基于地面广播的手机电视

基于地面广播的手机电视Terrestrial Mobile TV2007-04-12 作者:严斌峰, 张智江摘要:手机电视业务可以利用蜂窝移动网络和地面/卫星数字广播来实现，其相关技术有4种：基于移动网实现技术、基于地面数字广播网实现技术、基于卫星实现技术和基于应用层实现技术。DVB-H和T-DMB是2种典型的地面数字广播电视标准，前者是DVB组织为通过地面数字广播网络向手持终端提供多媒体业务所制订的传输标准，后者是韩国推出的基于欧洲厂商开发的尤里卡147数字音频广播(Eureka-147 DAB)的地面数字多媒体广播标准。目前开展手机电视业务面临着标准、频率资源、管制和终端等方面的问题，其运营模式存在移动运营商单独运营、广电单独运营和两者合作运营模式3种。手机电视是广电和通信产业融合的重要尝试，主管部门的协调和技术标准的制订将直接影响未来三网融合的进程。关键字:手机电视；手持数字视频广播；地面-数字多媒体广播电视；运营模式英文摘要:Mobile TV services could be implemented through cellular communication networks and terrestrial/satellite digital broadcasting networks. There are four related technologies that are respectively based on the mobile network, terrestrial digital broadcasting network, satellite, and application layer. Digital Video Broadcasting-Handheld (DVB-H) and Terrestrial-Digital Multimedia Broadcasting (T-DMB) are two typical terrestrial digital TV broadcasting standards. The former is designed by the DVB Project Office for providing multimedia services to handheld terminals through terrestrial digital broadcasting networks. Korea launched T-DMB based on the Eureka-147 Digital Audio Broadcasting (DAB). Nowadays, the development of mobile TV service faces several problems about standards, frequency resources, regulation and terminals. The operation modes of mobile TV could be operation by the mobile operator only, by the broadcasting and TV operator only, or by the two together. Mobile TV is an important attempt of the integration of these two industries. The coordination of the offices in charge and the establishment of technology standards will directly affect the progress of the network integration in the future.英文关键字:mobile TV; DVB-T; T-DMB; operation mode 手机电视业务是指移动终端用户在具有操作系统和视频功能的智能移动终端上以频道或信道的形式接收广播形式的数字音视频内容的业务。 