手机电视承载技术漫谈

标签：ISDB-T技术   MBMS

1、引言

在美国、欧洲、韩国、日本，手机电视服务已经逐渐成为移动增值业务的一个重要组成部分，并被业内视为下一个最有潜质的电信增值业务增长点，甚至认为将是3G的“杀手级”应用之一。手机电视市场蕴含着巨大商机，业内专家预计，未来10年内手机电视的年用户订阅总额将达到270亿美元，到2010年全球总用户数将达到2.5亿。事实也有所证明，美国SPRINT公司在半年内就以月租费10美元发展了30万月租用户。在中国，到2008年北京奥运会到来之时，手机电视也许将真正步入百姓生活，使用手机收看电视节目将变得稀松平常。

目前，与手机电视业务相关的各种承载技术发展迅速，美国、欧洲、韩国、日本都有其自己的标准，中国也有了自主知识产权的技术，形成了多种承载技术并存的局面。

2、手机电视承载技术介绍

手机电视承载技术主要有三类：利用移动网络实现的方式(3GPP MBMS技术和流媒体技术)，利用卫星网络实现的方式(韩国S-DMB和欧洲S-DMB技术)，利用数字地面广播实现的方式(欧洲DVB-H技术、日本ISDB-T技术、韩国T-DMB技术、高通MediaFlo技术和国内手机电视技术，如清华数字地面电视技术DMB-T和上海交大数字地面电视技术ADTB-T等)。

2.1　利用移动网络实现的方式

目前，国内有运营商基于GPRS和CDMA 1x网络提供了手机电视业务，这种手机电视业务实际上是利用流媒体技术，把手机电视作为一种数据业务推出来，采用点对点的方式而非广播的方式传送数据。不管是GPRS手机还是CDMA 1x手机，都需要在手机终端上安装相应的播放软件，而相应的电视节目则由运营商或者通过相应的SP来组织和提供。

流媒体采用客户端/服务器模式将连续的影像和声音信息存储于网络服务器上，服务器根据手机发出的请求发送数据流，手机通过GPRS或3G网络一边下载一边播放，可支持点播与直播业务。其网络结构如图1所示。

图1　利用流媒体技术实现的手机电视业务网络结构

流媒体采用的这种点对点方式的传送，在大量用户都需要下载高速数据时，信源与每个接收用户都有各自的链路，这样对移动网络资源消耗较大，并容易导致网络拥塞。对于实时电视或视频直播类业务，其承载成本并无优势。但是流媒体方式可适合个性化要求强的业务，如视频点播类业务。

随着移动用户高速宽带数据业务的应用，当大量用户同时接收同样的高速数据时，由于待发送内容是每个用户都需要接收的数据，如果信源与每个接收用户建立链路，每条链路上又都重复发送相同数据，这样会造成资源使用的重复和浪费。因此，需要一种支持移动的广播多播技术可以有效利用信源和无线网络空口资源，以减少网络中传送的数据量，克服网络拥塞。3GPP R6标准于2002年启动，规定了利用UMTS网络实现手机电视功能的移动广播组播业务MBMS标准。只要在现有UMTS网络中进行最小改动，绝大部分功能实体和空口协议无需改变，即可实现MBMS。

MBMS网络(见图2)基于原来的UMTS网络结构，添加了网元BM-SC，它是内容提供者的入口，用于授权和在移动网中发起MBMS承载业务，并按照预定时间计划传送MBMS内容。其功能包括：授权第三方内容提供商对用户进行鉴权和计费;向GGSN提供MBMS传输相关参数;发起和终止MBMS传输资源;从外部数据源接收内容，运用错误恢复机制进行重传;调度MBMS会话传输，重新获得外部数据内容，给每一个MBMS会话用“MBMS会话标识符”做标记，使用户能够区分MBMS重传会话;业务声明，包括媒体描述、会话描述等的功能。

图2　MBMS网络结构

对已有的UMTS/GSM分组网功能实体GGSN，SGSN，RNC/BSC和UE，也需要增加MBMS相关功能和过程，如在预定的组播或广播业务区域的资源管理，支持业务发起和中止;MBMS接收者的移动性管理，与普通的语音数据功能的并发考虑等。

MBMS技术中新增了新的物理信道MICH(MBMS Indicator Channel)，用来传送MBMS的通知指示，寻呼订阅了某业务的MBMS用户。新增逻辑信道MTCH，MCCH，MSCH信道，它们映射到FACH传输信道，用于承载业务数据和相关控制信息。当定制业务用户多的时候用广播的方式使用FACH信道传输，当定制业务的用户很少情况下仍然可采用专用信道，因为FACH信道的发射功率比DCH大，定制业务的用户很少会浪费功率，此时可从广播传输的方式切换到专用传输的方式，以节省功率资源。

