一种基于数字广播信令聚合的高可靠应急短消息传输方法与流程

本发明属于无线传输中的应急通讯领域，特别涉及一种基于数字广播信令聚合的高可靠应急短消息传输方法。

背景技术：

数字广播具有较高的传输品质，并且各地均设有数字广播接收设备，为接收应急广播信息提供了设备保障。基于数字广播的应急通信往往将应急消息复用到传输流中，采用传输流的形式实现应急消息的传输。数字广播能够实现应急信息的快速可靠发布，并屡屡发挥很大的作用。同时，采用数字广播技术能够建立起可靠的公共安全发布体系和预警体系，能够在第一时间发布预警信息，并且具有覆盖区域广、快速移动接收能力效果好、抗扰性强、即时性强，以及受众量多的优势。基于数字广播的应急通信系统，能够实现在各通信网络和交通都中断的情况下保持信息发布和调度的畅通。如果各地都配备专用的数字广播接收设备和发送设备后，还能够实现在重大灾害发生时灾区和外界双向通信，避免形成通信“孤岛”。

欧洲地面数字电视广播(Digital Video Broadcasting-Terrestrial，DVB-T)标准是目前应用最为广泛的地面数字电视信号传输标准，依据该标准建立的地面数字电视信号传输系统正为全世界范围内的电视用户提供标清和高清电视节目传输服务。DVB-T标准获得如此广泛应用的重要原因是采用了编码正交频分复用(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing，COFDM)技术，由此具备了较高的频谱利用效率和强大的抗多径干扰能力。因此，在采用DVB-T进行广播的地域利用DVB-T系统进行应急通信具有得天独厚的优势，所采用的方法是将短消息数据插入到由MPEG-2信源编码复用器输出的TS流中，利用TS流传输实现短消息的广播服务。在DVB-T系统中，所传输的信号除TS流信号外，还包括导频信号和传输参数信令信号。导频信号用于接收机实现同步以及信道均衡等操作；传输参数信令信号用于传输系统参数。其中，传输参数信号在DVB-T系统中有特有的子载波与之对应，同其他信号相互独立。同时，传输参数信令块中，除去用于传输同步字以及系统参数的信息外仍有剩余比特未被利用，并且，假设接收端在已知发射端所采用的传输模式的情况下，采用传输参数信令块进行系统传输则略显多余，只需要保留同步字用于实现超帧同步即可。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中存在以下缺点和不足：

利用TS流进行传播应急短消息信号时，当遭遇一些特殊情况，例如：地面广播设施遭到损坏，则应急情况下的信息发布由于发射功率的限制，将难于支持广大用户的可靠接收。

因此，针对上述缺点，为了实现在较小发射功率的情况下利用地面数字广播系统实现较高可靠的应急短消息数据的传输，本发明在某预先设定的固定广播模式下，利用节省的信令部分承载短消息数据，并采用高纠错性能的编码技术作为信道编码方案，以BPSK作为调制方式，设计了一种基于数字广播信令聚合的高可靠应急传输方法。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于数字广播信令聚合的高可靠应急短消息传输方法，本发明可实现在较低功率发射下实现短消息数据的高可靠性传输，详见下文描述：

一种基于数字广播信令聚合的高可靠应急短消息传输方法，所述方法包括以下步骤：

(1)发明的传输方法支持应急短消息的传输，应用层数据帧的长度为1040比特，包括短消息信息比特与同步比特；同步比特可以选择的长度为16比特，22比特、32比特或64比特，根据不用的应用场景选择；

(2)将应用层数据帧进行分段，每段的长度为104比特，整个应用层数据帧分为10段；每一段采用长度为208比特，码率为1/2的多进制低密度奇偶校验码进行编码，得到每个编码块的长度为208比特，共得到10个编码块；

(3)在每个编码块中插入长度为64比特的同步序列，采用分布式插入的方法，每个52比特的前面附加16比特的同步序列段，四个16比特的同步序列段组成完整的64比特同步序列，插入同步序列后的数据块长度为272比特；

