4G通信技術(shù)及其在廣播電視領(lǐng)域的應(yīng)用

李永明

（山東省招遠(yuǎn)市廣播電視臺(tái)，招遠(yuǎn)，山東 265400）

4G通信技術(shù)及其在廣播電視領(lǐng)域的應(yīng)用

李永明

（山東省招遠(yuǎn)市廣播電視臺(tái)，招遠(yuǎn)，山東 265400）

本文首先對(duì)4G移動(dòng)通信技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，然后對(duì)4G的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、技術(shù)特征和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述，最后對(duì)我國(guó)主導(dǎo)的4G國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)TD-LTE在多個(gè)城市應(yīng)用體驗(yàn)情況，以及4G電視直播系統(tǒng)的優(yōu)越性進(jìn)行了重點(diǎn)分析。

4G技術(shù)；TD-LTE；應(yīng)用體驗(yàn)；電視直播

1 引言

當(dāng)今電視媒體面臨著多重的挑戰(zhàn)，除了要應(yīng)對(duì)同類媒體其他電視節(jié)目的收視競(jìng)爭(zhēng)，還要與互聯(lián)網(wǎng)等新興媒體搶占受眾，客觀環(huán)境和內(nèi)在需求迫使電視媒體急需提升節(jié)目質(zhì)量，吸引更多觀眾。在這樣的背景下，引入各種新技術(shù)手段來(lái)豐富電視內(nèi)容，提高電視媒體的反應(yīng)速度，是較為有效的方法。

3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)早已悄無(wú)聲息地融入我們的生活，它不但使我們的生活變得更精彩，讓我們的工作更輕松，甚至改變了我們工作和生活的方式。正在人們?yōu)橹畾g呼之時(shí)，第四代（4G）網(wǎng)絡(luò)及技術(shù)在世界各國(guó)已經(jīng)悄然興起，由于其具有傳輸速率高、時(shí)延短、頻譜效率高等特點(diǎn)，為廣播電視借用“現(xiàn)代通信”手段實(shí)現(xiàn)高清電視信號(hào)的實(shí)時(shí)無(wú)線傳輸提供了新的手段。

2 4G移動(dòng)通信技術(shù)概述

4G是第四代移動(dòng)通信及其技術(shù)的簡(jiǎn)稱，是能夠傳輸高質(zhì)量視頻圖像以及圖像傳輸質(zhì)量與高清晰度電視不相上下的技術(shù)產(chǎn)品。4G的概念可稱為廣帶接入和分布網(wǎng)絡(luò)，具有超過(guò)2Mb/s的非對(duì)稱數(shù)據(jù)傳輸能力，對(duì)全速移動(dòng)用戶能提供150Mb/s的高質(zhì)量的影像服務(wù)，并首次實(shí)現(xiàn)三維圖像的高質(zhì)量傳輸，無(wú)線用戶之間可以進(jìn)行三維虛擬現(xiàn)實(shí)通信。它包括廣帶無(wú)線固定接入、廣帶無(wú)線局域網(wǎng)、移動(dòng)廣帶系統(tǒng)和互操作的廣播網(wǎng)絡(luò)。在不同的固定無(wú)線平臺(tái)和跨越不同頻帶的網(wǎng)絡(luò)中提供無(wú)線服務(wù)，可以在任何地方寬帶接入互聯(lián)網(wǎng)（包括衛(wèi)星通信和平流層通信），提供信息通信之外的定位定時(shí)、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制等綜合功能。同時(shí)，4G系統(tǒng)還是多功能集成的寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)，是寬帶接入IP系統(tǒng)。

3 4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和技術(shù)特征

3.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的根本任務(wù)是能夠接受、獲取到終端的呼叫，在多個(gè)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)（平臺(tái)）之間或者多個(gè)空中接口之間，建立其最有效的通信路徑，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)的定位和跟蹤。

4G采用單一的全球范圍的蜂窩核心網(wǎng)來(lái)取代3G中密密麻麻的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，其采用全數(shù)字全I(xiàn)P技術(shù)，這是從網(wǎng)絡(luò)內(nèi)智能化及網(wǎng)絡(luò)邊緣智能化向全網(wǎng)智能化的發(fā)展，核心網(wǎng)能夠支持不同的接入方式，如IEEE 802.11a，WCDMA，Bluetooth等，同時(shí)每個(gè)用戶設(shè)備擁有唯一可識(shí)別的號(hào)碼，通過(guò)分層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)間的互操作。這種結(jié)構(gòu)使得多種業(yè)務(wù)透明地與IP核心網(wǎng)連接，具有較好的的通用性和可擴(kuò)展性。

