新一代多媒体移动标准DVB-H

2019-11-03 10:40:31

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供稿：网友

　　北京邮电大学移动多媒体实验室解伟全子一

　　摘要：新一代多媒体移动标准DVB-H一直引人关注，本文对DVB-H系统的构成和时间分片、MPE-FEC及4K传输模式等多个关键技术进行介绍和分析。

　　关键词： DVB-H（Digital Video Broadcasting-Handheld，数字视频广播-手持） SFN（Single Frequency Network，单频网） MPE（Multiprotocol Encapsulation,多协议封装)时间分片

　　一、引言

　　DVB-H（早期为DVB-X）标准全称为Digital Video Broadcasting Handheld，它是DVB组织为通过地面数字广播网络向便携/手持终端提供多媒体业务所制定的传输标准。该标准被认为是DVB-T标准的扩展应用，但是和DVB-T相比，DVB-H终端具有更低的功耗，移动接收和抗干扰性能更为优越，因此该标准适用于移动电话、手持计算机等小型便携设备通过地面数字电视广播网络接收信号。简而言之，DVB-H标准就是依托目前DVB-T传输系统，通过增加一定的附加功能和改进技术使手机等便携设备能够稳定的接收广播电视信号。

　　一直以来，凡是与移动业务相关的标准都非常令人关注，DVB-H标准也是如此，从该标准起草开始其相关新闻就不断出现在各种技术期刊杂志，DVB-H项目主席Jukka Henriksson宣称：市场调查显示公众非常渴望能够在手机上看到电视内容。事实上，由于DVB-H是一种支持多媒体业务的标准，除了电视业务外它还可以开展电子报纸、电子拍卖、旅游向导、游戏、视频点播和交互等多种综合性业务。虽然目前的2.5G和3G等标准也能够完成这类业务，但是与DVB-H相比显然它们都较为昂贵，因此DVB-H为移动运营商和用户又提供了一种可供选择的方案，从而使这一领域的竞争更为激烈。尤其是2003年后期，作为DVB-H坚定支持者的Nokia和NEC相继完成了第一代DVB-H便携终端的研制，他们认为通过对DVB-H技术的使用必定能够吸引更多的用户，为手机工业创造出更多的利润回报。2004年DVB-H将在欧洲和美国进行成规模的测试，预计在2005年投入商业运营。

　　下面我们就对DVB-H的系统结构和关键技术做详细的阐述。

　　二、DVB-H系统结构

　　DVB-H是建立在DVB（数据广播）和DVB-T（传输）两个标准之上的标准，虽然它是一个传输标准，事实上注重于协议实现。

　　1.示意系统

　　系统前端由DVB-H封装机和DVB-H调制器构成，DVB-H封装机负责将IP数据封装成MPEG-2系统传输流，DVB-H调制器负责信道编码和调制；系统终端由DVB-H解调器和DVB-H终端构成，DVB-H解调器负责信道解调、解码，DVB-H终端负责相关业务显示、处理。

　　目前，DVB标准中支持4种数据广播的方式：数据管道、数据流、多协议封装和数据轮播，虽然它们原则上都可以传送IP数据，但是由图1可以看出，DVB-H只使用了多协议封装（MPE）方式，这主要是因为数据管道和数据流两种方式较少使用，因此未予考虑，而数据轮播方式主要被用于传送文件和数据对象，并不适用于流媒体业务，且在该方式下很难实现时间分片。与其他三者不同，多协议封装技术对数据对象和流媒体业务都具有良好的支持特性，并且还可接受IP以外的其他传输协议，具有更高的灵活性，特别是在该方式下很容易实现时间分片，因此能够符合DVB-H的技术需求。需要进一步说明的是DVB组织已经对多协议封装方式下的IP地址解析做出规范即INT表（IP/MAC Notification Table，IP/MAC 通告表）。

　　DVB-H系统并不是简单的将数据广播和DVB-T融合在一起，这主要是因为DVB-H标准支持的是手机等小型终端设备，它们的天线更小巧，移动更为灵活，因此DVB-H传输系统还具有以下特殊要求：

