TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.6, Jun e  201 4, pp. 4550 ~ 4 5 5 6   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i6.539 9          4550     Re cei v ed  De cem ber 2 7 , 2013; Re vi sed  F ebruary 25,  2014; Accept ed March 1 1 , 2014   A Relaying Scheme for Terrestrial Digital Multimedia  Broadcasting (TDMB) Cooperative Network      Jin Ren   Coll eg e of Information En gi ne erin g, No rth Ch ina U n ivers i t y   of  T e chnol og y,   No.5 Jin y u a n zhua ng R oad, S h iji ngs han D i strist, Beijin g, P.R Chin a 10 01 4 4   email: rj@ n cut.edu.cn       A b st r a ct   T e rrestrial D i gi tal Multi m e d ia  Broadcasti ng  (T DM B) is on e pop ul ar bro adcasti ng stan dard th a t   enable  digital t e levis i on trans m i ss i ons t o  hand held receiv ers and cooperative system  t a ke advantage of   the bro adc ast nature  of w i rel e ss cha n n e ls,  uses re lay  stat ions as  virtua l anten nas . R e la y stations ar e  an   attractive solution to penetrate the  wireless  system  with lowe r transm i tting power at the Base station. I n   this paper, we presented  a schem e  c an switch on/off the  power weight ing ratio between  Base station and  Relay stati o n  in TDMB co oper ative N e tw ork. It w ill control th e ac tive relays  in  different ch a nne l   prop agati ons e ffectively.     Ke y w ords : rel a y stations, T D MB cooper at iv e netw o rk, channe l prop ag ati ons      Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion                   Futu re  mo bile  ra dio  sy stems  are  exp e cte d   to  provide   and  serve  a   wide  ran g e   o f   appli c ation s ,  whi c h in he rently re quire high  data  rate s, Orth ogon al Freq uen cy Divisi on  Multiplexing (OFDM )  [1] is a suitable te chni que for  b r oad ban d tra n smi ssi on in  multipath fadi ng   environ ment s and i s  impl e m ented in  dig i tal audio  br o adcastin g  (DAB) [2] as  wireless lo cal  area  network (WLAN)  standa rds [3]  such as HIPEELAN/ 2  or  IEEE 82.11a  and 802.16. Since the  Eure ka-147  DAB syste m   [2], [4-5] wa s anno un ce s i n  the mid d le  of the 199 0s,  many ki nd s  o f   appli c ation s   have be en i n trodu ce d in  many count ri es in the  world in clu d ing  Europ e . Dig i tal  multimedia b r oad ca sting (DMB) is o ne  of the app lica t ions which have emerged  from the Eure ka- 147  DAB system. Particul arly in Korea,  DMB fo cuse s on th e bro adcastin g  of  moving pi ctures   and their reception in harsh co ndition s such a s  in p l ace s  su rroun ded by high building s  an d  on  high ways wh ere ve hicl es  are  moving  at avery hi gh  s eed. Th at is to say, we  are  usi ng a  Eure ka- 147 DAB system for video streamin g service s  in  variou s mobile  and po rtable  There are two   kind s of DM B systems,  satellite DMB  and terre s tr ia l DMB. The  terre strial  DMB is calle d  b y   TDMB in  Korea. The  terre s trial  DMB i s   calle d  by T D MB in Korea.  Although  the  TDMB  syste m .  Without in cre a sin g  the  sel e ctiv ity of the fading in  stat ionary  Raylei gh fadin g  cha nnel s, one  wa y  to improve th e relia bility of the ra dio lin ks. The  i n crea sed  sel e ctivity allows the  chann el de cod e r  to de cod e  th e si gnal s  with  better pe rformance.  