傳統廣播與移動寬帶融合網絡的4種方案解析

李遠東

（DVBCN，上海 201100）

目前，媒體傳輸的融合已經發生于業務及應用層面（以歐洲 HbbTV、歐洲 Youview、日本 Hybridcast、韓國OHTV等為代表）。長期以來，廣播網絡與移動通信網絡各自有著專有、獨立的網絡架構。出于實際考慮，亟需打造一種創新型的可以在無線/射頻域融合廣播與移動通信的無線接入架構。這種新型無線接入架構在傳輸層實現網絡融合，可以根據線性與非線性廣播內容的相應模式（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絡的研究。各個國際學術會議都在著重探討[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屆寬帶多媒體系統及廣播國際研討會（IEEE BMSB 2014）。

相關的融合解決方案將主要包括以下6個需求：1）在室內/室外移動等應用場景中，地面數字電視廣播向智能手機、平板電腦等多種移動智能終端擴展；2）為地面數字電視廣播增加交互功能、提供部分非線性內容所需的下行鏈路/帶寬；3）及時而靈活地滿足人們日益變化的媒體與信息消費習慣；4）具有很高的服務質量與可接入性，力爭獲得最大的社會效益；5）充分利用470～790 MHz頻段的優良傳播特性，具有高的頻譜效率；6）融合網絡的部署成本要低。

目前，國際上出現的廣播與移動通信網絡融合架構解決方案共有4種，以下分別介紹并進行簡要分析。

1 基于UHF頻段的4G電視廣播及其研究現狀

這是針對未來電視傳輸而主要由電信陣營提出，正在快速發展的一種全新的解決方案[4-5]。該方案的設想是：1）傳統的地面數字電視廣播最終將會被運行于470～790 MHz頻段、基于IP的4G電視廣播所代替；2）未來的廣播接收機的形態將是內置LTE-A/B（LTE-Advanced/Byond，高級/后LTE）接收模塊的包括電視機頂盒、智能電視機等產品形態在內的各種視聽終端。

該方案中所涉及到的主要技術是增強型多媒體廣播多播服務（evolved Multimedia Broadcast Multicast Ser?vice，簡稱eMBMS）及其單頻網SFN（下文統一稱為eMBMS）。事實上，據筆者一直以來的觀察，eMBMS與傳統經典廣播的競爭在2014年已經開始加速。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/組播能力在傳輸實時與非實時多媒體內容方面相較于傳統的單播具有很大的優勢，其利用新一代無線網絡架構“天然”的廣播品質，將相同的內容一次性地同時傳輸給很多個終端用戶，從而具有更高的頻譜效率、更低的比特成本。

而且，對于是否要啟用eMBMS（當網絡內無廣播/組播服務需求時就不啟用），還可以實時、動態、自動地進行配置，這就保證了無需為eMBMS單獨配置網絡資源，而是與4G LTE的其他單播型業務（如移動數據業務）靈活共享，在部署了eMBMS的4G LTE網絡里面，載波等資源可以被靈活地分配給廣播或單播業務所用。

一些移動通信運營商和移動網絡芯片商、設備制造商等認為，由于具有先進的蜂窩傳輸技術，加之采用eMBMS，相較于現有地面數字電視廣播，4G電視廣播可以以更少的頻譜達到與之相當的內容傳輸質量，因此，在實際部署中與一些特定應用方面，可以節省頻譜資源。

該方案的相關網絡架構如圖1所示。目前國際上4G電視廣播的相關研究與商用主要考慮了兩種應用模式：一是在由多個移動通信基站所組成的單頻網SFN中，廣播所有的電視節目；二是對一些很受歡迎的電視節目采用廣播模式進行分發，而對其他電視節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地場測，其結論是：最新的eMBMS技術在節約頻譜方面擁有巨大潛力，若使用eMBMS來廣播所有電視節目，則僅需84 MHz寬度的頻譜（而現在已部署的ATSC地面數字電視廣播系統則占用了300 MHz寬度的頻譜）。

