迈向数字地面电视革命性新理念

是否有可能在数字地面电视广播中优化带宽和频谱效率，同时降低能耗？巴伦西亚理工大学、松下和 Teracom 开发的一项有趣的工作，并在 IBC 2016 上荣获“最佳会议论文奖”，表明还有其他选择......

研究工作 WiB，数字地面电视 (DTT) 的新系统集中体 在上一届 IBC 上成功赢得了令人垂涎的“最佳会议论文奖”。

拟议的系统是 Teracom、瑞典 DTT 运营商、瓦伦西亚理工大学和松下欧洲之间合作的成果，代表了理解 DTT 信号接收方式的变化，所有发射机都可以使用 UHF 频段中的所有可用频率。这带来的干扰的增加需要将鲁棒的传输模式、接收天线的方向性判别和干扰消除方法结合起来，这主要基于LDM（分层复用）的概念。

WiB 将允许 DTT 信号作为更高带宽信号进行传输，从而显着降低传输信号的功率/成本，并且在当前 DTT 系统提供的相同覆盖范围内，容量增加 37-60%。 WiB 将允许在移动条件下进行接收，支持高速以及足够的粒度来提供本地服务。作者还强调了可能的更先进的开发，通过 MIMO 将系统容量加倍、向后兼容当前天线，甚至添加额外的层来提供移动服务。此外，WiB将允许定义一个系统，其中广播公司和移动运营商都使用整个UHF频谱，通过LDM进行传输，这在未来将结束当前的频谱“战争”，并从长远来看确保470-694 MHz频段的使用。

基本原则

WiB 是 Teracom 开发的数字地面电视 (DTT) 的新概念，它基于宽带信号并允许频率重复使用，代表着对传统 DTT 系统的颠覆性变化。 WiB 是从应用于 DTT 技术（例如分层复用 (LDM)）的最新技术进步之一发展而来的。

传统上，DTT 网络由高功率发射机组成，这些发射机通过多个带宽为 8 MHz（UHF 频段）的通道传输高容量信号（DVB-T2 中约为 33-40 Mbps）。然而，这种高容量信号反过来对干扰更加敏感，需要足够的频率规划（重用-N，N在4-7之间）以将干扰发射机彼此保持距离。作为对应物，并且根据香农定律，鉴于所需功率随容量呈指数增加，因此在这种情况下需要高功率发射器。 WiB 采用了一种更高效的理念，这意味着所有发射机都可以使用 UHF 频段的所有通道，从而扩展了跨所述通道传输的功率，有可能使用单个发射机作为单个宽带信号。

重用 1 以及例如具有 1/2 编码的 QPSK 调制将允许大约 1 bps/Hz 的频谱效率，这实际上与使用重用 N 的当前 DVB-T2 实现相同（假设 MFN 中的 N=5 和 40 Mbps，或者 SFN 中的 N=6 和 33 Mbps）。在这两种情况下，分配给 DTT (470-694 MHz) 的 224 MHz 频谱中可以提供约 200 Mbps 的带宽，在第二次数字红利之后，该频谱将保留在 700 MHz 频段中。

进行的模拟表明，WiB 的频谱效率可以显着高于 1 bps/Hz（1.37 至 1.60）。此外，解调过程的优化设计使得可以利用干扰信号具有已知特性（相同的 QPSK 调制）的事实。对于 1 bps/Hz，所需的 C/N 为 0 dB，添加一个 C/I=0 dB 的干扰信号（简单地视为噪声）不会留下更多噪声的空间，从而使所需的 C/N 无穷大。然而，如果信号解调考虑到干扰具有 QPSK 星座，则所需的 C/N 最终为 6.0 dB。因此，利用干扰星座的知识可以显着提高性能。

目前常用的 DVB-T2 传输模式是 256-QAM 2/3 编码（例如在英国）。然而，采用 QPSK 1/2 编码时，每个 8 MHz 信道所需的传输功率（对于给定覆盖范围）大约低 50 倍 (17 dB)。最终效果是，WiB 信号基本上只需要 DVB-T2 当前使用的所有功率（跨所有多路复用）的 10%。

由于WiB中使用的编码/调制受到限制，单个UHF信道的容量也将受到限制，约为7-10 Mbps。为了补偿 UHF 信道的低容量，WiB 假设服务可以分布在多个 UHF 信道上。假设基本调谐器的带宽可以增加一个因子，例如4、从 8 MHz 到 32 MHz，这将在更高的带宽下实现约 28-40 Mbps 的峰值速率。副作用还在于更大的频率分集，如果服务在给定带宽内适当地交织（例如使用时间频率切片），这通常会对性能产生积极影响。

