廣播電視有線網(wǎng)絡(luò)頻譜資源及優(yōu)化分析

李婷婷，孫黎麗，趙 明，朱里越

(國家新聞出版廣電總局 a. 廣播科學研究院;b. 廣播電視規(guī)劃院，北京 100866)

廣播電視有線網(wǎng)絡(luò)頻譜資源及優(yōu)化分析

李婷婷a，孫黎麗b，趙 明a，朱里越a

(國家新聞出版廣電總局 a. 廣播科學研究院;b. 廣播電視規(guī)劃院，北京 100866)

首先分析了廣電運營商完成前期雙向網(wǎng)絡(luò)整轉(zhuǎn)后，包括模擬音頻廣播、模擬電視節(jié)目、數(shù)字音頻廣播、高標清電視節(jié)目、雙向互動及寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在內(nèi)的頻率規(guī)劃方案；其次分析了網(wǎng)絡(luò)傳輸、用戶接入、視頻編解碼等關(guān)鍵技術(shù)和業(yè)務(wù)承載的發(fā)展方向；最后提出全數(shù)字化后廣播電視網(wǎng)絡(luò)頻率劃分建議。關(guān)鍵詞: 全數(shù)字化；頻率劃分；頻譜資源

伴隨我國下一代廣播電視網(wǎng)絡(luò)(NGB)工程建設(shè)和三網(wǎng)融合的持續(xù)推進，以及“十二五”規(guī)劃、“寬帶中國戰(zhàn)略”等相關(guān)政策逐步落地，我國有線電視網(wǎng)絡(luò)正在全面進行數(shù)字化雙向化升級改造。為提高廣電網(wǎng)絡(luò)對三網(wǎng)融合新業(yè)務(wù)和跨域型新興業(yè)務(wù)的承載能力，有線網(wǎng)絡(luò)通過下一代廣播電視網(wǎng)絡(luò)正在從傳統(tǒng)的簡單、單向管道升級為智能化雙向管道[1-3]。

2012年初，八部委共同組織起草的《寬帶中國戰(zhàn)略》實施方案提出：到2015年，要實現(xiàn)寬帶接入用戶2.5億戶，在寬帶接入能力上，城市家庭平均達到20 Mbit/s，農(nóng)村平均達到4 Mbit/s。同年，國務(wù)院印發(fā)的《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，首次明確提出實施寬帶中國工程，要求到“十二五”末期，城市和農(nóng)村家庭分別實現(xiàn)20 Mbit/s和4 Mbit/s以上寬帶接入能力。同時，要求IPv6實現(xiàn)規(guī)模商用，三網(wǎng)融合全面推廣，電視數(shù)字化轉(zhuǎn)換基本完成。到2015年，寬帶接入能力顯著提高，95%的行政村具備寬帶接入能力，相關(guān)裝備和智能終端達到國際先進水平，全國縣級(含)以上城市有線電視實現(xiàn)數(shù)字化，80%實現(xiàn)雙向化，并基本完成數(shù)字地面電視覆蓋。

因此，在完成有線網(wǎng)絡(luò)雙向數(shù)字化整轉(zhuǎn)后，如何利用現(xiàn)有極其有限的頻譜資源，既保障原有廣播電視業(yè)務(wù)逐步向數(shù)字化、高清化、3D化升級改造，同時還要穩(wěn)步開展包括視頻點播、互動業(yè)務(wù)、寬帶接入、智能家庭等新型業(yè)務(wù)。將廣播電視網(wǎng)絡(luò)賴以生存的頻譜資源合理使用、優(yōu)化配置、科學管理、積極開發(fā)，將社會效益和經(jīng)濟效益發(fā)揮至最大化是各地網(wǎng)絡(luò)運營商面臨的巨大難題。