Anot her alternative o r   compl e mentary app roach  woul d be rel a y stations. Due to the fixed time  latency const r aint s, so far only the anal ogu e type  of amplify an d forward is u nder in vestig ation. Rel a y stations a r e  pl ace d  at po siti ons  with a  lin e of  sight (L OS)  link to the transmitte r. A relay stat io n will re sen d  the origin a l  signal with  an   increa sed  po wer level an d of co urse  slightly  del ayed [6]. The  addition al del ay increa se s or  cre a tes  sel e ctive fading of the cha nnel  respon se s o r  create s  sel e ctive fading  of the cha n nel   respon se  at the receive r , j u st a s  is it intende d in tra n s mit delay  or pha se dive rsity sche m e s . In  Section 2 th e swit ch o n /off sch eme i n  TDMB coo perative  syst em is intr odu ced. Foll owe d  by  Section  3 th e  Ch ann el mo del i s  p r e s en ted. Fina lly  nu me r i c a l r e s u lts  sh ow  th e  p e r for m ac es   in   Section 4.       2. Sy stem Descriptio n   Four differe nt  TDMB sign a l   bro adcasti n g  mod e s  hav e stan da rdize d  dep endi ng  on the  kind  of service that is  planned to be provided.  We consider  M ode III.  In  TDMB, rate compatible   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Relayi ng S c hem e for Te rre strial  Digit a l Multim edia Broad ca sting  (TDMB ) … (Ji n  Ren )   4551 pun cture d  co nvolution (RCPC) cod e  with  G = [1 3 3 ,171,14 5,133]  and  k=7 [2]  is em ployed.  The   outer convol utional i n terle a ver  act s  o n  the  byte s at  the output o f   the  Ree d -S olomon  e n co der  while th e in n e r inte rleave r  scra mble s t he bit s  at the  output of th e RCPC en coder. It al so   has  sep a rate  freq uen cy and  time inn e r i n te rleaving: th e  freque ncy i n n e r inte rleave r  perm u tes da ta   within the  sa me OFDM symbol, whe r e a s the time i nner i n terle a v er is mo re  compli cate d  and   spa n s  alon g  time interval  of 320m s  (i.e ., 2160 OF DM symbol s) [2]. The si gna l is tra n smitted  throug h a  si n g le a n tenn a f r om th e BS t o  the  relay  st ation (RS) an d directly to  the MS  as wel l  in   Figure 1. The retran smitt ed sign al fro m  the re lay station expe ri ences for  simplicity the same  delay sp rea d  as the directl y  transmitted sign al  from BS, but an additional delay  is applied. T he  overall p o wer is no rmali z e d  between th e ba se  statio n (BS) a nd t he rel a y stati on (RS) a nd  the   addition al del ay is a s  lo w t o  en su re the t o tal re ce ived   sign al is  re cei v ed within th e  gua rd inte rva l .  This me an s the total sign a l  from  the BS  and the RS can be re presented by:       2 2 1 mo d 1 1 0 RS FFT RS F FT FFT i T FFT kl N T FFT sk s k N N jl j N N Sl NN l ee                         (1)     For the time  interval  ,, 1 NN FF T G k  , we get the OFDM symbol to gether  with the cycli c   prefix.  Sl  a r e th e complex va lued frequ en cy dom ain  sy mbols,  ca rryi ng d a ta.  T N  is  1 for the  singl e  BS or only  the RS  being representat ive for the tran smissi on of the signal. 1 T N  in case  the BS and the RS are joi n tly active.        Figure 1. TDMB coop erati v e Netwo r k      First, the gua rd interval is  remove d fro m  the receiv ed time dom ain baseba nd  signal in   the receiver.        ma x 1 00 T i N N m i rk k m n k im hs                           (2)     () nk  den otes co mplex value d  additive  whit e Ga ussia n   noise  (AWG N) with  varia n ce   2  and   ma x N  is the  maxi mum chan ne l delay  sprea d . The  remai n ing O F DM  time dom ain  symbol i s   transfo rme d  into the frequ ency dom ain  by an FFT, which yield s .     2 1 () 0 1 FF T FF T jk l N N rk e N FFT k Rl         2 1 0 1 RS T FF T T i j N N Sl H l e N l N i l                      (3)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4550 – 4 556   4552 With  2 0 1 FF T F FT i j kl N N Hl h k e i k   and the AWG N  term  N l  again with varian ce  2 . Equation (3)  sho w s that the relaye d si gnal expe rie n ce s a  ch an nel that can  be describe d  as an equiv a lent  cha nnel tra n sfer function.  Therefore, a  receiver  cann ot distingui sh  w hethe r a propag ation pa th   results fro m  a  RS or the BS directly.   