基于ITU-T J.183的8K廣播電視傳輸方案與實(shí)現(xiàn)

張冬青，李海波，鄭智倫

（廣東省廣播電視網(wǎng)絡(luò)股份有限公司，廣東 廣州 510623）

0 引言

近兩年，國(guó)內(nèi)8K技術(shù)及制作方面已經(jīng)取得一定進(jìn)展。中央廣播電視總臺(tái)計(jì)劃于2021年開展8K超高清試驗(yàn)，并可望在2022年北京冬奧會(huì)前夕開通8K的超高清試驗(yàn)頻道。工業(yè)和信息化部、國(guó)家廣播電視總局、中央廣播電視總臺(tái)聯(lián)合發(fā)布的《超高清視頻產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2019—2022年）》，提出堅(jiān)持“4K先行、兼顧8K”的總體技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)我國(guó)超高清視頻產(chǎn)業(yè)快速、健康、有序發(fā)展。8K超高清視頻對(duì)畫面質(zhì)量將帶來質(zhì)的提升，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的高程度還原，甚至接近于人眼的感受。在賽事/演出直播、游戲等消費(fèi)娛樂領(lǐng)域，8K可以為觀眾和用戶帶來更加震撼的視覺沖擊力，以及細(xì)節(jié)上的精密展現(xiàn)。而8K更深層次的價(jià)值在于，其更大的信息密度承載能力，以及更多細(xì)節(jié)呈現(xiàn)力，將可以催生出更多的應(yīng)用場(chǎng)景。8K節(jié)目制作也正逐步融入主流，并且在特殊應(yīng)用場(chǎng)景中，8K將是不可或缺的。隨著5G時(shí)代的到來，8K超高清產(chǎn)業(yè)將迎來更大的發(fā)展機(jī)遇。作為視頻業(yè)務(wù)的專業(yè)運(yùn)營(yíng)商，廣東省廣播電視網(wǎng)絡(luò)股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“廣東廣電網(wǎng)絡(luò)”）于2019年開始布局8K廣播電視的技術(shù)研究，并于2020年開展試點(diǎn)工作。

1 可行性分析

隨著超高清視頻產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，直播點(diǎn)播視頻傳輸對(duì)帶寬要求越來越高。目前廣東廣電網(wǎng)絡(luò)數(shù)字廣播電視傳輸采用的是DVB-C標(biāo)準(zhǔn)，高清互動(dòng)電視采用的NGOD標(biāo)準(zhǔn)，由于這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均沒有類似DOCSIS的信道綁定技術(shù)，因此單個(gè)頻點(diǎn)無論是采用64QAM（約38 Mb/s）調(diào)制還是256QAM（約50 Mb/s）調(diào)制，均難以實(shí)現(xiàn)8K（100 Mb/s +）視頻傳輸。如要通過廣播電視網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)8K視頻傳輸，需進(jìn)行兩個(gè)或以上的信道綁定，才能滿足傳輸?shù)膸捯?。因此，選擇一個(gè)可在廣播電視網(wǎng)絡(luò)中適用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是第一步。國(guó)際電聯(lián)ITU-T J.183協(xié)議中的信道綁定標(biāo)準(zhǔn)以及歐洲的DVB-C2標(biāo)準(zhǔn)均有在廣播電視網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)8K傳輸?shù)慕鉀Q方案。廣東廣電網(wǎng)絡(luò)自行研發(fā)的家庭智能網(wǎng)關(guān)（DVB）支持將同軸網(wǎng)絡(luò)中的廣播電視信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并通過TS over IP的方式在家庭網(wǎng)絡(luò)中分發(fā)，8K電視機(jī)或8K機(jī)頂盒接收后對(duì)視頻進(jìn)行解碼并呈現(xiàn)。

1.1 TDM與信道綁定方案

ITU-T J.183《Time-division multiplexing of multiple MPEG-2 transport streams and generic formats of transport streams over cable television systems》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范詳細(xì)規(guī)定了采用基于 TDM（time-division multiplexing）與信道綁定的方式傳輸超高清電視（UHDTV）的技術(shù)。

具體說來，由于傳統(tǒng)DVB-C網(wǎng)絡(luò)的單個(gè)信道不足以提供傳輸一套8K超高清電視節(jié)目所需的容量，因此就需要捆綁多個(gè)物理頻道。在前端，8K音視頻被封裝到TS，由于碼率很大，必須將TS進(jìn)行分割，然后被復(fù)用進(jìn)一種ITU-T J.183所規(guī)定的TSMF（Transport Stream Multiplexing Frame）“超級(jí)幀”，最后對(duì)每一個(gè)超級(jí)幀進(jìn)行64 QAM或256 QAM調(diào)制，可以調(diào)制到有線電視網(wǎng)絡(luò)中任何一個(gè)物理頻道；另外在前端SIG中需要指定NIT的Cable Delivery System Descriptor中對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)的Frame_Type為TSMF_Type，從而使得終端獲知該頻點(diǎn)包括TSMF幀。在TSMF幀中通過Stream_ ID和Original_Network_ID惟一標(biāo)志在TSMF中的一個(gè)TS流，在前端SIG中還需要在SDT表中包括TSMF幀中的TS對(duì)應(yīng)的Service描述。而在用戶端，接收設(shè)備對(duì)解調(diào)后的每一個(gè)超級(jí)幀進(jìn)行解復(fù)用、同步、組合等處理，重建出8K的TS，再進(jìn)行解碼。具體方案如圖1所示。

