基于UDP的室內無線接收DVB方案研究

杜 琨，于鴻洋

(電子科技大學電子科學技術研究院，四川成都611731)

近年來，人們日常生活和工作節奏不斷加快，在家庭中觀看電視節目時間也呈現碎片化，渴望在家里不同地方觀看數字電視節目。同時，目前的移動設備(智能手機、PAD等)的性能越來越強，已經能夠滿足實時流暢解碼MPEG-2。基于這些條件，本文提出了一種改進現有機頂盒的方法，通過在機頂盒內搭建UDP服務器和WiFi熱點，在家庭內部將有線電視信號通過無線網絡發送到移動設備上，使家庭用戶能夠在智能移動設備上觀看有線數字電視節目。

本文提出的方案依托傳統有線數字電視網絡，借助智能設備的解碼性能，不用再對TS流數據進行轉碼、轉協議，而且不必依賴于寬帶網絡，具有適用性強、簡單易用的特點。利用UDP協議的無連接特性以及多播特性，采用TS over IP技術能夠快速傳輸，達到低延遲的效果。

1 MPEG-2 TS原理

1．1 TS 生成原理

MPEG-2系統是將音頻、視頻及其他數據的基本流組合成若干個適宜于傳輸或存儲的數據流的規范。MPEG-2在系統層定義了兩種數據結構——節目流(Program Stream，PS)和傳輸流(Transport Stream，TS)。在不容易發生錯誤的環境下，采用PS來保存一個節目的編碼數據。而采用TS來傳輸的目的是為了在有可能出現嚴重錯誤的情況下進行一個或者多個節目的傳輸或存儲［1］。

數字電視視頻數據和數字電視音頻數據分別通過視頻編碼和聲音編碼后，生成視頻基本流(Elementary Stream，ES)和音頻ES。然后，相應的ES分別通過各自的數據包形成器打包成打包基本流(Packed Elementary Stream，PES)包，并且由PES包構成PES。最后，節目復用器和傳輸復用器分別將視頻PES和音頻PES組合成相應的節目流(PS)包和傳輸流(TS)包［2］，如圖1所示。DVB-C系統采用的TS。由于每個TS包具有固定的包長度(188 byte)，因此能夠很容易地識別出TS包的開頭和結尾，一旦發生TS包丟失，也能容易地檢查出哪個包丟失，進而通過一些控制協議恢復同步，因此傳輸流適宜在網絡中遠距離傳輸。每個TS數據包都有一個最小長度為4 byte的包頭，其中有1個13 bit的域，該域包含了TS流的包標識符(PID)，其主要用于區別TS包，便于從復用的TS流中解析出指定的數據，其余的包容量用于有效載荷。

圖1 MPEG-2的2種數據結構形成過程

1．2 TS 解碼原理

在DVB-C流中，使用不同的PID將同一個節目的視頻和音頻信號分別封裝在2個基本流里。同樣地，每個包含業務信息(PSI/SI)的表存放在另一個PID的基本流里。通常，數字接收端使用PSI表(PAT，PMT，NIT和CAT)來解碼信號，而將SI信息(SDT，EIT和TDT)用于顯示節目相關的一些信息。

機頂盒根據用戶選擇節目的PID，從PMT表中尋找對應的音頻、視頻及相關數據信息的對應PID值，然后通過高頻頭接收有線數字電視信號，依據PID值對獲取到的復用TS流進行解復用操作，過濾出用戶選取節目的TS流，然后再通過解碼器，將相應視音頻數據解碼后送到電視機上播放。TS的解碼主要分為2個步驟:首先，從PID為0x0000的TS流包得到PAT表，根據PAT表的語法結構從中找到PMT表。PMT表中包含了各個節目源相關的PID值，接著根據PMT表的語法結構依據節目源的PID檢索到各個ES的PID。然后，機頂盒會根據PMT提供的相關節目的PID值從有線數字電視信號中過濾出相應的節目信息，然后再送到相應的視頻解碼器、音頻解碼器進行解碼。因此，TS是由節目復用和傳輸復用來完成，即在節目復用時，將PMT表信息加入進去，在傳輸復用時，將PAT表信息加入進去。同樣地，在節目解復用時，根據相應語法規則可以獲得PMT表，在傳輸解復用時，也可以獲得PAT表。圖2很好地概述了其思想。