3.2 技術(shù)特征

（1）多種業(yè)務(wù)的完整融合。個(gè)人通信、信息系統(tǒng)、廣播、娛樂等業(yè)務(wù)無(wú)縫連接成一個(gè)整體，滿足用戶的各項(xiàng)需求。4G有望集成不同模式的無(wú)線通信，從無(wú)線局域網(wǎng)和藍(lán)牙等室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)、蜂窩信號(hào)、廣播電視到衛(wèi)星通信，移動(dòng)用戶可以自由地從一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)漫游到另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。各種業(yè)務(wù)應(yīng)用、各種平臺(tái)間的互連將更為便捷、安全，針對(duì)不同用戶要求，更富于個(gè)性化。

（2）高速移動(dòng)中不同系統(tǒng)之間的無(wú)縫連接。用戶在高速移動(dòng)中，能夠接入到系統(tǒng)中，并在不同系統(tǒng)之間無(wú)縫切換，進(jìn)行高速率的多媒體業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳送。

（3）各種價(jià)格低廉的用戶設(shè)備便捷的入網(wǎng)連接。這些設(shè)備體積小巧便攜、甚至無(wú)須接入電源網(wǎng)即可工作。用戶與設(shè)備不再局限于聽、說(shuō)、讀、寫的簡(jiǎn)單交流方式，為滿足用戶的特殊需要和特殊用戶（如殘疾人用戶）的需要，更多新的人機(jī)交換方式將出現(xiàn)。

（4）高度智能化的網(wǎng)絡(luò)。4G通信網(wǎng)絡(luò)將是一個(gè)高度自治、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。它具有良好的重構(gòu)性、尺度可變性、自組織性等，用以滿足不同環(huán)境、不同用戶的通信需求。

（5）獨(dú)立的軟件平臺(tái)。技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)的需求，將加快并實(shí)現(xiàn)目前的計(jì)算機(jī)網(wǎng)、電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)和衛(wèi)星通信網(wǎng)等多網(wǎng)融合，寬帶IP技術(shù)和光網(wǎng)絡(luò)將成為多網(wǎng)融合和支撐技術(shù)和結(jié)合點(diǎn)。

4 4G關(guān)鍵技術(shù)

4.1 正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)

4G采用了正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)，其基本原理是在頻域內(nèi)將給定的信道劃分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制，并且各子載波并行傳輸。盡管總的信道是非平坦的，具有頻率選擇性，但是每個(gè)子信道是相對(duì)平坦的，在每個(gè)子信道上進(jìn)行的是窄帶傳輸，從而可以消除符號(hào)間干擾。而且由于每個(gè)子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對(duì)容易。由于在OFDM系統(tǒng)中各個(gè)子信道的載波相互正交，于是它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減小了子載波（ICI）間的相互干擾，同時(shí)又提高了頻譜利用率。OFDM技術(shù)還具有以下優(yōu)點(diǎn)：可以對(duì)抗多徑干擾和頻率選擇性衰落；調(diào)制解調(diào)實(shí)現(xiàn)容易；支持非對(duì)稱業(yè)務(wù)；適合高速數(shù)據(jù)傳輸；OFDM技術(shù)還易與和其他多址方式結(jié)合使用。

4.2 智能天線技術(shù)

智能天線也叫自適應(yīng)天線陣列（AAA），它由天線陣、波束形成網(wǎng)絡(luò)、波束形成算法三部分組成。智能天線采用了空時(shí)多址（SDMA）的技術(shù)，利用信號(hào)在傳輸方向上的差別，將同頻率或同時(shí)隙、同碼道的信號(hào)進(jìn)行區(qū)分，動(dòng)態(tài)改變信號(hào)的覆蓋區(qū)域，將主波束對(duì)準(zhǔn)用戶方向，旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，并能夠自動(dòng)跟蹤用戶和監(jiān)測(cè)環(huán)境變化，為每個(gè)用戶提供優(yōu)質(zhì)的上行鏈路和下行鏈路信號(hào)，從而達(dá)到充分利用移動(dòng)用戶信號(hào)并消除或抑制干擾信號(hào)的目的。這種技術(shù)既能改善信號(hào)質(zhì)量又能增加傳輸容量。

4.3 軟件無(wú)線電技術(shù)