LOS p r opa g a tion is no rmally a si gni ficant  adva n tage a s   any  fast or sl ow  fading i s   avoided. Th e s e a ddition al prop agatio n  paths  co ul d b e  LOS o r  NL OS. The rece ived sig nal from  the rel a y will   be  slightly de layed du e to  the ad ditional  path  and  du e to the l a ten c y of the  rel a y  station itself. In (3), An A W G N  with  a  cha nnel tran sfer fun c tion (CT)  of  1 i Hl  tran sforms  into  a ch ann e l   with an ab solute squ a re  CT    2 1c o s 2 F FT RS Hl l N   . This i s  d epicte d   for  10 RS  samples in Fi gure  2  with graph 0 Pd B , whe r e  freq ue ncy f fl  and b e   cal c ulate d  fro m  sub c arrie r   index  l  a n d  the  su bc ar r i er   s p ac ing   80 00 f Hz  of t he  con s id ere d   TDMB mode III. We can  cl early observe deep f ades,  which deg rade the system performance  comp ared to  the singl e direct LOS  ca se. The re aso n  for the s e d eep fade s i s   the equal  po wer  distrib u tion a m ong the BS antenn a and t he RS anten n a .                    Figure 2. CT   2 Hf for A W G N  wit h   10 RS Samples      A solutio n  to  overcome  thi s  p r obl em i s   to wei ght the  sig nal s at th e tran smitter  and th e  relay by different facto r s  i  in our switch on/off schem e with  0 BS ,  1 R S i i  and  1   . To keep the transmitted  powe r  inde p ende nt of the numbe r of relays yields t o  the   norm a lization .     2 1 0 T N i E i                                                                                      (4)     First  of all, the impl emen tation allo ws a flexible  al locatio n  of p o we r to th e  different   transmitters  with several  degree s of freedom. In  order to  describ e the po we r  distrib u tion b y  one  para m eter, we define:     2 dB 2 10 l o g 1 BS BS                                                                                  (5)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Relayi ng S c hem e for Te rre strial  Digit a l Multim edia Broad ca sting  (TDMB ) … (Ji n  Ren )   4553 As the TX po wer  ratio  bet wee n  the BS  antenn a and  the BS ante nna. The  pa rameter   allows   s w it c h ing the relay  s t ation on/off. Note that   com p let e ly swit ches  off the relay  station.  Subse que ntly a sin g le a n tenna  at the  BS and a  si ngle at the  RS with  different p o we r le vels  simulatio n  i s   investigate d .  For th at, defi n ition  (6) p r o v ides  a u n iq ue d e scriptio n  of th e p o wer  distrib u tion. F o r AWG N  (L OS) the equiv a lent CT is:     2 1 22 cos 1 BS FF T l N Hl                                                                  (6)     Whi c h i s  sh own i n  Figu re 2 for  10 RS  sa mples  and  d i fferent TX a n tenna  powe r  ratio s .  2 2 1 BS BS  is the linear  repre s e n tation  of  .      3. Chann e l Model   For re ceiv e r s  in mot i on,  complex i t y  co mes  not only  from the multiplicity of receive d   ech o e s  delay ed in the time domain, but also fro m  the freque ncy - shi ft affecting su ch e c ho es.   As d e scri bed  by the  Aust rian  mathem atician  Chri stian And r e a s  Dop p ler (180 3-18 53 )  and de picte d  in the following formul a, sign als  re ce i v ed in motio n  are affe cte d  by the re ceiver   spe ed an d the relative ang le betwe en th e motion dire ction an d the sign al incomi ng dire ction:     co s( ) rf D f fV C                                                                                  (7)    Where :   V     re cei v er  v e locity   rf f    car r ier  fr eq uency of   tr a n smitted  si g nal     C       spe e d  o f  lig ht (2 99 ,7 92,485   m/s i n  vacuu m )       angle between motion di rectio n and  si gnal in comin g  dire ction       T able 1 .   