有线电视国网注册成功（2）：发展基于700MHz的4G多屏电视等
2014-04-29 08:50:41来源：DVBCN数字电视中文网 作者：DVBCN主编 李远东热度:
去年以来，业内有一个呼声逐渐显现：建议国家统筹规划有线电视、卫星电视、地面数字电视的发展，在满足公共服务需求的基础上适时建立卫星电视、地面数字电视市场化运营主体，与移动多媒体广播运营主体一并划归中国广播电视网络股份有限公司管理。
三网融合总体方案要求，符合条件的广电企业可经营增值电信业务、比照增值电信业务管理的基础电信业务、互联网接入业务、互联网数据传送增值业务、国内IP电话业务，这也顺应了近期社会要求国家培养更多的市场竞争主体、打破电信行业垄断、降低通信和宽带接入服务资费标准的要求。这项政策的出台，有利于中国广播电视网络股份有限公司今后实施全业务的发展战略。
在中国广播电视网络股份有限公司的经营范围里，有一项为“依法须经批准的项目，经相关部门批准后方可开展经营活动”。
以上为中国广播电视网络股份有限公司在未来使用和运营700MHz频段打下了相关基础。届时可开展很多相关的业务，比如移动互联网接入（尤其是面向农村地区和城市非热点地区，在城市热点地区，可与高频段融合组网）、云频谱出租/动态出租、4G多屏电视、无线M2M（智慧城市）等，将可带来多方面的利好。
1、4G移动运营商的困惑：频谱需求大、未找到分流巨大网络流量（尤其是视频）压力最经济的方式。
1）移动通信网络现有频谱远不够用，潜在需求巨大。
在全球，LTE（3.99G）和LTE-A（4G）正在被移动运营商如火如荼地商用（截止笔者写作本文时，全球已建且已商用的4G网络有101个国家/地区的279张（其中不包括虚拟移动运营商）。扁平的全IP网络架构（仅有接入与核心两级）与物理层技术的创新使得4G网络内单个基站的延时可低至10~50ms、接入速率/数据容量可高至1000Mbit/s，从而使得可以开展在线游戏、高速移动数据接入、P2P点到点服务（如浏览Netflix、Hulu、Youtube、BBC等的网络视频）、P2MP点到多点服务（如通过eMBMS（增强型多媒体广播多播技术。目前已有实际部署应用）以流媒体的方式向智能手机、平板电脑等移动型小屏幕终端传输直播电视节目）等富媒体业务。
而正是由于上述业务（尤其是传输视频和直播电视节目）对带宽的占用很大，加之移动智能终端的数量越来越多甚至呈爆发态势，4G网络所承载的数据流量就很大，国际上很多知名企业、研究机构等都对移动互联网的流量增长趋势进行了预测，其中，思科于2013年5月发布的最新一版VNI中对全球移动宽带网络数据流量的预测如图1所示，可看出近乎于呈指数级的增长态势（2012年至2017年数据流量的年复合增长率约为66%）！
图1 全球移动宽带网络的数据流量预测
思科还认为，移动视频业务占了流量的大部分。而到2017年，为了缓解移动蜂窝网络的巨大流量承载压力，有46%的数据流量将会通过诸如Wi-Fi等网络来卸载分流，而另外54%的数据流量将会在Wi-Fi网络所覆盖不到的地方（除家庭室内与公共热点场所以外的地方）产生并由4G或后4G宽带网络承载——这仍然有较大的压力。然而非常值得一提的是，根据本文所介绍的欧美正在研制中的动态广播系统，在不远的未来，地面数字电视网络与电视直播卫星也将成为4G或后4G宽带网络的卸载分流网络，届时，4G或后4G宽带网络的流量压力将大为减少。
2）全球电信运营商正在寻找新的移动宽带可用频谱
正是由于移动互联网上的数据流量持续剧增，4G运营商就越来越觉得需要得到更多的无线频谱。“数字红利”导致了此前由广播电视行业使用的UHF频段中的800MHz频段（790~862MHz）被重新分配给移动宽带网络运营商。而即将于2015年在瑞士日内瓦举行的WRC-15（世界无线电大会）上可能还会产生第二个数字红利频谱——700MHz频段（790~862MHz），可能的结果是，将允许移动宽带网络运营商和地面数字电视网络运营商共同使用这一频段。
智能手机和平板电脑这些人们日常生活所离不开的个人便携设备的问世引起了人们媒体消费方式的显著变化。这些新类型设备所提供的新服务，显著地增加了人们对于单播宽带P2P点对点传输的需求。
