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。
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)。
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。
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。
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)。
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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[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.
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