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4G电视广播网络发展方向:大地域、全时段覆盖

目前,全球范围内,4G电视广播技术与生态系统的发展呈现加速态势,但在实际应用中,则大多受限于一些特定的地点与时间段[1]。这其中固然有应用场景少、商业模式窄等问题,但在将来,大地域(比如覆盖全国)、全时段的4G电视广播网络覆盖是发展趋势——背后的原因何在?大地域/全时段4G电视广播网络的特点如何、可如何实现、相关试验有哪些结果并由此可得出哪些结论、未来可以有怎样的发展方向?这些都是业界非常关注的前沿问题。下文主要结合Nokia Networks2016122日发布的白皮书“LTE for Wide Area Broadcast: LTE for converging media delivery over a wide areaLTE用于广域广播——面向大面积地域融合媒体传输的LTE)”[2]进行介绍。

 

1、电视内容的传输方式需要发生一场变革

 

这份研究报告首先指出,在当下,电视仍一如既往地广受人们的欢迎。例如,欧洲有高达86%的人几乎每天都会看电视。此外,新的变化是:人们观看传统的线性广播电视节目的时间并未发生变化(相比于2010年),而观看非线性电视内容(可随时进行观看的点播内容)的时间则在不断上升——预计在2016年,每个电视观众每天观看点播电视内容的时间将会超过32分钟。

 

另外,除了通过传统的广播电视网络收看电视内容,人们也可以通过其他更多的音视频内容源(如NetflixYouTube)观看,从而具备更多的选择。而在终端方面,人们除了在家里通过大屏幕的电视机看电视,也越来越多地通过诸如智能手机和平板电脑等移动智能终端设备(具有很高级的音视频播放能力)观看。该报告接着指出,虽然电视的内容与终端设备均正在融合,但很明显的是,电视内容的分发/传输渠道开始分割成传统/经典广播网络与宽带网络,且各自有一套相对独立的技术体系,尚未发生融合

 

综上,展望未来,既能高效传输线性电视内容、又能高效分发点播电视内容的一个单一的融合型多媒体技术平台才有可能更好地满足人们正在发生变化的对于电视内容观看方式的需求。而且,此类平台还应具备这样的能力:能随时动态、迅速地对市场需求的变化作出响应(灵活性)。

 

“4G电视广播即可满足上述融合型传输/分发平台的需求。与传统的电视广播一样,只要采取具备相应功能的终端设备,任何人均可通过4G LTE网络收看免费或付费电视节目。届时,与移动通信基础网络运营商合作,电视广播商与内容提供商就可将其制作的节目输送给移动通信/数据用户消费(单向),并提供各类交互式的服务。由于可与LTE各类单播业务共享相同网络基础设施与终端设备中的资源,4G电视广播技术可被很好地集成于LTE网络及其后续演进之中。

 

如今,移动宽带网络运营商们面临着很多新兴的市场发展机遇。其中,目前,通过4G LTE移动宽带网络来分发/传输电视内容更具吸引力,有望进一步提高人们的移动数据消费水平。通过创新商业模式,人们观看4G电视广播可以不纳入其移动数据套餐,所产生的流量独立于网络负载,可单独观看额外的、具有吸引力的电视内容。从而,移动通信运营商将会增加一部分的移动数据收益。其他相关内容可查阅文献[6]

 

2、应部署覆盖全国的4G电视广播网络

 

移动通信国际标准组织3GPPLTE Release 9就开始对4G电视广播技术进行标准化,以期提高移动通信系统的音视频内容分发能力与无线频谱资源利用效率。4G电视广播支持在LTE现网中部署SFN(单频网),使得所有的基站采取相同的物理频段同时传输相同的线性节目或视频内容。与传统地面数字电视广播网络不同的是,4G电视广播网络所采取的并非HTHPHigh Tower High Power,高塔、高功率发射)模式,从而在整体上可获得更高的频谱效率。4G电视广播网络的另一大亮点是:部署有4G电视广播功能的LTE网络无需将频谱资源专门(固定地)指配给广播模式与单播模式,而是根据实际需要实时、动态、灵活地分配,从而可进一步地提高LTE网络的频谱效率。[2]

 

