基于4G傳輸技術(shù)的高清電視直播系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

林華明

（杭州文化廣播電視集團(tuán)，浙江 杭州 310008）

責(zé)任編輯:任健男

1 即時(shí)高清電視直播需求迫切

近幾年，國(guó)家廣電總多次發(fā)文促進(jìn)高清電視的發(fā)展。目前全國(guó)共有十多個(gè)電視臺(tái)開(kāi)通高清頻道，而且越來(lái)越多的電視臺(tái)加入到高清陣營(yíng)。高清頻道目前面臨的最大問(wèn)題就是缺乏高清內(nèi)容，特別是高清的直播新聞節(jié)目。傳統(tǒng)的新聞直播通常使用微波、光纖、衛(wèi)星、3G等各種技術(shù)手段。這些技術(shù)都或多或少存在一些問(wèn)題，微波、光纖、衛(wèi)星傳輸技術(shù)穩(wěn)定可靠，帶寬大，但成本高，使用麻煩；3G傳輸技術(shù)雖然方便，但帶寬小、不穩(wěn)定。表1是本系統(tǒng)與衛(wèi)星直播的比較。隨著國(guó)內(nèi)外4G傳輸技術(shù)的快速發(fā)展，該項(xiàng)技術(shù)逐步被使用到了電視直播中，例如2010年上海世博會(huì)與剛剛閉幕的深圳大運(yùn)會(huì)上，中國(guó)移動(dòng)就成功應(yīng)用TD-LTE技術(shù)對(duì)高清視頻進(jìn)行了傳輸。本文結(jié)合實(shí)際應(yīng)用研究并設(shè)計(jì)了一種基于4G傳輸技術(shù)的高清電視直播系統(tǒng)。

2 基于4G傳輸技術(shù)的高清電視直播的可行性分析

與現(xiàn)有的3G直播系統(tǒng)相比，要實(shí)現(xiàn)基于4G傳輸技術(shù)的高清電視直播，關(guān)鍵在傳輸帶寬及質(zhì)量保證。下面就從4G網(wǎng)絡(luò)的概念、關(guān)鍵技術(shù)來(lái)及幾種4G標(biāo)準(zhǔn)的比較闡述可行性。

2.1 4G網(wǎng)絡(luò)的概念

第四代移動(dòng)通信技術(shù)（4G）也稱為廣帶接入和分布網(wǎng)絡(luò)[1]。4G是集多種無(wú)線技術(shù)和無(wú)線LAN系統(tǒng)為一體的綜合系統(tǒng)，也是寬帶IP接入系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)上，移動(dòng)用戶可以實(shí)現(xiàn)全球無(wú)縫漫游，享用更多的服務(wù)，可以通過(guò)智能服務(wù)向?qū)?，輕輕松松地在服務(wù)空間暢游。第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)是以用戶為中心的移動(dòng)通信系統(tǒng)。

表1 4G與衛(wèi)星直播的比較

2.2 4G的關(guān)鍵技術(shù)

4G的關(guān)鍵技術(shù)主要包括:正交頻分復(fù)用（OFDM）、自適應(yīng)編碼調(diào)制（AMC）、切換技術(shù)、軟件無(wú)線電（SDR）、智能天線（SA/IA，原名為自適應(yīng)天線陣列AAA）、多入多出（MIMO）、下一代的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（MIMO-OFDM、IPv6）、移動(dòng)定位技術(shù)[2]。這些關(guān)鍵技術(shù)使得4G不僅具有頻譜利用率高、抗碼間串?dāng)_能力強(qiáng)、傳輸速率高的優(yōu)點(diǎn)，還具有增加信息傳輸可靠性和抗噪聲、高質(zhì)量高可靠移動(dòng)、便捷的“軟”控“硬”、減少空間電磁污染和降低移動(dòng)用戶間信號(hào)相互干擾、提高空間分集增益和增大無(wú)線系統(tǒng)覆蓋范圍等功能。