圖2 TS解碼過程

2 UDP與802.11原理分析

2．1 TS over IP 技術

TS over IP技術是一種遵循IP協議基礎上在以太網上傳輸的TS流的技術，其主要功能是實現數字電視傳輸協議的轉換。傳統的TSover IP技術是用于電信運營商提供IPTV服務，通過在前端將TS封裝到IP協議里，然后使用寬帶網絡來傳輸數字電視節目信號的技術。本文使用TS over IP技術，在家庭用戶內部通過家庭網關將有線電視TS流信號接收解碼出來，然后在家庭網關流媒體服務器上將用戶選擇的節目的PES再封裝成UDP包，通過家庭網關上自建的WiFi熱點傳輸到移動終端上，實現了有線數字電視信號在家庭內部的無線收看。UDP協議的主要作用是將網絡數據流壓縮成數據報的形式，使用端口號為不同的應用保留其各自的數據傳輸通道。本文中使用不同的端口號和目的IP地址來向不同的智能設備分發節目流。對于一些著重傳輸性能而不是傳輸完整性的應用，使用UDP協議更加適合，UDP協議可以使用廣播或者組播的方式同時向子網的所有客戶端進程發送消息，當有多個客戶端請求一樣的節目源時，利用這種特性能有效減少服務端負載。UDP協議在本方案中特別適合，不僅具有快速的傳輸速度，而且可以一對多傳輸，對于家庭中多人觀看有良好的效果。

物理網絡層會限制物理層中每次發送數據幀的最大長度，如果大于最大傳輸單元(Maximum Transmission Unit，MTU)則會對其進行分片處理。當一份IP數據報被分片之后，只有到達目的地才會對其進行重新組裝，因此如果在傳輸過程中，即使只丟失一片數據，也會導致整個IP數據包重傳。由于UDP協議并不提供重傳機制，需要對UDP包內TS包數量進行限制，避免因為某個分片丟失而導致整個數據包被丟棄。所以在 UDP封包過程中，最大的TS包數量為Max≤，其中UDP數據域最大為1 472 byte，TS包大小為188 byte，因此最大TS包數量為7個。UDP數據包封裝成一份IP數據報的格式，如圖3所示。

圖3 UDP分片舉例

2．2 802．11 無線信道性能

本文所研究的室內無線發送DVB的方案，在機頂盒上會建立一個WiFi熱點，采用2.4 GHz頻道能夠兼容絕大部分的智能移動設備。在2.4 GHz頻段上的協議主要有 IEEE 802.11b/g/n，它們的一些參數如表1所示。

表1 IEEE 802.11b/g/n的規格參數

由于目前兼容IEEE 802.11n的智能設備還不是很多，因此主要討論IEEE 802.11b、IEEE 802.11g兩種協議。它們的頻率范圍是2.400 0～2.483 5 GHz，具有13個信道，但其中只有3個信道是互不重疊的:1，6，11，如圖4中淺色弧線所示。

圖4 IEEE 802.11b/g頻譜劃分

考慮到普通家庭內的人數為3～5人，同時選擇使用無線網絡收看數字電視的人數應該會在3人以內，所以利用IEEE 802.11b/g的3個互不重疊的信道來傳輸DVB數據是不會引起信道沖突的。因此可以保證無線傳輸的質量。每個信道帶寬為20 MHz，用于傳輸標清格式的DVB-C節目源是沒有壓力的。

3 無線傳輸質量分析

在IEEE 802.11中，無線網絡的速度受到距離遠近的影響，速度范圍為1～54 Mbit/s。電磁波經過空間時會衰減，當智能終端設備遠離機頂盒無線AP時，信號電平就會不斷下滑。Shannon定理描述了傳輸信道性能在理論上的極限，可以分別以分貝或功率比為測量單位。

