DVB-H標準的全稱為Digital Video Broadcasting Handheld,是DVB組織為通過地面數字廣播網絡向便攜/手持終端提供多媒體業務所制定的傳輸標準。該標準被公認為是DVB-T標準的擴展應用,但是和DVB-T相比,DVB-H終端具有更低的功耗,移動接收和抗干擾性能更為優越。因此,該標準適用于移動電話、手持計算機等小型便攜設備,支持廠家包括Crown Castle Mobile Media、DiBcom、Freescale、Intel、Microtune、三星、Nokia、西門子、O2、S-Communications、Silicon & Software Systems、TI、TTPCom和UDcast等公司。
DVB-H雖然是DVB數據廣播和DVB-T兩種技術的融合,但是如果僅僅依靠上述兩種技術是不能完全解決DVB-H所面臨的問題。例如,雖然DVB-T已經被證明在固定、移動、便攜接收等方面具有非常出眾的性能,但是對于手持設備而言還需要進行進一步的改進,這是因為:
(1)DVB-H終端采用電池進行供電,因此要求射頻接收和信道解調、解碼部分的功耗小于100mW,而DVB-T計劃2007年才能將該指標降到600mW,顯然二者要求相距甚遠。
(2)由于蜂窩環境下的信道狀況多變,因此DVB-T要在以下3個方面進行改進:移動信道的C/N、移動信道的多普勒效應和抗脈沖干擾能力。
(3)由于DVB-H終端在網絡內移動時接收天線小巧且單一,因此對于大、中型單頻網要有優化設計考慮。
為了解決上述問題此,DVB-H增加了一些新的技術模塊,它們主要包括:時間分片——基于時分復用技術,用于節省接收終端功耗和便于網絡交換;MPE-FEC——基于RS糾錯編碼技術,為MPE增加額外的前向糾錯編碼,用于提高系統的移動和抗脈沖干擾能力;4K模式——在DVB-T的2K、8K傳輸模式基礎上增加4K模式,用于提高網絡設計的靈活性;DVB-H TPS(傳輸參數信令)——為DVB-H設計專用的傳輸參數信令,用于提高系統同步和業務訪問速度。
1、時間分片
時間分片技術是DVB-H中最為重要的新技術模塊,它不但能夠有效降低手持終端的平均功耗,并且還是不同網絡間實現平穩、無縫業務交換的基礎。
時間分片技術采用突發方式傳送數據,每個突發時間片傳送一個業務,在業務傳送時間片內該業務將單獨占有全部數據帶寬,并指出下一個相同業務時間片產生的時刻,這樣手持終端能夠在指定的時刻接收選定的業務,在業務空閑時間做節能處理,從而降低總的平均功耗。當然,這期間前端放射機是一直工作的,在相同業務的兩個時間片之間將會傳送其他業務數據,DVB-H信號就是由這樣許多的時間片組成的。從接收機的角度而言,接收到的業務數據并非是如傳統恒定速率的連續輸入方式,數據以離散的方式間隔到達,因此稱之為突發傳送,如果解碼終端要求數據速率較低但必須是恒定碼率,接收機可以對接收到的突發數據首先進行緩沖,然后生成速率不變的數據流。
(1)時間分片與功耗
時間分片技術采用突發方式傳送數據,與傳統數據流業務相比具有更高的瞬時速率。為了達到節省功耗的要求,突發帶寬一般為固定帶寬的10倍左右。例如一個恒定速率為350kbit/s的業務流,它意味著要求一個4Mbit/s左右的突發帶寬。注意,突發帶寬在固定帶寬兩倍的情況下功耗就可以節省50%,因此如果帶寬為10倍,可以節省90%。
(2)時間分片與PSI/SI
DVB-H標準規定PSI/SI信息不進行時間分片處理,它們將被分配一個固定帶寬進行傳送,這主要是因為目前使用的PSI/SI信息并不支持時間分片傳送,如果進行改動將難以和目前數據表兼容,此外移動手持終端不也要求PSI/SI被時間分片。
