傳統(tǒng)廣播與移動(dòng)寬帶融合網(wǎng)絡(luò)的4種方案解析

李遠(yuǎn)東

（DVBCN，上海 201100）

目前，媒體傳輸?shù)娜诤弦呀?jīng)發(fā)生于業(yè)務(wù)及應(yīng)用層面（以歐洲 HbbTV、歐洲 Youview、日本 Hybridcast、韓國(guó)OHTV等為代表）。長(zhǎng)期以來，廣播網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)各自有著專有、獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。出于實(shí)際考慮，亟需打造一種創(chuàng)新型的可以在無線/射頻域融合廣播與移動(dòng)通信的無線接入架構(gòu)。這種新型無線接入架構(gòu)在傳輸層實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)融合，可以根據(jù)線性與非線性廣播內(nèi)容的相應(yīng)模式（包括廣播推送、多播（如IPTV）、單播（如VoD）等）來靈活地使用底層頻譜。目前，全球都在開展具有這種理念的融合網(wǎng)絡(luò)的研究。各個(gè)國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議都在著重探討[1-3]，如2014年6月的2014年全球未來廣播電視高峰論壇（FOBTV 2014）、IEEE 2014第9屆寬帶多媒體系統(tǒng)及廣播國(guó)際研討會(huì)（IEEE BMSB 2014）。

相關(guān)的融合解決方案將主要包括以下6個(gè)需求：1）在室內(nèi)/室外移動(dòng)等應(yīng)用場(chǎng)景中，地面數(shù)字電視廣播向智能手機(jī)、平板電腦等多種移動(dòng)智能終端擴(kuò)展；2）為地面數(shù)字電視廣播增加交互功能、提供部分非線性內(nèi)容所需的下行鏈路/帶寬；3）及時(shí)而靈活地滿足人們?nèi)找孀兓拿襟w與信息消費(fèi)習(xí)慣；4）具有很高的服務(wù)質(zhì)量與可接入性，力爭(zhēng)獲得最大的社會(huì)效益；5）充分利用470～790 MHz頻段的優(yōu)良傳播特性，具有高的頻譜效率；6）融合網(wǎng)絡(luò)的部署成本要低。

目前，國(guó)際上出現(xiàn)的廣播與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)解決方案共有4種，以下分別介紹并進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

1 基于UHF頻段的4G電視廣播及其研究現(xiàn)狀

這是針對(duì)未來電視傳輸而主要由電信陣營(yíng)提出，正在快速發(fā)展的一種全新的解決方案[4-5]。該方案的設(shè)想是：1）傳統(tǒng)的地面數(shù)字電視廣播最終將會(huì)被運(yùn)行于470～790 MHz頻段、基于IP的4G電視廣播所代替；2）未來的廣播接收機(jī)的形態(tài)將是內(nèi)置LTE-A/B（LTE-Advanced/Byond，高級(jí)/后LTE）接收模塊的包括電視機(jī)頂盒、智能電視機(jī)等產(chǎn)品形態(tài)在內(nèi)的各種視聽終端。

該方案中所涉及到的主要技術(shù)是增強(qiáng)型多媒體廣播多播服務(wù)（evolved Multimedia Broadcast Multicast Ser?vice，簡(jiǎn)稱eMBMS）及其單頻網(wǎng)SFN（下文統(tǒng)一稱為eMBMS）。事實(shí)上，據(jù)筆者一直以來的觀察，eMBMS與傳統(tǒng)經(jīng)典廣播的競(jìng)爭(zhēng)在2014年已經(jīng)開始加速。高通與愛立信就曾在2013年向ATSC提交了基于eMBMS的ATSC 3.0物理層PHY的建議書。

eMBMS所具有的廣播/組播能力在傳輸實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)多媒體內(nèi)容方面相較于傳統(tǒng)的單播具有很大的優(yōu)勢(shì)，其利用新一代無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)“天然”的廣播品質(zhì)，將相同的內(nèi)容一次性地同時(shí)傳輸給很多個(gè)終端用戶，從而具有更高的頻譜效率、更低的比特成本。

而且，對(duì)于是否要啟用eMBMS（當(dāng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)無廣播/組播服務(wù)需求時(shí)就不啟用），還可以實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、自動(dòng)地進(jìn)行配置，這就保證了無需為eMBMS單獨(dú)配置網(wǎng)絡(luò)資源，而是與4G LTE的其他單播型業(yè)務(wù)（如移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)）靈活共享，在部署了eMBMS的4G LTE網(wǎng)絡(luò)里面，載波等資源可以被靈活地分配給廣播或單播業(yè)務(wù)所用。