上述需求的日益快速增长导致了在800MHz频段将地面电视广播频谱指配给移动通信网络（即所谓的数字红利的分配）——用以满足移动媒体消费的频谱需求。
全球绝大多数地区的地面电视广播正面临着越来越大的频谱压力/挑战——比如在欧洲很多国家，广电所拥有的800MHz频段中有72MHz宽度的频谱都已被指配给了移动运营商，而且目前相关部门还在讨论将其余部分UHF频段进一步指配给移动运营商。
随着移动通信网络中流量的持续增长及第二代地面数字广播标准（如DVB-T2、DTMB-A/2.0、ATSC 3.0等）的逐步落地部署，地面电视广播的频谱被分配给移动运营商的压力正在逐渐增大。
在“2012 年世界无线电大会（WRC-12）”上，700 MHz频段被定义为“广播网络运营商和蜂窝宽带网络运营商共同的主要频率资源”。有些国家（如德国）已经在讨论在700 MHz频段的第二个数字红利，美国已经在700MHz频段部署4G移动通信网络。
目前，移动通信及移动互联网快速发展，亟需新的频谱。美国预计到2014年需新增275MHz频谱，澳大利亚预计到2020年需新增300MHz频谱，俄罗斯预计到2020年需新增385MHz频谱，日本预计到2020年需总共2020MHz频谱。
所以，全球电信运营商正在寻找新的移动宽带可用频谱。国际电信联盟ITU将于2015年秋季在日内瓦召开的WRC-15会议（2015年全球无线电大会），对于全球的广播电视界而言将是至关重要的，因为该会议的首要议题就是确定移动通信服务所需的新频谱，而且其中包括广电目前在用的UHF频段。核心目标是在2015年划分新的移动通信频谱以更好地支撑宽带移动通信的发展。该会议甚至还将通过讨论，确定出基于700MHz频段的移动通信的技术条件。与之相关的讨论议题包括：
1）根据WRC-12会议所通过的第233[COM6/8]号决议，在2015年的WRC-15会议上审议为作为主要业务的移动通信业务做出附加频谱划分，并确定国际移动通信IMT的附加频段及相关规则条款，以促进移动宽带应用的发展。
其中主要的研究内容为：（1）考虑IMT国际移动通信技术演进及部署方式，研究到2020年的频谱需求；（2）对潜在的候选频段进行共用和兼容性研究；（3）基于频谱需求结果，充分考虑保护现有业务，研究候选频段。
2）在2015年的WRC-15会议上审查根据WRC-12会议所通过的第232[COM5/10]号决议开展的有关1区移动通信业务（航空移动除外）使用694~790 MHz频段的研究结果并采取适当措施。
3）移动互联网的主要流量是点到多点视频，但4G中相关传输技术存在几个很大的缺陷。
5年前，基于UMTS（陆地移动通信系统）的MBMS（多媒体广播多播服务）技术在通信业界掀起了着实不小的波澜。但由于其时该技术尚欠火候，节目单纯依靠复制传统广播电视内容，且不符合移动用户收视时间碎片化特点、用户体验差（如视频清晰度低、内容达不到预期）等，电信运营商尝试的最终结果都是以失败告终。但业界探索的脚步并没有因此停止，随着UMTS由2G向HSPA、HSPA+、LTE、LTE-A演进升级，国际标准组织3GPP后来对MBMS做了持续演进，2010年推出了基于4G LTE/LTE-A的eMBMS（增强型MBMS）技术，该技术具备一点到多点的传输优势，使得电信运营商可以更高效地利用现有频谱和移动网络，向用户传送更高质量的内容，给电信运营商的视频业务打开了一个可谓崭新甚至全新的局面。eMBMS可提供高清或标清的直播电视以及视频推送（PUSH VOD）业务，帮助电信运营商抓住移动视频发展的契机。
由于信源编码技术的进步（目前最高效的是H.265）、信道处理技术的进步（4G的物理层采用了多输入多输出天线技术、波束赋形技术、正交频分复用技术、高阶调制（如64QAM）等，空口速率大大提高，鲁棒性大为增强）、流媒体技术的进步（苹果的HLS（基于HTTP协议的实时视频流传输。目前是事实上的国际标准）、国际标准组织MPEG的DASH动态自适应流媒体协议），加之4G本身的频谱相较于2G和3G更宽，因此，采用eMBMS后，不仅可在单个4G基站的覆盖范围内提供一点到多点的视频（如直播电视）传输，还可以用同一频点在多个时间同步的4G基站建立MB-SFN（多媒体广播单频网），向它们所覆盖的4G终端同频且同时地传送相同的视频内容。
