一种NGB-W多管道业务数据复用方案

王达超，李明齐，蔡青春

(1.中国科学院 上海高等研究院，上海 201210；2.中国科学院大学，北京 100049 )

一种NGB-W多管道业务数据复用方案

王达超1,2，李明齐1，蔡青春1

(1.中国科学院 上海高等研究院，上海 201210；2.中国科学院大学，北京 100049 )

针对下一代广播电视无线网(NGB-W)采用管道化技术的多QoS业务应用需求，给出了一种多管道业务数据的资源映射复用方案，并提出具体的复用参数计算方法和多管道数据基带成帧控制策略。该方案根据获得的系统参数和各管道的业务数据速率及其比例关系，确定每个物理帧中承载的各管道业务数据占用的物理资源量；根据所有管道业务数据占用的物理资源总量，确定物理帧长；根据到达的各管道的业务数据速率和复用参数，依次形成各管道的业务数据基带帧。仿真表明，所提方案既可有效从巨量的系统参数和业务数据参数组合中筛选出既可以满足各管道业务数据率要求，又可以实现具有不同QoS要求的所有管道业务数据承载于一个物理帧中。

NGB-W；广播电视；多管道复用；多QoS；复用网关

随着多媒体业务和终端形态的发展，数字电视广播系统对多QoS业务的支持需求日益提高[1-2]。新一代的数字电视广播系统，如欧洲DVB-T2/NGH、美国ATSC 3.0、日本ISDB-T系统，均采用管道化或分层分段技术[3-5]，实现不同业务数据格式和不同调制编码的业务数据复用到一个物理帧中，提供对多QoS的支持[6]。作为国家信息基础设施建设的重要战略，电信网、广播电视网和互联网之间的“三网融合”已经成为国家网络建设的必然选择[7]。下一代广播电视网(NGB)是国家广电部门提出的面向三网融合战略部署[1]，下一代广播电视无线网(NGB-W)作为NGB的有机部分，旨在将无线宽带接入技术与新型广播传输技术相融合，并在技术需求中明确提出通过多管道技术支持多QoS广播业务[2]，以提升广电无线网络全业务支撑的能力[2,4]。

欧洲DVB T2/NGH系统支持多个物理层管道，采用多管道复用技术，将不同类型的TS包映射入不同物理层管道,将输入的N个输入流流映射到N+1个物理层管道[6-7]。通过定义收集窗，分配窗来确定业务数据比特到基带帧编码块的承载关系，但时间窗大小的考虑难以统一描述概括，这就给多管道复用技术增加了实现难度。美国下一代ATSC 3.0标准采用的层分复用(LDM)技术，该技术被列为ATSC 3.0物理层核心技术之一；LDM层分复用技术是在原有的数据层中加入第二层数据流，两层信号共享同一带宽，兼顾高阶调制高数据率与低阶调制鲁棒性，利用分层复用提供多QoS服务，与移动、固定两种接收方式[9-11]。日本ISDB-T标准将整个工作频带分为13个OFDM分段；每一OFDM分段均为独立数据通道，即带内各分段可独立采用不同的码流传输机制，如内码码率、交织深度，甚至调制映射方式等，该种带宽使用方式为系统承载各种类型业务提供了相当的灵活性[8,12-13]。但DVB-T2、ATSC 3.0、ISDB-T、DTMB-A中并没有提出具体的复用器实现方法、复用参数的计算算法与数据成帧策略。

本文在借鉴DVB-T2网关实现指南[6]的基础上，给出一套适用于NGB-W系统的多管道业务复用实现方案，并提出具体的复用参数计算方法和多管道数据基带成帧控制策略。

1 系统实现方案

通过借鉴现有技术成果欧洲DVB-T2复用网关，美国ATSC 3.0复用网关方案[6]，给出了一种可用于NGB-W系统的简化版复用器实现方案。该方案基于物理层多管道复用技术。如图1所示，复用器实现方案包括多管道输入FIFO、复用参数计算、业务管道基带成帧控制、多管道成帧数据读取、信令成帧、数据成帧以及帧复用模块。

