基于DTMB的多屏互動業務技術模式探析

萬 倩，白 鶴，朱佩江，崔競飛，張國庭

（國家新聞出版廣電總局 廣播科學研究院，北京 100866）

基于DTMB的多屏互動業務技術模式探析

萬 倩，白 鶴，朱佩江，崔競飛，張國庭

（國家新聞出版廣電總局 廣播科學研究院，北京 100866）

地面無線廣播技術一直是廣播電視傳輸覆蓋、實施公共服務的主要手段之一。面對智能終端的快速普及，提出了一種基于地面數字電視廣播（DTMB）的多屏互動業務技術模式，能夠充分利用現有寶貴的無線頻率資源，實現視頻業務由面向電視機或接收機單一終端到面向移動智能終端的擴展，實現地面數字電視廣播的跨屏融合應用。

地面數字電視廣播；多屏互動；流媒體

廣播電視網是國家基礎信息網絡的主要組成部分，是傳播黨和國家政策方針的主要輿論宣傳陣地。無線電技術，尤其是地面無線廣播技術一直是廣播電視傳輸覆蓋、實施公共服務的主要手段之一。地面數字電視廣播（DTMB）支持固定、便攜和車載移動接收，雖能實現信號的廣度覆蓋，但受制于技術和環境保護等客觀因素，地面數字電視廣播信號難以實現樓宇內部的深度覆蓋；而且現有接收終端設備集成度較高，通用性不強；同時，地面數字電視廣播的運營模式基本為固定接收和車載接收，缺乏多元化的運營模式。所以探索地面數字電視廣播如何實現信號深度覆蓋，充分利用現有寶貴的頻率資源開展滿足人民群眾更高層次需求的新業務，挖掘新的運營模式勢在必行[1]。

目前隨著智能手機、平板電腦、筆記本電腦等移動智能終端的普及，用戶通過移動智能終端觀看視頻的需求日益增長。從統計數據來看，全球500億支持互聯的消費電子類終端，其中150億具備視頻能力，2015年無線設備所產生的流量將超過有線設備。由此可見，使用無線移動設備觀看電視和視頻的人數逐步上升，視頻業務的多屏時代已經來臨，跨屏提供視頻業務是發展的必然，人們希望能隨時隨地獲得視頻業務，視頻業務無處不在。

本文將探討地面數字電視廣播與無線局域網結合的多屏互動業務技術模式，充分利用現有寶貴的無線頻率資源，實現地面數字電視廣播的跨屏融合應用。

1 基于DTMB的多屏互動業務系統

1.1 概述

作為無線網絡的一種理想技術形態，WiFi在移動性、數據傳輸速率和用戶需求方面具有一定優勢。同時WiFi不僅能分流4G網絡流量，在之后很長時間內因為頻率使用、技術體制、覆蓋成本和終端普及性等方面在最后十米的接入段占據優勢。WiFi與地面數字電視廣播相比，其覆蓋深度好、信號接收門限低，適合做深度覆蓋，由于WiFi模塊是智能手機、平板電腦、筆記本電腦等移動智能終端的標準配置，WiFi通過與地面數字電視廣播結合應用，移動智能終端設備無須安裝地面數字電視廣播接收模塊也能觀看數字電視節目，能極大擴展數字電視應用的范圍。

本文基于普及的移動智能終端，使用DTMB（中國標準《數字電視地面廣播傳輸系統幀結構、信道編碼和調制》GB20600—2006所代表的系統）技術作為視頻內容的中繼傳輸，研究通過DTMB+WiFi無線覆蓋技術，實現視頻業務由面向電視機或接收機單一終端到面向電視機、智能手機、平板電腦、筆記本電腦等多終端的擴展，實現地面數字電視廣播及融合應用的多屏互動業務，擴大DTMB的深度覆蓋，以最簡便的方式滿足老百姓的需求。

