專利名稱：一種數字交互式多媒體網絡系統和利用該系統的數據傳輸方法
技術領域：
本發明涉及一種數字交互式多媒體網絡系統和利用該系統的數據傳輸方法，特別是，本發明涉及具有一個宏覆蓋網絡和一個微蜂窩結構的微覆蓋網絡組成的兩級傳輸層結構的數字交互式多媒體網絡系統和利用該系統的數據傳輸方法。
背景技術：
未來的地面無線電視網絡將是一個能同時發送高清晰度電視、交互節目和寬帶雙向多媒體業務的統一平臺。由于無線傳輸在帶寬、功率和成本方面存在嚴格的限制，而最終用戶的需求越來越多樣化，因此，一個能最有效利用頻譜資源的空中接口(包括組網、調制解調等問題)的優化設計就成為最重要的需求。
由于自身固有的差異，廣播和電信傳統上各踞一方，彼此獨立。廣播采取“點對面”的傳輸方式，適合于大面積的音視頻、多媒體內容的發送。數字廣播中一個主要的問題是多徑衰落和陰影衰落。現有系統，比如DVB-T利用OFDM和卷積/里德-所羅門編碼來消除衰落影響。為了進一步地改善覆蓋，廣播可以采用在覆蓋盲區(信號強度弱的地方)發射相同的信號的所謂“填空發射機”方法，但是不能預計主發射機和本地發射機之間能夠協作到何種程度。
相反的，通信采用的是“點到點”的連接方式。典型的應用是電話、雙向數據交換和多媒體內容的點播業務。通信信道常常是雙向的(雙工)的，由于對系統整體容量的較高要求，因此其覆蓋區域通常是微蜂窩或微微蜂窩型區域。
由于多媒體內容變得越來越重要，兩種類型業務的基本區別已經消失，由于目標業務超越了單一廣播或電信的局限，因此，單一廣播或電信的局限顯得越來越突出。
發明內容
本發明的目的在于提供一種具有兩級傳輸層結構的數字地面交互多媒體系統和利用該系統的數據傳輸方法，它可以包括傳統廣播并提供增值業務(如寬帶互聯網、VOIP業務等)。由于目標業務超越了單一廣播或電信的局限，本發明的方案可以滿足運營商和用戶對于系統業務增強和平滑過渡能力要求的需要。本發明的重要特征是它良好的性能(無論是數據率、覆蓋還是魯棒性)和它可以包括傳統廣播并提供增值業務(如寬帶互聯網、VOIP業務等)的能力。
根據本發明第一方面的數字交互式多媒體網絡，由兩級網絡協作組成，其特征在于，該網絡包括一個宏覆蓋網絡組成的一級網絡，其發射功率較高，主要用于單向廣播；和一個微覆蓋網絡(微蜂窩結構)組成的二級網絡，用于進行廣播和雙向通信；該網絡允許基本廣播業務到高級雙向寬帶業務的無縫過渡；根據業務應用需要和網絡規模的不同，第一級網絡可以按多種方式進行配置，運行在另一個頻段上，根據所實施的微蜂窩形式及雙向通信業務特點，第二級網絡有不同的參數組合可以選擇設置。
根據本發明第二方面的數字交互式多媒體網絡，其特征在于該系統的數據傳輸方法是在同時性的混合模式下，一級網絡和二級網絡之間恰當的協同傳輸而實現；其中，該數據傳輸的廣播功能由一、二級網絡共同完成，應用將宏分集技術和編碼技術結合在一起的時空編碼(STC)以實現更高的接收可靠性。
根據本發明第三方面的利用數字交互式多媒體網絡系統的數據傳輸方法，其特征在于，所屬的STC編碼可以分為格型編碼和塊編碼兩類，其中，與格型時空編碼相比，時空塊編碼可以采用低復雜度的最大似然解碼器，而且可以利用編碼矩陣的正交性實現全部的分集增益，而不需要進行帶寬擴展；通過與LDPC編碼的級聯，該編碼方案可以實現高分集和編碼增益。
根據本發明第四方面的利用數字交互式多媒體網絡系統的數據傳輸方法，其特征在于，該數據傳輸的雙向互聯網功能是微蜂窩結構的二級網絡承擔。
