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手機電視承載技術(shù)介紹與分析

2008/05/19

　　摘要　手機電視業(yè)務近年發(fā)展迅速，形成了利用移動蜂窩網(wǎng)實現(xiàn)、利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)和利用數(shù)字地面廣播網(wǎng)實現(xiàn)的多種承載技術(shù)并存的局面。本文從發(fā)展歷程、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、無線接口技術(shù)等方面對各種承載技術(shù)進行了介紹，并在最后對各方式進行了比較。

1、引言

　　在美國、歐洲、韓國、日本，手機電視服務已經(jīng)逐漸成為移動增值業(yè)務的一個重要組成部分，并被業(yè)內(nèi)視為下一個最有潛質(zhì)的電信增值業(yè)務增長點，甚至認為將是3G的“殺手級”應用之一。手機電視市場蘊含著巨大商機，業(yè)內(nèi)專家預計，未來10年內(nèi)手機電視的年用戶訂閱總額將達到270億美元，到2010年全球總用戶數(shù)將達到2.5億。事實也有所證明，美國SPRINT公司在半年內(nèi)就以月租費10美元發(fā)展了30萬月租用戶。在中國，到2008年北京奧運會到來之時，手機電視也許將真正步入百姓生活，使用手機收看電視節(jié)目將變得稀松平常。

　　目前，與手機電視業(yè)務相關(guān)的各種承載技術(shù)發(fā)展迅速，美國、歐洲、韓國、日本都有其自己的標準，中國也有了自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，形成了多種承載技術(shù)并存的局面。

2、手機電視承載技術(shù)介紹

　　手機電視承載技術(shù)主要有三類：利用移動網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的方式（3GPP MBMS技術(shù)和流媒體技術(shù)），利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的方式（韓國S-DMB和歐洲S-DMB技術(shù)），利用數(shù)字地面廣播實現(xiàn)的方式（歐洲D(zhuǎn)VB-H技術(shù)、日本ISDB-T技術(shù)、韓國T-DMB技術(shù)、高通MediaFlo技術(shù)和國內(nèi)手機電視技術(shù)，如清華數(shù)字地面電視技術(shù)DMB-T和上海交大數(shù)字地面電視技術(shù)ADTB-T等）。

2.1　利用移動網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的方式

　　目前，國內(nèi)有運營商基于GPRS和CDMA 1x網(wǎng)絡(luò)提供了手機電視業(yè)務，這種手機電視業(yè)務實際上是利用流媒體技術(shù)，把手機電視作為一種數(shù)據(jù)業(yè)務推出來，采用點對點的方式而非廣播的方式傳送數(shù)據(jù)。不管是GPRS手機還是CDMA 1x手機，都需要在手機終端上安裝相應的播放軟件，而相應的電視節(jié)目則由運營商或者通過相應的SP來組織和提供。

　　流媒體采用客戶端/服務器模式將連續(xù)的影像和聲音信息存儲于網(wǎng)絡(luò)服務器上，服務器根據(jù)手機發(fā)出的請求發(fā)送數(shù)據(jù)流，手機通過GPRS或3G網(wǎng)絡(luò)一邊下載一邊播放，可支持點播與直播業(yè)務。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　利用流媒體技術(shù)實現(xiàn)的手機電視業(yè)務網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　流媒體采用的這種點對點方式的傳送，在大量用戶都需要下載高速數(shù)據(jù)時，信源與每個接收用戶都有各自的鏈路，這樣對移動網(wǎng)絡(luò)資源消耗較大，并容易導致網(wǎng)絡(luò)擁塞。對于實時電視或視頻直播類業(yè)務，其承載成本并無優(yōu)勢。但是流媒體方式可適合個性化要求強的業(yè)務，如視頻點播類業(yè)務。