Shannon定理反映出無限位率(unlimited bit rate)在理論上的實際情況。而無線網絡物理層的設計都是盡可能趨向Shannon 極限的編碼率［3］。

3．1 路徑損耗

因為本底噪聲(noise floor)不變，信號的衰減就會造成信噪比的下降。如果空中沒有障礙物阻隔，無線信號的衰減就可以用式(2)計算。路徑損耗受到距離與無線電磁波頻率的影響。距離越遠或頻率越高，路徑損耗就越大。因此采用2.4 GHz的 IEEE 802.11b/g的傳輸距離比采用5 GHz的IEEE 802.11a的長。開放空間的路徑損耗可以表示為

式中:頻率F以GHz表示，距離d以m為單位。不過，路徑損耗不僅受距離影響，墻面或者窗戶等障礙物也會受影響。在本文研究的2.4 GHz頻率下，路徑損耗為40.1+lg d，而日常室內生活中d的取值一般為(0.1 m，5.0 m)，所以路徑損耗取值范圍為(39.10 dB，40.80 dB)。

3．2 多徑干擾

困擾無線網絡的一個主要問題是多徑衰落(multipath fading)。從發送端至接收端，經過不同路徑的反射，例如墻面、桌椅等反射，無線信號到達接收端時其路程不盡相同，因此彼此之間會有延遲落差。而且波與波之間具有疊加性，當波經過室內多次反射后到達接收端，不同的波的次序不再和發送端一致，因此會造成整個波形的混淆扭曲。在室內情況中，來自不同路徑的波前會互相疊加。由于多徑信道是時變的隨機過程，沒有一致的表現形式，所以它的基本特性只有通過統計方法來描述。設時變多徑信道的沖激響應為h(τ，t)，則時變信道的傳輸函數為

基于廣義平穩不相關散射(Wide Sense Stationary Uncorrelated Scattering)模型，即不同時延τ的多徑信號是不相關的。對于普通的家庭室內環境來說，延遲擴展的數值一般認為在幾十納秒。因此對IEEE 802.11協議采用的DSSS及FHSS調制方式來說，DSSS擴頻系統采用的碼片速率是11 MCode/s，因此其相干間隔應該為s，即約 91 ns，那么DSSS擴頻系統能夠有效抑制所有延遲在91 ns以上的多徑信號。如果要使FHSS調制方式的系統具有抗多徑能力，則要求系統在多徑信號到達之前就能跳變到另一頻率上。例如，對于100 ns的多徑時延，跳頻速率必須大于107Hz。由此可見，屬于慢跳頻的IEEE 802.11的FHSS系統無法有效地對抗多徑干擾［4］。因此，本研究采用IEEE 802.11的DSSS系統來進行實驗，能有效降低信道干擾。

4 系統設計及實驗驗證

本方案設計的家庭網關應該具有3個基本功能:1)接收有線數字電視信號，通過調諧、解擾、解復用、解碼等處理后，獲得某個節目的視音頻信號;2)家庭網關將解碼獲得的視音頻信號傳送到流媒體服務器處，在傳輸視音頻信號之前，先將其封裝在UDP的負載中，再封裝在IP數據包中;3)將封裝后的視音頻數據傳輸到WiFi轉發處，家庭網關根據接收到請求的移動客戶端的IP地址及端口號，利用UDP協議單播的方式，將視音頻數據傳輸到移動客戶端(如移動PC、Pad、智能手機等)。

整體方案的示意圖如圖6所示，家庭用戶通過移動終端接收有線數字電視的步驟為:

1)啟動家庭網關，網關自動開啟Web服務器、WiFi熱點等功能，并加載相應驅動、相關模塊等，完成系統初始化，等待用戶請求節目;

2)移動終端連接到家庭網關的WiFi熱點上，通過訪問服務器獲取節目列表，選擇感興趣的節目，發出節目請求;

圖6 整體方案示意圖

3)家庭網關接收到移動終端的節目請求后，通過HTTP GET獲取該移動終端的IP地址，解析出移動終端請求的節目號并傳送給家庭網關接收解碼模塊;