一些移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)芯片商、設(shè)備制造商等認(rèn)為，由于具有先進(jìn)的蜂窩傳輸技術(shù)，加之采用eMBMS，相較于現(xiàn)有地面數(shù)字電視廣播，4G電視廣播可以以更少的頻譜達(dá)到與之相當(dāng)?shù)膬?nèi)容傳輸質(zhì)量，因此，在實(shí)際部署中與一些特定應(yīng)用方面，可以節(jié)省頻譜資源。

該方案的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。目前國(guó)際上4G電視廣播的相關(guān)研究與商用主要考慮了兩種應(yīng)用模式：一是在由多個(gè)移動(dòng)通信基站所組成的單頻網(wǎng)SFN中，廣播所有的電視節(jié)目；二是對(duì)一些很受歡迎的電視節(jié)目采用廣播模式進(jìn)行分發(fā)，而對(duì)其他電視節(jié)目則使用單播鏈路傳輸。

上述第一種模式曾由J?rg Huschke、Joachim Sachs、Kumar Balachandran等人為美國(guó)ATSC與LTE所深入研究過，而且在加利福利亞州的一些城市作了實(shí)地場(chǎng)測(cè)，其結(jié)論是：最新的eMBMS技術(shù)在節(jié)約頻譜方面擁有巨大潛力，若使用eMBMS來廣播所有電視節(jié)目，則僅需84 MHz寬度的頻譜（而現(xiàn)在已部署的ATSC地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)則占用了300 MHz寬度的頻譜）。

不過J?rg Huschke等人所得出的上述結(jié)論僅適用于美國(guó)，可能并不適用于歐洲和其他地區(qū)（尤其是部署了諸如DVB-T2，DTMB-A等下一代地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)的地方），歐廣聯(lián)最近的研究結(jié)論就證明了這一點(diǎn)。

瑞典皇家技術(shù)學(xué)院相關(guān)研究人員在2014年4月所發(fā)表的研究結(jié)論是：根據(jù)在大斯德哥爾摩地區(qū)的實(shí)際場(chǎng)測(cè)，目前看來，在城市地區(qū)，4G電視廣播相比于現(xiàn)有地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)具有大幅節(jié)約頻譜資源的潛力，而在偏遠(yuǎn)地區(qū)則雖然也節(jié)省頻譜但節(jié)省得很少，城郊結(jié)合部的頻譜節(jié)省量則介于上述兩類地區(qū)之間。在不遠(yuǎn)的將來，4G電視廣播能有效地滿足人們?nèi)找孀兓碾娨晿I(yè)務(wù)消費(fèi)的需求。

總之，4G電視廣播與傳統(tǒng)經(jīng)典的地面數(shù)字電視廣播哪種方式在未來會(huì)更好，目前還沒有到下定結(jié)論的階段。接下來的相關(guān)研究尚需包括面向各種應(yīng)用場(chǎng)景與用戶需求的4G電視廣播的性能、系統(tǒng)的最佳設(shè)計(jì)、以衛(wèi)星電視傳輸作為補(bǔ)充覆蓋的考量（需要相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展）。

2 疊加型網(wǎng)絡(luò)及其研究現(xiàn)狀

與上文所述第一種方案相比，該方案為L(zhǎng)TE/LTE-A/LTE-B與傳統(tǒng)的地面數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同打造了一種新的合作模式，旨在節(jié)省頻譜而且減小成本（比如可以通過多個(gè)移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商共享資源等方式減小網(wǎng)絡(luò)部署成本）[6]。

該方案提出了如圖2所示的地面數(shù)字電視廣播（以DVB-T2為例）與移動(dòng)寬帶相融合的疊加型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

