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下一代媒体网络的4种解决方案解析

供稿人:李远东  供稿时间:2014-8-25   关键字:广播网络  移动宽带网络  下一代媒体网络  4G电视广播  融合型网络  
引言
目前,媒体传输的融合已经发生于业务及应用层面(以欧洲HbbTV、欧洲Youview、日本Hybridcast、韩国OHTV等为代表)。长期以来(直到现在),广播网络与移动通信网络各自有着专有、独立的网络架构。由于各种出于实际考虑的原因,亟需打造一种创新型的可以在无线/射频域融合广播与移动通信的无线接入架构。这种新型无线接入架构在传输层实现网络融合,可以根据线性与非线性广播内容的相应模式(包括广播推送、多播(如IPTV)、单播(如VoD)等)来灵活地使用底层频谱。目前,全球都在开展具有这种理念的融合网络的研究,各个国际学术会议(如2014年6月的FOBTV 2014(2014年全球未来广播电视高峰论坛)、IEEE BMSB 2014(IEEE 2014第9届宽带多媒体系统及广播国际研讨会))都会着重探讨。
 
相关的融合解决方案将主要包括以下6个需求:(1)在室内、(室外)移动等应用场景中,地面数字电视广播向智能手机、平板电脑等多种移动智能终端扩展;(2)为地面数字电视广播增加交互功能、提供部分非线性内容所需的下行链路/带宽;(3)及时而灵活地满足人们日益变化的媒体与信息消费习惯;(4)具有很高的服务质量与可接入性,力争获得最大的社会效益;(5)充分利用470~790MHz频段的优良传播特性,具有高的频谱效率;(6)融合网络的部署成本要低。
 
目前,国际上出现的广播与移动通信网络融合架构解决方案共有4种,以下分别介绍并进行简要分析。
1、基于UHF频段的4G电视广播及其研究现状
这是针对未来电视传输而主要由电信阵营提出和正在快速发展的一种解决方案。该方案是:(1)传统的地面数字电视广播最终将会被运行于470~790MHz频段、基于IP的4G电视广播所代替;(2)未来的广播接收机的形态将是内置LTE-A/B(LTE-Advanced/Byond,高级LTE、后LTE)接收模块的包括电视机顶盒、智能电视机等产品形态在内的各种视听终端。
 
该方案中所涉及到的主要技术是eMBMS(evolved Multimedia Broadcast Multicast Service,增强型多媒体广播多播服务)及其单频网SFN(下文统一称为eMBMS)。事实上,据笔者一直以来的观察,eMBMS与传统经典广播的竞争在2014年已经开始加速。高通与爱立信就曾在2013年向ATSC提交了基于eMBMS的ATSC 3.0物理层PHY的建议书。
 
eMBMS所具有的广播/组播能力在传输实时与非实时多媒体内容方面相较于传统的单播具有很大的优势,其利用新一代无线网络架构“天然”的广播品质,将相同的内容一次性地同时传输给很多个终端用户,从而具有更高的频谱效率、更低的每比特成本。
 
而且,对于是否要启用eMBMS(当网络内无广播/组播服务需求时就不启用),还可以实时、动态、自动地进行配置,这就保证了无需为eMBMS单独配置网络资源,而是与4G LTE的其他单播型业务(如移动数据业务)灵活共享——在部署了eMBMS的4G LTE网络里面,载波等资源可以被灵活地分配给广播或单播业务所用。
 
一些移动通信运营商和移动网络芯片商、设备制造商等认为,由于具有先进的蜂窝传输技术,加之采用eMBMS,相较于现有地面数字电视广播,4G电视广播可以以更少的频谱达到与之相当的内容传输质量,因此,在实际部署中与一些特定应用方面,可以节省频谱资源。
 
该方案的相关网络架构如图1所示。目前国际上4G电视广播的相关研究与商用主要考虑了两种应用模式:一是在由多个移动通信基站所组成的单频网SFN中,广播所有的电视节目;二是对一些很受欢迎的电视节目采用广播模式进行分发,而对其他电视节目则使用单播链路传输。
图1  基于UHF频段4G电视广播的网络架构
 
上述第一种模式曾由Jörg Huschke、Joachim Sachs、Kumar Balachandran等人为美国ATSC与LTE所深入研究过,而且在加利福利亚州的一些城市作了实地场测,其结论是:最新的eMBMS技术在节约频谱方面拥有巨大潜力——若使用eMBMS来广播所有电视节目,则仅需84MHz宽度的频谱(而现在已部署的ATSC地面数字电视广播系统则占用了300MHz宽度的频谱)。
 
