基于4G網絡傳輸的馬拉松直播

楊 光，楊慕松，宋斌洋

(大連廣播電視臺 技術制作中心，遼寧 大連 116022)

基于4G網絡傳輸的馬拉松直播

楊 光，楊慕松，宋斌洋

(大連廣播電視臺 技術制作中心，遼寧 大連 116022)

由于馬拉松賽道復雜，傳統轉播設備拍攝及傳輸存在著諸多難度。4G，也稱為第四代通信技術，它是3G以后的又一次無線通信技術演進。介紹了2014大連國際馬拉松直播中首次使用4G移動傳輸的應用案例，以及馬拉松賽道4G網絡情況，探討4G網絡移動傳輸存在問題,分析了問題產生的原因和解決辦法。

4G網絡；LTE；OFDM；MIMO

大連國際馬拉松賽是被國際路跑協會、中國田徑協會路跑委員會列入國際標準的馬拉松賽事之一 。從 1987 年第 1 屆大連萬人國際馬拉松賽至2014年已連續成功舉辦了26屆，是國內歷史最悠久的馬拉松賽事之一。

國際馬拉松賽事直播是電視轉播最具挑戰、難度最大的一項任務，由于馬拉松賽道長、周邊環境復雜、干擾源不確定、要在移動中拍攝比賽傳輸信號，因此馬拉松轉播中對轉播設備和技術團隊提出了很大的挑戰。與往屆不同，本屆馬拉松賽是大連廣播電視臺首次利用自己的設備，自己的人員進行這次轉播；在全國馬拉松首次使用4G移動傳輸；首次采用高清制作，高標清同步直播；首次在馬拉松直播中應用虛擬植入技術。直播環節有起終點主持人連線、運動員采訪、頒獎儀式、演播室嘉賓解說等方式，將馬拉松比賽精彩畫面，多視角、全方位地呈現在電視熒屏。

1 轉播方案的確定

1.1 賽事路線

如圖1所示，馬拉松冠軍賽的起、終點均在大連經濟技術開發區金石灘黃金海岸的南湖街。全程路線單程繞帶(景觀綠化帶)環路(金石路、遼河西路)往返一周；全程轉折點在東北四街的日本電產(大連)有限公司樓前南綠化帶；半程馬拉松路線在全程路線上，折返點在大連高金數控集團10.548 75 m的綠化帶轉折。

1.2 轉播方案

轉播方案確定是以轉播環境和設備為依據的。其他城市轉播馬拉松賽事時，主要的設備是依靠無線微波和動中通相結合的方式。大連臺轉播馬拉松主要設備依靠動中通，由于衛星通信是一個開放的通信系統，因此通信鏈路易受外部條件影響。影響廣播電視衛星傳輸的因素很多，諸如通信信號、大氣環境、 天氣、周邊環境等，因此只依靠動中通來轉播馬拉松賽事幾乎不可能。實際測試結果顯示整個賽道共有斷點40余處，其中3處斷點中斷時間很長，為了保證賽事無間斷播出，使用了動中通，也在在全程布置了7個單機點通過光纜傳輸到演播室，但由于光纜架設和實際設備投入情況，能夠解決斷點信號還是比較有限的，因此僅僅依賴上面兩種傳輸方式還不能完成整個賽事的直播。必須有一個更好的辦法來解決，因此筆者就想到能否利用4G網絡傳輸來解決斷點問題。

圖1 2014大連國際馬拉松賽路線圖(截圖)

1.3 賽前測試

比賽前期筆者做了大量的協調和4G測試工作， 4G傳輸經過反復綜合測試，確定整個賽道的視音頻信號傳輸質量和斷點情況，最終形成的測試結果與4G移動運營商共同探討解決馬拉松全程4G傳輸存在的問題。具體測試結果見表1。

根據移動運營商4G網絡最終調試情況以及馬拉松賽事轉播節目流程，最終確定轉播技術方案為：動中通負責男子組，4G根據信號實際測試結果負責男子前半程及女子組比賽。具體轉播流程如圖2所示。