1.2 DTMB+WiFi系統架構

地面數字電視廣播網絡有兩種組網方式，多頻網和單頻網。其中，單頻網是網絡中所有發射機工作于相同的頻率，時間同步地發射相同的節目。相比多頻網，單頻網具有節省頻率資源、節省發射功率、改善覆蓋區內接收效果等優勢[2]。所以，本文所述DTMB+WiFi無線覆蓋技術基于單頻網覆蓋方式來進行設計，系統架構如圖1所示，該系統前端與數字電視現有前端兼容。

圖1 DTMB+WiFi系統架構

1.3 業務流程

本系統實現的業務主要為直播業務和推送點播業務。DTMB數字電視前端完成實時節目內容和推送業務內容復用后，輸出一路MPEG-2 TS流，通過單頻網適配器完成復用流中秒幀初始化包（SIP）的插入以及碼率的適配，輸出一路或者多路具有同步信息的傳輸流信號。

傳輸分配網絡負責把具有同步信息的傳輸流透明地從前端傳送到各個發射臺站，便于同步調制發射；傳輸分配網絡可采用光纖、數字微波等傳輸介質，協議可采用PDH、SDH、ATM等傳輸協議。

其中，GPS接收機為DTMB單頻網適配器、DTMB激勵器同步系統提供一個高精度的統一的10 MHz基準頻率、1 pps（1秒鐘1個脈沖）基準時間。

各個發射臺站的發射機以相同的頻率將前端播出機房送來的信號進行信道編碼、同步調制、上變頻、功放后，通過發射天線將已調RF信號變成電磁波發射出去。

用戶端的網關設備將接收到的地面數字電視RF信號，經調諧、A/D變換、解調等工作產生TS流，通過解復用、解擾、解碼直接顯示在電視終端上，或通過流媒體打包封裝后將IP數據流輸出給標準無線路由模塊，移動智能終端通過WiFi無線方式接收并實現直播或推送點播的視頻收看。同時，移動智能終端設備根據不同的操作系統安裝不同的客戶端軟件，并根據屏幕尺寸完成業務內容在終端的適配。

1.4 關鍵系統模塊

對于本技術模式，關鍵系統模塊在于前端系統和用戶端的網關設備，其余系統設備符合相關行業標準要求即可。

1.4.1 前端系統

數字電視前端系統主要包括節目輸入、節目處理、條件接收和用戶管理，本系統主要實現直播業務和推送點播業務，DTMB前端系統如圖2所示。

圖2 DTMB前端系統

對于直播業務，實時節目音視頻信號通過編碼器形成基本碼流ES，把基本碼流分割成段，并加上相應的頭文件打包形成打包的基本碼流PES，并將PES包再分段打成有固定長度188 byte的傳送包TS流。TS流經系統復用加入PSI/SI信息、推送業務信息、其他業務信息、加密信息等形成多路節目TS流[3]。同時，前端能為手機等移動智能終端提供低碼率的視頻業務，增大節目容量，便于智能手機、平板電腦等移動智能終端的接收觀看。

對于推送業務，推送業務前端系統如圖3所示。推送業務前端系統可分為集成管理子系統和推送播控子系統，集成管理子系統實現音視頻內容和圖文內容的集成、播出緩存、分組管理、播出策略管理等功能。推送業務的數據下發分為圖文文件數據廣播推送和音視頻流文件推送兩種方式，其中圖文數據播出采用GB/T 28430—2012中定義的對象輪播方式（OC）封裝推送，音視頻流文件采用音視頻流推送協議進行封裝推送；推送播控子系統接受集成管理子系統的控制，使用OC打包機對圖文內容進行封裝和推送，使用音視頻推流服務器對音視頻流進行封裝和推送。

圖3 推送業務前端系統

在數字電視前端中，根據管理及服務模式，條件接收系統控制復用器中加擾模塊對全部節目或部分節目進行加擾，并通過內容授權接口接收用戶管理系統的用戶授權信息，并將用戶授權信息封裝至TS流中，送入復用器中進行復用。