手机电视业务的实现方式主要有两种：第一种是利用蜂窝移动网络，中国移动和中国联通已推出此种手机电视业务；第二种是利用地面或卫星数字广播，装有数字电视接收模块的手机直接接收数字电视信号，这是目前最被看好的实现方式。 手机电视业务作为一种新兴的多媒体业务引起了业界的广泛关注，目前国际上对这项业务的研究十分热烈，与之相关的技术已有10余种，概括起来可以分为以下4种类型： 基于移动网实现技术：此类技术是通过改进的移动通信网向用户提供下行广播信道，使用移动通信系统所在频段。典型技术包括多媒体广播和组播业务(MBMS)、广播和组播业务(BCMCS)等。 基于地面数字广播网实现技术：此类实现技术主要针对地面数字广播电视，使用广播电视频段。有些在地面数字广播电视技术的基础上改进成为手机电视技术，例如DVB-H、MediaFLO等；而另一些目前还只是针对地面数字广播电视系统，包括韩国T-DMB、日本的ISDB-T、清华DMB-T和上海交大的ADTB-T等。 基于卫星实现技术：这一类技术主要通过卫星提供下行传输，典型技术包括欧洲的S-DMB和日本、韩国的S-DMB等。 基于应用层实现技术：以开放移动联盟广播业务组OMA BCAST为代表，主要从应用层来定义手机电视业务的实现。 本文介绍DVB-H和韩国T-DMB两种典型的地面数字广播电视技术，并讨论开展手机电视业务面临的主要问题。1 DVB-H标准1.1 DVB-H网络架构 DVB-H主要是利用数字地面网络进行手机电视内容的下行，利用移动蜂窝网络进行点播、用户授权，计费，客服以及互动回传，其网络架构(如图1所示)包括数字地面网络和移动蜂窝网络。1.2 DVB-H关键技术 DVB系列标准最早由DVB项目组在20世纪90年代初提出，数字电视地面广播DVB-T是在20世纪90年代中期开发的，并在1997年2月获得欧洲电信标准协会(ETSI)的认可，成为欧洲数字电视地面广播的标准。目前全球已有59个国家和地区采用DVB-T标准，除了欧洲国家外，还有澳大利亚、新西兰、巴西、新加坡等国。从整体应用情况来看，DVB-T技术已经非常成熟。 DVB-H基于DVB-T，完全后向兼容，并能和MPEG-2业务共享DVB-T复用器，其技术规范工作主要由DVB项目组实施。DVB-H标准已经在2004年经ETSI批准成为欧洲的移动电视标准，目前在全球20多个地方已经建立DVB-H网络，并已开展商业运营测试。使用DVB-H技术可以向移动手持设备(包括手机)同时传送多个电视频道、无线频道和视频频道。DVB-H通过时间分片来降低接收设备的功率消耗，通过增加小区标识来支持信号的快速扫描和频率切换，并提高了移动环境中接收信号的强度，能实现对室内、室外、步行和移动等多种环境的支持。 相对DVB-T而言，DVB-H增加了以下技术： (1)引入时间分片，降低功耗 为了降低接收端的功率消耗，DVB-H采用突发的方式发送数据：即一种业务在一个时间段(如200 ms)内，单独占用系统的全部带宽来传送数据，接着传送下一种业务，在所有业务发送完后(如4 s以后)，再重新传送第一种业务。接收机只需要在指定的时间段里接收信号，其他时间则可以关闭。每一个时间段上的数据传输速率很高，因此每一个时间段的持续时间可很短，接收端大部分时间可处于睡眠或关闭状态，这样可以降低接收端的耗电量，最大可节省90%的功率消耗。 (2)引入4K模式，在提高对移动性能支持的同时实现较大的覆盖 4K模式下载波数量为3 409个，每个子载波的调制方式有QPSK、16QAM、64QAM 3种。 (3)引入多重协定封装-前向纠错(MPE-FEC)，为基于IP的业务提供服务，增强抗干扰能力 MPE-FEC技术在IP数据包中增加了RS纠错编码。MPE-FEC帧被安排在一个255列的矩阵中，行数可以从1变化到一个定值，最大为1 024，因此最大的MPE-FEC帧占用2兆比特。DVB-H标准具有以下优点： 降低终端耗电：基于IP数据包，接收器一般只在整个传送时间中打开10%。 无缝切换：使用一个接收器就能完成，保证服务的连续性。 提高了对移动和便携接收的支持：MPE-FEC增强了弱信号的接收，增加了抗干扰能力，支持移动性高速数据传送。 高容量：在8兆带宽内可传送多于4050个电视频道。