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4G技术及其在电视领域的应用 徐忠强【摘要】TD-LTE是我国主导的新一代移动通信技术，4G（第四代移动通信技术）是继第三代以后的又一次无线通信技术演进，是集3G与WLAN于一体，并能够传输 高质量视频图像，它的图像传输质量与高清晰度电视不相 上下。4G系统在20MHz频谱带宽下能够以100Mbps的速度 下载，比目前的拨号上网快2000倍，上传的速度也能达到50Mbps，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求， 由于其具有传输速率高、时延短、频谱效率高等特点，使广 播电视借用“现代通信”手段实现高清电视信号的实时无线 传输提供了新的手段。已被国际电信联盟确定为4G国际标准。本文首先分析了其采用的关键技术，对其在国内外的应用进行介绍，并着重 介绍了国内数个试点城市在电视领域的应用，最后总结了 其在电视直播方面的优势。由于其具有传输速率高、成本 低、时延短、频谱效率高等特点，为电视直播提供了全新 的传输手段。【关键词】4G、TD-LTE、无线传输、电视直播一、引言二、4G 关键技术当今电视媒体面临着多重的挑战，除了要应对同类媒体其他电视节目的收视竞争，还要与互联网等新兴媒体抢 占受众，客观环境和内在需求迫使电视媒体急需提升节目 质量，吸引更多观众。在这样的背景下，引入各种新技术 手段来丰富电视内容，提高电视媒体的反应速度，是较为 有效的方法。3G（第三代移动通信技术）是无线通信与互联网等 多媒体通信结合的新一代移动通信系统，基于3G技术的电 视直播系统近年来在电视新闻报道中发挥了一定的作用， 给新闻节目的直播模式、直播领域和传播理念都带来了创 新。但在实际使用中也出现了一些问题，如：图像质量受 传输速率（带宽）限制；网络状况不佳会出现马赛克现 象，尤其镜头变化太大时，接收的信号质量严重下降，甚 至无法使用；此外，视音频信号延时过长，出现抖动或丢 帧，影响播出效果。ITU已将LTE-Advanced (Long Term Evolution-Advanced，长期演进-增强型)确定为4G的国际标准之一。 LTE-Advanced得到国际主要通信运营企业和制造企业的广 泛支持。法国电信、德国电信、美国AT&T、日本NTT、韩 国KT、中国移动、爱立信、诺基亚、华为、中兴等明确表 态支持LTE-Advanced。LTE-Advanced包括FDD-LTE和 TD-LTE两种技术标准。日本、美国、欧洲等国家和地区的 运营商都宣布将采用TD-LTE技术建设4G商用网络。TD-LTE是我国主导的新一代移动通信技术，是具有自 主知识产权的3G（第三代移动通信）国际标准TDSCDMA 的“后续演进技术”，其技术不断成熟，国际战略同盟不断 形成和壮大。2010年10月，TD-LTE被国际电信联盟确定为4G国际标准之一，其采用了如下核心技术： 正交频分多路复用（Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing：OFDM）：与传统的频分复用（FDM）相比，其基本思想就是将频域划分为多个子载波，这样可以把 高速的数据流分解成N个并行的低速数据流，在N个子载波 上同时进行传输。 由于子载波之间的正交性，允许子信道 的频谱相互重叠，可以最大限度的利用频谱资源； 另外， 每个子载波占据相对较窄的信道带宽，从频谱来看可以基本 看作平坦衰弱信道，这样就具备系统大带宽的抗衰落和子载 波小带宽的简单信道均衡的双重优点；可以通过动态子信道 分配的方法，充分利用信噪比较高的子信道，克服频率选择 性衰落。多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output： MIMO）：MIMO在4G技术标准中被广泛采用，有时被称作 空间分集，因为它使用多空间通道传送和接收数据。MIMO 允许多个天线同时发送和接收多个空间流，并能够区分发往 或来自不同空间方位的信号，利用MIMO信道成倍地提高无 线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱 利用率可以成倍地提高，并增加无线系统的覆盖范围；此 外，MIMO在发送端或接收端采用多天线可以显著克服信道 的衰落，降低误码率，提高信道的可靠性。与 I M S 结 合 ， Q o S 有 保 障 。 