图1 多管道复用实现原理框图

NGB-W复用器的主要功能就是将多路不同业务的输入流映射到不同的物理层管道上，调度各管道业务数据与物理资源的映射承载，并将不同速率的多个管道业务数据流复用成物理帧，以便各个管道承载的业务数据按照特定的QoS需求编码调制后，映射到各管道相应物理资源上传输。

多管道输入FIFO对输入的N路业务数据分别进行缓冲处理，复用参数计算模块基于所配置的业务参数和系统参数(包括各管道业务数据速率、编码码长、各管道调制编码方式)，利用资源映射调度算法，最终确定一个物理帧内的各个物理资源参数。信令域利用这些参数构建并形成信令基带帧。业务管道基带成帧控制模块与多管道成帧数据读取模块协作，完成多个管道业务数据动态生成数据基带帧。信令基带帧与数据基带帧经帧复用模块复用形成物理帧。

由于广播系统对多业务应用，多QoS服务质量的需求，而将物理层多管道化，每个管道的工作模式可以单独设定，包括很多种码长码率选项，以及MCS组合；同时NGB-W物理帧长是动态配置不确定的。以上多种不确定因素，导致传输每个管道的资源配置是可变的，从原理上说传输的数据业务与物理帧资源之间的映射组合会非常多，此时采用枚举法是不现实的；因此，需要一个高效算法，可以相对快速地计算出复用参数，资源映射调度算法基于所配置的业务参数和系统参数(包括各管道业务数据速率、编码码长、各管道调制编码方式)，确定一个物理帧内的承载业务的各个物理资源参数，完成多管道业务数据到物理帧编码块的映射。

2 多管道复用实现算法

实现多管道传输的一个关键技术是确定承载数据的各逻辑管道与物理帧中时频资源之间的映射关系，以便广播调制器按照一定的次序排列并发送数据。如图2所示，示例在2个管道下，业务数据与基本物理单元的映射关系，其中空单元不承载有效数据，确定承载的数据与物理资源的映射方法由复用参数计算模块实现。由于输入的业务可以在不同的管道间进行统计复用，且每个管道的速率可以不同，因此有效的映射机制需确保在给定的物理帧参数条件下既可满足各输入业务传输速率差异化的要求，同时又要尽可能提高物理资源的使用效率。

图2 两个管道业务数据与物理帧资源(数据基本单元)映射示意图

2.1 多管道复用参数算法描述

1)获取各管道业务数据参数及系统参数

(1)各管道拟传输业务数据的速率RTSi，各管道拟传输业务数据采用的调制方式ηMODi，编码码率CRi，编码码长LBLKi，i=1,…,NPLP，NPLP为需要传输的业务管道数。

(2)一个数据OFDM符号中用于承载数据的基本单元数(cell数)NCELL_OFDM。

(3)每个数据OFDM符号长度LSym_OFDM；一帧中承载非业务数据的所有符号的总长度LSym_NData；一个物理帧的采样周期TS。

2)确定承载各管道业务数据的基本单元(cell)总数之间的比例关系为

NCELL_PLPi/NCELL_PLPj=RTSi×CRj×ηMODj/(RTSj×

CRi×ηMODi)=Ki,j

(1)

3)一个物理帧可传输的最大净荷比特数为

(2)

4)一帧中的帧长LFrm(用采样点数表示)可表示为

LFrm=NSym_OFDM×LSym_OFDM+LSym_NData

(3)

5)基于给定帧参数形成的物理帧可传输的净比特率RPBit与拟传输的各管道业务数据比特率RTSi之间需满足

(4)

6)一个物理帧承载各管道业务数据所需的cell数NCELL_PLPi与一个物理帧中包含的数据OFDM符号数NSym_OFDM之间满足

(5)

式中：「·⎤为取上取整运算。

7)各管道承载业务数据所需的cell数NCELL_PLPi与编码块数NBLK_PLPi之间需满足

NCELL_PLPi×ηMODi=NBLK_PLPi×LBLKi,i=1,…,NPLP

(6)

(7)

(8)

(9)

i=1,…,NPLP

(10)