手持終端在DVB-H系統中需訪問SI中的NIT和INT表。NIT表的內容是固定的,當手持終端加入到一個新網絡中時首先要接收該表,確定網絡參數。當在不同的傳輸流之間切換時,手持終端需讀取INT表,除非以后INT表發生了變更,否則終端將不再接收INT表,INT表變更信息在PSI的PMT表中進行標識。
由于DVB標準規定PSI信息必須每隔100ms重傳一次,如果突發脈沖的業務傳送時間比100ms時間長,則手持終端能夠在接收業務的同時訪問所有PSI信息;如果業務傳送時間小于100ms,手持終端需在業務接收完畢后繼續保持一段工作時間,以確保完成所請求PSI表的接收。
(3)時間分片與業務交換
采用時間分片技術使手持終端能夠在業務傳送空閑周期對相鄰蜂窩進行監視,掃描其他頻率信號、測試信號強度,但并不中斷本業務的接收。那幺當用戶進入新的網絡時,手持終端根據監視結果在空閑周期切換到具有相同業務的不同傳輸流上,從而實現準最優、無縫業務交換。如果我們在前端對業務同步精確編排,完全能夠使相同業務及時出現在相鄰峰窩的不同時隙上,而用戶不會察覺這種變化。注意在單頻網情況下,只有終端處于不同網絡時才進行業務交換,對于單頻網內所有發射機而言被認為是同一峰窩。
此時,需要考慮的問題是這種監視工作必定會影響降低功耗要求,實際上如果將這種影響限制在一個可接受的量級,例如監測某個單一頻率信號強度的時間不超過20ms,并且用智能預測等方式降低需監測信號的數量,就可以滿足DVB-H系統的要求。
(4)時間片和條件接收
DVB-H可采用兩種方式實現條件接收,一種是基于IP的條件接收系統(IP-CAS)。所有的CAS相關信息都在IP數據中,并可以支持時間分片技術,確保節省功耗。注意,DVB-H標準不須支持CAS和接收機間的雙向傳送,IP-CAS的只須支持廣播環境即可。
另一種方式是采用DVB通用加擾算法的條件接受系統(DVB-CAS),此時在DVB-H系統通中傳送CAS信息將面臨一些問題。由于DVB-CAS使用ECM傳送解擾密鑰,因此ECM不能進行時間分片,另外DVB-CAS還使用EMM,用于傳送授權管理信息,由于EMM的時間間隔是隨機的,終端必須一直工作以確保不會丟失EMM,并且直接使用DVB-CAS將影響網絡漫游業務。
為確保解擾工作的進行,接收機必須完成ECM接收,系統通過ECM重復率描述符(ECM repetition rate descriptor)標識ECM最小重復周期。如果手持終端在開始接收業務數據前至少完成了一個ECM最小周期接收,則至少能收到一個ECM,從而獲取解擾密鑰。通常解擾密鑰的有效時間為10s,為此接收機必須確保在業務數據到達前10s完成解擾密鑰接收。
EMM將采用時間片方式傳送。首先將EMM封裝為IP數據報形式,封裝后EMM-IP 數據的時間分片方式與其他的IP數據相同,并采用MPE-FEC以減少數據丟失。從接收終端的角度來看,載有EMM的IP數據是一個附加業務,它是必須被接收的,恢復出的EMM-IP數據將被傳送到DVB-CAS特定的模塊對EMM信息處理。
通過上述方式處理后,DVB-CAS不會對用戶漫游造成任何影響。
2、MPE-FEC
DVB-H標準在數據鏈路層為IP數據報增加了RS(Reed-Solomon)糾錯編碼,作為MPE的前向糾錯編碼,校驗信息將在指定的FEC段中傳送,我們稱之為MPE-FEC。MPE-FEC的目標是提高移動信道中的C/N、多普勒性能以及抗脈沖干擾能力。注意,該部分內容在標準中不是強制的,因此沒有MPE-FEC功能的接收終端可以簡單地略過FEC段完成業務接收。