当终端用户移动到不同基站下的小区分界处时候，采用宏分集技术同时接收来自两个基站的电视数据(见图3)。在实现宏分集技术时，要求网络侧针对同一MBMS业务在两小区间进行内容同步和一定程度上的时间同步。

图3　MBMS宏分集技术

MBMS可应用组播模式和广播模式两种业务模式。广播模式接近于数字电视业务，而组播模式专注和定位于群业务。组播模式提供了更好的计费特性，包括服务订阅、接入和推出功能，需要用户签约相应组播组，进行业务激活，并产生相应的计费信息，而广播业务不需要小区中所有用户都制定该业务便可以获得。由于组播和广播模式在业务需求上存在不同，导致其业务流程也不同(见图4a、图4b)。

签约即向运营商制定组播服务，运营商授予用户使用该业务的权利，并对用户进行计费登记;MBMS业务声明机制使用户得到MBMS业务的相关信息;广播组播业务中心BM-SC发起会话开始，触发由MBMS数据传送建立相应的网络资源;网络侧利用MBMS通知使UE确认正在或即将传送的MBMS数据。最后由广播组播业务中心BM-SC发起的会话结束，触发由MBMS数据传送释放相应的网络资源。

在组播模式的业务正在进行中，当有新的用户想加入某个组播组即告诉网络他想接收组播信息，通过已建立的UE与GGSN间的承载通道，UE向GGSN发送加入请求。用户可以随时加入组播组，但是需要进行鉴权，以作为计费依据;当某用户不再想接收组播信息，可以随时退出组播组。

2.2　利用卫星网络实现的方式

利用蜂窝网络的资源传送广播电视视频确实是一个可靠的承载方式。但是当数据量大时也会带来传送网络的时延和拥塞的风险，影响网络中其他业务的通信可靠性。如果采用一种方式将电视节目的巨量传送和管理计费数据的交互分开，既能保证实现高质量电视节目的传送和用户信息的收集和资费统计，同时又不过多占用蜂窝网络的资源，应该可以在某种程度为手机电视业务的规模开展扫除一定的障碍。

目前，韩国、欧洲力推一种利用手机来接收卫星播发的电视节目信号的手机电视广播方式(S-DMB)。S-DMB主要是研究在现有3G移动网络上结合卫星以及地面直放站来提供移动广播、多播业务，改进3G网络的多媒体业务提供能力。它将广播电视网络和移动通信网络各自的优势互补，下行广播信道由卫星提供，广播数据通过高带宽的数字广播电视网络进行电视节目广播。上行链路采用移动网络传送交互性业务，移动网络提供交互通道，完成业务导航，定购及激活，鉴权计费等功能。具备S-DMB能力的手机终端在连接到GSM或者UMTS网络的时候也能同时接收S-DMB信号。

(1)S-DMB技术

S-DMB可看作在专用频段MSS(2170～2200MHz)上提供广播能力的MBMS技术。由于MSS频段紧靠IMT2000下行核心频段(2110～2170MHz)，这对终端的成本及地面直放站的部署都极为有利。因此，S-DMB可以看作为MBMS的扩展(也可以称为S-MBMS)，它与MBMS同属于一个规范体系。S-DMB最大程度地重用UMTS的技术包括扩频通信，调制方式等，同时增加IMR(Intermediate Module Repeater)满足室内覆盖的要求，并且可以依靠UMTS终端强大的宏分集能力，支持从卫星的覆盖范围到地面直放站覆盖范围的切换，以及在两个不同地面直放站覆盖范围的切换。

(2)S-DMB组网结构

S-DMB的组网结构如图5所示，在3GPP MBMS已有的网络架构和功能接口基础上增加了卫星相关的功能模块，同时对BM-SC和UE也有少量的功能增加，是一个基于混合的卫星和地面直放站构成的网络。

图5　S-DMB网络结构

图5中，高功率卫星将对从S-DMB Hub上接收到的上行链路Ku波段调制的S-DMB信号进行中继和放大，并将该信号下变频为IMT2000卫星频段的信号，发送给手机用户。此外，卫星将这些信号下变频到Ku波段载频，为地面直放站提供信号。对S-DMB信号而言，卫星是透明的，仅仅扮演一个频段转换直放站的角色。