但eMBMS也有很明显的缺陷，最大的是需要单播业务与视频（其中包括直播电视）广播业务共存于1个载波，以保证两种类型的业务能被终端同时接收。这样一来，就需要在移动通信网络中建立比以前更为密集的基站。于是，通过eMBMS技术来向便携式的移动智能终端传输视频的经济可行性就很低。另一个很现实的严重问题是，一个国家一般都有多个移动运营商（德国是4个、中国是3个），如果都建设非常密集的4G基站（这样才能保证自家的视频业务传输质量），就会造成较严重的基础设施重复建设，而如果4G基站建得不密集，用户的视频业务体验就会比较差。
除此之外，通过eMBMS技术来向便携式的移动智能终端传输视频还有一个很明显的缺陷：目前，绝大多数4G移动运营商在面临OTT视频冲击、网络流量压力巨大的背景下都纷纷转向进行流量经营，其向用户所提供的数据套餐都设置了月度数据流量消费最高上限（在国外被称为“流量封顶”。比如每月10GB），这样，一旦用户在月底还未到来时就已经将其消耗完毕（如果向一个平板电脑以2.5Mbit/s发送标清视频节目，9个小时左右就会消费完套餐里的10GB数据量），运营商给用户的移动宽带接入速率就会锐减（如降至仅为384kbit/s），此时，远不足以支持视频浏览。
综上，在各种智能终端的普及率持续暴增、新兴网络技术（3G、4G、5G等）不断创新、信息消费逐渐有蔚然成风趋势的大背景之下，移动互联网以“一日千里”的速度在发展，同时也就带来了更高的无线频谱需求（主要是由视频业务所驱动）。但是，即使解决了频谱需求问题（比如把广电在用的800MHz频段和700MHz频段重新指配给移动运营商），面向单播网络视频和广播视频承载的eMBMS技术在经济可行性、保证全网安全可靠（在承受巨大流量压力方面）、保证大部分用户的业务体验质量等方面仍很差，或许还要面临基础设施共建共享的协商问题以及由此可能引发的运营商之间的扯皮问题等。而这些正是4G移动运营商们所纠结的最大问题。如何解决？请见下文。
2、地面数字电视网络运营商的困惑：移动运营商“抢夺”自己的频段
通信界认为，随着移动数据流量的爆炸式增长，移动通信对频谱的需求大幅增加，目前由广播电视行业使用的拥有良好传播特性的UHF 频段就理应成为4G网络建设的主力频段。于是开始从广电手中“抢夺”。截至目前，全球已经有美国、日本、澳大利亚等6个国家和地区已经将700MHz频段分配给移动宽带使用，亚太和拉美一些国家和地区也公布了700MHz频段重新分配计划。此外，欧盟也于2013年1月公布正式启动将694-790MHz分配给移动通信的相关研究。随着700MHz频段在全球范围内开展移动宽带服务，全球生态系统将由此而逐渐形成。
700MHz频段回收再分配引发了广播电视业界的激烈讨论和强烈抗议：首先，在广播电视业务比较发达的地区，广播电视频段利用率很高；其次，广电已经让出800MHz频段，如果继续让出700MHz频段，将是广播电视UHF频段再丧失三分之一的频谱，将对广播电视运营商的未来业务发展，尤其是高清电视业务带来不利影响；再次，还将给广播电视运营商带来巨额的频道迁移成本；再次，腾退700MHz频段还将涉及到用户更换新的设备，而此次用户更换设备并不能向模数转换时能够使用户接受的节目数量和质量得到大幅提升，进而导致用户更换设备的积极性不高；另外，在700MHz频段部署移动宽带服务，由于700MHz可以大面积覆盖，因此很容易引起其与有线电视网络的相互干扰问题。
3、欧美探索“动态广播”解决方案
1）动态广播及其技术原理
为了解决本文第1部分所述移动通信网络的问题和第2部分所述广播电视网络的问题，加之移动运营商及通信产业界部分芯片商与终端设备商等也希望以电视广播网络来分流移动宽带网络的数据流量，基于此，DVB技术工作组在2013年1月就成立了“频谱协作使用”研究任务组（TM-CSU），该研究组所提出的一种实现方式被称为“动态广播”。
目前，据笔者了解，DVB“频谱协作使用”研究任务组（TM-CSU）正致力于研究能使地面频谱协作使用、尤其是地面广播与其他业务（如4G无线宽带）对于相同频率资源的合作使用的各种可能方式。
TM-CSU研究探索这些可能方式的目的在于在提高频谱效率和能源使用效率的同时降低媒体内容的传输成本。为了实现这些目标，TM-CSU正在分析协作频谱使用的不同自由度及可能的方式。这些自由度包括：