高灵活性：在中到大的单频网内通过单个天线的移动接收，可以实现很多灵活的容量选择和蜂窝尺寸。 与DVB-T系统的兼容性：DVB-H基于与DVB-T相同的物理层，可以使用同样的调制器和同样的发射器。 DVB-H标准的技术应用解决方案主要是IP数据广播(IPDC)，通过移动网络完成对用户的鉴权。此外，手机电视业务的计费、帐单处理、客户服务、客户管理，以及视频点播、下载、网页浏览等业务，也通过移动网络来实现。IPDC解决方案也提供标准的简单网络管理协议(SNMP)网管接口，可以和运营商现有的网管系统实现互联。 IPDC实现对用户鉴权的过程是：移动终端用户以短信息的形式向IPDC核心应用系统发送收看节目的请求，核心应用系统接收到请求后对用户进行鉴权；鉴权通过后，核心应用系统就会向移动终端发送版权对象(OMA DRM RO)；移动终端收到OMA DRM RO后，就可以打开相应的安全关联文件，并通过文件中的密钥对加密视频进行解密，收看视频内容。 IPDC方案利用移动运营商现有的计费系统来实现对手机电视业务的计费。在IPDC核心应用系统生成收费记录(CDR)，并传送给计费系统，计费系统根据CDR完成计费和收费。 IPDC方案中提供专用于对IP封装器(IPE)的配置和监控的管理系统。运营商也可以使用已有的网络管理系统，对来自IPDC核心应用系统以及IPE的告警进行集中监控，故障管理接口基于标准的SNMP接口。2 韩国T-DMB标准2.1 T-DMB网络架构 T-DMB网络架构如图2所示。 基于欧洲厂商开发的尤里卡147数字音频广播(Eureka-147 DAB)系统的基础上的T-DMB数字无线电广播传送结构如图3所示。 T-DMB的传送帧由同步信道(SC)、快速信息信道(FIC)、主业务信道(MSC)3个信道构成如图4所示。 FIC由快速信息块(FIB)构成，其主要功能是传送解释MSC配置所必要的控制信息，该控制信息的核心部分是复用器配置信息(MCI)，上述复用器配置信息包含复用器结构信息以及所需要的复用器重配信息。包含于FIC之内的其他信息表示业务信息(SI)、条件接入(CA)管理信息、以及快速信息数据信道(FIDC)。为了允许快速及安全地响应MCI，FIC不进行时间交错以及采用高级别的防止发送错误保护地发送。 MSC由一序列的公共交错帧(CIF)构成，每个CIF为一个55 296比特的数据字段，在每24 ms之内进行传送。CIF的最小可寻址单位是容量单元(CU)，其大小为64比特。整数个CU分组来构成MSC的基本传送单位，此处称作子信道。MSC据此构成子信道的复用。 MSC的业务定义了两种不同传送模式：流模式和分组模式。流模式在指定的子信道内按照固定比特率传送；分组模式是在单一子信道内传送几个数据业务，其每个子信道能够传送一个或多个业务成分。 T-DMB基于Eureka-147 DAB，增加了通过流模式数据信道来传输视频、音频及数据业务的能力，相关内容可以参照ETSI EN 300 401标准。 T-DMB通过流模式数据信道来传输视频、音频及数据业务时添加了视频复用器，其结构如图5所示。 图5中相关功能模块如下所述： 初始对象描述器(IOD)生成器以ISO/IEC 14496-1为标准生成IOD。 对象描述器(OD)/场景描述二进制格式(BIFS)生成器以ISO/IEC 14496-1为标准生成OD/BIFS流。 AVC视频符号编码器会把输入的视频信号进行符号化，并遵循标准H.264/AVC。 BSAC音频编码器会把输入的音频信号进行符号化，并遵循ISO/IEC 14496-3比特片算术编码(BSAC)标准要求。 同步层(SL)数据包化器会从输入的各种多媒体流中生成同步SL数据包，并遵循ISO/IEC14496-1系统标准。 节(Section)生成器会生成包含IOD/OD/BIFS的节，并遵循ISO/IEC 13818-1标准。 分组基本流(PES)数据包化器会把输入的SL数据包PES数据包化，并遵循ISO/IEC 13818-1标准。 传输流(TS)复用器会把输入的节及PES数据包复用成MPEG-2 TS。 复用的MPEG-2 TS的数据流经由外编码器RS(204，188)添加错误保护信息。通过外编码器RS(204，188)添加错误保护的数据流在卷积交织器中交织成为视频服务流。