實驗證明即使在非常糟糕的接收環境中,適當的使用MPE-FEC仍可以準確無誤恢復出IP數據。MPE-FEC的數據開銷分配非常靈活,在其它傳輸參數不變的情況下,如果校驗開銷提高到25%,則MPE-FEC能夠使手持終端達到和使用天線分集接收時相同的C/N。實際上,我們可以通過選定一個高配置的傳輸參數提高傳輸碼率來補償MPE-FEC的開銷,而它將提供比DVB-T(沒有MPE-FEC)好得多的性能,例如在高速、單一天線的情況下,采用MPE-FEC的手持終端能夠在DVB-T環境下接收8K/16-QAM甚至是8K/64-QAM信號,此外MPE-FEC提供非常好的抗脈沖干擾能力。
MPE-FEC幀被安排在一個255列的矩陣中,行的數量是可變化的,行數可以從1變化到一個定值,該值在time slice fec identifier descriptor描述符中標識,最大為1024,因此最大的MPE-FEC幀占用2M比特。
矩陣中的每個位置控制一個信息字節,MPEF-FEC靠左邊的191個列用于IP數據報和內容填充,稱為應用數據表;靠右邊的64個列用于描述FEC碼的校驗信息,稱為RS數據表;我們將這種RS編碼稱為RS(255,191)。
功耗也是我們需要考查的目標,MPE-FEC在0.13µm工藝下消耗2mW功率,在0.18µm工藝下消耗1mW,事實上由于該模塊工作的時間很短,其平均功耗甚至可以忽略不計。
3、4K模式和深度符號交織
DVB-H標準在DVB-T原有的2K(2048)和8K(8192)模式下增加了4K(4096)模式,通過協調移動接收性能和單頻網規模進一步提高網絡設計的靈活性。同時,為進一步提高移動時2K和4K模式的抗脈沖干性能,DVB-H標準特為二者引入了深度符號交織(in-depth interleaving)技術。
在DVB-T系統中,2K模式比8K模式提供更好的移動接收性能,但是2K模式的符號周期和保護間隔非常短,使得2K模式僅僅適用于小型單頻網。新增加的4K模式符號具有較長的周期和保護間隔,能夠建造中型單頻網,網絡設計者能夠更好地進行網絡優化,提高頻譜效率,雖然這種優化不如8K模式的效率高,但是4K模式比8K模式的符號周期短,能夠更頻繁的進行信道估計,提供一個比8K更好的移動性能。總之,4K模式的性能介于2K和8K之間,為覆蓋范圍、頻譜效率和移動接收性能的權衡提供了一個額外的選項。
DVB-H中3種模式關于單頻網峰窩規模和移動接收性能的特點可總結如下:
(1)8K模式適用于單個發射機和大、中、小型單頻網,它的多普勒性能允許進行高速的移動接收。
(2)4K模式適用于單個放射機和中、小型單頻網,它的多普勒性能允許進行更高速的移動接收。
(3)2K模式適用于單個放射機和小型單頻網,它的多普勒性能允許進行超高速的移動接收。
在脈沖噪聲干擾條件下,由于8K模式的符號周期較長,噪聲功率被平均分配到8192個子載波上,因此比2K和4K具有更好的抗干擾性能。DVB-H標準為克服這一缺點,利用8K符號的交織器對2K和4K進行深度符號交織,使二者能夠具有接近8K模式的抗脈沖干擾性能。
雖然4K模式和深度符號交織器處在物理層,但這并不意味著要對DVB-T設備過多改造,事實上一個典型的DVB-T移動解調器(8K)已經具有足夠的RAM和邏輯控制單元。此外,4K模式的發射頻譜與2K和8K模式非常相似,預計不需要對發射機的濾波器進行改造。
4、DVB-H TPS
DVB-H TPS(傳輸參數信令)能夠為系統供一個魯棒、易訪問的信令機制,能使接收機更快地發現DVB-H業務。TPS是一個具有良好魯棒性的信號,即使在低C/N地條件下,解調器仍能快速將其鎖定。DVB-H系統使用兩個新TPS比特標識時間片和可選的MPE-FEC是否存在,另外用DVB-T中已存在的一些共享比特表示4K模式、符號交織深度和蜂窩標識。
進一步信息,請訪問http://www.dvb.org,或EBU技術報道http://www.ebu.ch/trev_home.html。