(4)固定数字广播系统的传输模式为某一种特定模式，使用应急短消息数据编码序列以及超帧同步字替换传输参数信令块中的数据；将每个插入同步序列后的长度为272的数据块在一个数字广播定义的超帧中进行传输，每个OFDM数据帧包含68个OFDM符号，用于传输16比特的同步序列段与52比特编码块片段；

(5)对承载有应急短消息序列的传输参数信令块中的信息采用二进制相移键控(BPSK)作为调制方式，并将复数域上的BPSK调制符号映射到对应的传输参数信令子载波中进行传输。

所述在每个编码块中插入长度为64比特的同步序列，采用分布式插入的方法，每个52比特的前面附加16比特的同步序列段，四个16比特的同步序列段组成完整的64比特同步序列，插入同步序列后的数据块长度为272比特，具体为，

(1)将长度为208比特的编码块进行分段，每段长度为52比特，整个编码块分为4段；

(2)将长度为64比特的同步序列进行分段，每段长度为16比特，整个同步字序列分为4段；其中，64比特的同步字序列用于接收端实现超帧同步；

(3)分别在每段长度为52比特的编码序列段前插入1段16比特的同步字序列段，构成68比特数据段；插入同步序列后，4段长度为68比特的数据段组成长度为272比特的数据块。

所述固定数字广播系统的传输模式为某一种特定模式，使用应急短消息数据编码序列以及超帧同步字替换传输参数信令块中的数据，具体为

(1)固定数字广播系统的传输模式为某一种特定模式，使传输参数信令块中的数据仅需提供超帧同步的功能；

(2)将长度为272比特的包含208比特应急短消息数据编码序列以及64比特超帧同步序列的数据块进行分段，每段长度为68比特，整个数据块分为4段，每段数据段由16比特同步字和52比特编码码字组成；

(3)将长度为68比特的数据段替换数字广播标准中传输参数信令块中的68比特系统参数信息以及同步字。

所述对承载有应急短消息序列的传输参数信令块中的信息采用二进制相移键控(BPSK)作为调制方式，并将复数域上的BPSK调制符号映射到对应的传输参数信令子载波中进行传输，具体为，

(1)按照BPSK星座图，将传输参数信令块中的比特级数据映射为复数域BPSK调制符号；

(2)根据传输子载波映射表，将复数域上传输参数信令块中的数据的BPSK调制符号同其他信号的调制符号一起映射成频域OFDM符号；

(3)采用IFFT实现对OFDM调制，将频域OFDM符号映射到时域上；其中，传输参数信令块中的一个比特数据被同时映射到所有的传输参数信令子载波中进行传输。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于数字广播信令聚合的高可靠应急短消息传输方法数据帧结构示意图；

图2是本发明提供的一种基于数字广播信令聚合的高可靠应急短消息传输方法的过程示意图；

图3是本发明提供的应急短消息数据的接收界面示意图。

下面结合附图对本发明提出的一种基于数字广播信令聚合的高可靠应急传输方法做详细说明。

参见图1，传输的应急短消息应用层数据帧的长度为1040比特，包括应急短消息信息序列与同步字序列；应用层数据帧被分成10组长度为104比特数据段，每个数据段经过码率为1/2的多进制LDPC编码得到长度为208比特的编码码字序列。待传输的数据帧由10帧超帧进行传输，每一超帧包括4个OFDM帧，每1个OFDM帧中包含16比特同步字序列和52比特编码码字序列。其中，超帧中分散插入的4段16比特同步字序列组成64比特的超帧同步序列，供接收端实现超帧同步。超帧中的编码序列长度为208比特，是由104比特信源序列经1/2码率信道编码得到，并且平均分成4段，分散插入至16比特同步字序列之后。

参见图2，一种基于数字广播信令聚合的高可靠应急短消息传输方法，具体过程为：

(1)传输方法支持应急短消息的传输，应用层数据帧的长度为1040比特，包括短消息信息比特与同步比特；同步比特可以选择的长度为16比特，22比特、32比特或者64比特。根据不用的应用场景选择；

(2)将应用层数据帧进行分段，每段的长度为104比特，整个应用层数据帧分为10段；每一段采用长度为208比特，码率为1/2的多进制低密度奇偶校验码进行编码，得到每个编码块的长度为208比特，共得到10个编码块；