2 4G移動通信技術

隨著廣播電視高清電視業務的發展，傳統電視媒體與網絡媒體、通信業務合作越來越密切，技術和應用層面上是全方位互補與融合，全媒體概念也由此提出。近幾年隨著電信行業無線4G網絡技術的日臻完善，4G技術越來越普遍地應用在各類大型直播活動、新聞連線及大型互動節目中。這也是目前電視轉播中一種全新的跨平臺應用方式。

4G是第四代移動通信技術的簡稱，是能夠傳輸高質量視頻圖像以及圖像傳輸質量與高清晰度電視不相上下的技術產品。如表2所示，4G系統理論能夠以100 Mbit/s的速度下載，上傳的速度也能達到20 Mbit/s，其網絡速度可達3G網絡速度的十幾倍到幾十倍[1]。

LTE(Long Term Evolution)采用OFDM(正交頻分復用技術)和MIMO(多入多出技術)作為其無線網絡演進的主要技術方式。實現在20 MHz頻譜帶寬下提供下行326 Mbit/s與上行86 Mbit/s的峰值速率。

無線演進必然是一步步向4G的要求靠攏的，這種演進并不是階段性的，更多的是一個持續的過程，而且是一系列相似或相關聯的系統并行演進過程[2]。4G時代中LTE網絡占有主導地位，所以通常把二者結合在一起，稱為4G LTE。

LTE根據其具體實現細節、采用技術手段和研發組織的差別，形成了許多分支，最主要的兩大分支是LTE-TDD(TD-LTE)和LTE-FDD(FD-LTE)。其中，TD和FD分別代表時分雙工和頻分雙工。其中TD-LTE正式被中國確定為4G標準。

表1 2014大連國際馬拉松賽道4G信號接收情況表

圖2 2014大連國際馬拉松轉播流程圖

3G/4GCDMA2000TD-SCDMAWCDMATD-LTE下行單用戶峰值速率/(Mbit·s-1)3.11.6814.460上行單用戶峰值速率/(Mbit·s-1)1.80.555.7520

3 大連國際馬拉松中4G網絡與終端配置

在大連國際馬拉松路線區域，中國移動的TD-LTE網絡架設使用基站型號是華為DBS3900，射頻拉遠單元RRU采用的是8通道的RRU3257。站點的配置是最常見的每個站點3個小區，每個小區1面8T8R天線(8發8收)的配置。對于多入多出技術的使用，基站使用了2T2R(2發2收)，而終端采用1T2R(1發2收)。帶寬方面中國移動采用的是20M帶寬，馬拉松賽道沿線基站頻段為D頻段：2 575～2 595 MHz。時隙和特殊時隙配比為SA2/SSP7，如表3[3]和表4[4]所示，根據3GPP協議，下行業務和上行業務時隙比為3∶1，特殊時隙配置為10∶2∶2。

表3 特殊子幀配置

特殊子幀配置下行普通循環前綴下行擴展循環前綴DwPTSUpPTS上行普通循環前綴上行擴展循環前綴DwPTSUpPTS上行普通循環前綴上行擴展循環前綴06592·Ts119760·Ts221952·Ts324144·Ts426336·Ts2192×Ts2560×Ts7680·Ts20480·Ts23040·Ts25600·Ts7680·Ts2192×Ts2560×Ts56592·Ts619760·Ts721952·Ts824144·Ts4384×Ts5120×Ts20480·Ts23040·Ts4384·Ts5120·Ts——————

表4 上下行子幀配置

上下行配置下行上行轉換周期/ms子幀數012345678905DSUUUDSUUU15DSUUDDSUUD25DSUDDDSUDD310DSUUUDDDDD410DSUUDDDDDD510DSUDDDDDDD65DSUUUDSUUD

表4中：D表示上行子幀；U表示下行子幀；S為特殊子幀。

由此下行峰值速率為

Throughput_dl=S×NPRB×NSF/TF

(1)