2.3 幾種4G標(biāo)準(zhǔn)的比較

目前國(guó)際電信聯(lián)盟納入到4G標(biāo)準(zhǔn)主要有WiMAX，HSPA+和LTE等。這幾種標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)路線如圖1所示。從圖中可以看出，按照中國(guó)目前三大電信運(yùn)營(yíng)商所采用的3G標(biāo)準(zhǔn)來(lái)演進(jìn)，都會(huì)演進(jìn)成為L(zhǎng)TE標(biāo)準(zhǔn)（中國(guó)聯(lián)通可以先演進(jìn)到HSPA+）。但也不排除將來(lái)會(huì)引進(jìn)WiMAX標(biāo)準(zhǔn)的可能。

這3種標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線技術(shù)方式、商用時(shí)間比較如表2所示。

表2 3種4G標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線技術(shù)方式、商用時(shí)間比較

這3種標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)比較如表3所示。

表3 3種4G標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)比較

從以上綜合比較可以看出，LTE標(biāo)準(zhǔn)在數(shù)率、移動(dòng)性、覆蓋效率等方面都比其他2種標(biāo)準(zhǔn)適合傳輸高清視頻。

2.4 LTE-TDD與LTE-FDD

LTE標(biāo)準(zhǔn)按照雙工方式可分為頻分雙工（FDD）和時(shí)分雙工（TDD）兩種。LTE-TDD即TD-LTE，是TD-SCD?MA的長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)，是我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新一代移動(dòng)通信技術(shù)。LTE-FDD是WCDMA的長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)。LTE-TDD與LTE-FDD由于無(wú)線技術(shù)的差異、使用頻段的不同以及各個(gè)廠家的利益等因素，后者受到了國(guó)際傳統(tǒng)移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的支持，中國(guó)移動(dòng)則是前者的主要支持者。這兩種標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)及綜合對(duì)比如表4所示?？梢钥闯觯@兩種標(biāo)準(zhǔn)各有優(yōu)勢(shì)。從成熟度、運(yùn)營(yíng)商及廠商支持度來(lái)看LTE-FDD略勝一籌；從頻譜效率來(lái)看，在未來(lái)LTE-TDD中具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，所以未來(lái)采用雙模的可能性較大。

2.5 小結(jié)

未壓縮的高清電視信號(hào)具有很高的數(shù)據(jù)率，目前國(guó)內(nèi)有線電視經(jīng)過(guò)壓縮編碼的高清節(jié)目播出碼流要求在15～20 Mbit/s左右，但有線電視運(yùn)營(yíng)商為了節(jié)省寬帶，基本上把碼流降到了10 Mbit/s以下，有的甚至采用動(dòng)態(tài)碼流分配，最低碼流在4 Mbit/s左右[3]。本系統(tǒng)假定電視臺(tái)高清頻道播出碼流是10 Mbit/s，那么從以上分析可以得出，LTE和WiMAX兩種4G標(biāo)準(zhǔn)都能承擔(dān)高清電視的傳輸，但介于國(guó)情，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用LTE為主標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)留WiMAX及其他標(biāo)準(zhǔn)的接口。

3 4G高清電視直播系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

4G高清電視直播系統(tǒng)架構(gòu)主要包括信源、編碼、傳輸、解碼、播出等部分。信源包括手機(jī)、攝像機(jī)、DV等常用拍攝設(shè)備；編碼主要為目前流行的H.264編碼；傳輸由4G網(wǎng)絡(luò)承載，3G等其他網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充；解碼部分主要由解碼服務(wù)器等組成。詳細(xì)的系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。

表4 LTE-TDD與LTE-FDD比較

3.2 編碼與發(fā)射子系統(tǒng)

為了方便專業(yè)與業(yè)余人員使用，本子系統(tǒng)包括硬件客戶端（針對(duì)專業(yè)人員）與軟件客戶端（針對(duì)業(yè)余人員），目的都是為了對(duì)信源進(jìn)行編碼及發(fā)送。