該架構(gòu)中，視頻內(nèi)容既可以通過高功率發(fā)射的高塔網(wǎng)絡(luò)傳輸，也可以通過低功率發(fā)射的低塔網(wǎng)絡(luò)傳輸——由部署于前端的智能決策引擎事先根據(jù)用戶的需求、行為、內(nèi)容類型（線性還是非線性、“冷”還是“熱”等）決定。對(duì)于需要通過高功率發(fā)射的高塔網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膬?nèi)容，先將其封裝為eMBMS幀，再將其封裝到DVB-T2的未來擴(kuò)展幀（Future Extension Fframes，F(xiàn)EF），然后與DVB-T2的幀在同一個(gè)復(fù)用器里進(jìn)行復(fù)用，最后通過同一個(gè)高功率塔廣播出去。而在終端側(cè)，DVB-T2只是對(duì)解復(fù)用以后的DVB-T2視頻內(nèi)容進(jìn)行解碼，而4G終端只是檢測(cè)并解碼由FEFs所承載的內(nèi)容。對(duì)于需要通過低功率發(fā)射的低塔網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膬?nèi)容，則直接通過移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的4G基站傳輸。

智能決策引擎還能為廣播傳輸與移動(dòng)寬帶實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地分配470～790 MHz頻段內(nèi)的頻譜。

但這種模式目前也存在一些待解決的挑戰(zhàn)性問題：1）由于要使用DVB-T2的單頻物理網(wǎng)絡(luò)來承載LTE eMBMS，因此需要eMBMS設(shè)計(jì)更大的保護(hù)間隔；2）如何讓4G終端發(fā)現(xiàn)、檢測(cè)到FEF幀并進(jìn)行后續(xù)處理；3）僅限于DVB-T2，而不適用于采用其他標(biāo)準(zhǔn)的地面數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)橹挥蠨VB-T2才定義了FEF。所以如何在采用其他標(biāo)準(zhǔn)的地面數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用這種疊加型架構(gòu)，需要進(jìn)一步研究。

總之，這種解決方案如果要引起移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商及移動(dòng)通信設(shè)備商等的興趣及關(guān)注，尚需進(jìn)一步研究可行性、應(yīng)用場(chǎng)景、商業(yè)模式等。

3 共用廣播系統(tǒng)及其研究現(xiàn)狀

共用廣播系統(tǒng)旨在探索對(duì)現(xiàn)有的地面數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（如DVB/DVB-T2）與LTE eMBMS廣播系統(tǒng)進(jìn)行修改，單獨(dú)打造一個(gè)共用的廣播系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，以達(dá)到高效地融合地面數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)與4G電視廣播網(wǎng)絡(luò)，并解決如何最高效地傳輸分發(fā)內(nèi)容的目的[7]。

該方案的架構(gòu)如圖3所示，其中，大橢圓部分是利用高塔高功率地廣播符合經(jīng)過一定修訂的LTE eMBMS規(guī)范的eMBMS信號(hào)，小橢圓部分則是利用低塔低功率地輻射需要單播的移動(dòng)數(shù)據(jù)等內(nèi)容（仍沿用現(xiàn)有的4G，4.5G標(biāo)準(zhǔn)）。

這就為DVB，F(xiàn)OBTV等廣播電視標(biāo)準(zhǔn)組織提供了機(jī)遇，比如可以將相關(guān)的研究文檔/建議草案提交輸出給3GPP（第三代移動(dòng)通信合作伙伴計(jì)劃）等移動(dòng)通信國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織，將其作為下一代LTE標(biāo)準(zhǔn)版本，或者將這種可以長(zhǎng)期演進(jìn)的共用廣播融合型系統(tǒng)提議納入相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)組織的5G研發(fā)里面。

后續(xù)的相關(guān)研究將可包括：1）高塔高功率傳輸LTE eMBMS廣播信號(hào)需要部署大規(guī)模的單頻網(wǎng)，這就需要eMBMS的修訂版本能夠支持更長(zhǎng)的循環(huán)前綴；2）基于實(shí)際需求的廣播與單播的轉(zhuǎn)換策略（相當(dāng)于智能引擎）；3）相關(guān)eMBMS載波的設(shè)計(jì)；4）eMBMS的多層多入多出技術(shù)（Mutiple Input Mutiple Output，MIMO）傳輸；5）組播/廣播單頻網(wǎng)（Multicast Broadcast Single Frequency Net?work，MBSFN）物理層PHY的測(cè)試報(bào)告；6）地面數(shù)字電視廣播與移動(dòng)寬帶協(xié)作使用地面頻譜的方式。

4 NGB-W

下一代地面數(shù)字電視相關(guān)需求是單向大容量、適應(yīng)媒體發(fā)展需求的高性價(jià)比雙向服務(wù)、一定要能適應(yīng)新媒體發(fā)展的需求。技術(shù)需求方面，支持多種組網(wǎng)模式、達(dá)到與4G相當(dāng)?shù)念l譜效率、有利于業(yè)務(wù)的快速部署與用戶群的快速形成、可管可控可信。

