"ГОСТ Р 71243-2024. Национальный стандарт Российской Федерации. Телевидение вещательное цифровое. Система цифрового телевизионного вещания для портативных устройств последующего поколения (DVB-NGH), спецификация физического уровня. Профиль MIMO"
(утв. и введен в действие Приказом Росстандарта от 23.08.2024 N 1109-ст)

1 РАЗРАБОТАН Автономной некоммерческой организацией "Научно-технический центр информатики" (АНО "НТЦИ")

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 480 "Связь"

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 23 августа 2024 г. N 1109-ст

4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Настоящий стандарт распространяется на систему цифрового телевизионного вещания (DVB) для портативных устройств (терминалов) последующего поколения (NGH) (далее - DVB-NGH) и устанавливает набор требований, описывающих всю часть физического уровня от входных потоков до передаваемого в эфир сигнала, когда передача и прием данных осуществляются системами из нескольких наземных антенн (далее - профиль MIMO).

Система DVB-NGH предназначена для доставки транспортных потоков или потоков данных общего назначения на линейные и нелинейные приложения, такие как телевидение, радио, сервисы данных.

Терминалы DVB-NGH также могут обрабатывать сигналы DVB-T2-lite.

Настоящий стандарт следует применять при разработке, изготовлении и эксплуатации DVB-NGH, а также при разработке, проектировании и эксплуатации программного обеспечения сетей DVB-NGH.

В настоящем стандарте использована нормативная ссылка на следующий стандарт:

ГОСТ Р 52210 Телевидение вещательное цифровое. Термины и определения

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты" за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.

В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ Р 52210, а также следующие термины с соответствующими определениями:

3.1.1

3.1.2

3.1.3

3.1.4

3.1.5

3.1.6

3.1.7

3.1.8

3.1.9

3.1.10

3.1.11

В настоящем стандарте применены следующие сокращения и обозначения:

БПФ - быстрое преобразование Фурье;

ВП - вертикальная поляризация;

ГП - горизонтальная поляризация;

КПМ - кроссполяризационное мультиплексирование;

ОБПФ - обратное быстрое преобразование Фурье;

рОЧС - расширенная одночастотная сеть;

СПФ - скачкообразная перестройка фазы;

BCH - код Боуза - Чоудхури - Хоквингема (Bose - Chaudhuri - Hocquenghem code);

BICM - кодирование с перемежением битов и модуляция (bit interleaved coding and modulation);

DVB - цифровое телевизионное вещание (digital video broadcasting);

ESC - общий код выхода (general escape code);

FEC - прямое упреждающее исправление ошибок (forward error correction);

GSE - инкапсулированный поток общего назначения (общий инкапсулированный поток) (generic stream encapsulation);

L1 - первый (физический) уровень (layer 1);

LDPC - код с малой плотностью проверок на четность (низкоплотностный код) (low-density parity-check code);

MIMO - "множественный вход, множественный выход" - метод пространственно-временного кодирования с множеством антенн на передачу и множеством антенн на прием (multiple input, multiple output);

MISO - "множественный вход, одиночный выход" - метод пространственно-временного кодирования с множеством антенн на передачу и одной антенной на прием (multiple input, single output);

MIXO - MISO или MIMO;

MU-блок - блок памяти (memory unit);

NGH - портативное устройство последующего поколения (next generation handheld);

OFDM - многочастотная схема модуляции с ортогональным частотным распределением несущих в полосе канала вещания (orthogonal frequency-division multiplexing);

PAM - амплитудно-импульсная модуляция (pulse-amplitude modulation);

PH - скачкообразная перестройка фазы (phase hopping);

PLP - канал физического уровня (physical layer pipe);

SISO - "одиночный вход, одиночный выход" - система с одной передающей и одной приемной антенной (single input, single output);

SM-блок - пространственно-мультиплексированный блок (spatial-multiplexing);

TS - транспортный поток (transport stream);