但是,全球看来,截至目前,4G电视广播的应用主要是大型体育馆或者音乐厅等非常有限的场合,而且也仅在赛事或音乐会期间才提供相关服务。这对4G电视广播业务的进一步发展不利。为此,国外已有多家相关机构合作进行大覆盖地域的4G电视广播网络的场测[2,7],为于将来广域部署(覆盖全国)4G电视广播网络做好前期准备[2],并将相关测试结果用于5G(第五代移动通信)网络的标准化[7]。场测发现,相比于仅在单个基站部署,采取单频网SFN方式所部属的4G电视广播业务,信号接收质量更好(这是因为来自于多个站点的信号相互叠加,可增大场强值)。注:相关机构为Institut für Rundfunktechnik(广播技术研究所。由德国/澳大利亚/瑞典的公共广播电视台、巴伐利亚广播公司、Bayerischer Rundfunk等组成),相关场测项目由BFSBayerische Forschungsstiftung,巴伐利亚研究基金会)与Nokia提供支持。

 

3、全球首个大型4G电视广播单频网络试验的相关情况

 

上述大型场测项目在德国慕尼黑于2014年进行,是全球首个大型4G电视广播单频试验网络,目的在于向业界证明4G LTE网络可作为传统/经典地面数字电视广播网络的补充,甚至可于有朝一日替代之。该试验所采取的是UHF频段中进行数字电视广播的黄金频段——700 MHz频段,即3GPPBand 28,并采用APT700方案。试验网络覆盖了高达400平方公里的地域。为了获得最大的4G电视广播效率,项目组对该SFN进行了优化,使得各基站严格同步以增强对于单频干扰的抵抗力。试验中,LTE网络设备部署于巴伐利亚广播公司的4个电视发射台,各站点以高速光传输网络进行连接。

 

试验结果:

 

此次大地域覆盖试验实现了将传统的线性广播电视节目延伸传输至人们的便携式移动智能终端设备(而且视频传输质量很高),相关系统具备了融合传输/分发线性电视内容、非线性电视内容、点播电视与交互式电视的能力。项目组还研究了如何通过提高无线频谱资源利用效率来减小需要部署4G电视广播功能的基站数量,从而达到减小将来现网部署所需成本的目的。此外,尤其值得一提的是,此次试验中还部署了LTE机顶盒设备,从而实现了基于广播/宽带网络融合(以单一频段、单一技术)、可替代传统地面数字电视广播的4G电视广播。

 

该试验还采取定制的专业测量设备对4G电视广播信号的覆盖性能、RSRPReference Signal Received Power,参考信号接收功率)、SINRSignal to Interference plus Noise Ratio,信号与干扰加噪声比)、单频网SFN增益进行了量化分析,并与相关的计算机仿真结果进行比较,然后据此对4G电视广播理论模型进行校准。这些模型将具有很多、很大的实际用途:(1)移动通信基础网络运营商可采取这些模型进行科学的4G电视广播网络规划(以最低成本获得最高性能)。例如,该试验发现,对于欧洲的某移动通信基础网络运营商,仅在其三分之一的基站中部署4G电视广播功能,即可覆盖与现有DVB-T(一种地面数字电视广播网络标准)网络相同覆盖面积(覆盖全国),而提供4G电视广播服务的增量成本可达到与提供DVB-T服务相当的水平;(2)相关模式还可用于4G电视广播标准的进一步演进、4G电视广播协议的优化,从而,项目组就可为3GPP里的相关标准化研究组提供可信度很高的建议,以期使得未来的4G电视广播标准更适用于部署至面向全国进行电视内容传输的大型LTE网络之中。

 

另外,此次大型试验还实现了对于人们通过智能手机观看电视内容时的体验的重大改进,具备非常丰富的用户体验——用户使用智能手机可以很轻松地切换使用电视服务与点播或Internet服务。也就是说,传统上通过广播网络与宽带网络结合起来才能提供的联网电视服务或HbbTV(广播/宽带混合型电视)服务,在此次试验中仅通过单一的4G电视广播网络就全部实现了。此外,如图1所示,此次试验中,还实现了将智能手机作为电视机顶盒——智能手机把从4G电视广播网络所接收到的内容投射至大屏幕电视机。这使得4G电视广播相比于传统的地面数字电视广播又多了一大优势:对于后者,每制定并发布一个最新版本的技术标准,就需要电视机顶盒或一体化电视机具备很好的后向兼容性,而前者则无需进行相关考虑。智能手机的创新周期要短得多,而且可以更快地为大众所使用。这样,用户就可以不用更换家里的电视机,而通过智能手机进行投屏连接(screencast connection),从而可随时随地作为移动电视机、智能遥控器、电视机顶盒等。

 

1

此次试验中把商用4G电视广播智能手机作为大屏电视机的机顶盒[2]

(注:投屏是通过Wi-Fi局域网实现的。)

 

4、对发展方向的展望

 