NGB-W[8-13]的總體架構(gòu)如圖4所示，可通過大數(shù)據(jù)分析、智能引擎來充分利用廣播網(wǎng)與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)（比如廣播大塔與交互小塔的協(xié)同等），前端主要是智能引擎（用于有機(jī)協(xié)調(diào)單向廣播與雙向網(wǎng)絡(luò)）、傳輸網(wǎng)絡(luò)是高功率發(fā)射與低功率發(fā)射相結(jié)合、接收端可用WLAN組網(wǎng)，單向雙向設(shè)備均覆蓋。NGB-W的核心是智能引擎，融合電視廣播與各種新媒體應(yīng)用，大塔小塔協(xié)同補(bǔ)充覆蓋，具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景（列車、民航、固定全業(yè)務(wù)型、室內(nèi)增補(bǔ)型、信息“加油站”等），可以快速部署業(yè)務(wù)，而且系統(tǒng)可管可控安全，可建立起高效、靈活、安全的下一代信息網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)NGB-W也綜合考慮長(zhǎng)期技術(shù)演進(jìn)和泛在網(wǎng)演進(jìn)的可能性。

據(jù)悉，國(guó)內(nèi)已有一些小型試驗(yàn)網(wǎng)，中播也準(zhǔn)備先將其NGB-W相關(guān)業(yè)務(wù)推進(jìn)到美國(guó)市場(chǎng)進(jìn)而拓展至全球其他地區(qū)。

5 總結(jié)

隨著HDTV、UHDTV、下一代3DTV等的出現(xiàn)，電視廣播服務(wù)在不斷地朝著清晰度更高、用戶體驗(yàn)更好的方向演進(jìn)。在可預(yù)見的未來，直播將仍是人們收看電視的主流方式，而時(shí)移、點(diǎn)播等的需求也會(huì)越來越大。這就促使了廣播與寬帶在業(yè)務(wù)層面的融合。而由于地面廣播與移動(dòng)寬帶在網(wǎng)絡(luò)等方面各自都有“天生”劣勢(shì)，兩類網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)就成為發(fā)展的趨勢(shì)，本文就介紹了國(guó)際上相關(guān)的4種方案?？偟恼f來，以LTE技術(shù)為主的大塔高功率解決方案在頻譜效率方面要弱于傳統(tǒng)經(jīng)典電視廣播（如DVB）的大塔高功率覆蓋。廣播大塔結(jié)合眾多低功率LTE小塔的融合組網(wǎng)開始成為主流的發(fā)展趨勢(shì)。

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[1]李遠(yuǎn)東.下一代媒體網(wǎng)絡(luò)：任重道遠(yuǎn)[EB/OL].[2014-06-26].http://www.dvbcn.com/2014/06/26-111902.html.

[2]《電視技術(shù)》編輯部.IEEE BMSB 2014在京召開[EB/OL].[2014-06- 27].http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=zA4ODE2MzUyMw==&mid=200292307&idx=5&sn=eff90ae67998b22faa1b4e3d5574bfb6#rd.

[3]深圳清華大學(xué)研究生院.我院數(shù)字電視系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任宋健教授主持IEEE 2014第9屆寬帶多媒體系統(tǒng)及廣播國(guó)際研討會(huì)[EB/OL].[2014-06-29].http://www.tsinghua-sz.org/NewsList.aspx?Cat eID=408&ID=2883.

[4]HUSCHKE J，SACHS J，BALACHANDRAN K，et al.Spectrum re?quirements for TV broadcast services using cellular transmitters[C]//Proc.2011 IEEE Symposium.Aachen:New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks（DySPAN）.[S.l.]：IEEE Press，2011:22-31.

[5]DAVASLIOGLU K.Quantifying potential energy efficiency gain in green cellular wireless networks[EB/OL].[2014-06-30].http://www.ieee.org/publications_standards/publications/rights/index.html for more information.

[6]SHI L，SUNG W K，ZANDER J.IEEE International Symposium on Dynamic Spectrum Access Networks[C]//Proc.IEEE International Symposium on Dynamic Spectrum Access Networks.[S.l.]：IEEE Press，2014:362-365.

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[10]杜百川.廣電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[R].上海:出版者不詳，2014.

[11]夏平建.未來媒體網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容互動(dòng)[R].煙臺(tái):出版者不詳，2014.

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