(3)地面直放站的类型

●频率转换(Frequency Conversion)功能的直放站

频率转换功能的直放站将从卫星上接收下来的Ku波段调制的S-DMB信号进行中继和放大，下变频为下行IMT2000卫星频段载频，发送给终端用户。该类型的直放站和卫星工作在同样的IMT2000频段，使用户能够接收到一路S-DMB信号调制到由同样的IMT2000载频所反射的多个回波信号。这种类型的直放站将是部署得最多的直放站产品，它能够和现有的2G和3G基站共址，其用途是在城区完成卫星的覆盖。

●On Channel功能的直放站

On Channel功能的直放站用于中继和放大下行IMT2000卫星频段调制过的S-DMB信号，将信号从卫星上接收下来，发送给终端用户。这种类型的直放站用来拓展特定室内环境下的覆盖范围。

S-DMB Hub用于生成和传输S-DMB信号，将S-DMB信号调制到上行链路Ku波段载频上，为卫星提供信号。Hub包括一个Ku波段地面站，由NodeB的调制解调器提供信号，NodeB由RNC所控制。Hub还包括一个简化的3G核心网设备，通过Gmb接口，与一个或者几个3GPP规范定义的BM-SC连接。

2.3　利用数字地面广播实现的方式

手机电视技术方式通过整合数字电视和移动电话而实现，所以也促成了数字电视广播网和移动蜂窝通信网的两网融合的趋势。目前，一种在手机终端上安装数字电视接收模块，通过接收地面广播直放站直接获得数字电视信号的方式成为手机电视实现方式之一。这种利用数字地面广播方式实现的手机数字电视标准较多，本文主要介绍欧洲的DVB-H和日本的ISDB-T技术。

(1)DVB-H技术

DVB系列标准最早由DVB项目组在20世纪90年代初提出，其地面广播版本DVB-T(Digital Video Broadcasting-Terrestrial)是在90年代中期开发的，并于1997年2月获得ETSI (European Telecommunications Standards Institute)的认可，成为欧洲地面数字电视广播的标准。目前，全球很多国家和地区已使用或采用DVB-T标准，虽然国内现在还没有DVB-H的网络，但是DVB-T系统已经开始在中国实施，北京、上海已通过该系统将电视新闻、体育、股票报告及商业广告支持的电视节目传送到成千上万的城市汽车。

DVB-H(Digital Video Broadcasting-Handheld)完全基于DVB-T，是一项通过地面数字广播网络向手持终端提供多媒体业务所开发的技术，使用该技术可以向手机终端用户传送多个视频频道和音频频道。该技术主要是为了解决向移动手持终端提供数字电视广播业务时，所存在的功率消耗问题、移动环境中的性能问题以及网络设计的灵活性等问题。

DVB-H系统依托DVB-T传输系统，通过增加一定的附加功能和改进技术使手持终端能够稳定地接收广播电视信号。DVB-H可以保证移动终端在移动环境和微功耗条件下接收数字电视节目，从而很好地配合3G网络的应用。3G网络除完成它自身的功能外，还充当DVB-H网络的反向控制信道，传输诸如视频点播、电视投票、电视浏览、交互式游戏等业务信令，提供多种个性化的多媒体业务，从而实现两种网络的融合。

DVB-H运营系统组网时(见图6)，组网设备包括调制器、发射器、IPE、IPDC核心应用系统，以及连接这些设备所必须的IP网络设备(如以太网交换机、路由器、防火墙)和数据传输设备。数据传输可以基于SDH，PDH或者微波等方式来实现。

图6　DVB-H网络结构

IPDC应用系统与GSM/GPRS/UMTS相连实现对用户的计费，鉴权并完成用户对业务的预览和定购，所以也需要移动运营商对用户的认证、计费、客户服务、客户管理等的配合。IPE(IP封装器)接收到从编码器传输过来的IP数据流时，根据每个频道(或节目)对应的IP组播地址(源地址和目标地址)，为每个频道(或节目)设置其对应的频道(或节目)编号。支持DVB-H的手机需要增加额外的DVB-H天线和射频处理模块。

DVB-H工作频段使用UHF频段470～862MHz，频率带宽可以是5MHz，6MHz，7MHz或8MHz。

采用COFDM调制方式，使用频率上等间隔的多个正交子载波进行调制。根据子载波数量的不同，可分为2k，4k和8k三种方式。对每个子载波而言，其调制方式又可分为QPSK，16QAM，64QAM三种。其传输速率与载波数量、子载波调制方式、保护间隔和编码速率有关，传输速率范围为4.98～31.67Mbit/s。