TU 6  Ch ann el  Mo del   Tap  number De lay  (us)  Power  (L in) Power  (dB) Doppe r  Spectr um   1 0.0  0.5  - 3   Ray l e i gh       2  0.2  1  0  Ray l e i gh       3  0.5  0.6 3   - 2   Ray l e i gh  4 1.6  0.2 5   - 6   Ray l e i gh       5  2.3  0.1 6   - 8   Ray l e i gh       6  5.0  0.1  - 10  Ray l e i gh      We   con s ider   a ti me- v ar yi ng  mul t ipa t h   chan nel  ob ta ined  by di scr ete - ti me  sa mpling  a   con t inu ous-ti m e  chan nel .  Since  ti me   variati o n  i m pli e s ti me -sel e c tive  fading ,  while  multi p a t h  implie s  freq uency- sele cti v e fadin g , we  ar e  a c tually con s id ering discre te- t ime  d o u b ly- sele ctive fa di ng cha nnel s.  The ti me   evolutio n of  the   th l chann el  path is e x pr essed  by:    ,, 0 , , 1 cs s l hk h k T l T l L                                                     (8)     Where   the con t inu ous-ti m e cha nnel   , c ht  is   w i d e - se n s e st at io na l w i th  un co r r e lat e d  sca tt erin g ( W S S U S )  [7 ],   ma x / 1 s LT  is  th e n u mber  of discre te  cha nnel  p a th s,  ma x  is  t h e sam p lin g p e r i o d ,   2 2 ,0 , , 1 ll Eh k l L  repr esen ts  th e  p o wer  d e lay p r ofile  ( P D P )   and   k   d eno tes  th e  discr e te -ti m e  temporal  ind e x.  The  dela y   spre ad  o f   th e  mul t ipa t hs   depe nds o n  th e n a ture   of  th e g eog r aphical a r ea  whe r e  th e  signal  pr opa gatio n i s   taking   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4550 – 4 556   4554 place .   Li ke typical  ur ban   (TU) cha n n e ls, th e tall building s   o f  urba n  ar ea gene rate  hi g h   relati ve   d e la ys.  T h e   T y pi cal   Ur ban  6- paths mod e l   (T U6)  depi cted   i n   T a ble  1 [8 ], pro v e n  to  be repr esentative for  the   typical mobil e   re cep t ion   wi th Do ppler  fr eque ncy abo ve 10H z.                                                                    Figure 3.  Po wer-d e lay Profile of TU 6 Cha nnel       4. Results a nd Analy s is  A link level  simulation  wa s p e rfo r me d t o  give  an  in sight into  the  swit ch  on/off  relaying   scheme.  The   system  pa ra meters  we fo cu sed  on,  are  su mma rize d  in Tabl e 2.  We u s e th e T D MB  mode III with  spacing of  8 000 f Hz  . The data i s  m o dulated  by a  /4 D QPS K and e n code d   by a convolut ional  cod e  wit h  R=1/2.  We  con s id er  dire ct link only a nd di re ct plu s  the rel a yed li nk  with  10 RS  sa mpl e s. T he  Do p p ler sp ect r u m  of  Raylei gh  comp one nts i s  u n iform with  a  band width of   ma x 8 D f Hz , which i s  o f  the sub c arrier spa c ing a nd thus  negli g ible in term s of   interc ar rie r  interfer en ce.       T able  2 .  Si mulatio n  Pa ra me ter s  (Mod e  III)   Bandw idth (MHz ) 1.5 36  Usefu l  su b-ca rr ie rs  192  FFT size  256   Chan ne l sepa rat i on  (MHz)  1.7 5    Subca r r i er  spaci ng  (kHz)  8.0  Sampl i ng  frequency   (MHz)  2.0 48  B l ock dur at ion (us )   125  CP dura t i on (us )   31  B i t rat e  (Mbps)  1.1 342  Spectr al  eff i c i ency  (bps/Hz)  0.7 384                                           Figure 4 and Figure 5  show the bit error pro bability (BER) curves fo r the swit ch on/off  relaying  sch e me in A W GN  cha nnel  and  Raylei gh fadin g  ch annel, respe c tively. The  BER   perfo rman ce s of differe nt RS situ ation  get gai n  with po we r wei ghting  ratio   increa se d i n   AWG N  ch an nel ho wever  the situation  in AWG N  ch annel h o wever the situ ation in Rayleig h   fading chan n e l is op po site . The BER p e rform a n c e s  l o ss with d e creased RS in  Rayleig h  fadi n g   cha nnel is dif f erent with th at in the AWGN c han nel. For Rayleigh  fading chann el in Figure 4,  we  get an SNR l o ss of 3 dB a t  BER =  4 10  for 1 RS ( 0 dB ) comp a r ed to no RS. For the AWG N   cha nnel i n  th e Fig.5, ho wever, an S N R gai n of 7d B for 1  RS ( 0 dB ) com pared to  no RS.  