不过Jörg Huschke等人所得出的上述结论仅适用于美国,可能并不适用于欧洲和全球其他地区(尤其是部署了诸如DVB-T2、DTMB-A等下一代地面数字电视单频网的地方),欧广联最近的研究结论就证明了这一点。
 
瑞典皇家技术学院相关研究人员在2014年4月所发表的研究结论是:根据在大斯德哥尔摩地区的实际场测,目前看来,在城市地区,4G电视广播相比于现有地面数字电视广播系统具有大幅节约频谱资源的潜力,而在偏远地区则虽然也节省频谱但节省得很少,城郊结合部的频谱节省量则介于上述两类地区之间。在不远的将来,4G电视广播能有效地满足人们日益变化的电视业务消费的需求。
 
总之,4G电视广播与传统经典的地面数字电视广播哪种方式在未来会更好,目前还没有到下定结论的阶段。接下来的相关研究尚需包括面向各种应用场景与用户需求的4G电视广播的性能、系统的最佳设计、以卫星电视传输作为补充覆盖的考量(需要相关技术的进步发展)。
2、叠加型网络及其研究现状
与上文所述第一种方案相比,该方案为LTE/LTE-A/LTE-B与传统的地面数字电视网络的协同打造了一种新的合作模式,旨在节省频谱而且减小成本(比如可以通过多个移动通信运营商共享资源等方式减小网络部署成本)。
 
该方案提出了如图2所示的地面数字电视广播(以DVB-T2为例)与移动宽带相融合的叠加型网络架构。
图2  叠加型融合网络架构
 
该架构中,视频内容即可以通过高功率发射的高塔网络传输,也可以通过低功率发射的低塔网络传输——由部署于前端的智能决策引擎事先根据用户的需求、行为、内容类型(线性还是非线性、“冷”还是“热”等)决定。对于需要通过高功率发射的高塔网络传输的内容,先将其封装为eMBMS帧,再将其封装到DVB-T2的FEF(Future Extension Fframes,未来扩展帧),然后与DVB-T2的帧在同一个复用器里进行复用,最后通过同一个高功率塔广播出去。而在终端侧,DVB-T2只是对解复用以后的DVB-T2视频内容进行解码,而4G终端只是检测并解码由FEFs所承载的内容。对于需要通过低功率发射的低塔网络传输的内容,则直接通过移动运营商的4G基站传输。
 
智能决策引擎还能为广播传输与移动宽带实时、动态地分配470~790MHz频段内的频谱。
 
但这种模式目前也存在一些待解决的挑战性问题:(1)由于要使用DVB-T2的单频物理网络来承载LTE eMBMS,因此需要eMBMS设计更大的保护间隔;(2)如何让4G终端发现、检测到FEF帧并进行后续处理;(3)仅限于DVB-T2,而不适用于采用其他标准的地面数字电视网络,因为只有DVB-T2才定义了FEF。所以如何在采用其他标准的地面数字电视网络中应用这种叠加型架构,需要进一步研究。
 
总之,这种解决方案如果要引起移动运营商及移动通信设备商等的兴趣及关注,尚需进一步研究可行性、应用场景、商业模式等。
3、共用广播系统及其研究现状
共用广播系统旨在探索对现有的地面数字电视网络系统(如DVB/DVB-T2)与LTE eMBMS广播系统进行修改,单独打造一个共用的广播系统标准,以达到高效地融合地面数字电视网络与4G电视广播网络并解决如何最高效地传输分发内容的目的。
 
该方案的架构如图3所示,其中,黄色部分是利用高塔高功率地广播符合经过一定修订的LTE eMBMS规范的eMBMS信号,淡紫色部分则是利用低塔低功率地辐射需要单播的移动数据等内容(仍沿用现有的4G、4.5G标准)。
图3  共用广播系统的网络架构
 
这就为DVB、FOBTV等广播电视标准组织提供了机遇,比如可以将相关的研究文档/建议草案提交输出给3GPP(第三代移动通信合作伙伴计划)等移动通信国际标准组织,将其作为下一代LTE标准版本,或者将这种可以长期演进的共用广播融合型系统提议纳入相关标准组织的5G研发里面。
 
后续的相关研究将可包括:(1)高塔高功率传输LTE eMBMS广播信号需要部署大规模的单频网,这就需要eMBMS的修订版本能够支持更长的循环前缀;(2)基于实际需求的广播与单播的转换策略(相当于智能引擎);(3)相关eMBMS载波的设计;(4)eMBMS的多层MIMO(Mutiple Input Mutiple Output)传输;(5)MBSFN(Multicast Broadcast Single Frequency Network,组播/广播单频网)物理层PHY的测试报告;(6)地面数字电视广播与移动宽带协作使用地面频谱的方式。
4、NGB-W
下一代地面数字电视相关需求是单向大容量、适应媒体发展需求的高性价比双向服务、一定要能适应新媒体发展的需求。技术需求方面,支持多种组网模式、达到与4G相当的频谱效率、有利于业务的快速部署与用户群的快速形成、可管可控可信。
 