根據本發明第五方面的利用數字交互式多媒體網絡系統的數據傳輸方法，其特征在于，該數據傳輸的雙向通信功能是采用MIMO(多入多出模式)，通過空分處理技術，多入多出通道可以縮減到若干個并行的分離信道中，使各個獨立的數據流可以同時用不同的天線進行傳輸，從而大大提高數據速率。
根據本發明第六方面的利用數字交互式多媒體網絡系統的數據傳輸方法，其特征在于，數據傳輸采用正交頻分復用(OFDM)方案，該方案是基于單載波傳輸的替代方式，它可以通過低成本的IFFT處理將高速的數據流變換成并行的低速數據流，以明顯降低在頻率選擇性衰落環境下的接收機復雜度。
根據本發明第七方面的利用數字交互式多媒體網絡系統的數據傳輸方法，其特征在于，數據傳輸系統首先對電視、數據和控制數據流進行分離處理。不同的碼流可以采用不同的信道編碼和調制方式，調制器的輸出傳送到各自的傳送通道上，在基于OFDM技術的系統中可以很容易通過給不同通道分配不同的子載波數來確定各通道的數據率。通過組合不同的編碼碼率和調制方式，以適應各種不同節目內容和交互程度的業務的碼率需求。
根據本發明第八方面的利用數字交互式多媒體網絡系統的數據傳輸方法，其特征在于，其數據傳輸的編碼采用低密度奇偶校驗(LDPC)碼。根據本發明第九方面的利用數字交互式多媒體網絡系統的數據傳輸方法，其特征在于，數據傳輸采用的低密度奇偶校驗(LDPC)碼具有內置交織，因此無需常規編碼調制方式所需的額外交織模塊，其編碼參數如下QPSK@1K模式，48個OFDM符號；QPSK@4K模式，12個OFDM符號；64QAM@1K模式，16個OFDM符號；64QAM@4K模式，4個OFDM符號；對應上述模式，可用碼率1/2-8/9；數據塊大小64Kbit(編碼后的比特數)。
根據本發明第十方面的利用數字交互式多媒體網絡系統的數據傳輸方法，其特征在于，數據傳輸采用的幀結構是將其數據流分解成超幀。每個超幀包括一個時域導引信號序列和若干OFDM凈荷數據幀，時域導引信號序列包括長、短同步符號，分別用于快速同步和精確估值，時域導引信號序列中也可編入系統配置信息；每個OFDM數據幀包含一個FFT數據塊和循環的前綴和后綴。OFDM數據幀進行時域窗處理或脈沖成形濾波，以抑制帶外頻譜。
根據本發明第十一方面的數字交互式多媒體網絡系統，其特征在于，該系統的建立分以下階段a.第一階段單向無線數字廣播網(建立一級網絡結構)，利用窄帶回傳信道，如撥號，按次付費、電子商務等；b.第二階段區域性的無線寬帶交互網(建立部分的二級網絡)，交互電視，最后一公里寬帶數據接入(互聯網瀏覽、視頻會議、視頻點播等)，固定電話或移動電話；c.第三階段移動寬帶互聯網(一級網絡和二級網絡全部建立)和信息通信業務，移動辦公；廣播業務以宏覆蓋網絡為基礎開始開展，廣播業務隨著微覆蓋網絡的發展逐漸增強；雙向通信業務從部分微覆蓋網絡建立開始運營，雙向通信業務隨著微覆蓋網絡的發展得到增強。
本發明的地面交互多媒體系統傳輸層結構(簡稱TiMi)，這個結構在信道容量、鏈路特性上有顯著特點，還具有已有的廣播系統方案(如DVB-T)不能實現的多業務能力。由于在組網技術等各方面進行了優選，采用了一套協作得很好的技術和實施方案，所以該結構能滿足并勝任各項業務需求和網絡需求，如HDTV、SDTV和高速數據，按次付費、電子商務、檢索和交互、消息和移動寬帶互聯網。并且具有單頻網組網能力，可擴展、可升級，可無縫過渡到雙向多媒體網絡，能夠滿足未來的廣播和無線寬帶傳輸應用。
圖1是本發明的數字交互式多媒體網絡系統的示意圖；圖2是在不同模式下一級和二級網絡的協同傳輸方式的示意圖；圖3是基本幀結構示意圖；圖4是頻率分配示意圖；圖5是幀結構示意圖；圖6是OFDM子載波分配示意圖；圖7是OFDM調制解調框圖。