　　隨著移動用戶高速寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務的應用，當大量用戶同時接收同樣的高速數(shù)據(jù)時，由于待發(fā)送內(nèi)容是每個用戶都需要接收的數(shù)據(jù)，如果信源與每個接收用戶建立鏈路，每條鏈路上又都重復發(fā)送相同數(shù)據(jù)，這樣會造成資源使用的重復和浪費。因此，需要一種支持移動的廣播多播技術(shù)可以有效利用信源和無線網(wǎng)絡(luò)空口資源，以減少網(wǎng)絡(luò)中傳送的數(shù)據(jù)量，克服網(wǎng)絡(luò)擁塞。3GPP R6標準于2002年啟動，規(guī)定了利用UMTS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)手機電視功能的移動廣播組播業(yè)務MBMS標準。只要在現(xiàn)有UMTS網(wǎng)絡(luò)中進行最小改動，絕大部分功能實體和空口協(xié)議無需改變，即可實現(xiàn)MBMS。

　　MBMS網(wǎng)絡(luò)（見圖2）基于原來的UMTS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，添加了網(wǎng)元BM-SC，它是內(nèi)容提供者的入口，用于授權(quán)和在移動網(wǎng)中發(fā)起MBMS承載業(yè)務，并按照預定時間計劃傳送MBMS內(nèi)容。其功能包括：授權(quán)第三方內(nèi)容提供商對用戶進行鑒權(quán)和計費；向GGSN提供MBMS傳輸相關(guān)參數(shù)；發(fā)起和終止MBMS傳輸資源；從外部數(shù)據(jù)源接收內(nèi)容，運用錯誤恢復機制進行重傳；調(diào)度MBMS會話傳輸，重新獲得外部數(shù)據(jù)內(nèi)容，給每一個MBMS會話用“MBMS會話標識符”做標記，使用戶能夠區(qū)分MBMS重傳會話；業(yè)務聲明，包括媒體描述、會話描述等的功能。

圖2　MBMS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　對已有的UMTS/GSM分組網(wǎng)功能實體GGSN，SGSN，RNC/BSC和UE，也需要增加MBMS相關(guān)功能和過程，如在預定的組播或廣播業(yè)務區(qū)域的資源管理，支持業(yè)務發(fā)起和中止；MBMS接收者的移動性管理，與普通的語音數(shù)據(jù)功能的并發(fā)考慮等。

　　MBMS技術(shù)中新增了新的物理信道MICH（MBMS Indicator Channel），用來傳送MBMS的通知指示，尋呼訂閱了某業(yè)務的MBMS用戶。新增邏輯信道MTCH，MCCH，MSCH信道，它們映射到FACH傳輸信道，用于承載業(yè)務數(shù)據(jù)和相關(guān)控制信息。當定制業(yè)務用戶多的時候用廣播的方式使用FACH信道傳輸，當定制業(yè)務的用戶很少情況下仍然可采用專用信道，因為FACH信道的發(fā)射功率比DCH大，定制業(yè)務的用戶很少會浪費功率，此時可從廣播傳輸?shù)姆绞角袚Q到專用傳輸?shù)姆绞�，以�?jié)省功率資源。

　　當終端用戶移動到不同基站下的小區(qū)分界處時候，采用宏分集技術(shù)同時接收來自兩個基站的電視數(shù)據(jù)（見圖3）。在實現(xiàn)宏分集技術(shù)時，要求網(wǎng)絡(luò)側(cè)針對同一MBMS業(yè)務在兩小區(qū)間進行內(nèi)容同步和一定程度上的時間同步。

圖3　MBMS宏分集技術(shù)

　　MBMS可應用組播模式和廣播模式兩種業(yè)務模式。廣播模式接近于數(shù)字電視業(yè)務，而組播模式專注和定位于群業(yè)務。組播模式提供了更好的計費特性，包括服務訂閱、接入和推出功能，需要用戶簽約相應組播組，進行業(yè)務激活，并產(chǎn)生相應的計費信息，而廣播業(yè)務不需要小區(qū)中所有用戶都制定該業(yè)務便可以獲得。由于組播和廣播模式在業(yè)務需求上存在不同，導致其業(yè)務流程也不同（見圖4a、圖4b）。