1.4.2 網關設備

用戶端接收RF信號的網關設備設計如圖4所示。

圖4 網關設備

用戶端的網關設備將接收到的地面數字電視RF信號，經調諧模塊進行下變頻得到頻率較低的中頻信號，完成選臺功能；中頻信號再經過A/D變換，轉換為數字信號，進入DTMB解調芯片進行解調，通過解交織、信道解碼等工作產生TS流。

網關設備在邏輯功能不變的情況下，根據覆蓋場景的不同，可以采用不同性能的硬件配置完成不同區域的覆蓋。對于諸如大學校園或郊區農村等公共覆蓋區域，硬件配置需要分發服務器和AP天線，對于家庭覆蓋區域，網關設備則集成全部協議功能。

對于直播業務，通過解復用、解擾、解碼直接顯示在電視終端上，而對于移動智能終端接收，需要流媒體打包封裝模塊進行進一步處理。根據覆蓋場景的不同，直播有兩種服務方式：一種是通過調諧器將多個碼流同時接收封裝后覆蓋公共區域；一種是將移動智能終端作為遙控器和網關設備進行選臺互動，調諧器根據用戶選臺接收想要的頻道，濾除不要的頻道，覆蓋家庭區域。

對于推送業務，圖文內容通過OC解析下載存儲到內置硬盤，音視頻流文件通過音視頻流推送協議解析下載存儲到內置硬盤，用戶可以通過電視終端瀏覽和觀看推送點播的服務內容，而對于移動智能終端接收，音視頻內容需要流媒體打包封裝模塊進行進一步處理。

流媒體打包封裝模塊對直播或推送點播TS流進行RTSP/RTP、HTTP（HLS、MPEG-DASH）等流媒體協議的轉換。流媒體打包封裝模塊將單向廣播的流媒體數據傳輸方式轉換成終端設備支持的雙向交互的流媒體協議傳輸方式后，將IP數據流輸出給標準無線路由模塊，將相應的數字電視節目分發到各個終端，移動智能終端通過WiFi無線方式接收并實現直播或推送點播的視頻收看。

網關設備通過流服務處理，實現了基于地面數字電視廣播的多屏互動業務，通過WiFi無線發射補點，實現了廣播電視信號的深度覆蓋。

1.5 流媒體打包封裝

1.5.1 流媒體技術

流媒體技術指的是采用流式傳輸方式傳輸媒體數據的技術，它的主要特點是媒體數據能夠邊下載邊播放，大大降低用戶啟動時間和用戶側緩存。

目前主流的流媒體技術包括：傳統的基于RTSP/RTP的實時流媒體技術、基于HTTP的自適應流媒體技術、基于HTTP的漸進式下載技術。3種流媒體技術對比如表1所示。

表1 流媒體技術對比

由于本系統需要支持的業務類型包括直播和點播，而基于HTTP的漸進式下載僅支持點播，并非一個真正的流媒體實時傳送技術，所以以下重點就基于RTSP/RTP的流媒體技術、基于HTTP的自適應流媒體技術進行概述。

1.5.2 基于RTSP/RTP的流媒體技術

1）RTSP/RTP

RTP（Real-time Transport Protocol，實時傳輸協議）是由IETF（Internet Engineering Task Force，因特網工程任務組）于1996年在RFC 1889中公布的針對多媒體數據流的一種傳輸協議，后在RFC 3550中進行了更新。RTP適合應用程序傳輸實時數據，但沒有為實時服務提供資源預留的功能，也不能保證服務質量。RTCP（Real-time Transport Control Protocol，實時傳輸控制協議）提供數據傳輸質量的反饋、流之間的同步和用戶界面等，但不傳輸任何數據。RTP和RTCP配合使用，能以有效的反饋和最小的開銷使傳輸效率最佳化，適合傳送網上的實時數據[4]。