具體實施例方式
1.系統概述圖1顯示了本發明的數字交互式多媒體網絡系統所采用的新型網絡基本結構。如圖1所示，本發明提出的交互多媒體系統有一個兩級的系統結構，包括一個宏覆蓋網絡(一個典型的大覆蓋的常規電視網)和一個微覆蓋網絡(蜂窩形式的)，后者是可以逐步發展建立起來的。
一級網絡(宏覆蓋網絡)的中心是電視發射塔，發射大功率廣播信號，目的是面對特定服務區域盡可能實現業務覆蓋。
二級網絡(微覆蓋網絡)包括散落分布或簇狀分布的微蜂窩，如圖1所示。
它們的主要功能是擴大廣播的信號覆蓋，消除“信號盲區”并提供雙向寬帶接入業務。
其中一級網絡是運營商開始提供廣播業務前必須實現的，而第二級網絡則是可以逐漸發展起來的網絡結構，依覆蓋和業務需要而定。兩級網絡以不同方式協作改善系統的整體性能。
該方案的靈活性允許網絡按下列方式發展起來廣播業務以宏覆蓋網絡為基礎開始開展，廣播業務隨著微覆蓋網絡的發展逐漸增強；雙向通信業務從部分微覆蓋網絡建立開始運營，雙向通信業務隨著微蜂窩網絡的發展得到增強；a.第一階段單向無線數字廣播網(建立一級網絡結構)，利用窄帶回傳信道，如撥號，按次付費、電子商務等。
b.第二階段區域性的無線寬帶交互網(建立部分的二級網絡)，交互電視，最后一公里寬帶數據接入(互聯網瀏覽、視頻會議、視頻點播等)，固定電話或移動電話。
c.第三階段移動寬帶互聯網(一級網絡和二級網絡全部建立)和信息通信業務，移動辦公。
2.調制解調結構體系2.1混合模式運行本發明的數字交互式多媒體網絡系統(TiMi系統)可以支持同時性的混合模式運行。該方案的一個最重要創新點是通過一級和二級網絡之間恰當的協同傳輸提高整個網絡的性能。這種協同傳輸如圖2所示，具體方式的詳細說明如下廣播(電視和數據)廣播功能由第一、二級網絡共同完成。將宏分集技術和編碼技術結合在一起的時空編碼(STC)可以實現更可靠的接收。由于STC技術在發射機端不需要信道狀態的信息，這種技術可以在開環信道中使用，十分適用于單向廣播應用。與常規的信道編碼方案類似，STC編碼可以分為兩類格型編碼和塊編碼。與格型時空編碼相比，時空塊編碼可以采用低復雜度的最大似然解碼器，而且可以利用編碼矩陣的正交性實現全部的分集增益，而不需要進行帶寬擴展。通過與其它信道編碼，如LDPC編碼的級聯，該編碼方案可以實現高分集和編碼增益，同時其實現僅為中等復雜程度。
雙向互聯網從理論上說，一級宏覆蓋區網絡如果進行點到點的雙向傳輸，效率是非常低的。雙向互聯網涉及大量的向指定用戶的單播。全向式的廣播會給整個網絡帶來不必要的負擔。而在TiMi系統中，雙向互聯網只由本來就是微蜂窩結構的二級網絡承擔。
MIMO(多入多出模式)對于雙向通信來說，在基站和接收終端上都采用多天線可以動態地改善信道的容量。通過空分處理技術，多入多出通道可以縮減到若干個并行的分離信道中。這樣，各個獨立的數據流可以同時用不同的天線進行傳輸，從而大大提高數據速率。在信號較強的區域可以采用這種模式。micro-MIMO(微蜂窩與用戶之間)和macro-MIMO(宏蜂窩、微蜂窩和用戶之間)都是可實現的。
2.2OFDM調制方案本方案的一種可能的調制方案是正交頻分復用(OFDM)。這是基于單載波傳輸的替代方式。OFDM的一個最大優點是它可以通過低成本的IFFT處理將高速的數據流變換成并行的低速數據流，這樣可以明顯降低在頻率選擇性衰落環境下的接收機復雜度。