其中：Throughput_dl表示下行峰值速率；S是空間復用的層數，它與收發天線數目有關；NPRB是每個傳輸時間間隔(TTI)里下行最大傳輸比特數，根據3GPP 36.213 7.1.7章節中的表7.1.7.2-1傳輸塊大小計算表，此例中為75 376；NSF是每幀里下行子幀的個數；TF為一幀的時間長度。

對于NSF下行子幀的個數，由上下行時隙和特殊時隙配置可知

NSF=NNSF+2×NDLSSF/NSSF

(2)

在每幀里，NNSF是常規下行子幀的數目；NDLSSF是下行特殊子幀DwPTS的數目；NSSF是全部特殊子幀的數目。

根據大連國際馬拉松4G傳輸的配置，由式(1)～(2)可得

Throughput_dl= 2×75 376×(6+2×10/14)/(10×10-

3)=112 Mbit/s

類似地，上行傳輸峰值速率為

Throughput_ul=NTB×NUSF/TF

(3)

其中：Throughput_ul表示上行峰值速率；NTB為上行每傳輸時間間隔(TTI)里傳輸塊最大比特數；NUSF為每幀里上行子幀個數；TF為一幀的時間長度。

如表5所示[5]，上行傳輸中，LTE協議對終端類型及其單位時間內發送傳輸快的能力做了規定。

表5 終端類型與上行物理層參數設定

終端類型UL-SCH信道中每TTI傳輸塊最大比特數上行是否支持64QAMCategory15160NoCategory225456NoCategory351024NoCategory451024NoCategory575376Yes

目前常用的是CAT3和CAT4類終端，由式(3)計算出上行理論峰值

Throughput_ul=51 024×2/(10×10-3) = 10.2 Mbit/s

所以如果終端為CAT4類終端，大連國際馬拉松賽道沿線4G移動通信網絡下行理論峰值速率為112 Mbit/s，上行理論峰值速率為10.2 Mbit/s。但實際應用過程中會有多種因素影響速率，使之無法達到峰值。

4 4G直播上行設備及系統

4.1 4G直播上行設備

4G上行設備選擇的是法國AVIWEST DMNG PRO180-RA 視頻直播上行鏈路系統，其特點是有10 路蜂窩連接(8 個帶內置高效率定制天線陣列的3G/4G-LTE 內置調制解調器，和用于附加USB 調制解調器的2個USB 接口)，1路WiFi 連接(內置WiFi 調制解調器)，DMNG PRO180-RA 前面板上有8個MCX 天線連接器，可在上面插入2個AVIWEST QUAD 寬頻帶外接蜂窩天線陣列，在苛刻的環境，比如在擁擠地區(路演、體育場館)或從移動車輛上進行直播時，可增強信號的傳輸。上行設備采用H.264 視頻解碼器，比特率100 kbit/s～10 Mbit/s。這個設備能將高清晰度視頻直播流傳輸給接收機，延遲短，可實現不間斷直播采訪。設備外觀如圖3所示。

圖3 4G直播上行設備

4.2 寬頻移動天線

圖4 寬頻移動天線

AVIWEST QUAD 寬頻移動天線陣適合苛刻條件下的超強3G/4G 信號復原，用于視頻直播傳輸。如圖4所示，QUAD 綜合了4 種高效專利寬頻天線，運行范圍為600 MHz～3 GHz，覆蓋3G 和4G 網絡在全球范圍內所使用的所有頻段。這4 種天線具有半全向輻射模式和高增益，覆蓋連續上行和下行通信所使用的所有頻段。可顯著改善視頻直播傳輸性能，適用于直播自行車賽事或馬拉松賽事等。

4.3 DMNG 演播室

DMNG 演播室(圖5)是DMNG 系統接收機服務器，可管理遠程發射機機群，并可通過與遠程媒體記者互動及選擇發布直播流，創建動態交互式直播節目。

圖5 DMNG演播室界面(截圖)

