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时间-频率切片技术在下一代地面数字电视广播网络中的应用展望

201633日,EBU(欧洲广播电视联盟)发布了第035号技术报告“An Introduction To Time-Frequency Slicing[1],对TFSTime-Frequency Slicing,时间-频率切片)这种可应用于下一代地面数字电视广播网络的新技术进行了深入介绍。本文综合编译介绍其中涉及到TFS技术原理、发展现状与商用部署展望、组网展望(虚拟复用器及物理层管道技术)的部分。

 

1TFS技术简介

 

TFS是一种最新的电视广播技术,并已由全球四大广播电视网络技术标准机构之一的DVB进行了标准化。

 

TFS技术的核心理念在于将多个物理频道(在DVB体系中,每个电视频道的物理带宽为8 MHz。而且这些物理频道不一定是相邻的。TFS技术即可应用于多频网,又可应用于单频网)捆绑成单个频道,以进一步部署频率分集技术与统计复用池,从而增大地面数字电视广播系统的容量及网络传输的健壮性,并可提高VBR(码率可变)业务的提供效率。

 

TFS技术的基本原理如图1所示(其中绑定了3个非相邻的物理频道)。其中,电视内容被分切成时间长度不等的信息块,然后被源源不断的传输出去。图1中,3个物理频道内均分别给出了6种不同颜色与时间长度的信息块,代表同时传输6种不同的业务。

 

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1  TFS技术原理(以基于3个非相邻RF信道的TFS汇聚与6种业务传输为例)[1]

 

2TFS技术的发展现状与商用部署展望

 

1TFS在现有及未来地面数字电视广播中标准化情况及展望

 

虽然第二代地面数字电视广播标准DVB-T2已经纳入了TFS技术,但仅将其作为一个可选项,而且,如果DVB-T2接收机要支持TFS功能就必须内置两个调谐器,从而,绝大多数的DVB-T2接收机就不是必须要支持TFS功能,而且也没有相关的规划。另外,硬件上的限制也使得已经出售给消费者的DVB-T2接收机无法通过升级来具备TFS功能——除非进行设备替换。综上,地面数字电视网络运营商也不可能在DVB-T2网络中部署TFS技术的。

 

另一方面,业界也在对TFS技术进行改进,使其易于实际部署。例如,DVB-NGH(标准编号为ET 295 SI EN 303 105)就能完全支持单调谐器的TFS技术(可适应各种网络技术配置,包括MIMO)。但是,DVB-NGH中的TFS也受到一些限制,需要进一步改进。

 

传统上,当新一代地面数字电视广播技术成熟后,运营商都是采取务实的方法进行(研制更高级的接收机)商用部署,以提供多项增强型服务,并防止电视用户流失。例如,开始有越来越多新上市的DVB-T2机顶盒采取更高效的MPEG-4解码技术。

 

TFS技术要得到商用部署也可以采取同样的方式:可以发布最新一代的DVB地面数字电视广播标准,其中可涵括诸多新兴技术,如HEVC(高效率视频编码)/H.265LDMLayer Division Multiplex,层分复用。又被业界称为云广播技术)、MIMO、性能更高的FEC编码技术、非均匀星座映射等。

 

从而,业界将最有可能通过制定最新一代标准的形式在下一代地面数字电视广播平台中商用部署TFS技术。

 

美国目前正在研发的新一代地面数字电视广播标准ATSC 3.0中,提出了一种信道绑定(channel bonding)技术。其与TFS技术有着相同的理念:同时绑定多个单频道来传输多种业务。但不同之处在于:ATSC 3.0中定义的信道绑定技术可以绑定的单信道的带宽分别有三种制式:6 MHz7 MHz8 MHz,而且只能绑定两个单信道(可以是临频的,也可是非临频的),即绑定带宽分别仅能达到12 MHz14 MHz16 MHz;另外,与TFS技术相反的是,信道绑定技术中,数据是同时从两个RF信道中接收的,从而,就需要在接收机中内置两个完整的射频前端(即调谐器+解调器)。

 