Powe r weig h t ing   betwe e n  the  station  (BS a nd  RS ) allo ws findi ng a  comp ro mise  betwee n   SNR gain s  a nd  lo sse s   in different cha nnel enviro n m ent.  In  Rayleigh  fa ding cha nnel s a  relay   station p r ovid es ad ditional  prop agatio n paths, whic h increa se s the  available dive rsity. In AWG N   cha nnel, ho wever, these a dditional p r op agation p a ths are stati c , an d thus, tran sf orm the AWG N   cha nnel into  a static fre q u ency sele ctive  one, whi c h  degrade s the  sy stem p e rfo r mance.  0 1 2 3 4 5 6 -20 -16 -12 -8 -4 0 D e l a y [ u s] Po w e r [ d B]     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Relayi ng S c hem e for Te rre strial  Digit a l Multim edia Broad ca sting  (TDMB ) … (Ji n  Ren )   4555     Figure 4. The  Scheme in A W G N  Ch ann el      Figure 5. The  Scheme in  Rayleigh Chan nel       4. Conclusio n   In this  pap er,  we  have  pre s ente d  a  swit ch  on/off rela ying sch e me  in TDMB  coo perative  Network. It can b e  a b le t o  adj ust th e  power  wei ght ing  ratio  bet wee n  the  BS and  RS  for  the  different cha nnel environ ment. By the simulation  result s in Section 3, it sho w s the diffe ren t   perfo rman ce s of ou r sch e me  with th e sa me  a d j u stment parameters  in  the two  ki nd s of   prop agatio n,  AWG N   cha n nel (LOS) an d Rayleigh  fa ding  ch ann el  (NL O S). T h e r efore  ou r  swit ch   on/off sch em e will be bette r to adjust pe rforman c e in  chann el pro p a gation s .      Ackn o w l e dg ements   In this pap er,  the re sea r ch  wa s sp on so r ed by 201 2 Startup Fu nd for Tal ented S c hol ars  of No rth  Chi na Universit y  of  Techno logy and  20 13 Te ch nolo g y Foun dati on for Sele cted   Oversea s  Chi nese Schol ar,  Ministry of  Personn el of Beijing (No.40 1053 7407 56 ).      Referen ces   [1]  SB W e insei n , PM Ebert. Data transmissio n  b y  frequ enc y divisio n  multi p le xi ng us ing  the discret e   F ourier transfo rm.  IEEE Trans.  Comm unic ations . COM-19.  197 1; 15: 628- 634.   [2]  Radi o: Bro adc asting  S y stem s; Digita l  Au di o Br o adcasti n g  (DAB) to  M obil e , Porta b l e  an d F i xe d  receiv ers. EN 300 4 01 V1.3. 1 ,  Europea n T e l e co mmu n icati o ns  Standar d In stitute ET SI.  2 000.   [3]  York. Digita l  Vi deo Bro adc asti ng (DVB); F r aming Structure ， Chann el C o d i ng a nd Mo dul atin for Dig ita l   T e rrestrial  T e le vision, EN 3 00  744 V1.2. 1 . 19 99.   [4]  B Roscher, H Foschin i, G Fu chs, H Kling, M Isk en. Expe rienc es in the Desig n  of DAB F r ont-end s .   IEEE Proc. Consum er Electronics . 199 8; 386 -387.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4550 – 4 556   4556 [5]  W o lfgan g Hoe g ,  T homas La uterbac h. Digit al Audi o  Broa dcastin g , Princ i ples a nd Ap pli c ations. Joh n   w i le y & So ns. 200 1.  [6]  A Osseira n , A  Log othetis, SB  Slima ne, P  La rsson.  Re lay  C yclic D e lay  Div ersity: Mod e li n g  & Syste m   Performanc e.  Proc.of ICPSC. Duba i, United  Areb Emiates.  200 7: 25-2 8 .  [7]  P Bell o. Ch ara c terizatio n  of r and oml y  time-v aria nt lin ear c h ann els.  IEEE Trans. Commun. Syst.,  1963 ;   11(4): 36 0-3 9 3 .   [8]  COST  207 Re port. Di gital  la n d  mo bil e  ra dio   communic a tio n s , Commissi on  of Eur ope an  C o mmuniti es,   Directorat e  Genera l , telecom m unic a tions, In formati on Ind u s tries and Inn o v ation, Lu xemb urg. 198 9.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.