　　簽約即向運營商制定組播服務，運營商授予用戶使用該業(yè)務的權(quán)利，并對用戶進行計費登記；MBMS業(yè)務聲明機制使用戶得到MBMS業(yè)務的相關(guān)信息；廣播組播業(yè)務中心BM-SC發(fā)起會話開始，觸發(fā)由MBMS數(shù)據(jù)傳送建立相應的網(wǎng)絡(luò)資源；網(wǎng)絡(luò)側(cè)利用MBMS通知使UE確認正在或即將傳送的MBMS數(shù)據(jù)。最后由廣播組播業(yè)務中心BM-SC發(fā)起的會話結(jié)束，觸發(fā)由MBMS數(shù)據(jù)傳送釋放相應的網(wǎng)絡(luò)資源。

　　在組播模式的業(yè)務正在進行中，當有新的用戶想加入某個組播組即告訴網(wǎng)絡(luò)他想接收組播信息，通過已建立的UE與GGSN間的承載通道，UE向GGSN發(fā)送加入請求。用戶可以隨時加入組播組，但是需要進行鑒權(quán)，以作為計費依據(jù)；當某用戶不再想接收組播信息，可以隨時退出組播組。

2.2　利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的方式

　　利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)的資源傳送廣播電視視頻確實是一個可靠的承載方式。但是當數(shù)據(jù)量大時也會帶來傳送網(wǎng)絡(luò)的時延和擁塞的風險，影響網(wǎng)絡(luò)中其他業(yè)務的通信可靠性。如果采用一種方式將電視節(jié)目的巨量傳送和管理計費數(shù)據(jù)的交互分開，既能保證實現(xiàn)高質(zhì)量電視節(jié)目的傳送和用戶信息的收集和資費統(tǒng)計，同時又不過多占用蜂窩網(wǎng)絡(luò)的資源，應該可以在某種程度為手機電視業(yè)務的規(guī)模開展掃除一定的障礙。

　　目前，韓國、歐洲力推一種利用手機來接收衛(wèi)星播發(fā)的電視節(jié)目信號的手機電視廣播方式（S-DMB）。S-DMB主要是研究在現(xiàn)有3G移動網(wǎng)絡(luò)上結(jié)合衛(wèi)星以及地面直放站來提供移動廣播、多播業(yè)務，改進3G網(wǎng)絡(luò)的多媒體業(yè)務提供能力。它將廣播電視網(wǎng)絡(luò)和移動通信網(wǎng)絡(luò)各自的優(yōu)勢互補，下行廣播信道由衛(wèi)星提供，廣播數(shù)據(jù)通過高帶寬的數(shù)字廣播電視網(wǎng)絡(luò)進行電視節(jié)目廣播。上行鏈路采用移動網(wǎng)絡(luò)傳送交互性業(yè)務，移動網(wǎng)絡(luò)提供交互通道，完成業(yè)務導航，定購及激活，鑒權(quán)計費等功能。具備S-DMB能力的手機終端在連接到GSM或者UMTS網(wǎng)絡(luò)的時候也能同時接收S-DMB信號。

（1）S-DMB技術(shù)

　　S-DMB可看作在專用頻段MSS（2170～2200MHz）上提供廣播能力的MBMS技術(shù)。由于MSS頻段緊靠IMT2000下行核心頻段（2110～2170MHz），這對終端的成本及地面直放站的部署都極為有利。因此，S-DMB可以看作為MBMS的擴展（也可以稱為S-MBMS），它與MBMS同屬于一個規(guī)范體系。S-DMB最大程度地重用UMTS的技術(shù)包括擴頻通信，調(diào)制方式等，同時增加IMR（Intermediate Module Repeater）滿足室內(nèi)覆蓋的要求，并且可以依靠UMTS終端強大的宏分集能力，支持從衛(wèi)星的覆蓋范圍到地面直放站覆蓋范圍的切換，以及在兩個不同地面直放站覆蓋范圍的切換。