　　(1)由于接收终端采用电池供电，为提高电池的使用时间，终端应能够周期地关掉一部分接收电路以节省功耗；

　　(2)对于漫游的用户，当用户进入新区域后应仍能非常顺利的接收DVB-H业务；

　　(3)对于室内、室外、步行、乘车等不同的接收方式，传输系统应能保证在各种移动速率下顺利接收DVB-H业务。

　　(4)在充斥大量脉冲干扰的环境中，传输系统应能采取有效的措施减少该类干扰带来的影响。

　　(5)DVB-H作为手持终端的通用业务规范，系统应能提供足够的灵活性以满足不同传输带宽和信道带宽应用。

　　2.协议层次划分

　　其中网络层不在DVB-H标准范围内，标准将实现数据链路层和物理层，它们特点为：

　　(1)数据链路层

　　采用时间分片技术，用于降低手持终端的平均功耗，便于进行平稳、无缝的业务交换。

　　采用MPE前向纠错技术，用于提高移动使用中的C/N门限和多谱勒性能，同时也能增强抗脉冲干扰的能力。

　　物理层在DVB-T的基础上进行补充，增加了4K传输模式和深度符号交织等内容，除原有DVB-T的技术特点外还具有：

　　在TPS（Transmission Parameter Signalling，传输参数信令）比特中增加DVB-H信令，用于提高业务发展速度。

　　蜂窝标识在TPS中指示，用于支持移动接收时的快速信号扫描和频率交换。

　　增加4K模式以适应移动接收特性和单频网蜂窝的大小，提高网络设计、规划的灵活性。

　　2K和4K模式进行深度符号交织，进一步提高它们在移动环境和冲击噪声环境下的鲁棒性。

　　DVB-H标准对时间分片、蜂窝标识和DVB-H信令技术作为强制性要求必须使用，其它各技术组合是可选的。

　　三、关键新技术

　　前面我们已经提到，DVB-H是DVB数据广播和DVB-T两种技术的融合，但是如果仅仅依靠上述两种技术是不能完全解决DVB-H所面临的问题。例如，虽然DVB-T已经被证明在固定、移动、便携接收等方面具有非常出众的性能，但是对于手持设备而言还需要进行进一步的改进，主要问题在于：

　　功耗

　　DVB-H终端采用电池进行供电，因此要求射频接收和信道解调、解码部分的功耗小于100mW，而DVB-T计划2007年才能将该指标降到600mW，显然二者要求相距甚远。

　　蜂窝环境下的性能

　　由于蜂窝环境下的信道状况多变，因此DVB-T要在以下3个方面进行改进：移动信道的C/N、移动信道的多普勒效应和抗脉冲干扰能力。

　　网络设计应充分考虑移动特性

　　由于DVB-H终端在网络内移动时接收天线小巧且单一，因此对于大、中型单频网要有优化设计考虑。

　　DVB-H为此增加了新的技术模块以期解决上述问题，它们主要包括：

　　(1)时间分片：基于时分复用技术，用于节省接收终端功耗和便于网络交换；

　　(2)MPE-FEC：基于RS纠错编码技术，为MPE增加额外的前向纠错编码，用于提高系统的移动和抗脉冲干扰能力；(3)4K模式：在DVB-T的2K、8K传输模式基础上增加4K模式，用于提高网络设计的灵活性；

　　(4)DVB-H TPS：为DVB-H设计专用的传输参数信令，用于提高系统同步和业务访问速度。

　　下面我们对上述新技术进行一一介绍。

　　1.时间分片

　　时间分片技术是DVB-H中最为重要的新技术模块，它不但能够有效降低手持终端的平均功耗，并且还是不同网络间实现平稳、无缝业务交换的基础。

　　时间分片技术采用突发方式传送数据，每个突发时间片传送一个业务，在业务传送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，这样手持终端能够在指定的时刻接收选定的业务，在业务空闲时间做节能处理，从而降低总的平均功耗。当然，这期间前端放射机是一直工作的，在相同业务的两个时间片之间将会传送其他业务数据，DVB-H信号就是由这样许多的时间片组成的。从接收机的角度而言，接收到的业务数据并非是如传统恒定速率的连续输入方式，数据以离散的方式间隔到达，因此称之为突发传送，如果解码终端要求数据速率较低但必须是恒定码率，接收机可以对接收到的突发数据首先进行缓冲，然后生成速率不变的数据流。

　　(1)时间分片与功耗

　　时间分片技术采用突发方式传送数据，与传统数据流业务相比具有更高的瞬时速率。为了达到节省功耗的要求，突发带宽一般为固定带宽的10倍左右。例如一个恒定速率为350kbit/s的业务流，它意味着要求一个4Mbit/s左右的突发带宽。注意，突发带宽在固定带宽两倍的情况下功耗就可以节省50%，因此如果带宽为10倍，可以节省90%。

　　(2)时间分片与PSI/SI

　　DVB-H标准规定PSI/SI信息不进行时间分片处理，它们将被分配一个固定带宽进行传送，这主要是因为目前使用的PSI/SI信息并不支持时间分片传送，如果进行改动将难以和目前数据表兼容，此外移动手持终端不也要求PSI/SI被时间分片。

　　手持终端在DVB-H系统中需访问SI中的NIT和INT表。NIT表的内容是固定的，当手持终端加入到一个新网络中时首先要接收该表，确定网络参数。当在不同的传输流之间切换时，手持终端需读取INT表，除非以后INT表发生了变更，否则终端将不再接收INT表，INT表变更信息在PSI的PMT表中进行标识。