I P 多 媒 体 系 统 ( I P Multimedia Subsystem：IMS)是一种全新的多媒体业务形 式，它能够满足现在的终端客户更新颖、更多样化多媒体 业务的需求。IMS解决方案相对于软交换的解决方案有着非 常多的优势。IMS不仅可以实现最初的VoIP业务，更重要的 是IMS将更有效地对网络资源、用户资源及应用资源进行管 理，提高网络的智能，使用户可以跨越各种网络并使用多种 终端，感受融合的通信体验。基于IP的核心网，全IP化的网络，与互联网无缝融合。 采用扁平化网络，降低网络管理开销，并降低网络延时。商用站点。2.国内2010年12月28日，工信部批复在上海、杭州、南京、广州、深圳、厦门6个城市开展国家重大专项TD-LTE项目， 进行TD-LTE大规模网络实验，这是TD-LTE网络正式商用 前的重要阶段。根据工信部、中国移动集团公司的计划， TD-LTE项目在2011年6月底完成具备TD-LTE规模技术试验 条件的网络建设任务，9月底完成一阶段项目，同步启动二 阶段建设工作。今年又将原有的6个TD-LTE技术试验城市扩 大到9个，新增青岛、天津、北京，到2012年底将建设超过2万个TD-LTE基站，部分试验城市（深圳、杭州等）的TD- LTE网络将实现商用。与此同时，还将进行原有3G网络TD- SCDMA基站的平滑升级，使2013年全国TD-LTE基站规模 超过20万个。四、国内4G应用简介1.上海世博会全球首个TD-LTE演示网2010年中国移动在上海世博会园区建设了全球首个TD-LTE实验网，室外覆盖全园5.28平方公里、共建15个宏 基站，约45个小区，室内共覆盖9个场馆，约20个小区。上 海文广在世博园多次测试和试用基于4G的电视直播系统， 期间设备和网络进行了持续的优化和改进工作，8月30日使 用该系统在信息通信馆进行了直播活动，较为成功。上海世 博TD-LTE演示网采用2.3G频段，20MHz带宽实现下行峰值 速率75Mbps，上行25Mbps，下行平均速率40Mbps，上行15Mbps。室外覆盖17个站点，包括世博村、主题馆、园二 站等；室内覆盖1轴：世博轴； 4馆：中国馆+演艺中心+主 题馆+世博中心，提供丰富多彩的TD-LTE业务，包括即拍 即传、安保、视频监控、网真、视频会议、移动监控等。2.广州亚运会TD-LTE演示网作为首批试点城市之一，中国移动在广州建设了200个室外站、20个室内点，主要覆盖珠江新城和科学城区域。在 目前网络配置下，TD-LTE的下行峰值可达到70Mbps，上 行可达9Mbps。经过世博会的实际使用和技术改进，设备品 质得到有效提升，2010年亚运会举办时设备已经可以满足 正式直播的要求，成为国内最大的TD-LTE演示网，室内外 共30个站点（室外19个、室内11个）主要覆盖场馆：海心 沙广场（开闭幕式主会场）、亚运城、奥体中心、天河体育 中心、亚运企业馆（TD-LTE主展示区）。 亚运期间，广东 移动与广东电视台签订了亚运会期间合作传输协议，为新闻 部和体育部提供设备和技术支持，应用于火炬接力、 新闻 连线直播 、赛事报道等。3.深圳大运动TD-LTE典型业务体验2011年8月，第26届世界大学生夏季运动会期间，深圳也面向全球展示了TD-LTE的典型业务和体验，深圳移动 通信分公司建立了“高清电视中心系统”，将现场即摄即传三、4G应用概述1.国外2009年2月美国第一大移动运营商Verizon宣布投资170亿美元建设LTE网络，并于2010正式商用，目前LTE的下载 速度最高可以达到150Mbps。截至2011-07-20 ，公司已 在28个新市场推出商用LTE网络，从而使其LTE网络总数扩 大到102个。Verizon表示目前已经有一半美国人可以使用 LTE，预计2013年底在全美覆盖4G网络。2009年5月7日，日本总务省发放了4个LTE牌照。 日本几大移动运营商NTT Docomo、软银移动、KDDI和 e-Mobile公司都获得了LTE牌照。2009年底，芬兰颁发了用于开展LTE业务的2.6GHz频 段无线频谱牌照，并已在赫尔辛基和海门林纳开通4G/LTE 试验网，为之后的商用做好准备。2010年5月25日，爱立信 和瑞典运营商TeliaSonera在斯德哥尔摩启动了全球首个LTE电视剧场天线布置信号使用LTE网络传输到中心，进而分配发送到深圳广电集团电视总控机房等7个视频系统，为高清电视的采访信号传 输，做了新的尝试。系统应用于大运会的各项现场连线，如 火炬传递、开幕式、赛事报道等。2012年5月17日即世界电 信日时，深圳启动TD-LTE试商用，其覆盖面积已达37.58平 方公里，覆盖深圳市中心区，城市主干道和人流密集场所均 有较强信号。