QAM - квадратурная амплитудная модуляция (quadrature amplitude modulation);

QB - квазициклический блок (quasi-cyclic blocks);

QPSK - квадратурная относительная фазовая модуляция (quadrature phase shift keying);

VMIMO - виртуальное MIMO (virtual MIMO);

F - фиксированная матрица прекодирования пространственного мультиплексирования;

f_2i, f_2i+1 - пара ячеек символа OFDM до прекодирования MIMO, где i - индекс пары;

g_2i, g_2i+1 - пара ячеек, полученная в результате прекодирования MIMO, передаваемая парой передатчиков Tx1 и Tx2 соответственно в одном символе OFDM, где i - индекс пары;

N_data - число ячеек данных в символе OFDM (включая все немодулированные ячейки данных в символе закрытия кадра) (number of data cells);

N_cells - число ячеек, требуемых для передачи одного блока LDPC при использовании кодирования MIMO и которое равно N_ldpc/N_bpcu (number of cells per LDPC block);

N_bpcu - число используемых битов на канал (number of bits per channel use);

N_ldpc - число битов в LDPC-кодированном блоке (number of bits of LDPC-coded block);

N_MUs - число MU-блоков (number of memory units);

N_MUs,PLP - число MU-блоков для отдельного PLP (number of memory units for one PLP);

TxN - идентификатор передатчика номер N, работающего по методу MIXO;

W(i) - комбинированная матрица прекодирования;

X(i) - переменная матрица скачкообразной перестройки фазы;

x_2i, x_2i+1 - пара ячеек, полученная в результате прекодирования пространственного мультиплексирования из пары ячеек символа OFDM f_2i, f_2i+1, где i - индекс пары.

Опции передачи MIMO включены в дополнительный профиль MIMO с целью использования преимущества разнесенных приема и передачи и высокой пропускной способности, полученных в результате использования нескольких антенн в передатчике и приемнике. Оценка канала, подходящая для MIMO, обеспечивается соответствующей структурой пилот-сигналов, идентичной базовому профилю DVB-NGH для кадров MISO. Термин "кадры MIXO" охватывает все кадры, содержащие такие пилот-сигналы. Поэтому MIMO может являться частью передаваемого сигнала, включая MISO PLP, а также кадры SISO согласно базовому профилю. В кадрах MIXO к составляющим PLP могут применяться разные схемы в соответствии с желаемыми характеристиками передачи, например, MISO может применяться для сигнализации L1 или любой другой низкоскоростной высоконадежной передачи. Более высокоскоростная передача MIMO, в которой увеличение скорости мультиплексирования данных достигается благодаря отправке отдельной информации от каждого антенного элемента, используется там, где пропускная способность является главной целью.

Высокоуровневая структурная схема физического уровня NGH для профиля MIMO приведена на рисунке 1. По сравнению с базовым профилем в профиле MIMO только блоки BICM, конструктора кадра и OFDM генерации содержат функциональные отличия (показаны серым цветом).

Структурная схема BICM для профиля MIMO приведена на рисунке 2, блоки с отличиями от базового профиля показаны серым цветом.

Структурная схема BICM со смешанными MIMO и MISO PLP приведена на рисунке 3, блоки с отличиями от базового профиля показаны серым цветом.

MIMO PLP в профиле MIMO должны использовать измененный битовый перемежитель для упрощения итерационного декодирования MIMO в приемнике. Демультиплексирование базового профиля битов на ячейки в явном виде применять не допускается.

Сигнальными созвездиями должны быть QPSK, 16-QAM и 64-QAM, без поворота. На выходе двух MIMO-потоков сигнальные созвездия могут быть одинаковыми или разными, в зависимости от выбранного режима работы.

Перемежение во времени выполняют после генерации двух MIMO-потоков, поэтому используют параллельно два перемежителя во времени. Перемежение во времени в обоих MIMO-потоках должно быть идентичным. Для сохранения общей потребности в памяти каждый из этих MIMO-потоков должен иметь вдвое меньшую максимальную глубину, чем в базовом профиле.