4)家庭網關接收解碼模塊接收到所需過濾掉的節目號后，通過調諧、解調、解復用等獲取到相應節目的視音頻TS流，再傳送到流媒體服務器上;

5)流媒體服務器接收到對應節目TS流后，將其封裝在UDP包負載內，然后再傳送到WiFi轉發處;

6)WiFi轉發處接收到UDP包后，根據前面解析出的移動端IP地址和端口號，通過UDP單播的方式將移動終端請求的節目傳輸到移動終端上;

7)移動終端打開播放器，接收相應UDP單播數據，通過播放器的解碼功能，將所請求的電視節目對應的視音頻數據解碼出來。

實驗采用網絡分析工具wireshark。將接收設備端口號1234作為UDP協議的目的端口，發送端端口號39398作為UDP協議的源端口。實驗是在一個14 m×12 m的辦公環境進行的，如圖7所示。

圖7 實驗環境平面圖

實驗室內主要有3種障礙物:1.1 m高的桌子Desk1、1.6 m高的桌子Desk2和0.8 m高的椅子Chair若干。M是家庭網關放置的位置，高度為0.7 m，所處房間大小為3 m×4 m。分別在A、B、C這3個地點進行了實驗測試，3個地點的接收設備播放同一個節目，以避免因為節目源的不同影響實驗結果。智能終端的播放效果為A好于B好于C。因為A與機頂盒距離很近，而且中間沒有任何障礙物，智能終端播放效果最好，沒有任何卡頓。C處與機頂盒直接障礙物較多，且經過兩堵墻后，C處WiFi的信號不是很好，所以會有掉幀的現象出現。下面以典型位置B的實驗數據進行分析，如表2所示。

表2 部分抓包結果

通過一些wireshark語法過濾規則，獲取了端口號1234所接收到的所有UDP數據包。從表2可以看出，UDP包內的數據格式都是MPEG TS格式，接收到的數據包中既有音頻TS(圖中信息欄為Audio Layer 2)也有視頻TS和數據信息(圖中信息欄為Program Map Table(PMT))。因此，實驗驗證結果表明移動客戶端可以接收到通過UDP協議轉發的無線信號，并且包結構完整能夠順利解析出來，說明本方案具有可行性。

在表3所得數據為1 min時間內指定端口1234所接收的數據。Captured欄是未經過濾器接收到的數據，Displayed欄是經過過濾器接收到的數據。經過分析，每秒鐘displayed/captured包數比為98.72%，顯示其良好的接收效率，考慮到實際家庭內部的使用環境，這樣的效率是足夠滿足家庭用戶的觀看要求，不會影響觀看體驗。實際接收到UDP包長度均為1 358 byte，符合本文前面所討論的包長度要求。由此可以得出本文實驗條件下所研究的系統具有可靠的性能。

表3 無線數據統計

5 結論

本文研究了一種基于UDP的室內無線接收DVB的方案，分別從MPEG-2 TS原理分析和無線傳輸協議原理分析了方案的可行性與可能遇到的瓶頸問題。通過實驗得到的數據，在接收端能夠接收到完整TS并能順利解析出包頭，傳輸過程中的效率顯示也能夠滿足室內接收數字電視信號，不會因為丟包過多而影響觀看效果。本文所研究的方案可以充分利用UDP無連接特性傳輸速度快和多播特性向一組接收設備傳輸視頻信號，不僅適合家庭使用，對于大型賽事或時事新聞的定向推送也有一定意義。

［1］羅云.基于IP的MPEG-2 TS流傳輸的分析與研究［D］.上海:上海交通大學，2007.

［2］劉志鵬，唐繼勇，白新躍.基于MPEG-2復用算法的MP4視頻復用算法研究［J］.中國有線電視，2006(14):1352-1355.

［3］GAST M.802.11無線網絡權威指南［M］.南京:東南大學出版社，2007.

［4］關健.無線個人區域網ZigBee與WiFi的干擾分析［D］.北京:北京郵電大學，2009.