為實現混合模式運行，TiMi系統首先對電視、數據和控制數據流進行分離處理。不同的碼流可以采用不同的信道編碼和調制方式。調制器的輸出傳送到各自的傳送通道上。在基于OFDM技術的系統中可以很容易通過給不同通道分配不同的子載波數來確定各通道的數據率。通過組合不同的編碼碼率和調制方式，本方案可以適應各種不同節目內容和交互程度的業務的碼率需求。
系統支持多種調制、編碼方式的組合配置，如表1所示表1
2.3LDPC編碼LDPC編碼是由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頁)，它的性能非常接近香農門限。例如，一個塊長較大的精心構造的碼率1/2的不規則LDPC碼在高斯白噪聲信道下比特誤碼率為10-6時，其門限僅比香農門限差0.04dB。多徑銳利信道下，LDPC的性能甚至好于turbo碼。
具有大的塊長度的LDPC碼具有與Turbo碼相似的性能，但LDPC碼解碼要容易得多，而且適合并行處理，易于實現。再加上LDPC碼具有優良的糾錯能力，使其更適合于OFDM系統。此外，LDPC編碼具有內置交織，因此無需常規級聯編碼調制方法所需要的額外交織模塊。本系統采用的編碼方案是LDPC(低密度奇偶校驗)編碼的OFDM(正交頻分復用)。該系統在數據率更高的情況下，其檢測門限要低于DVB-T(2-3dB)。
建議的編碼參數如下文所述(除此之外，其它配置也是可用的)QPSK@1K模式，48個OFDM符號；QPSK@4K模式，12個OFDM符號；64QAM@1K模式，16個OFDM符號；64QAM@4K模式，4個OFDM符號。
對應上述模式，可用碼率1/2-8/9；數據塊大小64Kbit(編碼后的比特數)。
4.幀結構如圖3所示，數據流分解成超幀。每個超幀包括一個時域導引信號序列和若干OFDM凈荷數據幀。時域導引信號包含長同步符號和短同步符號分別用于快速同步、精確估值。在導引信號中還編入了一些重要的系統配置信息。
每個OFDM數據幀包含一個FFT數據塊和循環的前綴和后綴。OFDM數據幀進行時域窗處理或脈沖成形濾波，以抑制帶外頻譜。根據網絡規模的不同，第一級網絡可以按多種方式進行配置。
運行在另一個頻段上，根據所實施的微蜂窩結構和雙向通信業務特點，第二級網絡有不同的參數組合可以選擇設置。
實施例下面提出幾個可行的技術實施例。
頻譜分配圖4顯示了一種頻譜分配的方案A類頻譜將首先分配，用于廣播業務。典型的A類頻道為8MHz，一些這樣的頻道將作數字電視廣播頻道。根據交互業務和雙向通信需要增加雙向頻道。可以如圖4分配12塊(96MHz)的高端頻譜用于雙向通信，這種分配可以實現組網的雙向微蜂窩寬帶系統。更適合傳輸的低端頻譜保留用于宏覆蓋區域廣播。40MHz左右的保護帶保護雙向網絡不受廣播網絡的干擾。
一種實施方式是發射塔到用戶(下行)和用戶到發射塔(上行)通信以TDD(時分復用)模式實現。雙向頻帶里的每個8MHz形成了自己的上行和下行頻道。
另一種實現方式是下行和上行按FDD(頻分復用)模式實現。高端中的每個8MHz形成了一個上行(或下行)頻道，而低端頻帶中的每8MHz形成下行(或上行)頻道。
幀結構在廣播中，輸入信號按幀進行調制，如圖5所示，包括日幀(與每天時間同步)，超幀(1分鐘)，幀塊(125us)和OFDM符號(根據不同配置長度可變)。
下面是一些OFDM塊的配置參數，表2按4K模式的范例給出。其它的一些關鍵參數包括采樣速率10MHz信號帶寬7.62MHz/8MHz數據載波3120/4096(4K模式)780/1024(1k模式)
表2OFDM塊參數配置