Структурная схема конструктора кадров MIMO приведена на рисунке 4. Структура соответствует базовому профилю за исключением выделения места для символа aP1. Частотный перемежитель соответствует попарному перемежителю базового профиля.

Технология снижения пик-фактора путем активного расширения сигнального созвездия к кадрам с форматом преамбулы "NGH-MIMO".

Структурная схема генерации OFDM приведена на рисунке 5.

Для использования профиля MIMO, согласно настоящему стандарту, аппаратное обеспечение передатчика должно включать кроссполяризационные антенны с раздельной подачей сигналов на элементы ГП и ВП. Для приема и декодирования сигналов MIMO на приемном терминале также необходимо наличие двух кроссполяризационных антенн.

В отдельном PLP может использоваться только одно из кодирований MISO или MIMO, т.е. они не являются каскадируемыми.

Для профиля MIMO необходимо использовать битовый перемежитель, описанный в разделе 6.

Битовый перемежитель, используемый для MIMO PLP, отличается от битового перемежителя базового профиля. Структурная схема битового перемежителя профиля MIMO приведена на рисунке 6.

Для более эффективной реализации приемника битовый перемежитель профиля MIMO должен быть адаптирован к квазициклической структуре кода LDPC. Битовый перемежитель профиля MIMO должен включать в себя два компонента: перемежитель четности и параллельный битовый перемежитель.

Битовый перемежитель профиля MIMO идентичен битовому перемежителю базового профиля. Битовый перемежитель профиля MIMO предназначен для преобразования ступенчатой структуры четной части матрицы проверки четности LDPC в квазициклическую структуру, аналогичную информационной части матрицы. На выходе перемежителя четности кодовое слово LDPC содержит 45 смежных QB. Каждый QB состоит из 360 бит. Кодовое слово с перемежением по четности обрабатывается параллельным битовым перемежителем, а затем отображается на последовательность SM-блоков по N_bpcu бит каждый. На рисунке 7 приведена структурная схема параллельного битового перемежителя для N_bpcu = 8.

Параллельный битовый перемежитель состоит из двух частей: квазициклического блочного перемежителя и перемежителя секций.

Квазициклический блочный перемежитель изменяет порядок 45 QB кодового слова LDPC. Перестановки QB оптимизированы для различных комбинаций N_bpcu, скорости кода и соотношения мощностей. Перестановки QB для N_bpcu = 6, 8 и 10 приведены в таблицах 1 - 3 соответственно, каждая таблица содержит перестановки QB для различных вариантов скорости кода и соотношения мощностей. Индексы QB варьируются от 1 до 45.

После квазициклического блочного перемежителя кодовое слово LDPC делится на параллельные секции, каждая секция содержит N_bpcu/2 смежных QB. Каждая секция обрабатывается независимо с помощью перемежителя секций. Число секций на кодовое слово LDPC для N_bpcu = 6, 8 и 10 должно быть равно 15, 11 и 9 соответственно. При N_bpcu = 8, поскольку 45 не делится на 4 без остатка, последний QB не принадлежит никакой секции и не должен обрабатываться перемежителем секций.

Перемежение секций заключается в записи битов каждой секции построчно в матрицу с 360 столбцами и N_bpcu/2 строками и дальнейшем чтении их последовательно столбец за столбцом. Применение такой стратегии чередования гарантирует, что каждый SM-блок содержит 2 смежных бита из каждого QB в соответствующей секции, как показано на рисунке 8 для N_bpcu = 8. Затем биты из всех разделов объединяются в сформированное кодовое слово LDPC.

N_bpcu битов каждого SM-блока модулируют два комплексных символа S₁ и S₂, которые пространственно-мультиплексируются на две антенны. Отображение битов на действительные (Real) и мнимые (Imag) части комплексных символов показано на рисунке 9 для N_bpcu = 6, 8 и 10. Бит b₁ всегда является младшим.