广播电视网作为我国信息基础设施的重要组成部分,是通达千家万户的最普及的信息工具和最便捷的信息载体。经过数十年的发展,我国广播电视综合覆盖率已经超过97%,成为世界上覆盖人口最多、中央与地方相结合、有线、无线、卫星等多种手段并用的广播电视网。同时,随着数字技术、网络技术以及双向化、交互式技术的发展,传统媒体正在向新兴媒体转化,近几年来出现的数字互动电视、互联网电视、OTT TV、地面无线数字电视、移动多媒体广播电视等新媒体形式,也为广播电视行业带来了新的发展机遇和挑战。
 
传统的广播电视网,由于是单向的广播网络,没有反向信息传输通道,因此,现代数字无线技术所带来的诸如信号的最佳接收、频谱效率的提高、系统容量的增加等种种优点,都不能得到应用。
 
随着下一代广播电视网NGB、“三网融合”进程的日益加快,人们获取广播电视媒体的渠道越来越广泛,需求的媒体内容和形式也越来越趋于多样化、个性化。原有单向、单一的广播电视服务模式越来越不能适应人们对于媒体服务的需求。新媒体技术携带传播技术、渠道、资本等优势迅速崛起,不断分流属于传统电视媒体的受众和广告,给中国传统电视媒体带来新的挑战。拥有内容资源优势和基础网络资源的传统电视媒体,也希望通过技术的不断创新,融合网络化电视媒体等新媒体形式,探索新的发展和盈利模式。
 
近期全球宽带无线接入领域的研究和应用十分活跃,热点不断出现,包括宽带固定无线接入技术、WLAN技术、WiMAX技术、UWB技术等等,这也给下一代广播网在有效传输和覆盖方面引入了新的技术发展方向——下一代广播电视无线网NGB-W。
 
下一代广播电视无线网NGB-W结合广播电视无线传输技术和无线宽带通信技术的优势,形成全国范围内“天地一体”的传输覆盖体系,并与下一代广播电视有线网NGB-C横向衔接,二者之间在网络层实现无缝接入,最终实现NGB的全程全网无缝覆盖。同时,NGB-W与广电网、电信网和互联网之间也能够实现互联互通,是具有普遍连接性的泛在网。
 
NGB-W的研究是以现有广播电视无线传输相关技术成果为基础,结合先进的无线回传接入技术,充分考虑广播电视业务特性,构建支持广播、组播、单播、交互相结合的下一代广播电视无线网,使其具有双向互动架构、超高速带宽、可管可控可信的能力、以及开放的业务平台,可承载多种多样的三网融合业务。
 
NGB-W的总体架构如图4所示,可通过大数据分析、智能引擎来充分利用广播网与移动互联网的优势互补(比如广播大塔与交互小塔的协同等),前端主要是智能引擎(用于有机协调单向广播与双向网络)、传输网络是高功率发射与低功率发射相结合、接收端可用WLAN组网,单向双向设备均覆盖。NGB-W的核心是智能引擎,融合电视广播与各种新媒体应用,大塔小塔协同补充覆盖,具有广泛的应用场景(列车、民航、固定全业务型、室内增补型、信息“加油站”等),可以快速部署业务,而且系统可管可控安全,可建立起高效、灵活、安全的下一代信息网络。同时NGB-W也综合考虑长期技术演进和泛在网演进的可能性。
图4  NGB-W的总体架构
 
据悉,国内已有一些小型试验网,中播也准备先将其NGB-W相关业务推进到美国市场进而拓展至全球其他地区的市场。NGB-W相关技术规范/标准将在2014年年底发布。
 
图5  中播的NGB-W架构
 
5、总结
    随着HDTV、UHDTV、下一代3DTV等的出现,电视广播服务在不断地朝着清晰度更高、用户体验更好的方向演进。在可预见的未来,直播将仍是人们收看电视的主流方式,而时移、点播等的需求也会越来越大。这就促使了广播与宽带在业务层面的融合。而由于地面广播与移动宽带在网络等方面各自都有“天生”劣势,两类网络的优势互补就成为发展的趋势,本文就介绍了国际上相关的4种方案。总的说来,以LTE技术为主的大塔高功率解决方案在频谱效率方面要弱于传统经典电视广播(如DVB)的大塔高功率覆盖。广播大塔结合众多低功率LTE小塔的融合组网开始成为主流的发展趋势。
 
 
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