1 有線電視網(wǎng)絡(luò)頻譜資源

人們將自由空間內(nèi)頻率在3 000 GHz以下的電磁波頻譜劃分為無線電頻譜，無線電頻譜段是目前最廣泛利用的頻譜段。根據(jù)傳播和使用特性把無線電頻譜劃分為12種。其中有線電視網(wǎng)絡(luò)中開展廣播電視及數(shù)據(jù)類業(yè)務(wù)主要集中在中波、短波、米波、微波這4個范圍，具體的頻譜范圍如表1所示。

表1 無線電頻譜技術(shù)參數(shù)表

編號縮寫波段名稱頻譜范圍1ELF極長波3～30Hz2SLF超長波30～300Hz3ULF特長波300～3000Hz4VLF甚長波3～30kHz5LF長波30～300kHz6MF中波300kHz～3MHz7HF短波3～30MHz8VHF米波30～300MHz9UHF分米波/微波300MHz～3GHz10SHF厘米波3～30GHz11EHF毫米波30～300GHz12THF絲米波300～3000GHz

廣播電視網(wǎng)絡(luò)從單純同軸電纜(Coax)網(wǎng)絡(luò)升級改造為光纖/同軸電纜混合(HFC)網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)既利用了光纖傳輸頻帶寬、損耗低的優(yōu)勢，同時又利用了同軸電纜廉價寬帶接入的特點，大大提高網(wǎng)絡(luò)頻譜可用資源和網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力。HFC網(wǎng)絡(luò)具有1 000 MHz的系統(tǒng)帶寬，這使運營商在實際運營角度得到了較高的性價比，因此HFC網(wǎng)絡(luò)成為運營商在升級改造有線電視分配接入網(wǎng)絡(luò)時的首選模式。我國有線電視網(wǎng)絡(luò)在經(jīng)歷了330 MHz到450/550 MHz，再到750/860 MHz的三個標志性發(fā)展階段后，現(xiàn)階段系統(tǒng)帶寬定位于1 000 MHz。

2001年國家廣電總局頒布了HFC網(wǎng)技術(shù)規(guī)范和標準，于2005年頒布了GY 5075—2005城市有線廣播電視網(wǎng)絡(luò)設(shè)計規(guī)范，確定了有線廣播電視網(wǎng)建設(shè)標準和技術(shù)規(guī)范，在頻率規(guī)劃上滿足雙向HFC網(wǎng)的基本要求。根據(jù)當前設(shè)計規(guī)范，有線電視網(wǎng)可用頻段5～1 000 MHz波段劃分如表2所示。

表2 GY 5075-2005中規(guī)定的頻譜劃分范圍

波段名稱頻率范圍/MHz業(yè)務(wù)內(nèi)容R5～65上行業(yè)務(wù)X65～87過渡帶FM87～108聲音廣播業(yè)務(wù)A110～1000下行業(yè)務(wù)

如表2所示的頻譜范圍劃分是我國現(xiàn)階段有線電視HFC網(wǎng)絡(luò)頻譜資源配置的統(tǒng)一規(guī)范，雖然具有普適性，但是不能針對各地的實際情況。因此，一個實際運營的有線電視系統(tǒng)頻譜資源使用需要以規(guī)范中的劃分方案為基礎(chǔ)，結(jié)合本地的實際情況實行統(tǒng)一的規(guī)劃、配置、調(diào)度和管理。

2 有線網(wǎng)絡(luò)運營商頻譜劃分方案

近年來，隨著廣播電視雙向網(wǎng)改造工程和省網(wǎng)整合項目，有線網(wǎng)絡(luò)公司從單純運營廣播電視業(yè)務(wù)逐漸轉(zhuǎn)型為多業(yè)務(wù)運營商。根據(jù)前期對各地的深入調(diào)研，各網(wǎng)絡(luò)公司為保證各地廣播電視業(yè)務(wù)和雙向數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)開展，在頻譜劃分規(guī)范的基礎(chǔ)上結(jié)合當?shù)貙嶋H情況，對網(wǎng)絡(luò)頻譜有如下劃分:

1)某省級網(wǎng)絡(luò)公司A

根據(jù)前期對A地網(wǎng)絡(luò)公司的實際網(wǎng)絡(luò)情況調(diào)研可知，當?shù)仉p向網(wǎng)改后采用CMTS和EoC兩種技術(shù)方案，頻譜劃分方案如表3所示。

表3 A地網(wǎng)絡(luò)公司頻譜劃分方案

序號頻率范圍/MHz播出內(nèi)容業(yè)務(wù)類型15～65CMTS上行通道數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)2110～550模擬和數(shù)字電視廣播電視業(yè)務(wù)3550～750全省集團客戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)4750～860SDV、IPQAM點播數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)5860～1000EoC雙向通道/CMTS下行通道數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)

5～65 MHz用于CMTS上行數(shù)據(jù)傳輸；110～550 MHz以傳統(tǒng)模擬廣播電視業(yè)務(wù)為主，增加高標清數(shù)字電視業(yè)務(wù)和輪播業(yè)務(wù)；550～750 MHZ為全省的集團客戶應(yīng)用預(yù)留頻點資源，用于開展全省集團業(yè)務(wù)應(yīng)用；750～860 MHz增加SDV業(yè)務(wù)及VOD點播等應(yīng)用；860～1 000 GHz用于高頻EOC雙向數(shù)據(jù)傳輸、CMTS下行數(shù)據(jù)傳輸，并擴容了邊緣IPQAM的點播頻點。

2)某市級網(wǎng)絡(luò)公司B

根據(jù)前期對B地網(wǎng)絡(luò)公司的調(diào)研可知，全市包含整改網(wǎng)和整改+NGB網(wǎng)絡(luò)兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分別采用CMTS、CMTS混合EoC兩種技術(shù)方案。

(1)對于B市整改網(wǎng)，采用CMTS的組網(wǎng)方式，具體頻率劃分如表4所示。

(2)對于B市整改網(wǎng)+NGB網(wǎng)，采用CMTS和EOC混合組網(wǎng)方式，具體頻率劃分如表5所示。

表4 B市整改網(wǎng)頻譜劃分方案

序號頻率范圍/MHz播出內(nèi)容業(yè)務(wù)類型130～40CMTS上行通道數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)2111～200模擬電視廣播電視業(yè)務(wù)3200～450CMTS下行通道數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)4600～1000VOD業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)

表5 B市整改網(wǎng)+NGB網(wǎng)頻譜劃分方案

序號頻率范圍/MHz播出內(nèi)容業(yè)務(wù)類型15～32EOC雙向通道數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)230～40CMTS上行通道數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)3111～200模擬電視廣播電視業(yè)務(wù)4200～450數(shù)字電視廣播電視業(yè)務(wù)5450～573CMTS下行通道數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)6600～1000VOD業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)

3 廣播電視業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢

廣播電視節(jié)目頻率遵循模擬電視頻道的劃分，在111～862 MHz頻段按8 MHz頻寬提供數(shù)字電視節(jié)目。此外，有線電視網(wǎng)引入雙向交互式的寬帶通信網(wǎng)成為其發(fā)展的要求，基于HFC網(wǎng)絡(luò)采用雙向網(wǎng)改技術(shù)成為解決有線電視雙向交互能力的手段。根據(jù)前期的調(diào)研結(jié)果網(wǎng)絡(luò)情況主要頻率范圍及頻點數(shù)量如表6所示。

表6 頻率段及頻點數(shù)量

序號頻率范圍/MHz頻點數(shù)量1110～55054個2110～75079個3110～86293個

一個有線數(shù)字電視廣播頻道帶寬為8 MHz，采用鄰頻配置，另外還需要通過數(shù)字調(diào)制技術(shù)進行基帶信號的調(diào)制。在一個有線數(shù)字電視頻道內(nèi)，傳輸數(shù)據(jù)率根據(jù)調(diào)制方式不同，所能提供的帶寬也不同，常見的調(diào)制方式是采用64QAM調(diào)制成每頻點38 MHz帶寬，其他還有128QAM、256QAM、512QAM和1024QAM，其中心頻率根據(jù)標準GB/T 17786—1999中所給出的頻率范圍的中間值。如一個頻點以64QAM方式進行調(diào)制，其可用帶寬的計算方式如下。