軟件無(wú)線電技術(shù)是將標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的硬件功能單元經(jīng)過(guò)一個(gè)通用硬件平臺(tái)，利用軟件加載方式來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線電通信系統(tǒng)功能的一種具有開放式結(jié)構(gòu)的新技術(shù)，各種功能和信號(hào)處理盡可能利用軟件實(shí)現(xiàn)，包括各類無(wú)線信令規(guī)則與處理軟件、信號(hào)流變換軟件、信源編碼軟件、信道糾錯(cuò)編碼軟件、調(diào)制解調(diào)算法軟件等。軟件無(wú)線電技術(shù)使無(wú)線電通信系統(tǒng)具有靈活性和適應(yīng)性，能夠適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)和接口，能支持不同接口的多模式手機(jī)和基站，能實(shí)現(xiàn)各種不同應(yīng)用的可變QoS。

4.4 多輸入多輸出技術(shù)（MIMO）

MIMO（多輸入多輸出）技術(shù)又稱為多天線技術(shù)，是LTE移動(dòng)通信系統(tǒng)為了提高吞吐量而應(yīng)用的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，MIMO技術(shù)是利用多發(fā)射、多接收天線進(jìn)行空間分集和空間復(fù)用的技術(shù)，能夠有效地將通信鏈路分解成許多并行的子信道，能夠提高系統(tǒng)抗衰落與噪聲性能，提高系統(tǒng)通信容量、數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸質(zhì)量。

4.5 多用戶檢測(cè)技術(shù)

4G主要是在系統(tǒng)的基站以及終端運(yùn)用到此技術(shù)，多用戶監(jiān)測(cè)主要是利用將信道的信號(hào)不是進(jìn)行噪聲方面的處理而是作為有用的信號(hào)，從而可以充分地利用用戶的信號(hào)、時(shí)間以及碼元、相位等的信息進(jìn)行各個(gè)用戶之間的聯(lián)合檢測(cè)，因此，具有良好的精確度以及檢測(cè)能力，該技術(shù)還可以對(duì)碼間的干擾及時(shí)消除，從而可以有效地提供系統(tǒng)的性能。

4.6 基于IP的核心網(wǎng)

4G的核心網(wǎng)是基于全I(xiàn)P的開放式移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，IP兼容多種無(wú)線接入?yún)f(xié)議，便于靈活設(shè)計(jì)核心網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)間的無(wú)縫互聯(lián)，能允許各種空中接口接入核心網(wǎng)，不必考慮無(wú)線接入究竟采用何種方式和協(xié)議，能夠提供端到端的IP業(yè)務(wù)。

5 4G 在廣電領(lǐng)域的應(yīng)用

為了加速信息化建設(shè)、提高信息技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力，國(guó)務(wù)院將開發(fā)信息技術(shù)納入到國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)體系，積極推進(jìn)信息技術(shù)研發(fā)、應(yīng)用、推廣的配套設(shè)施建設(shè)，極大地促進(jìn)了我國(guó)4G的發(fā)展。2010年10月，我國(guó)主導(dǎo)開發(fā)的新一代寬帶移動(dòng)技術(shù)TD-LTE被國(guó)際電信聯(lián)盟定為國(guó)際4G通信標(biāo)準(zhǔn)之一。我國(guó)先后在多個(gè)大中城市對(duì)TD-LTE大進(jìn)行了有益的嘗試，國(guó)內(nèi)4G技術(shù)應(yīng)用取得可喜成果。

5.1 上海世博會(huì)TD-LTE演示網(wǎng)

2010年中國(guó)移動(dòng)在上海世博會(huì)園區(qū)建設(shè)了全球首個(gè)TD-LTE實(shí)驗(yàn)網(wǎng)，室外覆蓋全園5.28平方公里、共建15個(gè)宏基站，約45個(gè)小區(qū)，室內(nèi)共覆蓋9個(gè)場(chǎng)館，約20個(gè)小區(qū)。上海文廣在世博園多次測(cè)試和試用基于4G的電視直播系統(tǒng)，期間設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了持續(xù)的優(yōu)化和改進(jìn)工作，8月30日使用該系統(tǒng)在信息通信館進(jìn)行了直播活動(dòng)，較為成功。上海世博TD-LTE演示網(wǎng)采用2.3GHz頻段，20MHz帶寬實(shí)現(xiàn)下行峰值速率75Mb/s，上行25Mb/s，下行平均速率40Mb/s，上行15Mb/s。室外覆蓋17個(gè)站點(diǎn)，包括世博村、主題館、園二站等；室內(nèi)覆蓋1軸：世博軸；4館：中國(guó)館+演藝中心+主題館+世博中心，提供豐富多彩的TD-LTE業(yè)務(wù)，包括即拍即傳、安保、視頻監(jiān)控、網(wǎng)真、視頻會(huì)議、移動(dòng)監(jiān)控等。