ATSC 3.0信道绑定技术最大优势的发挥,有赖于数字电视复用器吞吐量的加倍,而且无需对传输网络与接收端作出太大的改变。但是,由于该技术仅能绑定两个信道,频率分集效益的发挥就受到限制,从而,两个射频信道间的C/N+I)均值所能提供的增益就较小。

 

2TFS技术部署的时间表展望

 

要实际部署TFS技术,需要替换消费者的地面数字电视广播接收机,而且要让消费者们感受到TFS技术的魅力而自愿购买新的接收机——应能提供更多种类的服务、分辨率更高的电视视频图像(比如4K超高清)、更高质量的电视音频(比如环绕声)、更易于使用(比如接收天线安装与调整方面)。另外,EBU还指出,电视广播商/广播电视台与地面数字电视网络运营商也将从TFS技术的部署中获得很多益处。

 

EBU认为,从务实的角度来看,UHDTV Phase 2(综合采取了4K超高清、超过100 fps的帧频、高动态范围HDRHEVC/H.265编解码)将最有可能成为TFS技术商用部署的最大驱动力(但前提是,未来的地面数字电视广播标准中也正式纳入TFS技术)——尤其是对于4K超高清电视的传输,“TFS+统计复用这一技术组合将具有很大的效益潜力,有望极大推动地面4K超高清电视广播业务的商用进程。

 

但必须要注意的是,要等到TFS技术完全具备商用可行性时才能再部署4K超高清、高动态范围HDRHEVC/H.265,以使技术效益/优势最大化。例如,广播电视业界的预期是,4K Phase 2a(高动态范围)要到2019年才能商用推广。下一代DVB地面数字电视广播标准应在此时间段内(即2016~2019年)研制。

 

此外,广播电视设备制造商们应该重新设计地面数字电视接收机芯片。业界的一些非正式讨论认为,如果要引入TFS技术,将会增大接收机的设计复杂度。但是一旦重新设计成功,芯片的面积大小可无需增大。业界的期望是,其为重新设计接收机而付出的巨大努力能够带来很好的回报——新型接收机能获得大规模生产;集成有TFS技术的电视接收机芯片,在价格/成本上不增加太多。

 

3TFS组网展望:虚拟复用器及物理层管道技术

 

虚拟复用器(virtual multiplex理念将有望为TFS的组网作出重要贡献——尤其是有必要或期望在现网中部署若干具有不同容量及网络覆盖范围的复用器时。而且,出于规制或商业方面的考量,虚拟复用器也将可继续保持独立复用器(distinct multiplexes组网。

 

总体而言,两个或多个复用器将可被用来生成一组TFS信号。然后,通过采取PLPsPhysical Layer Pipes,物理层管道)技术,TFS信号就将会被分切成一个或若干个虚拟复用器,而且每个虚拟复用器都具有整个绑定频宽的工作频带。反之,每个虚拟复用器也可通过PLPs获得不同调制方式的指配,从而就使得地面数字电视广播网络运营商可根据业务覆盖目标对其中的每项具体业务分别进行技术参数配置。

 

从而,每个虚拟复用器就可以把具有相同特性(比如相同的网路覆盖目标)的业务分成一组。于是,独立复用器模式就得到了保持。

 

相关示例如图2所示。其中,每个发射台的TFS信号都包含了若干个射频信道(多频网)或者若干发射台均同频、同时发射相同的TFS信号(单频网)。

 

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6个射频信道分成3TFS信道[1]

 

2中,可以看成是把由6个射频信道绑定成的1TFS信道再划分成3TFS子信道:1个三信道TFS3-TFS)、1个两信道TFS2-TFS)、1个非TFSnon-TFS)。而在其他的应用场景,若有需求,也将可进行六信道TFS6-TFS)组网。此外,每个TFS信道还可通过采取物理层管道技术进行子信道划分,形成若干个(理论上是任意数量)共享可用容量的虚拟复用器。

 

 

参考文献

 

[1] EBU. An Introduction To Time-Frequency Slicing.

https://tech.ebu.ch/docs/techreports/tr035.pdf, 2016-03-03.

 


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