RTSP（Real-time Streaming Protocol，實時流協議）是由Real Networks和Netscape共同提出的，于1998年被IETF正式采納為標準的RFC 2326，該協議建立并控制一個或幾個時間同步的連續流媒體[5]。RTSP是應用層協議，在體系結構上位于RTP和RTCP之上，控制實時數據的傳送，它提供了可擴展框架，使實時數據的受控、點播成為可能。

流媒體播放系統總體架構如圖5所示。使用RTP協議族進行流媒體開發時，一般采用RTP傳輸音視頻數據，用RTCP反饋網絡狀況，用RTSP傳輸交互信息，它們可以實現流媒體數據的實時傳輸與控制。

圖5 流媒體播放系統總體架構

2）MPEG-2 TS的RTP封裝

MPEG-2 TS在RTP協議中的封裝格式如圖6所示。

圖6 MPEG-2TS在RTP協議中的封裝格式

為了避免降低系統效率，在RFC2250中規定，一個RTP包負載必須包含整數個MPEG-2 TS包。由于以太網數據鏈路層協議將MTU限制為1 500 byte，加上RTP包頭、UDP包頭和IP包頭開銷，一個RTP包負載最多封裝7個188 byte長度的MPEG-2 TS包。

1.5.3 基于HTTP的自適應流媒體技術

基于HTTP的自適應流技術就是將同一媒體內容在不同碼率下分別進行編碼，提供不同質量的媒體流；在不同帶寬的條件下，根據需要動態選擇合適碼率的流，以實現流暢的播放效果[6]。現有的基于HTTP的自適應流技術方案包括蘋果公司的HLS（HTTP Live Streaming）、微軟公司的MSS（Mi?crosoft Smooth Streaming）、Adobe公司的HDS（HTTP Dynamic Streaming）、MPEG標準組織發布的MPEG-DASH（Dynamic Adaptive Stream over Http）?；贖TTP的自適應流技術方案對比如表2所示。

表2 基于HTTP的自適應流技術方案對比

1）HLS

HLS（HTTP Live Streaming）是由蘋果公司提出的基于HTTP協議的流媒體實時網絡傳輸協議。HLS流媒體系統由服務器端、分發端和客戶端3部分組成，如圖7所示。

圖7 HLS流媒體系統結構

其基本思想是服務器端將編碼器壓縮編碼后的視音頻媒體內容封裝到MPEG-2 TS流后通過分片器切分成一系列連續的ts媒體段文件（后綴名為.ts）存儲于分發端，并據此生成包含了所有媒體段文件的列表和元數據信息的索引文件（后綴名為.m3u8）；客戶端通過HTTP請求獲取和下載索引文件，按照索引獲取ts媒體段文件實現視音頻的直播或點播。HLS可以通過提供不同碼率數據源的方式支持客戶端對不同網絡狀況和不同下載速率的自適應。

2）MPEG-DASH

MPEG-DASH是由MPEG標準組織于2011年底發布的基于HTTP的自適應流技術規范，是基于3GPP第9版的Adp?tive HTTP streaming（AHS）和Open IPTV Forum第2版的HTTP Adaptive Streaming（HAS）發展起來的。MPEG-DASH是基于HTTP的自適應流解決方案中唯一的一個國際標準，MPEG-DASH系統基本結構如圖8所示。

圖8 MPEG-DASH系統基本結構

MPEG-DASH對從標準HTTP服務器端到客戶端間媒體內容分發和緩存所需的格式進行了定義，主要包括MPD和媒體分片的格式。圖中實線部分為標準定義范圍。該標準不對DASH媒體呈現準備、HTTP緩存做具體定義。

在服務器端，多媒體文件被分成若干個媒體分片，并使用HTTP協議進行傳送。MPEG-DASH采用媒體呈現描述文件（Media Presentation Description，MPD）描述媒體分片的信息，包括時序、URL、媒體特征（如解析度和比特率）等內容。播放時，DASH客戶端根據MPD文件解析得到多媒體內容的信息，通過HTTP下載合適的媒體分片。在節目內容開始傳輸并緩沖時，客戶端繼續從服務器端獲取媒體分片，并檢測網絡帶寬變化，實現不同下載速率的自適應。