5.2 深圳大運(yùn)動(dòng)TD-LTE典型業(yè)務(wù)體驗(yàn)

2011年8月，第26屆世界大學(xué)生夏季運(yùn)動(dòng)會(huì)期間，深圳也面向全球展示了TD-LTE的典型業(yè)務(wù)和體驗(yàn)，深圳移動(dòng)通信分公司建立了“高清電視中心系統(tǒng)”，將現(xiàn)場(chǎng)即攝即傳信號(hào)使用LTE網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街行模M(jìn)而分配發(fā)送到深圳廣電集團(tuán)電視總控機(jī)房等7個(gè)視頻系統(tǒng)，為高清電視的采訪信號(hào)傳輸，做了新的嘗試。系統(tǒng)應(yīng)用于大運(yùn)會(huì)的各項(xiàng)現(xiàn)場(chǎng)連線，如火炬?zhèn)鬟f、開幕式、賽事報(bào)道等。2012年5月17日（世界電信日），深圳啟動(dòng)TD-LTE試商用，其覆蓋面積已達(dá)37.58平方公里，包括深圳市中心區(qū)，城市主干道和人流密集場(chǎng)所均有較強(qiáng)信號(hào)?，F(xiàn)TD-LTE網(wǎng)絡(luò)已覆蓋深圳主要城區(qū)、各行政區(qū)人口密集區(qū)域，TD-LTE基站在各試點(diǎn)城市中最多。

5.3 杭州快速公交體驗(yàn)和電視直播

2012年3月30日，浙江移動(dòng)在杭州B1快速公交線路開通4G體驗(yàn)；6月5日，又在杭州啟動(dòng)了“4G全城”體驗(yàn)。10月13日，中國(guó)移動(dòng)在杭州嘗試開放4G網(wǎng)絡(luò)用于電視直播，浙江電視臺(tái)經(jīng)濟(jì)生活頻道被中國(guó)移動(dòng)選為合作伙伴。這是國(guó)內(nèi)首次使用民用4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)碾娨曋辈ィp方合作，成功在杭州的民用4G網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)清晰流暢電視直播。目前，中國(guó)移動(dòng)在杭州已完成主城區(qū)200平方千米的4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，4G的網(wǎng)速經(jīng)測(cè)試能夠達(dá)到80Mb/s以上。

5.4 江蘇廣電總臺(tái)4G專用網(wǎng)絡(luò)測(cè)試

在4G網(wǎng)絡(luò)尚未完全商用的情景下，北京星光公司利用4G通信核心技術(shù)，開發(fā)了廣播電視LTE無(wú)線專用網(wǎng)絡(luò)，即在沒有LTE環(huán)境的情況下，利用LTE技術(shù)，按照傳輸需求設(shè)計(jì)與搭建LTE無(wú)線覆蓋網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)即攝即傳。其工作頻點(diǎn)/傳輸帶寬/系統(tǒng)模式（固定式、游牧式、移動(dòng)式），均可選操作。2012年9月，總臺(tái)技術(shù)部門聯(lián)合北京星光公司在奧體中心和總臺(tái)電視劇場(chǎng)進(jìn)行了綜合測(cè)試與實(shí)傳案例，取得了成功。

此外，該系統(tǒng)采用新一代的互聯(lián)網(wǎng)流媒體技術(shù)解決方案，在傳輸?shù)耐瑫r(shí)，其多分辨率可實(shí)現(xiàn)包括電視/STB、電腦、MP4播放器、iPad/iPhone和智能手機(jī)等的實(shí)時(shí)監(jiān)審，其多碼率可在150kb/s～8Mb/s帶寬范圍內(nèi)自適應(yīng)，可適用于Internet，3G，IPTV，Wi-Fi，局域網(wǎng)等多網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，這使得各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)與相關(guān)人員，在各種環(huán)境下實(shí)施節(jié)目傳輸直播管理。

6 4G電視直播系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

⊙ 圖像質(zhì)量高：4G系統(tǒng)能夠以100Mb/s的速度下載，上傳的速度也能達(dá)到50Mb/s，可以達(dá)到廣播級(jí)的視頻圖像質(zhì)量。