（2）S-DMB組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

　　S-DMB的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，在3GPP MBMS已有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和功能接口基礎(chǔ)上增加了衛(wèi)星相關(guān)的功能模塊，同時對BM-SC和UE也有少量的功能增加，是一個基于混合的衛(wèi)星和地面直放站構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。

圖5　S-DMB網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　圖5中，高功率衛(wèi)星將對從S-DMB Hub上接收到的上行鏈路Ku波段調(diào)制的S-DMB信號進行中繼和放大，并將該信號下變頻為IMT2000衛(wèi)星頻段的信號，發(fā)送給手機用戶。此外，衛(wèi)星將這些信號下變頻到Ku波段載頻，為地面直放站提供信號。對S-DMB信號而言，衛(wèi)星是透明的，僅僅扮演一個頻段轉(zhuǎn)換直放站的角色。

（3）地面直放站的類型

頻率轉(zhuǎn)換（Frequency Conversion）功能的直放站

　　頻率轉(zhuǎn)換功能的直放站將從衛(wèi)星上接收下來的Ku波段調(diào)制的S-DMB信號進行中繼和放大，下變頻為下行IMT2000衛(wèi)星頻段載頻，發(fā)送給終端用戶。該類型的直放站和衛(wèi)星工作在同樣的IMT2000頻段，使用戶能夠接收到一路S-DMB信號調(diào)制到由同樣的IMT2000載頻所反射的多個回波信號。這種類型的直放站將是部署得最多的直放站產(chǎn)品，它能夠和現(xiàn)有的2G和3G基站共址，其用途是在城區(qū)完成衛(wèi)星的覆蓋。

On Channel功能的直放站

　　On Channel功能的直放站用于中繼和放大下行IMT2000衛(wèi)星頻段調(diào)制過的S-DMB信號，將信號從衛(wèi)星上接收下來，發(fā)送給終端用戶。這種類型的直放站用來拓展特定室內(nèi)環(huán)境下的覆蓋范圍。

　　S-DMB Hub用于生成和傳輸S-DMB信號，將S-DMB信號調(diào)制到上行鏈路Ku波段載頻上，為衛(wèi)星提供信號。Hub包括一個Ku波段地面站，由NodeB的調(diào)制解調(diào)器提供信號，NodeB由RNC所控制。Hub還包括一個簡化的3G核心網(wǎng)設(shè)備，通過Gmb接口，與一個或者幾個3GPP規(guī)范定義的BM-SC連接。

2.3　利用數(shù)字地面廣播實現(xiàn)的方式

　　手機電視技術(shù)方式通過整合數(shù)字電視和移動電話而實現(xiàn)，所以也促成了數(shù)字電視廣播網(wǎng)和移動蜂窩通信網(wǎng)的兩網(wǎng)融合的趨勢。目前，一種在手機終端上安裝數(shù)字電視接收模塊，通過接收地面廣播直放站直接獲得數(shù)字電視信號的方式成為手機電視實現(xiàn)方式之一。這種利用數(shù)字地面廣播方式實現(xiàn)的手機數(shù)字電視標準較多，本文主要介紹歐洲的DVB-H和日本的ISDB-T技術(shù)。

（1）DVB-H技術(shù)

　　DVB系列標準最早由DVB項目組在20世紀90年代初提出，其地面廣播版本DVB-T（Digital Video Broadcasting-Terrestrial）是在90年代中期開發(fā)的，并于1997年2月獲得ETSI （European Telecommunications Standards Institute）的認可，成為歐洲地面數(shù)字電視廣播的標準。目前，全球很多國家和地區(qū)已使用或采用DVB-T標準，雖然國內(nèi)現(xiàn)在還沒有DVB-H的網(wǎng)絡(luò)，但是DVB-T系統(tǒng)已經(jīng)開始在中國實施，北京、上海已通過該系統(tǒng)將電視新聞、體育、股票報告及商業(yè)廣告支持的電視節(jié)目傳送到成千上萬的城市汽車。