TD-LTE网络今年将覆盖深圳主要城区、各行 政区人口密集区域，年底前TD-LTE基站将从现有的220个 大幅增至3000个，在各试点城市中最多。4.杭州快速公交体验和电视直播2012年3月30日，浙江移动在杭州B1快速公交线路开通4G体验；6月5日，又在杭州启动了“4G全城”体验。10 月13日, 中国移动在杭州尝试开放4G网络用于电视直播，浙 江电视台经济生活频道被中国移动选为合作伙伴。这是国 内首次使用民用4G网络线路传输的电视直播，双方共同合 作，成功在杭州的民用4G网络上实现清晰流畅电视直播。 此前，在世博会、大运会期间，中国移动也曾布署4G网络 用于通信及视频传输，但均为临时建设的TD-LTE专网，未 被广泛使用。此次电视直播主要基于杭州4G公网。目前， 中国移动在杭州已完成主城区200平方公里的4G网络覆盖， 拟新建1500个宏站和近1000个室内分布基站，预计在年 底完成全城覆盖。现在杭州4G网络的网速经测试能够达到80Mbps以上。按照这个速度，下载一部40G容量的蓝光3D 影片只需2小时，而一般的家庭4M宽带则需一天，4G网络 的带宽完全可支持多路视频直播。5.南京机场高速规模测试2011年3月15日，根据工信部文件，中国移动批复南京TD-LTE规模试商用网一阶段工程可研报告，明确在南京新 建TD-LTE基站220个（其中宏蜂窝基站200个、室内覆盖基 站 20个）；新建总容量为2万用户的核心网设备。 目前， 从南京禄口机场上超过30公里的TD-LTE网络覆盖，是现 有规模试验中唯一一个高速公路测试场景，从今年5月17日 起，机场大巴乘客们无论是哪家移动运营商的用户，只要手 机或其它移动终端支持WiFi功能，可以不限流量、无需认证 地享受全程免费的TD-LTE高速上网体验。在南京的规模试 验中，进行了系统间互操作测试，实现了融合组网。即拍即 传以及大唐移动的“飞享”等多种新业务也都在南京的机场 大巴上进行了体验。6.江苏广电总台4G专用网络测试在4G网络尚未完全商用的情景下，北京星光公司利用4G通信核心技术，开发了广播电视 LTE 无线专用网络，即 在没有LTE环境的情况下，利用LTE技术，按照传输需求设 计与搭建LTE无线覆盖网络环境，实现即摄即传。其工作频 点/传输带宽/系统模式（固定式，游牧式，移动式），均可 选操作。2012年9月，总台技术部门联合北京星光公司在奥 体中心和总台电视剧场进行了综合测试与实传案例，取得了 成功，总台计划在年底的跨年演唱会直播中进行使用。下图是天线的布置照片：奥体中心天线布置下图是实测视频画面：奥体中心传输画面（6Mbps）电视剧场传输画面（6Mbps）下表是测试的相关数据：此外，该系统采用新一代的互联网流媒体技术解决方地点奥体中心电视台天线数量42功率设定3dbM3dbM基站中心位置体育场南入口剧场一层看台剧场三层看台数据卡-1速率6Mbps6Mbps4Mbps数据卡-2速率6Mbps6Mbps8Mbps移动范围到对面体育场 出口外环路 以外电视剧场及 环廊主2楼 过道电视剧场及 环廊主2楼 过道图像质量好静帧/ 离线好静帧 / 离线好静帧/ 离线案，在传输的同时，其多分辨率-可实现包括电视/STB、电脑、MP4播放器、iPad/iPhone和智能手机等的实时监审， 其多码率-可在150Kbps-8Mbps带宽范围内自适应，可适 用于Internet、3G通信网络、IPTV、WiFi、局域网等多网络 环境，这使得各级领导与相关人员，在各种环境下实施节目 传输直播管理。自行车赛）、以及突发事件直播等；也可以与专业摄像器材（ENG摄像机）或消费类摄像器材（DV）直接对接，体积 小，延时低，画质较高，可应用于展会、家庭聚会、视频监 控等。总之，运用我国主导的下第四代移动通信技术TD- LTE，充分发挥其现代通信技术优势，可解决高清电视多年 以来难以解决的“现场信源无线传输”难题，使广播电视借 用“现代通信”手段实现高清电视信号的实时无线传输，并 突显出对于传统无线传输模式的优势，开辟了全新的解决方 案，在电视领域是一项很有价值的应用。五、4G电视直播系统的优越性图像质量高：4G系统能够以100Mbps的速度下载，上传的速度也能达到50Mbps，可以达到广播级的视频图像质量； 成本低廉：一辆卫星转播车的造价高达千万元，其中 卫星传输设备大约为百万元。TD-LTE远低于卫星和微波信 道的使用费，初期固定设备投入低，信道租赁费与卫星可竞 争，无需专用的卫星转播车。仅此一项就可节约大量成本开 支，且使用费用也将不断下降。以下是卫星车和TD-LTE设备的简单比较：卫星车TD-LTE设