手機電視承載技術介紹與分析

2008/05/19

圖1　利用流媒體技術實現的手機電視業(yè)務網絡結構

　　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據時，信源與每個接收用戶都有各自的鏈路，這樣對移動網絡資源消耗較大，并容易導致網絡擁塞。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據業(yè)務的應用，當大量用戶同時接收同樣的高速數據時，由于待發(fā)送內容是每個用戶都需要接收的數據，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)送相同數據，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可以有效利用信源和無線網絡空口資源，以減少網絡中傳送的數據量，克服網絡擁塞。3GPP R6標準于2002年啟動，規(guī)定了利用UMTS網絡實現手機電視功能的移動廣播組播業(yè)務MBMS標準。只要在現有UMTS網絡中進行最小改動，絕大部分功能實體和空口協議無需改變，即可實現MBMS。

　　MBMS網絡（見圖2）基于原來的UMTS網絡結構，添加了網元BM-SC，它是內容提供者的入口，用于授權和在移動網中發(fā)起MBMS承載業(yè)務，并按照預定時間計劃傳送MBMS內容。其功能包括：授權第三方內容提供商對用戶進行鑒權和計費；向GGSN提供MBMS傳輸相關參數；發(fā)起和終止MBMS傳輸資源；從外部數據源接收內容，運用錯誤恢復機制進行重傳；調度MBMS會話傳輸，重新獲得外部數據內容，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網絡結構

　　對已有的UMTS/GSM分組網功能實體GGSN，SGSN，RNC/BSC和UE，也需要增加MBMS相關功能和過程，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，與普通的語音數據功能的并發(fā)考慮等。

　　MBMS技術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)務數據和相關控制信息。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，此時可從廣播傳輸的方式切換到專用傳輸的方式，以節(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，采用宏分集技術同時接收來自兩個基站的電視數據（見圖3）。在實現宏分集技術時，要求網絡側針對同一MBMS業(yè)務在兩小區(qū)間進行內容同步和一定程度上的時間同步。

圖3　MBMS宏分集技術

　　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）。

圖5　S-DMB網絡結構

　　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換直放站的角色。

（3）地面直放站的類型

頻率轉換（Frequency Conversion）功能的直放站

　　頻率轉換功能的直放站將從衛(wèi)星上接收下來的Ku波段調制的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品，它能夠和現有的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的調制解調器提供信號，NodeB由RNC所控制。Hub還包括一個簡化的3G核心網設備，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　利用數字地面廣播實現的方式

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

（1）DVB-H技術

　　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，雖然國內現在還沒有DVB-H的網絡，但是DVB-T系統已經開始在中國實施，北京、上海已通過該系統將電視新聞、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，是一項通過地面數字廣播網絡向手持終端提供多媒體業(yè)務所開發(fā)的技術，使用該技術可以向手機終端用戶傳送多個視頻頻道和音頻頻道。該技術主要是為了解決向移動手持終端提供數字電視廣播業(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絡設計的靈活性等問題。

　　DVB-H系統依托DVB-T傳輸系統，通過增加一定的附加功能和改進技術使手持終端能夠穩(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字電視節(jié)目，從而很好地配合3G網絡的應用。3G網絡除完成它自身的功能外，還充當DVB-H網絡的反向控制信道，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，從而實現兩種網絡的融合。

　　DVB-H運營系統組網時（見圖6），組網設備包括調制器、發(fā)射器、IPE、IPDC核心應用系統，以及連接這些設備所必須的IP網絡設備（如以太網交換機、路由器、防火墻）和數據傳輸設備。數據傳輸可以基于SDH，PDH或者微波等方式來實現。

圖6　DVB-H網絡結構

　　IPDC應用系統與GSM/GPRS/UMTS相連實現對用戶的計費，鑒權并完成用戶對業(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數據流時，根據每個頻道（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調制方式，使用頻率上等間隔的多個正交子載波進行調制。根據子載波數量的不同，可分為2k，4k和8k三種方式。對每個子載波而言，其調制方式又可分為QPSK，16QAM，64QAM三種。其傳輸速率與載波數量、子載波調制方式、保護間隔和編碼速率有關，傳輸速率范圍為4.98～31.67Mbit/s。

　　DVB-H單頻網的一個小區(qū)的覆蓋半徑范圍大概為40～60km。在一個單頻網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，組網時必須考慮額外的室內覆蓋以及小區(qū)之間的無縫切換。在一個單頻網小區(qū)內，可支持的用戶數不限。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覆蓋，以保證在室內的正常接收。

DVB-H引入了時間分片和MPE-FEC技術。

• 時間分片采用突發(fā)方式傳送數據，每個突發(fā)時間片傳送一個業(yè)務。時間片內該業(yè)務將單獨占有全部數據帶寬，并指出下一個相同業(yè)務時間片產生的時刻。時間分片帶來的好處是在業(yè)務空閑時間接收機可以做節(jié)能處理實現低功耗。另一好處是在業(yè)務空閑時間（off-time）里監(jiān)測相鄰小區(qū)，通過單一接收器（天線）就可以完成單頻網之間的切換，保證確保業(yè)務的連續(xù)性。



• MPE-FEC（MultiProtocol Encapsulation-Forwarding Error Correction，多協議封裝-前向糾錯）是為了提高接收性能，在IP數據包中增加了RS（Reed-Solomon）糾錯編碼的一種糾錯技術。DVB-H使用MPE-FEC來提高移動信道中的C/N，多普勒性能，抗脈沖干擾能力和糾錯能力。實驗證明，即使在非常糟糕的接收環(huán)境中，適當地使用MPE-FEC仍可以準確無誤地恢復出IP數據。這種額外的錯誤保護層（MPE-FEC）提高了信號弱情況下的接收，增加了抗干擾能力，支持移動性高速數據傳送。

圖7　ISDB-T分層傳播方式

3、結束語

　　比較以上介紹的各種手機業(yè)務承載技術，相同頻率帶寬中地面數字電視承載技術支持的業(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，但是其建網需要衛(wèi)星支持，初期成本高。而MBMS利用移動網絡承載，雖占用寶貴的移動網絡資源，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，地面數字電視承載方式、衛(wèi)星承載方式、MBMS技術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各有特點和優(yōu)劣勢，對技術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的不斷完善成熟，手機電視業(yè)務的前景也一路看好。

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