　　DVB-H（Digital Video Broadcasting-Handheld）完全基于DVB-T，是一項通過地面數(shù)字廣播網(wǎng)絡(luò)向手持終端提供多媒體業(yè)務所開發(fā)的技術(shù)，使用該技術(shù)可以向手機終端用戶傳送多個視頻頻道和音頻頻道。該技術(shù)主要是為了解決向移動手持終端提供數(shù)字電視廣播業(yè)務時，所存在的功率消耗問題、移動環(huán)境中的性能問題以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的靈活性等問題。

　　DVB-H系統(tǒng)依托DVB-T傳輸系統(tǒng)，通過增加一定的附加功能和改進技術(shù)使手持終端能夠穩(wěn)定地接收廣播電視信號。DVB-H可以保證移動終端在移動環(huán)境和微功耗條件下接收數(shù)字電視節(jié)目，從而很好地配合3G網(wǎng)絡(luò)的應用。3G網(wǎng)絡(luò)除完成它自身的功能外，還充當DVB-H網(wǎng)絡(luò)的反向控制信道，傳輸諸如視頻點播、電視投票、電視瀏覽、交互式游戲等業(yè)務信令，提供多種個性化的多媒體業(yè)務，從而實現(xiàn)兩種網(wǎng)絡(luò)的融合。

　　DVB-H運營系統(tǒng)組網(wǎng)時（見圖6），組網(wǎng)設(shè)備包括調(diào)制器、發(fā)射器、IPE、IPDC核心應用系統(tǒng)，以及連接這些設(shè)備所必須的IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如以太網(wǎng)交換機、路由器、防火墻）和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。數(shù)據(jù)傳輸可以基于SDH，PDH或者微波等方式來實現(xiàn)。

圖6　DVB-H網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　IPDC應用系統(tǒng)與GSM/GPRS/UMTS相連實現(xiàn)對用戶的計費，鑒權(quán)并完成用戶對業(yè)務的預覽和定購，所以也需要移動運營商對用戶的認證、計費、客戶服務、客戶管理等的配合。IPE（IP封裝器）接收到從編碼器傳輸過來的IP數(shù)據(jù)流時，根據(jù)每個頻道（或節(jié)目）對應的IP組播地址（源地址和目標地址），為每個頻道（或節(jié)目）設(shè)置其對應的頻道（或節(jié)目）編號。支持DVB-H的手機需要增加額外的DVB-H天線和射頻處理模塊。

　　DVB-H工作頻段使用UHF頻段470～862MHz，頻率帶寬可以是5MHz，6MHz，7MHz或8MHz。

　　采用COFDM調(diào)制方式，使用頻率上等間隔的多個正交子載波進行調(diào)制。根據(jù)子載波數(shù)量的不同，可分為2k，4k和8k三種方式。對每個子載波而言，其調(diào)制方式又可分為QPSK，16QAM，64QAM三種。其傳輸速率與載波數(shù)量、子載波調(diào)制方式、保護間隔和編碼速率有關(guān)，傳輸速率范圍為4.98～31.67Mbit/s。

　　DVB-H單頻網(wǎng)的一個小區(qū)的覆蓋半徑范圍大概為40～60km。在一個單頻網(wǎng)中包含多個同步無線發(fā)射器，這些發(fā)射器以完全相同的頻率發(fā)射完全相同的比特流。此外，組網(wǎng)時必須考慮額外的室內(nèi)覆蓋以及小區(qū)之間的無縫切換。在一個單頻網(wǎng)小區(qū)內(nèi)，可支持的用戶數(shù)不限。但相對室外接收而言，由于要受到穿透損耗（約為11 dB）的影響，室內(nèi)接收的覆蓋范圍會有所降低。因此，在信號強度較弱的地方，需要進行專門的室內(nèi)覆蓋，以保證在室內(nèi)的正常接收。