　　由于DVB标准规定PSI信息必须每隔100ms重传一次，如果突发脉冲的业务传送时间比100ms时间长，则手持终端能够在接收业务的同时访问所有PSI信息；如果业务传送时间小于100ms，手持终端需在业务接收完毕后继续保持一段工作时间，以确保完成所请求PSI表的接收。

　　(3)时间分片与业务交换

　　采用时间分片技术使手持终端能够在业务传送空闲周期对相邻蜂窝进行监视，扫描其他频率信号、测试信号强度，但并不中断本业务的接收。那么当用户进入新的网络时，手持终端根据监视结果在空闲周期切换到具有相同业务的不同传输流上，从而实现准最优、无缝业务交换。如果我们在前端对业务同步精确编排，完全能够使相同业务及时出现在相邻峰窝的不同时隙上，而用户不会察觉这种变化。注意在单频网情况下，只有终端处于不同网络时才进行业务交换，对于单频网内所有发射机而言被认为是同一峰窝。

　　此时，需要考虑的问题是这种监视工作必定会影响降低功耗要求，实际上如果将这种影响限制在一个可接受的量级，例如监测某个单一频率信号强度的时间不超过20ms，并且用智能预测等方式降低需监测信号的数量，就可以满足DVB-H系统的要求。

　　(4)时间片和条件接收

　　DVB-H可采用两种方式实现条件接收，一种是基于IP的条件接收系统（IP-CAS）。所有的CAS相关信息都在IP数据中，并可以支持时间分片技术，确保节省功耗。注意，DVB-H标准不须支持CAS和接收机间的双向传送，IP-CAS的只须支持广播环境即可。

　　另一种方式是采用DVB通用加扰算法的条件接受系统（DVB-CAS），此时在DVB-H系统通中传送CAS信息将面临一些问题。由于DVB-CAS使用ECM传送解扰密钥，因此ECM不能进行时间分片，另外DVB-CAS还使用EMM，用于传送授权管理信息，由于EMM的时间间隔是随机的，终端必须一直工作以确保不会丢失EMM，并且直接使用DVB-CAS将影响网络漫游业务。

　　为保证DVB-CAS的使用，DVB-H做出如下改动：

　　为确保解扰工作的进行，接收机必须完成ECM接收，系统通过ECM重复率描述符（ECM_repetition_rate_descriptor）标识ECM最小重复周期。如果手持终端在开始接收业务数据前至少完成了一个ECM最小周期接收，则至少能收到一个ECM，从而获取解扰密钥。通常解扰密钥的有效时间为10s，为此接收机必须确保在业务数据到达前10s完成解扰密钥接收。

　　EMM将采用时间片方式传送。首先将EMM封装为IP数据报形式，封装后EMM-IP 数据的时间分片方式与其他的IP数据相同，并采用MPE-FEC以减少数据丢失。从接收终端的角度来看，载有EMM的IP数据是一个附加业务，它是必须被接收的，恢复出的EMM-IP数据将被传送到DVB-CAS特定的模块对EMM信息处理。

　　通过上述方式处理后，DVB-CAS不会对用户漫游造成任何影响。

　　2.MPE-FEC

　　DVB-H标准在数据链路层为IP数据报增加了RS（Reed-Solomon）纠错编码，作为MPE的前向纠错编码，校验信息将在指定的FEC段中传送，我们称之为MPE-FEC。MPE-FEC的目标是提高移动信道中的C/N、多普勒性能以及抗脉冲干扰能力。注意，该部分内容在标准中不是强制的，因此没有MPE-FEC功能的接收终端可以简单地略过FEC段完成业务接收。

　　实验证明即使在非常糟糕的接收环境中，适当的使用MPE-FEC仍可以准确无误恢复出IP数据。MPE-FEC的数据开销分配非常灵活，在其它传输参数不变的情况下，如果校验开销提高到25%，则MPE-FEC能够使手持终端达到和使用天线分集接收时相同的C/N。实际上，我们可以通过选定一个高配置的传输参数提高传输码率来补偿MPE-FEC的开销，而它将提供比DVB-T（没有MPE-FEC）好得多的性能，例如在高速、单一天线的情况下，采用MPE-FEC的手持终端能够在DVB-T环境下接收8K/16-QAM甚至是8K/64-QAM信号，此外MPE-FEC提供非常好的抗脉冲干扰能力。

　　MPE-FEC帧被安排在一个255列的矩阵中，行的数量是可变化的，行数可以从1变化到一个定值，该值在time_slice_fec_identifier_descriptor描述符中标识，最大为1024，因此最大的MPE-FEC帧占用2M比特。