由于能够承受相邻发射机的干扰，WiB 概念在传输内容时允许更细的粒度，可能会使用具有不同内容的所有发射机。

WiB 干扰消除

通过reuse-1，接收机的信号干扰比（C/I）将比DTT 通常低得多，这一点必须认真考虑。

抵御最高水平干扰的第一个工具是使用稳健的传输模式（例如比当前 DTT 稳健 17 dB），这将使 C/I 接近 0 dB。第二个工具（用于固定接收场景）是定向天线通常在不需要的（或正交极化）方向上提供非常显着的辨别（衰减）（高达 16 dB）。最后，存在一些干扰消除方法，通过这些方法可以在某些条件下消除不需要的信号，如下所述。

假设信号 S1 受到具有相同调制但功率更大的另一个 S2 的干扰。基于 LDM 的干扰消除包括，首先解调最强信号，重新调制它并从原始输入信号中减去它，这是可能的，因为信号在解调后是完全已知的（假设这是正确的）。在最后一步中，可以解调所需信号S1。只要待解调信号（S2 后接 S1）的 C/(N+I) 大于所需的 C/(N+I)，该过程就可以实现。对于 1 bps/Hz 的频谱效率（例如 QPSK ½），所需的 C/(N+I) 接近 0 dB。所描述的过程可以推广并用于任意数量的信号，只要每个解调和相减的信号满足C/(N+I)要求。

该图显示了一个示例，其中从发射器 TX1、TX2 和 TX3 接收的功率分别为 C1、C2 和 C3，N 为噪声。如果在抵消两个较强信号的过程中满足C/(N+I)并且TX3有足够的C/N，则可以解调来自TX3的较弱信号。

为了使基于 LDM 的干扰消除在 WiB 中发挥作用（具有合理的复杂性），涉及的所有信号都需要完全同步，以便接收类似于传统的 SFN 网络，但不同的 TX 传输不同的内容。为了实现基于LDM的干扰消除，每个发射机必须插入与从要消除干扰的其他发射机接收的所有其他信号正交的导频载波序列。一般来说，至少需要三个正交导频模式。

干扰消除的一种完全不同的替代方案是使用多个天线，通过波束成形技术，可以动态地最大化接收信号的 C/(N+I)。该技术还可以与 LDM 相结合，以连续消除干扰信号集。

降低网络部署成本

WiB 可将发射器所需的功耗降低近 90%，从而大幅降低资本成本 (CAPEX)，同时还可简化设备。这将使当前的所有发射机都被单个宽带发射机所取代，该发射机所使用的功率仅为其中一台发射机当前所用功率的 50%。目前 DTT 发射站使用的大部分设备都是可有可无的，甚至可以直接安装在发射塔上。

功耗的降低直接影响运营成本 (OPEX)、节省电费并提高能源效率。例如，对于 WiB，可以消除（现在不必要的）组合器、馈线、分配器等中的衰减器，目前这些衰减器的损耗约为 3 dB（功率降低 50%）。

结论

这里总结的所有方面在获奖文章中都有更深入的详细介绍，可以参考 这里。它还涉及其他方面，例如 WiB 接收器应具有的特性或与引入取代当前 DTT 网络的新系统相关的方面。此外，作者还讨论了其他高级功能，例如使用 MIMO 来增加容量、使用两个移动/固定 LDM 层，甚至 WiB-DTT 信号与另一个 WiB 移动设备之间的频谱共享。

关于作者

该分析的作者是 Erik Stare（Teracom，瑞典）、Jordi Joan Gimenez（UPV，西班牙）和 Peter Klenner（Panasonic，德国）。

至于电信和多媒体应用研究所（iTEAM），它是隶属于瓦伦西亚理工大学（UPV）的一个专门从事信息通信技术领域的研究中心。移动通信小组 (MCG) 由 Narcís Cardona 教授领导，由大约 30 名研究人员组成，他们在无线通信领域，特别是围绕广播技术开展不同的活动。 MCG 参与了多个国家和国际研发项目，突出了其对哥伦比亚 DVB-T2 网络规划和设计的贡献。

作为DVB、ATSC和FOBTV组织的成员，iTEAM积极参与DVB-T/H、DVB-T2或DVB-NGH等技术以及最新DTT标准ATSC3.0的评估、验证和标准化。在私营方面，MCG 与电信领域的国内外公司合作，例如 Sapec（西班牙）、ETRI（韩国）和 NHK（日本）。

iTEAM 参与 WiB 是“E.T. Broadcast”项目的一部分，该项目由经济和竞争力部 (TEC2014-56483-R) 资助，并由欧洲 FEDER 基金共同资助。该项目由David Gómez Barquero博士领导，旨在研究和评估下一代DTT系统的创新技术解决方案，例如MIMO（多输入多输出）系统、频率聚合技术（时频切片和信道绑定）、分层复用（LDM）和非均匀星座，以提高容量、覆盖范围和频谱效率；以及为接收器设计低复杂度信号处理算法，以减少对系统性能的影响。