DVB-H单频网的一个小区的覆盖半径范围大概为40～60km。在一个单频网中包含多个同步无线发射器，这些发射器以完全相同的频率发射完全相同的比特流。此外，组网时必须考虑额外的室内覆盖以及小区之间的无缝切换。在一个单频网小区内，可支持的用户数不限。但相对室外接收而言，由于要受到穿透损耗(约为11 dB)的影响，室内接收的覆盖范围会有所降低。因此，在信号强度较弱的地方，需要进行专门的室内覆盖，以保证在室内的正常接收。

DVB-H引入了时间分片和MPE-FEC技术。

●时间分片采用突发方式传送数据，每个突发时间片传送一个业务。时间片内该业务将单独占有全部数据带宽，并指出下一个相同业务时间片产生的时刻。时间分片带来的好处是在业务空闲时间接收机可以做节能处理实现低功耗。另一好处是在业务空闲时间(off-time)里监测相邻小区，通过单一接收器(天线)就可以完成单频网之间的切换，保证确保业务的连续性。

●MPE-FEC(MultiProtocol Encapsulation-Forwarding Error Correction，多协议封装-前向纠错)是为了提高接收性能，在IP数据包中增加了RS(Reed-Solomon)纠错编码的一种纠错技术。DVB-H使用MPE-FEC来提高移动信道中的C/N，多普勒性能，抗脉冲干扰能力和纠错能力。实验证明，即使在非常糟糕的接收环境中，适当地使用MPE-FEC仍可以准确无误地恢复出IP数据。这种额外的错误保护层(MPE-FEC)提高了信号弱情况下的接收，增加了抗干扰能力，支持移动性高速数据传送。

由于基于IP数据包的传输，手机终端接收器一般只在整个传送时间中打开10%，其余时间完全关闭，大大降低了手机终端耗电。在一个8M带宽内可提供高达15 Mbit/s的传输速度，如果一个频道占用200～300kbit/s，则容量大到可传送多于40～50个广播质量的电视频道。

(2)ISDB-T技术

ISDB-T是日本于1996年开始启动的自主数字电视标准研发项目，引入分段OFDM技术。1998年日本将这一称为BTS-OFDM的技术体制定为日本地面数字电视广播传输标准ISDB-T。2001年，该标准正式被ITU接受为世界第3个数字电视传输国际标准。

ISDB-T使用具有13个OFDM子波段的分段波段，将整个6MHz频带划分为13个子带，每个子带432kHz，进行分段传输(Bandwidth Segemented Transmission-BST)，对不同的BST采用不同编码类型和调制映射方式(QPSK或QAM等)，以满足不同业务的需求，如对传输多媒体文本文件对信道编码的技术要求较低，而对移动视频接收等要求则较高。由于ISDB-T采用载波分割的技术，因此终端可以进行窄带接收，从而有效地降低了终端功耗。

ISDB-T对不同的BST段采用不同的载波调制方案和内码编码码率，依次提供了分层传输特性。通过分层传播方式，可以在1 ch(如6MHz)内同时传输传播特性(调制方式、编码率等)不同的多种类广播。

如图7所示，根据传输业务的不同，多个段可以灵活地组合到一起。如9段可以组合在一起传输HDTV，3段可以组合在一起传输车载TV，通过传输不同参数的OFDM段群，达到分级传输。在一个地面频道中可提供三个业务层(三种不同的段群)。通过使用只有一个OFDM段的窄带接收机，可以接收传输信道中的部分节目。

图7　ISDB-T分层传播方式

3、结束语

比较以上介绍的各种手机业务承载技术，相同频率带宽中地面数字电视承载技术支持的业务容量比其他方式更具备优势。地面方式更适合城市或地域性业务开展，而卫星方式适合广域或全国性业务开展，但是其建网需要卫星支持，初期成本高。而MBMS利用移动网络承载，虽占用宝贵的移动网络资源，但是因为MBMS基于小区覆盖，能够提供基于较小区域和与用户位置相关业务，并完全由移动运营商运营和控制的特点，使得移动运营商拥有更大的灵活性和可控性。对于实时电视或视频直播类业务，地面数字电视承载方式、卫星承载方式、MBMS技术在容量和承载成本方面均明显优于点对点的流媒体方式。

诸多手机电视承载技术各有特点和优劣势，对技术标准的探讨和争论也不断深入，中国未来商用中将采用哪种标准，目前还无定论。但随着手机电视承载技术的不断完善成熟，手机电视业务的前景也一路看好。