　　矩阵中的每个位置控制一个信息字节，MPEF-FEC靠左边的191个列用于IP数据报和内容填充，称为应用数据表；靠右边的64个列用于描述FEC码的校验信息，称为RS数据表；我们将这种RS编码称为RS（255,191）。

　　功耗也是我们需要考查的目标，MPE-FEC在0.13工艺下消耗2mW功率，在0.18工艺下消耗1mW，事实上由于该模块工作的时间很短，其平均功耗甚至可以忽略不计。

　　3.4K模式和深度符号交织

　　DVB-H标准在DVB-T原有的2K（2048）和8K（8192）模式下增加了4K（4096）模式，通过协调移动接收性能和单频网规模进一步提高网络设计的灵活性。同时，为进一步提高移动时2K和4K模式的抗脉冲干性能，DVB-H标准特为二者引入了深度符号交织（in-depth interleaving）技术。

　　在DVB-T系统中，2K模式比8K模式提供更好的移动接收性能，但是2K模式的符号周期和保护间隔非常短，使得2K模式仅仅适用于小型单频网。新增加的4K模式符号具有较长的周期和保护间隔，能够建造中型单频网，网络设计者能够更好地进行网络优化，提高频谱效率，虽然这种优化不如8K模式的效率高，但是4K模式比8K模式的符号周期短，能够更频繁的进行信道估计，提供一个比8K更好的移动性能。总之，4K模式的性能介于2K和8K之间，为覆盖范围、频谱效率和移动接收性能的权衡提供了一个额外的选项。

　　DVB-H中3种模式关于单频网峰窝规模和移动接收性能的特点可总结如下：

　　(1)8K模式适用于单个发射机和大、中、小型单频网，它的多普勒性能允许进行高速的移动接收。

　　(2)4K模式适用于单个放射机和中、小型单频网，它的多普勒性能允许进行更高速的移动接收。

　　(3)2K模式适用于单个放射机和小型单频网，它的多普勒性能允许进行超高速的移动接收。

　　在脉冲噪声干扰条件下，由于8K模式的符号周期较长，噪声功率被平均分配到8192个子载波上，因此比2K和4K具有更好的抗干扰性能。DVB-H标准为克服这一缺点，利用8K符号的交织器对2K和4K进行深度符号交织，使二者能够具有接近8K模式的抗脉冲干扰性能。

　　虽然4K模式和深度符号交织器处在物理层，但这并不意味着要对DVB-T设备过多改造，事实上一个典型的DVB-T移动解调器（8K）已经具有足够的RAM和逻辑控制单元。此外，4K模式的发射频谱与2K和8K模式非常相似，预计不需要对发射机的滤波器进行改造。

　　4.DVB-H传输参数信令

　　DVB-H的传输参数信令（TPS）能够为系统供一个鲁棒、易访问的信令机制，能使接收机更快地发现DVB-H业务。

　　TPS是一个具有良好鲁棒性的信号，即使在低C/N地条件下，解调器仍能快速将其锁定。

　　DVB-H系统使用两个新TPS比特标识时间片和可选的MPE-FEC是否存在，另外用DVB-T中已存在的一些共享比特表示4K模式、符号交织深度和峰窝标识。

　　四、小结

　　最终，DVB-H标准主要解决了基于DVB数据广播和地面电视标准融合后的两个问题：

　　(1)采用基于时分复用的策略，实现节省功耗和业务的无缝交互；

　　(2)增加DVB-T的模式和参数，使用额外MPE-FEC技术，提供鲁棒性更强的信号，更为高效的网络规划手段，使得在室内低速率移动和室外高速率移动的手持终端（特别是手机）都能正常进行业务访问。

　　目前，欧洲已经制定了2个采用DVB-H方式的试播计划。2004年春季将在德国柏林开始的试播项目是“bmco（Broadcast Mobile Convergence）”，另一个试播项目定于2004年秋季前后在芬兰赫尔辛基实施。柏林区域测试将为DVB-H提供完善的测试环境，用于分析商业运营模式和赢利潜力，DVB-H和MPEG2的业务复用及户内移动覆盖，由于在户内接收时只用一个非常小的天线，或许要增加发射机的功率或者在网络内安装更多的转发器。

　　最后需要指出，DVB-H标准是移动通信和多媒体业务，主要还是为电视广播做准备，因此视频压缩技术对它至关重要，但广播中传统的视频压缩标准如MPEG-2显然不能满足DVB-H的需求，为此DVB-H成员已经考查了多种视频压缩格式，其中最为令人瞩目的是H.264（即MPEG-4的第10部分），目前主要集中在H.264知识产权分配问题上，另一个存在的可能是微软的Media9，它的性能正在逐步提高，但是过多的选择可能会使移动视频陷于混乱的局面，显然用户不希望面对这些彼此不兼容的平台，预计DVB将很快给出最后的答案。

----《中国多媒体视讯》