(3)在每个编码块中插入长度为64比特的同步序列，采用分布式插入的方法，每个52比特的前面附加16比特的同步序列段，四个16比特的同步序列段组成完整的64比特同步序列，插入同步序列后的数据块长度为272比特；

(4)固定数字广播系统的传输模式为某一特定模式，使用应急短消息数据编码序列以及超帧同步字替换传输参数信令块中的数据；将每个插入同步序列后的长度为272的数据块在一个数字广播定义的超帧中进行传输，每个OFDM数据帧包含68个OFDM符号，传输16比特的同步序列段与52比特编码块片段；

(5)对承载有应急短消息序列的传输参数信令块中的信息采用二进制相移键控(BPSK)作为调制方式，并将复数域上的BPSK调制符号映射到对应的传输参数信令子载波中进行传输；

(6)对TS流采用QPSK调制，导频信号采取BPSK调制，采用IFFT实现传输参数信令信号，导频信号以及TS流信号的OFDM调制。

具体实施例

本发明实施例以采用通用软件无线电平台搭建的DVB-T系统为一个特例，说明本发明实施例所提出的一种基于数字广播信令聚合的高可靠应急短消息传输方法。

该测试平台所搭建的DVB-T系统中收发端均采用固定收发模式2K模式，采用非等级调制，内码选择码率为1/2的卷积码，以QPSK作为星座映射方式，并且保护间隔长度为COFDM符号长度的1/4；其次，应急短消息数据为1040比特原始数据，固定1040比特应急短消息原始数据的前22比特作为应用层数据包的同步字，应用层同步字为

1010 1100 1101 1101 1010 01

进一步，将1040比特的待传原始短消息数据包分为10组数据段作为信息序列，每组序列的长度为104比特，对每组104比特数据采用GF(16)域上，码率为1/2的多进制LDPC编码进行信道编码；然后，对编码码字每隔52比特分散插入16比特同步字，每64比特同步字用于实现超帧同步，64比特超帧同步字字样为

0000 0011 0100 0111 0111 0110 1100 0111

0010 0111 0010 1000 1001 0101 1011 0000

最后，发射端在传输由摄像头采集的实时信息经过MPEG-2复用的TS流，同时采用传输信令子载波传输应急短消息数据。

接收端接收由发送端发送的TS包和TPS短消息数据包，并且分别统计在不同发射功率下接收的TS包的误包率和采用TPS子载波传输的短消息数据的误包率，通过对比在不同发射功率下的TS包和TPS包的误包率评估本方法的性能。

实际测试在实验室的开放环境下进行。发射机天线和接收机天线之间的距离为2.0m，且传输过程中不考虑信号的直射路径。DVB-T系统的参数设置如表1所示。

表1系统测试参数

图3为接收端接收到的由发送端利用TPS子载波传输的短消息数据在界面中的显示情况。在传输过程中，发送端采用TPS聚合的方法总共发送了三条“TPS short message data！”的应急短消息，接收端接收到由发送端发送的信息，通过前文所述的对接收到的数据进行TPS解调，超帧同步，LDPC译码等操作准确地恢复出TPS短消息数据包，并在界面右栏中显示。由于软件实现过程中，发射端和接收端都采用多线程模式，发射端在利用TPS传输短消息数据的同时仍在不断的采集视频数据并进行发送，而接收端不仅能够接收并播放视频，还能够在同一时间获取应急短消息数据。故本方法所提出的一种基于数字广播信令聚合的高可靠应急传输方法能够在不影响DVB-T系统正常工作的情况下，实现应急短消息的传输。

为测试本方法性能，同时传输1040比特TPS包和188字节TS包，在完成300包TPS包传输时，统计在不同发射功率下TS包的误包率和TPS包的误包率，测试结果如表2所示。

表2 TS包和TPS包误包率测试结果

由表2可以看出，在不同发射功率下，TPS包的误包率均远小于TS包的误包率。其中，当发射功率为-46Bm时，接收端已无法正确接收TS包，但接收TPS包的误包率为5.667×10^-2。由此可以看出，本设计方法能够很好的实现短消息数据的高可靠传输。