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

瑞典皇家技術學院相關研究人員在2014年4月所發表的研究結論是：根據在大斯德哥爾摩地區的實際場測，目前看來，在城市地區，4G電視廣播相比于現有地面數字電視廣播系統具有大幅節約頻譜資源的潛力，而在偏遠地區則雖然也節省頻譜但節省得很少，城郊結合部的頻譜節省量則介于上述兩類地區之間。在不遠的將來，4G電視廣播能有效地滿足人們日益變化的電視業務消費的需求。

總之，4G電視廣播與傳統經典的地面數字電視廣播哪種方式在未來會更好，目前還沒有到下定結論的階段。接下來的相關研究尚需包括面向各種應用場景與用戶需求的4G電視廣播的性能、系統的最佳設計、以衛星電視傳輸作為補充覆蓋的考量（需要相關技術的進步發展）。

2 疊加型網絡及其研究現狀

與上文所述第一種方案相比，該方案為LTE/LTE-A/LTE-B與傳統的地面數字電視網絡的協同打造了一種新的合作模式，旨在節省頻譜而且減小成本（比如可以通過多個移動通信運營商共享資源等方式減小網絡部署成本）[6]。

該方案提出了如圖2所示的地面數字電視廣播（以DVB-T2為例）與移動寬帶相融合的疊加型網絡架構。

該架構中，視頻內容既可以通過高功率發射的高塔網絡傳輸，也可以通過低功率發射的低塔網絡傳輸——由部署于前端的智能決策引擎事先根據用戶的需求、行為、內容類型（線性還是非線性、“冷”還是“熱”等）決定。對于需要通過高功率發射的高塔網絡傳輸的內容，先將其封裝為eMBMS幀，再將其封裝到DVB-T2的未來擴展幀（Future Extension Fframes，FEF），然后與DVB-T2的幀在同一個復用器里進行復用，最后通過同一個高功率塔廣播出去。而在終端側，DVB-T2只是對解復用以后的DVB-T2視頻內容進行解碼，而4G終端只是檢測并解碼由FEFs所承載的內容。對于需要通過低功率發射的低塔網絡傳輸的內容，則直接通過移動運營商的4G基站傳輸。

智能決策引擎還能為廣播傳輸與移動寬帶實時、動態地分配470～790 MHz頻段內的頻譜。

但這種模式目前也存在一些待解決的挑戰性問題：1）由于要使用DVB-T2的單頻物理網絡來承載LTE eMBMS，因此需要eMBMS設計更大的保護間隔；2）如何讓4G終端發現、檢測到FEF幀并進行后續處理；3）僅限于DVB-T2，而不適用于采用其他標準的地面數字電視網絡，因為只有DVB-T2才定義了FEF。所以如何在采用其他標準的地面數字電視網絡中應用這種疊加型架構，需要進一步研究。

總之，這種解決方案如果要引起移動運營商及移動通信設備商等的興趣及關注，尚需進一步研究可行性、應用場景、商業模式等。

3 共用廣播系統及其研究現狀

共用廣播系統旨在探索對現有的地面數字電視網絡系統（如DVB/DVB-T2）與LTE eMBMS廣播系統進行修改，單獨打造一個共用的廣播系統標準，以達到高效地融合地面數字電視網絡與4G電視廣播網絡，并解決如何最高效地傳輸分發內容的目的[7]。

該方案的架構如圖3所示，其中，大橢圓部分是利用高塔高功率地廣播符合經過一定修訂的LTE eMBMS規范的eMBMS信號，小橢圓部分則是利用低塔低功率地輻射需要單播的移動數據等內容（仍沿用現有的4G，4.5G標準）。

這就為DVB，FOBTV等廣播電視標準組織提供了機遇，比如可以將相關的研究文檔/建議草案提交輸出給3GPP（第三代移動通信合作伙伴計劃）等移動通信國際標準組織，將其作為下一代LTE標準版本，或者將這種可以長期演進的共用廣播融合型系統提議納入相關標準組織的5G研發里面。