首先計算符號率，其定義式為

D=W/(1+a)=8/(1+0.16)=6.896 6 MSample/s

(1)

其次計算總傳輸速率，其定義式為

S=D×N=6.896 6×6=41.379 Mbit/s

(2)

DVB-C的信道編碼是RS(204，188)，有效傳輸速率為

SS=S×188/204=38.134 Mbit/s

(3)

基于這樣一個現(xiàn)狀，110～860 MHz有93個頻點，在去除干擾和不可用頻點的基礎(chǔ)上，按照64QAM方式調(diào)制，至多可以達到3.6 GHz帶寬左右。按MPEG-2標準、高清節(jié)目編碼，每個頻點可以有2路信號，最多不到200路，即便未來全部采用H.264編碼方式進行編碼也最多增加到300多路。在廣電行業(yè)主流發(fā)展全4K節(jié)目的趨勢下，采用H.264編碼一個頻點至多1路，也即實際上通過現(xiàn)有廣播方式來傳輸真4K方式只能傳輸90多路。

除了基本的直播業(yè)務(wù)，還有互動業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)雙向網(wǎng)改造都需要用到頻點，還需要考慮到干擾和戰(zhàn)備因素，按浙江省內(nèi)實際使用的情況,24個頻點來進行點播覆蓋，16個頻點用于雙向網(wǎng)絡(luò)改造，加上各地干擾和不可用的頻道數(shù)(一般在5～8個)，48個頻點可用于廣播。

4 頻譜資源優(yōu)化方案

由于廣播電視業(yè)務(wù)逐步向數(shù)字化、高清化、3D化升級改造，同時根據(jù)市場需求，必須增加視頻點播、互動業(yè)務(wù)、寬帶接入、智能家庭等新型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，因此頻率資源優(yōu)化是各地網(wǎng)絡(luò)運營商必不可少的研究方向。根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)方案，可用的頻率優(yōu)化手段有以下4種：

1)提升調(diào)制方式

(1)128QAM調(diào)制：SS=D×7×188/204=W/(1+a)×N=44.48 Mbit/s；

(2)256QAM調(diào)制：SS=D×8×188/204=W/(1+a)×N=50.84 Mbit/s；

(3)512QAM調(diào)制：SS=D×9×188/204=W/(1+a)×N=57.2 Mbit/s；

(4)1024QAM調(diào)制：SS=D×10×188/204=W/(1+a)×N=63.56 Mbit/s。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析，單純通過提升調(diào)制方式對整體網(wǎng)絡(luò)帶寬的提升并不明顯。同時，調(diào)制方式對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量提出了更高的而要求，如果系統(tǒng)從64QAM提升到128QAM，傳輸質(zhì)量響應(yīng)提升一倍，對于運營商的設(shè)備、維護成本較高，綜合性價比相對較低。

2)縮小廣播域范圍

通過縮小廣播域的方式，實現(xiàn)頻率的空分下移。把全部頻點分為兩部分，一部分進行全網(wǎng)廣播，一部分向用戶側(cè)下移，達到縮小廣播域的目的。舉例說明：當系統(tǒng)采用1 310 nm網(wǎng)絡(luò)，光節(jié)點覆蓋300戶用戶，初期采用16個頻點下移，下面對全網(wǎng)廣播和頻點下移兩種方案的頻點數(shù)目進行對比分析：