Соответствующие битовое кодирование и маркировка реальных символов PAM показаны на рисунке 10. Бит b₁ всегда является младшим.

Результирующие сигнальные созвездия для символов S₁ и S₂ приведены в таблице 4.

Профиль MIMO следует использовать с одним из трех фиксированных соотношений мощности (ГП/ВП или ВП/ГП), чтобы облегчить разделение во времени с услугами SISO без нежелательных флуктуаций огибающей мощности станции или чрезмерной потери бюджета канала SISO.

Доступные значения соотношений (дисбаланса) мощностей: 0, 3 и 6 дБ.

Дисбаланс мощностей может дополнительно применяться ко всем PLP и типам кадров, SISO, MISO и MIMO. Там, где кодирование Аламоути используется в кроссполяризационном контексте, матрица дисбаланса определяется выражением

где при дисбалансе мощностей 0, 3 и 6 дБ соответственно;

g_q(Tx1), g_q(Tx2) - пары ячеек OFDM до внесения дисбаланса мощностей;

g'_q(Tx1), g'_q(Tx2) - пары ячеек OFDM после внесения дисбаланса мощностей;

N_data - число ячеек данных в символе OFDM (включая все немодулированные ячейки данных в символе закрытия кадра).

В случае кроссполяризационной передачи для кадров SISO два элемента передачи должны генерироваться согласно выражению

где g_q - ячейки OFDM до внесения дисбаланса мощностей;

g'_q(Tx1), g'_q(Tx2) - пары ячеек OFDM после внесения дисбаланса мощностей;

N_data - число ячеек данных в символе OFDM (включая все немодулированные ячейки данных в символе закрытия кадра).

Примечание - Если указанные параметры фиксированного дисбаланса мощности не используются, а флуктуации огибающей мощности приемлемы, то кадры MIMO передаются с дисбалансом мощности 0 дБ, а кадры SISO с одной поляризацией (бесконечный дисбаланс).

Кодирование MIMO ориентировано на систему MIMO 2 x 2, и по крайней мере две наземные антенны должны быть размещены как на стороне передатчика, так и на стороне приемника. Кодирование MIMO не должно применяться к символам преамбулы P1, aP1 и L1-PRE, а пилот-сигналы обрабатываются как в базовом профиле.

Прекодирование MIMO применяется на уровне PLP и заключается в умножении пар ячеек (f_2i, f_2i+1) на переменную матрицу прекодирования W(i). Пары закодированных ячеек (g_2i, g_2i+1) должны передаваться в одном и том же символе OFDM и на одной несущей с выходов передатчиков Tx1 и Tx2 соответственно согласно следующему выражению:

где i - индекс пары ячеек внутри блока FEC;

N_cells - число ячеек, требуемых для передачи одного блока LDPC при использовании кодирования MIMO, и которое равно N_ldpc/N_bpcu.

Процесс прекодирования MIMO состоит из прекодирования пространственного мультиплексирования, за которым следует дополнительная скачкообразная перестройка фазы, как показано на рисунке 11.

Комбинированная матрица прекодирования W(i) является произведением фиксированной матрицы прекодирования пространственного мультиплексирования F и переменной матрицы скачкообразной перестройки фазы X(i).

Для двойных схем MIMO обе ветви MIMO, т.е. процессы генерации сигнала для обеих передающих антенн, должны использовать одинаковые конфигурации перемежителя во времени. Требуемое число MU-блоков для обратного перемежения по времени N_MUs,PLP на ветвь MIMO рассчитывают так же, как для схемы SISO базового профиля, когда один MU-блок всегда соответствует одной ячейке для любого сигнального созвездия - QPSK, 16-, 64- и 256-QAM. Общий требуемый объем памяти обратного перемежения для обеих ветвей MIMO в два раза больше этого значения. Ограничение памяти для профиля MIMO составляет MU-блоков, где суммируются все каналы PLP в данном кластере каналов PLP, а коэффициент 2 обусловлен тем, что размер обеих ветвей MIMO в два раза больше, чем одна ветвь MIMO.