圖1 基于TDM與信道綁定的8K傳輸方案

圖中，8K視頻源通過IP組播方式播發(fā)，TSMF分割打包服務(wù)器接收到8K視頻碼流后，將TS流分割，并按照ITU-T J.183的規(guī)范封裝成TSMF超級(jí)幀，再通過復(fù)用調(diào)制器交付到HFC網(wǎng)絡(luò)；相應(yīng)的SIG的NIT以及SDT需要根據(jù)TSMF規(guī)范添加上文所述的相應(yīng)參數(shù)和描述，并同樣通過復(fù)用調(diào)制器交付到HFC網(wǎng)絡(luò)；家庭網(wǎng)關(guān)按照ITU-T J.183的規(guī)范對(duì)每一個(gè)超級(jí)幀進(jìn)行解復(fù)用、同步、組合處理重建出8K視頻流，然后以TS over IP方式分發(fā)到家庭網(wǎng)絡(luò)。

1.2 DVB-C2方案

DVB-C2比DVB-C具有更高的傳輸效率，支持傳輸8K業(yè)務(wù)。需要指出的是，如果使用DVB-C2技術(shù)，要求家庭智能網(wǎng)關(guān)的Tuner必須支持DVB-C2，同時(shí)需要升級(jí)前端的復(fù)用調(diào)制器以支持COFDM調(diào)制。如圖2所示。

圖2 基于DVB-C2的8K傳輸方案

圖中，8K視頻源通過IP組播方式播發(fā)，前端系統(tǒng)接收到8K視頻碼流后，轉(zhuǎn)為TS over IP匯入到COFDM復(fù)用調(diào)制器，通過COFDM復(fù)用調(diào)制器交付到HFC網(wǎng)絡(luò)。終端需要采用支持C2的解調(diào)器與，通過支持DVB-C2的TUNER/DEMUX解調(diào)出8K視頻流，然后以TS over IP方式分發(fā)到家庭網(wǎng)絡(luò)。

1.3 技術(shù)選型

廣東廣電網(wǎng)絡(luò)決定采用ITU-T J.183協(xié)議的信道綁定標(biāo)準(zhǔn)來制定方案并實(shí)施。其中，數(shù)碼視訊的下一代數(shù)字電視復(fù)用調(diào)制平臺(tái)已有工程機(jī)支持ITU-T J.183協(xié)議的信道綁定標(biāo)準(zhǔn)；華為海思的Hi3796CV300機(jī)頂盒芯片是國(guó)內(nèi)較為成熟的8K解碼方案；廣東廣電網(wǎng)絡(luò)自主研發(fā)并規(guī)模商用的家庭智能網(wǎng)關(guān)（DVB版本）配置有Full-Band Tuner，通過軟件升級(jí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)ITU-T J.183協(xié)議的信道綁定標(biāo)準(zhǔn)的支持。

2 技術(shù)方案

2.1 8K直播與點(diǎn)播方案

在ITU-T J.183協(xié)議中，幀頭字段里有較多用來描述多個(gè)視頻TS流的合并信息，主要用于slot的檢索。為了便于設(shè)計(jì)，方案對(duì)此進(jìn)行精簡(jiǎn)，不考慮多個(gè)視頻TS流合并的情景（在8K場(chǎng)景中可不應(yīng)用多個(gè)視頻TS流合并，如果需要在一個(gè)捆綁的多頻點(diǎn)信道中傳多個(gè)節(jié)目，只需要將多個(gè)節(jié)目復(fù)用為一個(gè)TS流），即只支持一個(gè)TS流（SPTS），省略終端的slot檢索過程，一個(gè)TS流中的不同節(jié)目可以用PID區(qū)分。8K直播傳輸方案如圖3所示。

圖3 8K直播傳輸方案

編碼器輸出8K節(jié)目IP-TS流，承載單個(gè)/多個(gè)節(jié)目。8K IP-TS流經(jīng)復(fù)用加擾后，傳輸?shù)絀PQAM。IPQAM負(fù)責(zé)對(duì)每個(gè)IP-TS流里接收到的TS流拆分成多路，每路都封裝成TSMF幀，然后按DVB-C 的信道協(xié)議進(jìn)行信道編碼和調(diào)制，最終通過多個(gè)信道輸出RF-TS流。由于在拆分的子碼流中添加了時(shí)間及標(biāo)識(shí)信息，可任意選擇DVB通道進(jìn)行信道綁定，進(jìn)一步提升了該方案的普適性[1]。8K點(diǎn)播傳輸方案如圖4所示。