3.2.1 硬件客戶端

硬件客戶端，即所謂的攝像機(jī)采集發(fā)射模塊，需要做到操作簡(jiǎn)單，只需一鍵即可進(jìn)行直播，可支持LTE-TDD和LTE-FDD兩種標(biāo)準(zhǔn)，有服務(wù)保證，有管理接口等功能，其功能結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

關(guān)鍵功能有:

1）網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)接入與自適應(yīng)

設(shè)備可以快速自動(dòng)拔號(hào)接入4G網(wǎng)絡(luò)，自動(dòng)偵測(cè)信號(hào)強(qiáng)弱和傳輸速度并顯示以上信息，在多卡的情況下顯示不同卡的不同信息，可以自動(dòng)或手動(dòng)切換到信號(hào)較好的通道上。設(shè)備可以自動(dòng)根據(jù)實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)情況（網(wǎng)絡(luò)帶寬，延時(shí)和穩(wěn)定性），選擇合適的視音頻編碼和傳輸參數(shù)，以達(dá)到最好的傳輸效果。在信號(hào)不好的地方會(huì)提示記者，以免受限于網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸失效。

2）先進(jìn)的編碼

直播節(jié)目對(duì)內(nèi)容同步要求較高。為了使視頻能低延時(shí)、高質(zhì)量回傳到直播室，設(shè)備需要采用先進(jìn)的H.264/AVC編碼，在高壓縮比保證畫(huà)面質(zhì)量的同時(shí)能在幾乎零延時(shí)的情況下把視頻壓縮編碼好。

3）多卡多模綁定

在一些特殊情況下，局限于某一運(yùn)營(yíng)商信號(hào)不佳或一卡達(dá)不到預(yù)期速率時(shí)，為了能夠確保帶寬達(dá)到傳輸要求，需要采用多卡綁定技術(shù)來(lái)獲得足夠的帶寬資源。多卡綁定主要是實(shí)現(xiàn)多卡多模對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)多信道的帶寬利用率最大化，彌補(bǔ)單卡單模存在缺陷，避免當(dāng)某一運(yùn)營(yíng)商信號(hào)抖降時(shí)，無(wú)法正常傳輸視頻的問(wèn)題[4]。

4）負(fù)載均衡

負(fù)載均衡就是將一定量的數(shù)據(jù)傳輸壓力分配到不同的信道中進(jìn)行傳送，降低對(duì)一條信道的負(fù)擔(dān)和依賴性，適當(dāng)利用多條信道共同完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ鳌Ｘ?fù)載均衡檢測(cè)程序利用與4G基站之間的實(shí)時(shí)通信數(shù)據(jù)，判定其信道的質(zhì)量。并將信道質(zhì)量的數(shù)據(jù)提供給負(fù)載均衡程序作為其進(jìn)行均衡的依據(jù)，實(shí)時(shí)進(jìn)行負(fù)載調(diào)整，達(dá)到對(duì)每個(gè)信道的充分利用，并且盡可能地減少由于網(wǎng)絡(luò)帶寬變化而導(dǎo)致的丟包現(xiàn)象。

5）緩沖區(qū)

硬件客戶端將編碼后的音視頻數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)，從中調(diào)用這些數(shù)據(jù)并發(fā)送，從而使視頻數(shù)據(jù)傳送能夠有效克服網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)和丟包。增大緩沖區(qū)可以增加圖像的流暢性，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，對(duì)無(wú)線環(huán)境的要求低，但時(shí)延增加。減少緩沖區(qū)能夠有效減少時(shí)延，缺點(diǎn)是系統(tǒng)復(fù)雜，對(duì)惡劣無(wú)線環(huán)境的容忍度降低[5-6]。

6）智能天線

智能天線是4G的關(guān)鍵技術(shù)之一，該技術(shù)有可自動(dòng)分析到達(dá)無(wú)線陣列的信號(hào)、自動(dòng)跟蹤及靈活地使用波束等智能功能，可顯著提高4G移動(dòng)通信系統(tǒng)的性能，降低移動(dòng)用戶間信號(hào)的相互干擾，節(jié)約系統(tǒng)成本，減少空間電磁污染。