(11)

2.2 多管道数据输入成帧读取控制算法

(6)重复步骤(1)～(5)。

4)基于获得的业务数据参数和系统参数，形成信令帧载荷信息，将信令帧载荷信息添加信令基带帧头、填充比特、校验比特后，并进行信令基带帧成帧操作，生成一个信令基带帧。

5)基带帧复用：将信令基带帧和数据基带帧按一定顺序和比例级联复用，一般一个物理帧承载一个信令基带帧与若干个数据基带帧，并且信令基带帧先于数据基带帧传输，数据基带帧的数量等于一个物理帧中承载的所有管道的编码块数量之和。

3 复用算法与方案仿真与验证

3.1 多管道复用参数算法仿真验证

在图2所示帧结构及给定系统参数条件下，以下描述2个管道资源映射参数算法验证过程。

1)假设需要传输的数据速率与系统参数如下：

(1)2个管道拟传输业务数据的速率取值分别为RTS1=2.1 Mbit/s和RTS2=22.2 Mbit/s；

(4)各管道拟传输业务数据采用的编码码长LBLKi=9 600，i=1,2；

(5)一个数据OFDM符号中用于承载数据的基本单元数(cell数)NCELL_OFDM=2 786；

(6)数据OFDM符号长度LSym_OFDM=4 096；

(7)一帧中承载非业务数据的所有符号的总长度LSym_NData=2 048+5×4 096×9/8=25 088；

(8)采样周期TS=0.1 μs；

2)从调制编码方式(MCS)集中，遍历选择各管道所采用的调制编码方式，即Modi，CRi，i=1,2。由于每个管道有30种MCS，则两个管道的MCS组合共有900种。

3)对每种待选的MCS组合，根据所述映射方法，可确定验证的MCS组合是否达到2个管道数据速率的传输要求。若满足，则可获得该有效MCS组合的如下承载2个管道业务数据的物理资源参数：

4)对每种有效的MCS组合，可计算物理资源复用性能参数如下：

(2)复用效率EffMuX，即物理帧承载业务数据的cell有效占比。

表1 不同MCS组合下的系统与性能参数

MCS模式ηMOD1CR1ηMOD2CR2NOPCELL_PLP1NOPCELL_PLP2NOPBLK_PLP1NOPBLK_PLP2NOPSym_OFDMFrameOPLenEffMuXRMaxTS1RMaxTS21100.8100.81579166932187573440.9372.10122.2092100.880.819592588732210711680.9992.10022.2013100.860.8462381453551311679360.9972.10022.203480.8100.81974166952187573440.9572.10122.212580.880.826082757132311757760.9852.10122.208680.860.8625488152656341817600.9972.10022.201760.8100.82631166892187573440.9912.10022.204860.880.836882924132512803840.9852.10022.203960.860.89607101560764402094080.9982.10022.201︙︙︙︙︙︙︙︙︙︙︙︙︙︙11840.33380.75490441152152197592969600.9992.10022.200119100.333100.5138349749715102402094080.9992.10022.20112080.333100.52223912538619131532693121.0002.10022.20112160.333100.558063245524372561095273601.0002.10022.200

综上所述，该物理资源参数映射算法满足NGB-W系统对于多QoS多管道复用的技术要求，能实现具有不同速率和不同QoS要求(调制方式、编码方式编码码率和码长)的多管道业务数据与物理资源映射参数的确定，在应用过程中可根据对QoS的要求，选择承载各管道业务数据的MCS组合，以及相应一帧中承载的各管道业务数据映射资源，达到动态可配置的多管道业务数据与一个物理帧中物理资源的映射。

3.2 多管道业务数据成帧控制算法仿真验证

此算法验证的已知条件是基于多管道资源复用参数算法分配的结果，因此从表1选取一组复用资源参数，而其他系统参数、业务参数均保持不变，接下来进行此算法的验证。从表1选取的一组参数如下：