⊙ 成本低廉：一輛衛(wèi)星轉(zhuǎn)播車的造價(jià)高達(dá)千萬(wàn)元，其中衛(wèi)星傳輸設(shè)備大約為百萬(wàn)元。TD-LTE遠(yuǎn)低于衛(wèi)星和微波信道的使用費(fèi)，初期固定設(shè)備投入低，信道租賃費(fèi)與衛(wèi)星可競(jìng)爭(zhēng)，無(wú)需專用的衛(wèi)星轉(zhuǎn)播車。僅此一項(xiàng)就可節(jié)約大量成本開支，且使用費(fèi)用也將不斷下降。

⊙ 信號(hào)有保障：使用LTE專用頻段，不受干擾。而微波使用開放頻段，容易受到其他無(wú)線應(yīng)用的干擾。

⊙ 快速反應(yīng)：像其他移動(dòng)終端一樣接入，無(wú)需經(jīng)過(guò)租用信道等手續(xù)，且體積小，可工作于狹小環(huán)境。

⊙ 信號(hào)有保障：使用LTE專用頻段，不受干擾。而微波使用開放頻段，容易受到其他無(wú)線應(yīng)用的干擾。

7 結(jié)束語(yǔ)

隨著4G技術(shù)的不斷成熟和推廣，作為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的典型應(yīng)用，視頻業(yè)務(wù)前景廣闊，包括高清視頻點(diǎn)播、高清即攝即傳、高清視頻會(huì)議、高清視頻監(jiān)控等移動(dòng)視頻應(yīng)用等。4G技術(shù)在廣播電視領(lǐng)域的應(yīng)用，將突破以往時(shí)間、空間對(duì)電視節(jié)目的掣肘，將對(duì)電視節(jié)目制作帶來(lái)全新的解決方案，為廣播電視領(lǐng)域開辟新的制作環(huán)境。

[1] 李薔薇．移動(dòng)通信技術(shù)[M]．北京：人民郵電出版社，2005．

[2] 劉肖強(qiáng)，鄧憲法．現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008．

捷德和Verimatrix演示智能手機(jī)的DRM解決方案

近日，在阿姆斯特丹舉辦的2014年IBC展會(huì)上，端對(duì)端安全移動(dòng)解決方案的領(lǐng)先供應(yīng)商捷德（G&D）與全球知名的、保證提高多網(wǎng)絡(luò)以及多屏幕數(shù)字電視服務(wù)收入方面的專家Verimatrix，演示了用于移動(dòng)視頻服務(wù)的用戶友好數(shù)字版權(quán)管理（DRM）解決方案，該方案包含了較高的付費(fèi)電視解決方案安全標(biāo)準(zhǔn)。捷德和Verimatrix是在Verimatrix的展臺(tái)（四號(hào)廳4.A55展位）演示的數(shù)字版權(quán)管理解決方案。

對(duì)于終端用戶來(lái)說(shuō)，這一應(yīng)用程序的用法非常簡(jiǎn)單：終端用戶只需從其兼容的安卓手機(jī)的應(yīng)用商店下載相應(yīng)的視頻服務(wù)應(yīng)用程序，使用用戶憑證登錄進(jìn)去，首次登錄成功后，只需幾秒鐘的時(shí)間，終端用戶即可開始使用視頻產(chǎn)品。在如今常見的固定付費(fèi)電視應(yīng)用程序中，必要的加密密碼被儲(chǔ)存在了智能卡上，而該解決方案可省略這一點(diǎn)。關(guān)鍵的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)會(huì)通過(guò)空中方式直接下載至兼容手機(jī)的保護(hù)區(qū)域內(nèi)，在這一區(qū)域內(nèi)，該應(yīng)用程序在其整個(gè)使用期限內(nèi)都非常安全，且會(huì)受到遠(yuǎn)程遙控管理。

Application of 4G Communication Technology in the Field of Radio and Television

Li Yongming
(Zhaoyuan Television Station, Zhaoyuan, Shandong, 265400)

First, the 4G mobile communication technology is introduced, And then to the 4G mobilecommunication system network structure, technical features and key technologies are described, Finally, thesuperiority of the TD-LTE 4G international standard of China leading in the application of multiple city experienceand 4G television broadcast system are analyzed.

4G Technology; TD-LTE; Application experience; Live TV

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.10.009

TN929.5，TN943

A

1672-7274（2014）10-0030-04

李永明，1974年生，助理工程師，主要從事廣播電視技術(shù)工作。