2 應用場景

本系統技術模式適合在家庭、咖啡廳、餐館、商業樓宇、體育場、高校等公共場所熱點區域以及有線電視難以通達的遠郊農村地區實施。依據場景實際情況，網關設備可以內部自帶WiFi AP模塊，實現小范圍內的區域覆蓋（不超過半徑50 m），當需要對大區域范圍進行無線網絡覆蓋時，可以通過網線擴展連接獨立的WiFi AP天線設備，實現大范圍區域的覆蓋。由于WiFi系統工作頻段較高，信號反射和繞射損耗較大，同時接收機靈敏度低，因而在進行大范圍區域覆蓋時需要進行WLAN網絡規劃，根據現場勘察的實際情況進行覆蓋方式選擇[7]。

在進行WLAN網絡規劃時，首先根據需求對覆蓋現場進行勘查，獲得現場環境參數、傳輸及點位等資源情況；然后根據室內或室外覆蓋方式的現場環境參數進行鏈路預算，初步確定AP點位及數量；而后進行合理頻率規劃，規避頻率干擾；然后根據用戶需求進行容量規劃，找到容量和干擾整體最優的結合點；最后根據實測進行相應的優化調整，使網絡性能達到最優。

應用場景和相應的覆蓋方式如表3所示。

表3 應用場景和覆蓋方式

3 總結

基于地面數字電視廣播的多屏互動業務技術模式充分利用了單向地面數字電視廣播的頻率資源，結合WiFi無線覆蓋技術實現了直播電視和推送點播業務的無線覆蓋和多屏收看，完成了地面數字電視廣播業務向電視機、智能手機、平板電腦、筆記本PC等多終端的擴展和深度覆蓋，滿足了用戶在不同應用場景、不同終端便利地觀看視頻和獲取信息的需求，借助各屏特點，極大地擴展了數字電視應用的范圍。

[1] 數字電視國家工程實驗室（北京）.地面數字電視發射系統與覆蓋網絡[M].北京：科學出版社，2012：189-204.

[2] GB/T 28433—2012，地面數字電視廣播單頻網技術要求[S].2012.

[3] ISO/IEC 13818-1，Information technology generic coding of mov?ing pictures and associated audio,part 1:systems[S].1996.

[4] RFC3550，RTP:a transport protocol for real-time application [S].2003.

[5]RFC2326，Real time streaming protocol(RTSP)[S].1998.

[6] 廖驥君.淺談HTTP Adaptive Streaming技術及其前景[J].世界寬帶網絡，2011，18（6）：33-38.

[7]高峰，高澤華，文柳，等.無線城市：電信級WiFi網絡建設與運營[M].北京：人民郵電出版社，2012：257-297.

責任編輯：薛 京

Multi-screen Interactive Business Technical Model Analysis Based on DTMB

WAN Qian,BAI He,ZHU Peijiang,CUI Jingfei,ZHANG Guoting
（Academy of Broadcasting Science,SARFT,Beijing 100866,China）

Terrestrial radio technology is one of the main methods of radio and television transmission coverage and the implementation of public service.In the face of the rapid popularization of the intelligent terminal,a kind of multi-screen interactive business technical model based on DTMB is proposed in this paper.It can make full use of existing valuable wireless frequency resource,realize the extension of video service that is from oriented TV or single terminal receiver to mobile intelligent terminal,and realize the cross screen fusion application of digital television terrestrial broadcasting.

DTMB;multi-screen interaction;streaming media

TN949

A

10.16280/j.videoe.2015.08.001

2014-11-06

【本文獻信息】萬倩，白鶴，朱佩江，等.基于DTMB的多屏互動業務技術模式探析[J].電視技術，2015，39（8）.