圖4 8K點(diǎn)播傳輸方案

VSS（推流服務(wù)器）輸出IP-TS流到IPQAM、融合CDN把HLS的流轉(zhuǎn)為IP-TS流到IPQAM。

IPQAM負(fù)責(zé)對(duì)每個(gè)IP-TS流里接收到的TS流拆分成多路，每路都封裝成TSMF幀，然后按DVB-C的信道協(xié)議進(jìn)行信道編碼和調(diào)制，最終通過多個(gè)信道輸出RF-TS流。1個(gè)TSMF幀有一個(gè)長(zhǎng)度為188字節(jié)的TSMF_header和52個(gè)TS包組成。由于多信道綁定，為了便于接收端對(duì)齊信道，要求信道間的超幀盡可能對(duì)齊，為了減少接收端的緩存空間，要求信道間的傳輸延遲不超過5 ms。

2.2 終端接收及呈現(xiàn)

2.2.1 8K碼流接收方案

采用TSMF方案?jìng)鬏?K視頻時(shí)，需有相對(duì)應(yīng)的終端支持。從多個(gè)頻點(diǎn)解調(diào)輸出TS流（TSMF格式），利用TSMF_header字段中的內(nèi)容對(duì)齊每個(gè)頻點(diǎn)輸出的超幀（superframe）。然后通過carrier sequence序號(hào)，合并輸出數(shù)據(jù)。

采用TDM與信道綁定的方式傳輸時(shí)。網(wǎng)關(guān)中的業(yè)務(wù)終結(jié)系統(tǒng)需要升級(jí)以包括TSMF組包處理以及8K業(yè)務(wù)終結(jié)，其中TSMF組包模塊用于完成TSMF的解復(fù)用，同步以及組合處理重建8K的TS流，而8K業(yè)務(wù)終結(jié)需要增補(bǔ)8K業(yè)務(wù)對(duì)應(yīng)的SI/PSI信令處理。

2.2.2 8K直播搜臺(tái)方案

基于廣東廣電網(wǎng)絡(luò)的搜臺(tái)方案（配置表）進(jìn)行如下改動(dòng)，來滿足8K直播節(jié)目的搜臺(tái)需求，這種改動(dòng)不會(huì)修改原有配置表的結(jié)構(gòu)。

（1）增 加ServiceInfo表ServiceArray中ServiceType和ReferServiceId兩個(gè)屬性的新的取值和含義定義，如增加ServiceType取值為66（注：66為舉例值）時(shí)，表示該節(jié)目為8K節(jié)目，增加ReferServiceId值的含義解析，當(dāng)ServiceType取值為6 6時(shí)，ReferServiceId的值表示的是TSMF_PID的值。

（2）對(duì)于8K節(jié)目，通過ServiceInfo表的多個(gè)ServiceArray字段來描述其所傳輸?shù)亩鄠€(gè)頻點(diǎn)和TSMF_PID的信息。

2.2.3 8K點(diǎn)播改造方案

圖5中，紅色字體部分即為針對(duì)8K點(diǎn)播節(jié)目所增加的步驟。根據(jù)流程，主要對(duì)互動(dòng)平臺(tái)推流、資源分配及媒資相關(guān)系統(tǒng)模塊進(jìn)行改造，涉及VSS（推流服務(wù)器）、ERM（邊緣資源管理）、CDN（內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)）、Portal（門戶系統(tǒng)）、媒資系統(tǒng)。

圖5 8K點(diǎn)播接收改造

3 方案實(shí)施

由于目前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的AVS3編碼方案未完全定版，基于本方案進(jìn)行測(cè)試的8K視頻暫時(shí)采用AVS2 編碼方案，碼率設(shè)定為95 Mb/s。2020年6月上旬，在廣東廣電網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室基于上述方案實(shí)現(xiàn)了8K直播的播出。

測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)，由于家庭智能網(wǎng)關(guān)需要通過軟件拼接TSMF幀并在局域網(wǎng)進(jìn)行IP分發(fā)，處理一路AVS2 95 Mb/s編碼的8K視頻時(shí)家庭智能網(wǎng)關(guān)CPU的占用在60%左右，設(shè)備處于較高負(fù)荷狀態(tài)。AVS3的目標(biāo)編碼性能理論比AVS2將提升一倍，通過AVS3編碼可在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)和終端上繼續(xù)提升8K視頻的幀率與色域等指標(biāo)，充分發(fā)揮8K視頻的高階特性。

圖6 8K直播效果

4 結(jié)束語

本方案采用ITU-T J.183協(xié)議對(duì)復(fù)用調(diào)制設(shè)備、家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備 進(jìn)行改造，在廣播電視網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)了8K視頻的傳輸與呈現(xiàn)。與采用DVB-C2、DOCSIS3.1標(biāo)準(zhǔn)的8K傳輸方案 相比，該方案整體改造成本低，可延長(zhǎng)HFC網(wǎng)絡(luò)與家庭智能網(wǎng)關(guān)（DVB版本）的商用壽命。不過，由于目前廣電總局尚未發(fā)布廣播電視網(wǎng)絡(luò)的8K電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)，基于該方案進(jìn)行規(guī)模商用可能存在一定政策風(fēng)險(xiǎn)。此外，市面上缺乏支持ITU-T J.183協(xié)議的設(shè)備也是制約該方案規(guī)模商用的一個(gè)重要因素。