Если прекодирование MIMO не используется, то используется только один тракт передающей антенны (Tx1), а входные символы QAM должны быть скопированы непосредственно на выход, т.е. g_k = f_k для k = 0, 1, 2, ..., N_data - 1.

Процесс кодирования пространственного мультиплексирования выполняется на парах нормализованных символов QAM [f_2i(Tx1), f_2i+1(Tx2)], поступающих от блока отображения на сигнальное созвездие. Ячейки с полезной нагрузкой до применения скачкообразной перестройки фазы x_2i(Tx1), для передающей антенны 1 и x_2i+1(Tx2), для передающей антенны 2 должны генерироваться из входных символов в соответствии со следующим выражением:

где N_cells - число ячеек, требуемых для передачи одного блока LDPC при использовании кодирования MIMO, и которое равно N_ldpc/N_bpcu.

Обработка MIMO может применяться при использовании 6, 8 или 10 бит на канал (N_bpcu) и при соотношении мощностей 0,3 или 6,0 дБ между двумя передающими антеннами. При кодировании MIMO должны использоваться определенные значения параметров для каждого случая в соответствии с таблицей 5.

Процесс кодирования должен поочередно повторяться для каждой пары символов QAM.

За исключением гибридного профиля MIMO, в котором используется VMIMO, скачкообразная перестройка фазы должна применяться на выходе блока прекодирования пространственного мультиплексирования и представлять собой увеличение фазы комплексных ячеек, передаваемых по каналу Tx2. Изменение фазы выполняют путем умножения каждой пары ячеек (x_2i, x_2i+1) на переменную матрицу X(i), в результате чего получается пара ячеек (g_2i, g_2i+1), т.е. кодированная полезная нагрузка ячеек символа OFDM представлена следующим выражением:

где X(i) вычисляют по формуле

Изменение фазы для пары ячеек i равно , т.е. оно инициализируется равным 0 в начале каждого блока FEC и увеличивается на для каждой последующей пары ячеек. Результирующий шаблон скачкообразной перестройки фазы является периодическим с периодом 9 пар ячеек, т.е. X(i+9) = X(i). Поскольку число пар ячеек в блоке FEC кратно 9 для всех видов модуляций, всегда существует целое число периодов скачкообразной перестройки фазы в каждом блоке FEC.

Матрица скачкообразной перестройки фазы X(i) не зависит от вида модуляции и соотношения мощностей.

Главное назначение рОЧС в профиле MIMO заключается в передаче кадров SISO как части передачи, содержащей как кадры SISO, так и кадры MIXO. Мощность сигнала рОЧС делится так же, как мощность MIXO через различные компоненты передачи (например, части ГП/ВП в случае кроссполяризационной передачи), чтобы достичь соответствующего соотношения мощностей таким образом, чтобы средняя мощность была одинаковой на каждом компоненте передачи во время передачи SISO и MIXO. Обработка рОЧС применяется в профиле MIMO на уровне кадра для модуляции символов OFDM, путем умножения каждой несущей k на коэффициент предыскажения Ф_k, как в базовом профиле.

Если требуется обеспечить непрерывность свойств идентификации передатчика в рОЧС во время передачи как кадров MIMO, так и кадров SISO, то рОЧС может непрерывно применяться ко всем типам кадров.

В таблице 6 приведены варианты кодирования SISO/MIXO, применимые к символам P1, aP1 и P2.

Профиль MIMO должен сигнализироваться в преамбуле P1 значениями S1 = 111 (код ESC) и S2 поле 1 = 000 (сигнал MIMO NGH).

За преамбулой P1 должен следовать дополнительный символ P1 (aP1). Символ aP1 должен содержать 7 бит для сигнализации согласно таблице 7.