1)输入管道1调制方式取QPSK，编码码率取4/5；

2)输入管道2调制方式取256QAM，编码码率取4/5。

两个管道FIFO内读写使能、状态标志如图3、图4所示，读使能正电平表示选取该管道业务数据进行数据成帧。

图3 管道1 FIFO状态标志

图4 管道2 FIFO状态标志

图5 两个管道数据成帧时序状态

图6示例了一个物理帧中承载的信令基带帧(SBBF)和数据基带帧(DBBF)格式。由于根据多管道复用参数计算算法，输入的各管道业务数据速率不等于(实际上为不大于)一个物理帧中可承载的各管道业务数据速率，因此从FIFO中读取的各管道数据映射到物理帧传输之前还需进行速率匹配处理。由于篇幅所限，该处理在此不展开描述。

由上述仿真可见，该复用调度控制算法可以针对各管道承载的不同速率的TS流，采用给定的彼此独立调制编码方式和复用参数，动态选择用于形成当前基带帧的管道进行数据基带成帧，并最终将信令帧与数据帧统计复用为一个完整物理帧输出。

图6 生成的一个物理帧中承载的信令基带帧和数据基带帧格式

4 结束语

本文依据NGB-W对多QoS广播服务的需求，给出一种适用NGB-W广播帧结构的多管道化业务数据复用方案，实现具有不同速率和不同QoS要求(调制方式、编码码率和码长)的多管道业务数据，通过动态调度，依次形成基带帧，并映射到一个物理帧。提出了一种适用于NGB-W物理层多管道资源映射的复用参数计算算法，该算法用来确定多管道业务数据与物理层资源映射参数，动态确定承载各管道中不同QoS业务数据的物理帧结构，实现多管道业务数据与物理帧资源的动态适配。所提的复用参数计算算法是基于各管道速率的比例关系，计算所需要的物理资源参数，以确定物理帧结构以及业务数据映射关系，以便多管道业务数据复用成帧。另外，提出了一种多管道数据输入成帧读取控制算法，依次动态调度选择合适的管道业务数据，并根据其编码块长度进行数据基带成帧处理。通过仿真，验证了所提算法的有效性。

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王达超(1989— )，硕士生，主研无线三网融合、NGB-W通信协议；

李明齐(1971— )，博导，主研无线三网融合、5G关键技术、虚拟无线电，本文通信作者；

蔡青春(1975— )，硕导，主研无线网络融合与创新、面向移动终端的流媒体传输。

责任编辑：薛 京

NGB-W multi-pipeline data stream multiplexing scheme

WANG Dachao1,2，LI Mingqi1，CAI Qingchun1

(1.ShanghaiAdvancedResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Shanghai201210,China;2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

The pipeline technology for multiple QoS application requirements are studied, a multi-pipeline service data resource mapping multiplexing scheme for the next generation broadcasting wireless system(NGB-W) is proposed, and the specific multiplexing parameter calculation algorithm and multi-pipeline data baseband frame generation control strategy are proposed. According to obtained system parameters, service data bit rate and the ratio in each pipeline, physical resources in each physical frame that each pipeline carried data are determined. Based on the amount of physical resources carried data occupied by all pipelines, physical frame length is determined. According to service data rate each pipes input and the multiplexing parameters, data baseband frames is generated dynamically. Simulation results show that the proposed scheme can screen the specific parameters combination effectively from the massive system parameters combination ,which both meet data rate requirements of each pipeline, and achieve service data providing multiple QoS demand carried in a physical frame depend on multi-pipeline.

NGB-W; television broadcasting; multi-QoS; multi-pipeline multiplexing; multiplex gateway

王达超，李明齐，蔡青春.一种NGB-W多管道业务数据复用方案[J]. 电视技术，2017,41(2)：70-76. WANG D C，LI M Q，CAI Q C.NGB-W multi-pipeline data stream multiplexing scheme[J]. Video engineering，2017,41(2)：70-76.

TN934.3

A

10.16280/j.videoe.2017.02.015

中科院重点部署项目子课题(KGZW-EW-103-3)；中科院先导专项子课题(XDA0601301)；国家自然科学青年基金项目(61302093)；上海市国际科技合作基金项目(14510722300)

2016-06-07