上述全球首个大型4G电视广播单频网络试验项目组验证了进行4G电视广播网络大面积覆盖部署的可行性,也证明了在现网部署中,可采取传统电视广播所使用的频段来运行4G电视广播业务。虽然广播与移动宽带的协作力度较小,但可实现:额外的LTE网络不会影响到传统地面数字电视广播业务的正常运行(二者部署于相同频段内的不同频带/中心频点)。其中,LTE上行段需要进行专门的滤波处理(以减小甚至消除干扰),而LTE下行段则无需考虑。

 

由此,经典广播网络与移动宽带网络在UHF频段的协作就成为一种很有发展前景的解决方案,于其中,地面数字电视广播信号与4G电视广播信号都可进行大地域范围的全时段覆盖(笔者注:主要得益于UHF频段优良的无线射频信号传播性能)。比如,如图2所示,全球首个大型4G电视广播单频网络试验中,即采取了这种协作方式——700 MHz频段内:4G电视广播网络上下行分别采取706~716 MHz频段与706~716 MHz频段,地面数字电视广播第52频道(可承载多套电视节目,下同)、第53频道、第54频道、第56频道则分别采取718~726 MHz726~734 MHz734~742 MHz750~758 MHz频段。

 

2

慕尼黑大型场测试验中的频段使用安排[2]

 

而至于470~694 MHz频段,国际电信联盟ITUWRC-152015年世界无线电通信大会)决定在2023年以前不会将这一频段重新指配为提供移动宽带/数据服务用途,并在WRC-232023年世界无线电通信大会)启动相关议题。可以预计,届时,大地域、全时段4G电视广播网络的部署将会更为灵活。

 

欧洲RSPGRadio Spectrum Policy Group,无线电频谱政策小组)认为,长期看来,在2030年以前,还是应当对用于传统地面数字电视广播网络部署的UHF频段进行保护,而不开放给移动通信业务使用。一种灵活的解决方案是:采取LTE-Advanced中的载波聚合技术,把UHF频段中尚未用于传输地面数字电视广播信号的频段作为LTE网络的下行频段与其他授权型移动通信低频段(比如800 MHz频段或900 MHz频段)聚合起来使用,实现无线电视与移动宽带的融合。其中,前者又被业界称为“SDLSupplemental Downlink,下行补充链路)

 

届时,在470~694 MHz频段,基于LTE-Advanced载波聚合的SDL将可为移动宽带网络中用于音视频内容传输的下行提供丰富的无线频谱资源,并提供其与地面电视广播系统共存所需的足够的灵活性。以一个宏基站网络即可在470~694 MHz频段内部署可灵活满足移动用户需求的集成型UHF多媒体网路(大地域、全时段覆盖)。

 

总体看来,以SDL方案来部署4G电视广播网络,可实现无线广播与移动宽带的真正双赢[2]

 

当然,另一方面,地面数字电视广播业界也在结合最新的移动通信技术进行创新,比如基于欧洲最新一代地面数字电视广播标准DVB-T2的“TOoL+Tower Overlay over LTE-A+)” [7],该技术方案的核心是利用DVB-T2FEFs(未来扩展帧)面向移动智能终端传输LTE4G电视广播信号(结合LTE-Advanced的载波聚合技术)。

 

 

参考文献

 

[1] 李远东. 4G电视广播最新发展现状汇总及分析

[EB/OL].http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=9901, 2016-02-16.

 

[2] Nokia Networks. LTE for Wide Area Broadcast: LTE for converging media delivery over a wide area [EB/OL].

http://gsacom.com/wp-content/uploads/2016/01/160120-nokia_lte_for_wide_area_broadcast_white_paper.pdf, 2016-01-22.

 

[3] 李远东. 电视内容无线传输的发展趋势(八):4G电视广播LTE eMBMS无线接入网络 [EB/OL].http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=9338, 2015-10-26.

 

[4] 李远东. 面向移动视听终端的电视与视频内容分发(三):六大技术解决方案

[EB/OL].http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=9441, 2015-10-30.

 

[5] 李远东. 下一代媒体网络的4种解决方案解析

[EB/OL].http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=9441, 2014-08-25.

 

[6] 李远东. 基于移动通信网络的移动视频业务发展现状及思考

[EB/OL].http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=8546, 2015-01-15.

 

[7] DVB World 2016. Results of Trial to Launch T2 in Germany and a view ahead

[EB/OL].http://www.dvbworld.org/events/dvb-world-2016/agenda-9d7fbdb385164a5cb17834d653ca384d.aspx, 2016-02-17.

 

[8] DVB World 2016. Pre-Conference Marsterclass: DVB-T2 Marsterclass

[EB/OL].http://www.dvbworld.org/events/dvb-world-2016/agenda-9d7fbdb385164a5cb17834d653ca384d.aspx, 2016-02-17.

 


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