圖6給出了4k模式OFDM子載結構的示意圖。如圖6所示，3120個子載波(7.62MHz)用于數據和導頻傳輸，兩端各有488個虛擬子載波提供相鄰8MHz頻帶間的保護頻率。
調制解調設備結構系統中決定性地采用了LDPC(低密度奇偶校驗)編碼的OFDM(正交頻分復用)的調制方案。
圖7顯示了OFDM調制解調設備結構。OFDM的一個最大優點是能夠利用低成本的IFFT運算將高速數據流轉換為并行的低速率的流，因此在頻率選擇性衰落環境下可以明顯降低接收設備復雜程度。
為了支持混合模式操作，電視、數據和控制用碼流首先在分離器處分開。不同的信道編碼調制將根據不同的碼流應用。調制輸出到多個不同的信道。基于OFDM的系統中各信道的數據流碼率很容易調整，只需對每個信道分配不同數量的子載波即可。聯合不同的編碼率和調制方式，本系統可以適應于不同節目和交互形式多變的傳輸碼率要求。更詳細的情況參見專利文檔P003。
由于調制解調都在頻域進行，OFDM對載波頻率偏移特別敏感。DVB中，連續導頻和分散導頻以時頻格柵圖樣插入以改善信號接收。所謂的連續導頻占據OFDM塊確定的子載波位置，在解調過程中頻率跟蹤、相位噪聲校正和可能進行的定時時鐘恢復中起到重要的作用。另一方面，分散導頻主要用于信道估計。
本系統中采用兩種導頻導引信號和連續導頻，而不使用分散導頻。其余頻譜全部用于數據傳輸。
時空處理這里給出時空編碼的調制解調實施例。
令LDPC編碼的OFDM符號在常規模式(單個主發射塔)下數據為S0、S1...S2n、S2n+1...在時空模式下，編碼的信號通過主發射塔和微/微微蜂窩發射塔按兩個連續OFDM符號成雙成對傳輸(S0 S1)、...(S2n，S2n+1)...。一種可能實現如表3所示表3時空塊編碼
其它實現方式如將一個OFDM符號的左、右部分載波分開等都是可行的。
權利要求
1.一種數字交互式多媒體網絡，由兩級網絡協作組成，其特征在于，該網絡包括一個宏覆蓋網絡組成的第一級網絡，其發射功率較高，主要用于單向廣播；和一個微蜂窩覆蓋網絡組成的第二級網絡，由微蜂窩形成，用于進行廣播和雙向通信，該網絡允許基本廣播業務到高級雙向寬帶業務的無縫過渡；根據業務應用需要和網絡規模的不同，第一級網絡可以按多種方式進行配置，運行在另一個頻段上，根據所實施的微蜂窩、雙向通信業務特點，第二級網絡有不同的參數組合可以選擇設置。
2.根據權利要求1所述的數字交互式多媒體網絡系統，其特征在于，該系統的建立分以下階段a.第一階段單向無線數字廣播網(建立一級網絡結構)，利用窄帶回傳信道，如撥號，按次付費、電子商務等；b.第二階段區域性的無線寬帶交互網(建立部分的二級網絡)，交互電視，最后一公里寬帶數據接入(互聯網瀏覽、視頻會議、視頻點播等)，固定電話或移動電話；c.第三階段移動寬帶互聯網(一級網絡和二級網絡全部建立)和信息通信業務，移動辦公；廣播業務以宏覆蓋網絡為基礎開始開展，廣播業務隨著微覆蓋網絡的發展逐漸增強；雙向通信業務從部分微覆蓋網絡建立開始運營，雙向通信業務隨著微蜂窩網絡的發展得到增強。
3.一種利用數字交互式多媒體網絡系統的數據傳輸方法，其特征在于該系統的數據傳輸方法是在同時性的混合模式下，一級網絡和二級網絡之間恰當的協同傳輸而實現，其中，該數據傳輸的廣播功能由一、二級網絡共同完成，應用將宏分集技術和編碼技術結合在一起的時空編碼(STC)以實現更高的接收可靠性。
4.根據權利要求3的利用數字交互式多媒體網絡系統的數據傳輸方法，其特征在于，所屬的STC編碼可以分為格型編碼和塊編碼兩類，其中，與格型時空編碼相比，時空塊編碼可以采用低復雜度的最大似然解碼器，而且可以利用編碼矩陣的正交性實現全部的分集增益，而不需要進行帶寬擴展；通過與LDPC編碼的級聯，該編碼方案可以實現高分集和編碼增益。