(1)采用全網(wǎng)廣播方式：按照前面的計算方法得出，共93個頻點；

(2)采用頻率空分下移：93個頻點中16個頻點采用下移的方式，則頻點數(shù)目為77個頻點(全網(wǎng))加上16×N(頻點數(shù)×光節(jié)點數(shù))；如一個城市有10萬戶，可用頻點數(shù)目=77+16×(100 000/300)，約等于5 405個可用頻點。而且頻率空分下移全部采用現(xiàn)有技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)升級改造的成本相對較低。

3)純IP化頻譜改造

除戰(zhàn)備需要預(yù)留的頻點，其余頻點全用于雙向化改造使用，整體傳輸全IP化。這種方式一方面技術(shù)上尚未完全成熟，另一方面不能完全發(fā)揮出廣電的特色，網(wǎng)絡(luò)升級改造的成本巨大，無法很好地與通信運營商抗衡。

4)DVB-C2標準

DVB-C2由ETSI與2009年7月作為正式標準發(fā)布，采用新的編碼和調(diào)制技術(shù)，同等部署情況下，頻率利用率提高30%，全數(shù)字化改造完成后，下行容量可提升60%以上。有效解決了當前DVB-C標準單頻點帶寬的擴容問題，采用COFDM更好地支持業(yè)務(wù)自適應(yīng)和動態(tài)分配。

DVB-C2的實際使用還有待整體產(chǎn)業(yè)鏈的推進和具體標準的落地，因此當前情況下尚不具備成熟使用的前提。

5 總結(jié)

根據(jù)現(xiàn)有廣播電視頻譜資源和業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢的分析，在傳統(tǒng)廣播電視業(yè)務(wù)逐步向數(shù)字化、高清化、3D化升級的前提下，各地運營商還需根據(jù)市場需求拓展包括視頻點播、互動業(yè)務(wù)、寬帶接入、智能家庭等新型業(yè)務(wù)，因此頻譜資源的匱乏是各地有線網(wǎng)絡(luò)運營商亟需解決的實際問題，如何能將廣播電視網(wǎng)絡(luò)賴以生存的頻譜資源合理使用、優(yōu)化配置、科學管理，是廣電有線電視網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化后面臨的重要問題。

[1] 城市有線廣播電視網(wǎng)絡(luò)設(shè)計規(guī)范：GY 5075—2005[S].北京：國家廣播電影電視總局，2005.

[2] 孫麗.廣播電視頻率干擾原因分析及應(yīng)對措施[J].數(shù)字通信世界，2008(11)：64-66.

[3] 陳旭彬. 我國無線電頻率劃分現(xiàn)狀研究[J].數(shù)字通信世界，2015(9)：13-18.

Spectrum resource and optimization analysis of broadcast and TV cable network

LI Tingtinga,SUN Lilib，ZHAO Minga，ZHU Liyuea

(a.AcademyofBroadcastingScience;b.AcademyofBroadcastingPlanning，SARFT，Beijing100866，China)

Firstly, the frequency planning schemes of analog audio broadcasting, analog TV, digital audio broadcasting, high standard definition TV, two-way interaction and broadband data services are analyzed after the network is changed by the radio and television operator. Secondly, the development directions of transmission network, user access, video coding decoding key technologies and business bearing are introduced. Finally, the suggestion of the radio and television network frequency division after digitalization is given.

full digital; frequency division; spectrum resource

李婷婷，孫黎麗，趙明，等.廣播電視有線網(wǎng)絡(luò)頻譜資源及優(yōu)化分析[J]. 電視技術(shù)，2017,41(2)：61-64. LI T T,SUN L L，ZHAO M，et al.Spectrum resource and optimization analysis of broadcast and TV cable network [J]. Video engineering，2017,41(2)：61-64.

TN949

B

10.16280/j.videoe.2017.02.013

2016-06-27

李婷婷(1987— )，女，學士，工程師，主要從事有線電視網(wǎng)絡(luò)、有線無線融合覆蓋、無線覆蓋網(wǎng)絡(luò)、智能家庭物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)方向的研究和技術(shù)服務(wù)工作。

責任編輯：薛 京