后續的相關研究將可包括：1）高塔高功率傳輸LTE eMBMS廣播信號需要部署大規模的單頻網，這就需要eMBMS的修訂版本能夠支持更長的循環前綴；2）基于實際需求的廣播與單播的轉換策略（相當于智能引擎）；3）相關eMBMS載波的設計；4）eMBMS的多層多入多出技術（Mutiple Input Mutiple Output，MIMO）傳輸；5）組播/廣播單頻網（Multicast Broadcast Single Frequency Net?work，MBSFN）物理層PHY的測試報告；6）地面數字電視廣播與移動寬帶協作使用地面頻譜的方式。

4 NGB-W

下一代地面數字電視相關需求是單向大容量、適應媒體發展需求的高性價比雙向服務、一定要能適應新媒體發展的需求。技術需求方面，支持多種組網模式、達到與4G相當的頻譜效率、有利于業務的快速部署與用戶群的快速形成、可管可控可信。

NGB-W[8-13]的總體架構如圖4所示，可通過大數據分析、智能引擎來充分利用廣播網與移動互聯網的優勢互補（比如廣播大塔與交互小塔的協同等），前端主要是智能引擎（用于有機協調單向廣播與雙向網絡）、傳輸網絡是高功率發射與低功率發射相結合、接收端可用WLAN組網，單向雙向設備均覆蓋。NGB-W的核心是智能引擎，融合電視廣播與各種新媒體應用，大塔小塔協同補充覆蓋，具有廣泛的應用場景（列車、民航、固定全業務型、室內增補型、信息“加油站”等），可以快速部署業務，而且系統可管可控安全，可建立起高效、靈活、安全的下一代信息網絡。同時NGB-W也綜合考慮長期技術演進和泛在網演進的可能性。

據悉，國內已有一些小型試驗網，中播也準備先將其NGB-W相關業務推進到美國市場進而拓展至全球其他地區。

5 總結

隨著HDTV、UHDTV、下一代3DTV等的出現，電視廣播服務在不斷地朝著清晰度更高、用戶體驗更好的方向演進。在可預見的未來，直播將仍是人們收看電視的主流方式，而時移、點播等的需求也會越來越大。這就促使了廣播與寬帶在業務層面的融合。而由于地面廣播與移動寬帶在網絡等方面各自都有“天生”劣勢，兩類網絡的優勢互補就成為發展的趨勢，本文就介紹了國際上相關的4種方案。總的說來，以LTE技術為主的大塔高功率解決方案在頻譜效率方面要弱于傳統經典電視廣播（如DVB）的大塔高功率覆蓋。廣播大塔結合眾多低功率LTE小塔的融合組網開始成為主流的發展趨勢。

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[1]李遠東.下一代媒體網絡：任重道遠[EB/OL].[2014-06-26].http://www.dvbcn.com/2014/06/26-111902.html.

[2]《電視技術》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]深圳清華大學研究生院.我院數字電視系統重點實驗室主任宋健教授主持IEEE 2014第9屆寬帶多媒體系統及廣播國際研討會[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.

[7]JURETZEK D F.Point-to-multipoint overlay fur LTE-advanced[EB/OL].[2014-06-30].http://cga107.beuth-hochschule.de/ifa2012/.

[8]王聯.中國下一代廣播電視無線網業務需求和系統架構[R].煙臺：出版者不詳，2014.

[9]王效杰.中國廣播電視數字化技術政策解讀[R].北京：出版者不詳，2013.

[10]杜百川.廣電技術發展趨勢[R].上海:出版者不詳，2014.

[11]夏平建.未來媒體網絡內容互動[R].煙臺:出版者不詳，2014.

[12]丁湧.廣播運營新思維[R].煙臺:出版者不詳，2014.

[13]韋君.拓移動多媒體，中播有“錢”景[N].文匯報，2014-06-03（B4）.