5.根據權利要求3的利用數字交互式多媒體網絡系統的數據傳輸方法，其特征在于，該數據傳輸的雙向互聯網功能是由微蜂窩結構的二級網絡承擔。
6.根據權利要求3的利用數字交互式多媒體網絡系統的數據傳輸方法，其特征在于，該數據傳輸的雙向通信功能是采用MIMO(多入多出模式)，通過空分處理技術，多入多出通道可以縮減到若干個并行的分離信道中，使各個獨立的數據流可以同時用不同的天線進行傳輸，從而大大提高數據速率。
7.根據權利要求3的利用數字交互式多媒體網絡系統的數據傳輸方法，其特征在于，數據傳輸采用正交頻分復用(OFDM)方案，該方案是基于單載波傳輸的替代方式，它可以通過低成本的IFFT處理將高速的數據流變換成并行的低速數據流，以明顯降低在頻率選擇性衰落環境下的接收機復雜度。
8.根據權利要求3的利用數字交互式多媒體網絡系統的數據傳輸方法，其特征在于，數據傳輸系統首先對電視、數據和控制數據流進行分離處理。不同的碼流可以采用不同的信道編碼和調制方式，調制器的輸出傳送到各自的傳送通道上，在基于OFDM技術的系統中可以很容易通過給不同通道分配不同的子載波數來確定各通道的數據率。通過不同的編碼碼率和調制方式的組合，以適應各種不同節目內容和交互程度的業務的碼率需求。
9.根據權利要求3或8的利用數字交互式多媒體網絡系統的數據傳輸方法，其特征在于，其數據傳輸的編碼采用低密度奇偶校驗(LDPC)碼。
10.根據權利要求9利用數字交互式多媒體網絡系統的數據傳輸方法，其特征在于，其數據傳輸采用的密度奇偶校驗(LDPC)碼具有內置交織，因此無需常規編碼調制方式所需的額外交織模塊，其編碼參數如下QPSK@1K模式，48個OFDM符號；QPSK@4K模式，12個OFDM符號；64QAM@1K模式，16個OFDM符號；64QAM@4K模式，4個OFDM符號；對應上述模式，可用碼率1/2-8/9；數據塊大小64Kbit(編碼后的比特數)。
11.根據權利要求3的利用數字交互式多媒體網絡系統的數據傳輸方法，其特征在于，數據傳輸采用的幀結構是將其數據流分解成超幀。每個超幀包括一個時域導引信號序列和若干OFDM凈荷數據幀，時域導引信號序列包括長、短同步符號，分別用于快速同步和精確估值，時域導引信號序列中還可編入系統配置信息；每個OFDM數據幀包含一個FFT數據塊和循環的前綴和后綴。OFDM數據幀進行時域窗處理或脈沖成形濾波，以抑制帶外頻譜。
全文摘要
一種數字交互式多媒體網絡和利用該網絡的數據傳輸方法，由兩級網絡協作組成，其特征在于，該網絡包括一個宏覆蓋網絡組成的第一級網絡，其發射功率較高，主要用于單向廣播；和一個微覆蓋網絡組成的第二級網絡，由微蜂窩形成，用于進行廣播和雙向通信，該網絡允許基本廣播業務到高級雙向寬帶業務的無縫過渡；根據業務應用需要和網絡規模的不同，第一級網絡可以按多種方式進行配置，運行在另一個頻段上，根據所實施的微蜂窩、雙向通信業務特點，第二級網絡有不同的參數組合可以選擇設置。該網絡的廣播業務以宏覆蓋網絡為基礎開始開展，雙向通信業務從部分微蜂窩網絡建立開始運營，均隨著微蜂窩網絡的發展得到增強。
文檔編號H04L12/24GK1531261SQ0311932
公開日2004年9月22日 申請日期2003年3月14日 優先權日2003年3月14日
發明者劉輝, 王聯, 邢觀斌, 沈溫源, 楊慶華, 劉 輝 申請人:北京泰美世紀科技有限公司