該應用程序的主要功能有：

1) 接收傳入流和推送文件；

2)對視頻流進行解碼；

3)錄制視頻文件；

4)播放視頻文件。

該服務器可管理一個流媒體服務器用于網絡應用， 還可安裝一個單獨的流媒體服務器平臺，以支持大量同步連接。

4.4 系統構成

如圖6所示，系統構成主要有攝像機、4G上行單元PRO180-RA、寬頻移動天線陣QUAD、4G無線網絡、演播室接收機服務器、演播室系統。

圖6 4G直播上行系統構成

5 實際應用中存在的問題及解決方案

4G傳輸是利用第三方運營商(聯通、電信、移動)網絡進行傳輸，因此傳輸效果受到了第三方網絡的制約。馬拉松是在移動過程中利用4G網絡傳輸視音頻信號，這就比定點拍攝傳輸難度大很多，這必然對4G網絡提出更高的要求。由于筆者使用的上行設備編碼方式是H.264/AVC Main/High Profile，這次應用中發現在4G網絡速率達到6 Mbit/s以上時，信號非常流暢，畫面清晰。當速率達到8 Mbit/s時主觀評測，雜波基本不可見。

在這次直播中，主要出現以下常見問題：

1)圖像質量逐步變差，最終中斷。

2)圖像流暢，但畫面質量比較低。

3)視音頻不流暢出現閃斷或卡頓現象。

4)視音頻質量非常好，突然出現閃斷或卡頓。

5)現場鏡頭畫面變化很大或鏡頭搖移太快時，接收到的視頻信號有拖尾現象。

6)4G網絡自動切換到3G網絡。

影響轉播中4G信號傳輸的因素主要包括：

1)網絡與終端配置

馬拉松4G高清視頻傳輸對上行速率要求較高，下行速率對轉播質量影響較小，因此需要在網絡和終端配置上最大限度地保證上行速率，例如基站上下行時隙配比由1∶3變為2∶2可以增加上行子幀的數量從而提高上行速率。除了無線接入端基站的配置變化，核心網中服務質量QoS的提高也可以為電視轉播提供差異化的服務，從而比一般用戶擁有更高的服務優先級，最大程度地保證帶寬和接入。

類似的諸多方法均可提高轉播傳輸質量，但同時考慮到實際網絡情況和4G其他網絡用戶需求，網絡配置和參數設定的轉播保障需要與運營商進行較好的溝通合作與協商。

2)網絡覆蓋

網絡覆蓋無論是對4G通信，還是對2G、3G的網絡通信質量均起到關鍵的作用。大連國際馬拉松賽道沿線基站發射功率40 W，大致覆蓋范圍小于700 m。在單程約21 km的賽道上，沿途相關基站為二十余個，地理位置分布如圖7所示。

圖7 2014大連國際馬拉松賽道沿線中國移動4G基站分布圖

可以看到在部分區域網絡覆蓋不足，可考慮工程補點來增加基站數目，保證信號覆蓋。對于附近存在基站但信號覆蓋不足的問題，可與網絡優化人員合作，采取調整基站發射功率或天線傾角方向角等手段提高網絡傳輸質量。

3)切換

終端從一個基站信號覆蓋小區向相鄰基站信號覆蓋小區移動時，會發生切換過程，這是移動通信中最基本的過程和應用。目前國內3G、4G信號電視轉播多為定點使用，機位基本保持固定或在小范圍移動，此種情況下幾乎可以忽略切換問題。但對于馬拉松賽事，終端需要以一定的速度移動幾十公里，切換過程的成功率與數據速率保證就顯得尤為重要。網絡覆蓋，信令丟失，乒乓切換，小區重選滯后或者過于頻繁，接入困難等許多現象均可造成切換失敗，以至于視頻信號中斷。這些情況依然需要網絡優化工作來改善。此外，4G網絡可以通過相關接口自動建立臨區關系，改變切換相關參數，完成很多網絡自優化的過程和配置，從而比之前的通信網絡大大提高了網絡優化的效率和質量。