7）自動(dòng)后臺(tái)存儲(chǔ)

設(shè)備包含固態(tài)存儲(chǔ)器，在邊拍邊傳的同時(shí)，設(shè)備會(huì)對(duì)視頻同時(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)，并可選擇性地對(duì)視頻進(jìn)行后期上傳。在信號(hào)惡劣的情況下，可能會(huì)降低直播的碼率，但對(duì)此視頻進(jìn)行再次編輯時(shí)需要用到高質(zhì)量的視頻，這時(shí)就可以用到上傳的視頻。

硬件客戶端的規(guī)格要求如表5所示。

表5 硬件客戶端的規(guī)格

3.2.2 軟件客戶端

軟件客戶端即手機(jī)軟件客戶端，可以直播安裝在手機(jī)上，通過(guò)手機(jī)的攝像頭來(lái)捕獲視頻并通過(guò)手機(jī)發(fā)射模塊來(lái)發(fā)射信號(hào)到互聯(lián)網(wǎng)，視頻的分辨力由手機(jī)本身自帶的攝像頭來(lái)決定，一般以720p居多。軟件子系統(tǒng)需要支持Apple iOS和Android等流行智能操作系統(tǒng)，主要功能有手機(jī)邊拍邊直播、手機(jī)邊拍邊上傳、手機(jī)通話系統(tǒng)等。

1）手機(jī)邊拍邊直播

用戶在手機(jī)上進(jìn)行視頻直播，直播程序打開(kāi)后利用手機(jī)攝像頭錄制視頻，通過(guò)手機(jī)話筒或藍(lán)牙耳機(jī)錄制聲音，將采集到的視頻和聲音經(jīng)過(guò)H.264編碼壓縮后發(fā)到服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)直播功能。每臺(tái)手機(jī)相當(dāng)于一臺(tái)遠(yuǎn)程無(wú)線直播終端。直播內(nèi)容延時(shí)要求在1 s以內(nèi)。考慮到手機(jī)信號(hào)的不穩(wěn)定，程序能根據(jù)當(dāng)前的通信碼流對(duì)直播視頻的碼率進(jìn)行自適應(yīng)控制，保證視頻的流暢。

用戶只須打開(kāi)直播程序，點(diǎn)擊開(kāi)始，就可以進(jìn)行視頻直播，在直播過(guò)程中修改直播標(biāo)題、將直播信息通過(guò)手機(jī)短信發(fā)送給其他人。在直播過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)屏蔽呼入的電話和短信，確保直播流暢進(jìn)行。

2）手機(jī)邊拍邊上傳

對(duì)于實(shí)時(shí)性要求不高的視頻，用戶用手機(jī)拍的同時(shí)，由客戶端上傳高質(zhì)量的視頻版本到服務(wù)器上?？蛻舳顺绦蚩梢赃\(yùn)行在后臺(tái)，用戶直接調(diào)用手機(jī)的攝像機(jī)程序進(jìn)行拍攝，拍攝開(kāi)始后，后臺(tái)的客戶端程序自動(dòng)開(kāi)始上傳視頻。視頻上傳支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳，在網(wǎng)絡(luò)不佳的情況下，也能保證續(xù)傳，將視頻完整地傳到服務(wù)器。支持多個(gè)視頻排隊(duì)上傳，用戶可以調(diào)整視頻上傳的優(yōu)先級(jí)。

3）手機(jī)通話系統(tǒng)

對(duì)于專業(yè)的用戶，通過(guò)程序上的通話系統(tǒng)可以直接聯(lián)系到我們的導(dǎo)播，實(shí)時(shí)進(jìn)行溝通。通話系統(tǒng)要做到與手機(jī)本身的錄音系統(tǒng)不相互干擾，一般情況要求使用藍(lán)牙耳機(jī)。同時(shí)還需要在傳輸過(guò)程不影響視頻的傳輸。

3.3 接收解碼子系統(tǒng)