2.2 T-DMB关键技术 T-DMB采用如下的关键技术：正交频分复用(OFDM)调制、频率/时间交织、卷积编码、RS编码、卷积交织、单频网络等。 (1)OFDM调制 OFDM技术是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用1个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。T-DMB所采用的OFDM调制的主要参数见表1。 (2)频率/时间交织 交织是在时间/频率域重新安置数据以便抵抗信号衰落和传输错误。T-DMB采用了时间及频率交织器，并且对不同的发送模式设计了不同的参数，此外，时间交织适用于各卷积编码器的输出端，其适用于MSC的子信道信号，但并不适用于FIC，可参见ETSI EN 300 401标准。 (3)卷积编码 信道编码基于打孔卷积编码，允许根据比特错误的敏感特性实施均等和非均等的保护，可参见ETSI EN 300 401标准。 卷积编码参数根据所传输的业务形式、净比特率以及错误保护级别而不同，错误保护方法包括非均等错误保护(UEP)和均等错误保护(EEP)。UEP在根本上是为了音频而设计，但是也适用于数据，EEP既适用于数据也适用于音频。 对卷积码的4个符号向量的生成多项式的8进制形式为133、171、145、133，图6表示了卷积编码器结构。 (4)RS编码器 RS外编码器的规格遵循ETSI EN 300 744标准所述的由RS(255,239,t =8)衍生的缩短RS(204,188,t =8)编码器。 (5)卷积交织 卷积交织规格遵循ETSI EN 300 744标准中的卷积交织规格。图7是卷积交织的示意图，该卷积交织是基于Forney方式，交织深度为12。 (6)单频网络 单频网络是由多个不同地点的处于同步状态的无线电发射台，在同一时间、以同一频率发射同一信号，以实现对一定服务区的可靠覆盖。 单频网的第一个优点就是有利于频率规划，可以大大节约宝贵的频率资源，提高频谱利用率。第二点是由于无线电信号本身的特性，在高楼林立的城市中，无论单个数字电视发射站点的发射功率多大都会有很多信号覆盖不到的区域，这些覆盖不到的区域被称作覆盖盲区或盲点，单频网可通过多点同频发射的办法来解决覆盖盲区问题，获得较好的覆盖率。第三点是单频网技术还可降低发射机设备的成本；通过优化和调整单频网发射网络(基站数量、分布、发射天线高度、发射功率等)，可以使用多个较小功率发射机代替一个大功率发射机，以降低信号辐射、减少电磁波污染、增强覆盖均匀度，也可以根据需要随时改变覆盖意图。 T-DMB采用单频网络技术来对服务区实施有效可靠的覆盖。3 开展手机电视业务的可行性分析3.1 面临的问题 目前开展手机电视业务面临以下问题： 标准问题：中国正在制订自己的数字电视地面传输标准，在数字电视地面传输标准之后很可能会推出相应的移动电视标准； 频率资源问题：模拟电视完全关闭后，空余出的数百兆频率资源(VHF、UHF)将有效缓解现有的频率紧张。但在过渡期间，模拟与数字广播并存将会使原已紧张的频率资源更加缺乏；管制问题：各国在广播和通信领域一般都有不同的要求，也由不同的政府部门来管理，并对相应领域的企业有着严格的限制； 终端不成熟问题：终端需要解决网络传输速率低、电池寿命短、小型化等问题。3.2 运营模式 手机电视业务的运营模式可以有多种，按照中国的情况可能存在以下3种运营模式：移动运营商单独运营、广电单独运营和两者合作运营模式。以下针对这3种模式进行简单分析： 移动运营商单独运营：移动运营商投资建设移动数字广播电视网络，但是可能会占用现有模拟电视的部分频段，这需要得到广电总局的批准，其难度较大。另外要获得广播电视业务的运营许可也会比较困难。 广电单独运营：受国家政策的影响，广电运营商在运营手机电视业务方面具备先天优势，广电系统可以构建面向移动设备的数字广播网络，向移动用户提供手机电视业务，能够进行广播内容的制作、采编和频道的集成等；但由于目前广电网络只能够提供下行通道，不能进行用户认证和计费支撑、无法提供节目定制和互动等个性化服务。 合作运营：广电运营商作为手机电视业务的下行网络