4)終端信號由4G切回3G

LTE技術規范中要求網絡和終端可以實現跨無線接入技術(RAT)切換，即4G LTE與3G乃至2G網絡之間的切換。這是對移動性的必要要求，可以保證終端在4G信號盲區或者信號微弱的區域正常的通信業務。在大連國際馬拉松中出現了終端信號由4G切回3G的情況，它對傳輸質量有較大的影響，有時4G網絡依然可以保證傳輸質量，但終端會自動切回3G，這是轉播過程中希望避免的現象。改善這種狀況主要的手段有調整網絡覆蓋；優化網絡和終端參數，例如切換和測量門限等。但是調整網絡參數可能會對其他用戶造成影響，所以多采用終端調整來進行優化。還有一種方式是使用4G的 MIFI設備，在MIFI設備通過軟件設置，限制4G網絡切回到3G。

5)其他傳輸因素

接入失敗，信令丟失，站間信號干擾以及掉話等問題也嚴重影響轉播安全和質量。如前所述，這些問題都屬于網絡優化的范疇，需要與相關部門和人員配合，改善整個網絡的傳輸質量。

出現上述情況的原因很多，主要原因是傳輸過程中，受到傳輸速率限制或網絡狀況有較大波動引起的。比如現場周圍人員密集，同時使用網絡的人員較多，造成網絡擁擠、堵塞等，一般這種情況短時間內，就能恢復正常。如果長時間不能恢復正常，可以通過調整編、解碼器的參數來改善圖像傳輸質量。

6 結束語

4G網絡技術的快速發展，對廣播電視行業來說是一次革命性的進步，移動傳輸設備、轉播車、演播室等系統構建都會產生極大的變革。通過這次馬拉松賽事直播，筆者在4G傳輸上進行了大膽的嘗試，4G傳輸與衛星、微波及光纜相比有其獨特的優勢：

1)4G設備使用和調試簡便，上行設備體積小，攜帶非常方便，傳輸完全依靠三大運營商的網絡，不用再單獨搭建基站和天線。只要是4G網絡條件好，可不受場地條件的限制，快速調試好傳輸通道，極適合各類突發事件及無法使用傳統傳輸方式的場合。

2)4G系統搭建簡單，演播室只需要接收服務器，這減少了轉播前期設備投入和搭建的強度，從而減少了技術人員的配置，使轉播整體預算大大降低。

總之，4G網絡傳輸技術作為一項前沿技術，在實際使用中有獨特的優勢，也有諸多問題，隨著4G技術的發展，這些問題都將會被解決。

[1] 劉曉嵐.貴州廣播電視臺3G技術在新聞直播中的應用[J].現代電視技術，2013(10)：98-100.

[2] 趙訓威，林輝，張明，等. 3GPP長期演進(LTE)系統架構與技術規范[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[3] 3GPP TS 36.211 V9.1.0 Physical channels and modulation. Table 4.2-1： Configuration of special subframe (lengths of DwPTS/GP/UpPTS)[S].2010.

[4] 3GPP TS 36.211 V9.1.0 Physical channels and modulation. table 4.2-2： uplink-downlink configurations[S].2010.

[5] 3GPP TS 36.306 V8.2.0 UE radio access capabilities. Table 4.1-2： uplink physical layer parameter values set by the field ue-Category[S].2008.

Marathon Live Based on 4G Network

YANG Guang, YANG Musong, SONG Binyang

(DLTVProgramProductionCenter,LiaoningDalian116022,China)

Due to the complexity of Marathon track, there are many challenges for photographing and signal transmission by utilizing traditional TV broadcasting instruments. The 4G, short for the 4thgeneration of telecommunication is the evolution of 3G wireless communication technology. The technology of 4G mobile transmission has been applied to Dalian International Marathon live transmission for the first time in 2014. The 4G network of the whole Marathon track is illustrated, the problems of 4G mobile transmission are discussed, and also the reasons are analyzed and the solutions for the problems are put forward.

4G network; LTE; OFDM; MIMO

TN948

B

10.16280/j.videoe.2015.24.020

2015-07-01

楊 光(1969— )，高級工程師，主要從事節目剪輯、后期包裝、片頭動畫制作、非編網絡設計、演播室轉播車節目錄制及系統設計等工作。

責任編輯：閆雯雯