接收解碼子系統(tǒng)接收客戶端發(fā)過(guò)來(lái)的TCP/IP包。硬件解碼后生成模擬和數(shù)字視音頻流，分別進(jìn)視頻矩陣，從而接入數(shù)字演播室系統(tǒng)。導(dǎo)播通過(guò)電視墻可隨時(shí)調(diào)用4G回傳的視音頻信號(hào)。同時(shí)PC客戶端也可以通過(guò)導(dǎo)播頁(yè)面，對(duì)直播內(nèi)容、素材進(jìn)行切換，系統(tǒng)支持雙屏輸出，導(dǎo)播操作頁(yè)面和輸出頁(yè)面分開(kāi)，方便使用。接收解碼子系統(tǒng)接入直播演播室系統(tǒng)的流程如圖4所示。

管理軟件可以配置系統(tǒng)中可連接的設(shè)備數(shù)、端口、IP地址、編碼格式等。系統(tǒng)內(nèi)置HTTP配置服務(wù)，可遠(yuǎn)程管理該服務(wù)器，進(jìn)行遠(yuǎn)程配置、遠(yuǎn)程啟動(dòng)、狀態(tài)診斷等操作?？紤]到連接外網(wǎng)所帶來(lái)的感染病毒風(fēng)險(xiǎn)，專線需要經(jīng)過(guò)防火墻連接到服務(wù)器，建議該系統(tǒng)采用Linux操作系統(tǒng)。

系統(tǒng)配備廣播級(jí)視音頻I/O板卡，支持SDI，VGA，DVI等方式輸出視頻信號(hào)，普通音箱接口輸出聲音信號(hào)，并可直接將視頻轉(zhuǎn)碼成Flv碼流輸出到網(wǎng)頁(yè)上。系統(tǒng)可支持雙機(jī)熱備份，防止服務(wù)器宕機(jī)。系統(tǒng)在硬件方面對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行了雙備份，如網(wǎng)口、電源、風(fēng)扇等。

3.4 系統(tǒng)特點(diǎn)

本系統(tǒng)以4G傳輸技術(shù)為手段對(duì)傳統(tǒng)高清電視節(jié)目進(jìn)行傳輸，可以讓用戶隨時(shí)隨地實(shí)況直播高清電視，為專業(yè)與業(yè)余用戶提供較好性價(jià)比和靈活性的高清視頻傳輸手段。

本系統(tǒng)的特點(diǎn)主要有:1）易接受。任何人可以使用、沒(méi)有任何限制（卡車、有線、室內(nèi)、室外）。2）低成本。更多團(tuán)隊(duì)、更廣實(shí)況覆蓋、促生新業(yè)務(wù)。3）易使用。兼容任意攝像機(jī)、一般4G智能手機(jī)，一鍵操作即可搞定。4）可移動(dòng)。移動(dòng)到記者或攝像師所去的任何地方。5）高清。最高達(dá)到1080p的分辨力，方便了高清新聞直播。6）抗衰弱。采用自適應(yīng)、多卡多模綁定、負(fù)載平衡、智能天線等關(guān)鍵技術(shù)，增加系統(tǒng)傳輸帶寬，抵抗信道衰弱。

4 總結(jié)

在各種類型的高清電視節(jié)目中，觀眾很關(guān)注的新聞節(jié)目目前還很少高清化，特別是突發(fā)事件現(xiàn)場(chǎng)高清直播。其主要原因是使用傳統(tǒng)的直播方式成本昂貴，系統(tǒng)復(fù)雜，對(duì)環(huán)境和技術(shù)的要求苛刻。本文所設(shè)計(jì)的基于4G傳輸技術(shù)的高清電視直播系統(tǒng)，在新聞與節(jié)目的傳輸上有一定的借鑒價(jià)值。希望能不斷通過(guò)把新技術(shù)應(yīng)用到廣播電視中，提高廣播電視技術(shù)水平，進(jìn)而增強(qiáng)廣播電視節(jié)目的競(jìng)爭(zhēng)力。

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