空处理：
这里给出时空编码的调制解调实施例。
令LDPC编码的OFDM符号在常规模式(单个主发射塔)下数据为S0、S1...S2n、S2n+1...在时空模式下，编码的信号通过主发射塔和微/微微蜂窝发射塔按两个连续OFDM符号成双成对传输：(S0 S1)、...(S2n，S2n+1)...。一种可能实现如表3所示：
表3：时空块编码时序微/微微发射塔主发射塔其2n-S*2n+1S*2n2n+1S2nS2n+1
其它实现方式如将一个OFDM符号的左、右部分载波分开等都是可行的。