DVB-H引入了時間分片和MPE-FEC技術(shù)。

　　由于基于IP數(shù)據(jù)包的傳輸，手機終端接收器一般只在整個傳送時間中打開10%，其余時間完全關(guān)閉，大大降低了手機終端耗電。在一個8M帶寬內(nèi)可提供高達15 Mbit/s的傳輸速度，如果一個頻道占用200～300kbit/s，則容量大到可傳送多于40～50個廣播質(zhì)量的電視頻道。

（2）ISDB-T技術(shù)

　　ISDB-T是日本于1996年開始啟動的自主數(shù)字電視標準研發(fā)項目，引入分段OFDM技術(shù)。1998年日本將這一稱為BTS-OFDM的技術(shù)體制定為日本地面數(shù)字電視廣播傳輸標準ISDB-T。2001年，該標準正式被ITU接受為世界第3個數(shù)字電視傳輸國際標準。

　　ISDB-T使用具有13個OFDM子波段的分段波段，將整個6MHz頻帶劃分為13個子帶，每個子帶432kHz，進行分段傳輸（Bandwidth Segemented Transmission-BST），對不同的BST采用不同編碼類型和調(diào)制映射方式（QPSK或QAM等），以滿足不同業(yè)務的需求，如對傳輸多媒體文本文件對信道編碼的技術(shù)要求較低，而對移動視頻接收等要求則較高。由于ISDB-T采用載波分割的技術(shù)，因此終端可以進行窄帶接收，從而有效地降低了終端功耗。

　　ISDB-T對不同的BST段采用不同的載波調(diào)制方案和內(nèi)碼編碼碼率，依次提供了分層傳輸特性。通過分層傳播方式，可以在1 ch（如6MHz）內(nèi)同時傳輸傳播特性（調(diào)制方式、編碼率等）不同的多種類廣播。

　　如圖7所示，根據(jù)傳輸業(yè)務的不同，多個段可以靈活地組合到一起。如9段可以組合在一起傳輸HDTV，3段可以組合在一起傳輸車載TV，通過傳輸不同參數(shù)的OFDM段群，達到分級傳輸。在一個地面頻道中可提供三個業(yè)務層（三種不同的段群）。通過使用只有一個OFDM段的窄帶接收機，可以接收傳輸信道中的部分節(jié)目。

圖7　ISDB-T分層傳播方式

3、結(jié)束語

　　比較以上介紹的各種手機業(yè)務承載技術(shù)，相同頻率帶寬中地面數(shù)字電視承載技術(shù)支持的業(yè)務容量比其他方式更具備優(yōu)勢。地面方式更適合城市或地域性業(yè)務開展，而衛(wèi)星方式適合廣域或全國性業(yè)務開展，但是其建網(wǎng)需要衛(wèi)星支持，初期成本高。而MBMS利用移動網(wǎng)絡(luò)承載，雖占用寶貴的移動網(wǎng)絡(luò)資源，但是因為MBMS基于小區(qū)覆蓋，能夠提供基于較小區(qū)域和與用戶位置相關(guān)業(yè)務，并完全由移動運營商運營和控制的特點，使得移動運營商擁有更大的靈活性和可控性。對于實時電視或視頻直播類業(yè)務，地面數(shù)字電視承載方式、衛(wèi)星承載方式、MBMS技術(shù)在容量和承載成本方面均明顯優(yōu)于點對點的流媒體方式。

　　諸多手機電視承載技術(shù)各有特點和優(yōu)劣勢，對技術(shù)標準的探討和爭論也不斷深入，中國未來商用中將采用哪種標準，目前還無定論。但隨著手機電視承載技術(shù)的不斷完善成熟，手機電視業(yè)務的前景也一路看好。

泰爾網(wǎng)


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