1）对同一个信道，在相同的地理区域、在不同的时间接入不同的服务以提供不同的应用；
2）对同一个信道，在不同的地理区域接入不同的服务以提供不同的应用；
3）地面广播的基础设施也可支持蜂窝网络运行。
如图2（网络框图）及图3（原理框图）所示，实现上述功能（“动态广播”的物理基础）的一个方式是“发射塔叠加”网络——该网络可调用UHF频段电视广播发射塔/天线作为蜂窝宽带网络的基站来形成一个覆盖范围更广的移动基站，以提高点对多点服务的传输效率。其中的4G网络通过部署eMBMS（增强型多媒体广播多播服务）向智能手机、平板电脑等小屏幕以移动流媒体方式传输电视直播等实时及其他非实时视频节目。这种实现方式使得可以用具有良好传播特性的UHF频段广播网络来减小蜂窝网络的流量压力（相关频率是由蜂窝网络通过跨频段信令来触发的），传输线性的电视广播内容或热门电视及视频内容。由于有了地面电视广播网络的卸载分流，4G的eMBMS需要强力依附于非常密集的移动通信蜂窝网的缺点就可以巧妙地规避，而且更重要的是动态广播系统中，4G网络不局限于某一个运营商的，而可以是所有移动运营商的。可见，此种方式可降低网络的运营成本。
图2 “发射塔叠加”网络原理图
图3 “发射塔叠加”技术原理图
“动态广播”的技术原理如图4所示，这种方式可充分利用用户广播信号接收终端的宽带连接及存储能力。由此，这种媒体服务交付网络的选择取决于观众的数量。在动态广播网络中，线性的直播电视可以通过地面数字电视网络传输，也可以通过4G移动宽带网络传输。电视广播节目不再像以前和现在这样被固定地调制到某一个预先分配好的频道里/频点上，而是可动态地改变频点或可动态地在地面数字电视网络与4G网络之间切换传输：当发现有大量观众正在观看某个电视节目时，动态广播系统就会选择以广播网络来传输这个节目，否则就会选择以4G网络来传输。所以，动态广播系统既能实时地优化地面数字电视网络的频谱使用，又能动态地优化4G网络的流量承载以不至于其过负，也由此，电视节目的传输成本可以最大化地被减小。而在其中起关键作用的是网络侧与用户侧各自的通信模块：动态广播的双向网络还可用于接收终端与网络管理系统之间交换监测、信令与调度数据等重要信息，比如，当某个正在播放的电视节目所在的频道/频点被动态地改变时，网络管理系统会及时地通知用户侧的接收机。
图4 “动态广播”系统架构简图
在动态广播系统之中，还有一个可以由地面数字电视网络运营商所控制的电视白频谱数据库（其中的空闲频段不是固定的，而是动态地产生的），从而使得空闲的电视频谱具有很高的可管理性，可被动态、临时地分配给4G移动运营商使用。
4G网络具有CA（载波聚合）功能，可以聚合若干个连续或非连续的射频载波，以提高用户终端的接入速率，并向其同时传送点到点业务及点到多点业务，这就为动态广播的实施奠定了技术基础：例如聚合了5个载波，就将其中位于4G本身频段（如2.6GHz）的4个用来承载单播业务，另外一个用于承载基于“发射塔叠加”的具有点到多点（广播、多播）特征的动态广播业务（比如上文所述以4G网络传输电视直播节目），而且该载波位于广电所用的700MHz频段。
由此可见，动态广播技术的基本思想是实现地面数字电视网络与4G网络间的“频谱共享”。所以，动态广播的实现基础是认知无线电。近年来为解决无线频谱资源紧张的问题，出现了许多先进的无线通信理论和技术，如链路自适应技术、多天线技术等，这些技术虽能提高频谱效率，但仍受限于香农定理。美国联邦通信委员会FCC的大量研究表明，一些非授权频段（如工业、科学和医用频段）以及适于陆地移动通信的2 GHz左右的授权频段过于拥挤，而有些授权频段却经常空闲，在任意时刻，人们所用到的频谱资源只占可用频谱资源的2%~6%。可以说，频谱资源并不是真的匾乏，而是当前缺乏一种对频谱访问进行智能管理的技术。于是，一种革命性的智能频谱共享技术——认知无线电的设想产生了。认知无线电是在当前频谱资源利用率低下的背景下提出的一种新型无线通信技术，其基本出发点就是为提高频谱利用率，具有认知功能的无线通信设备可以按照某种伺机的方式工作在已授权的频段内，这种在空域、时域和频域中出现的可以被非授权利用的频谱资源被称为“频谱空洞”。可见，动态广播技术的基本思想为：认知无线设备通过自适应频谱感知寻找空闲频谱，实现频谱动态分配和频谱共享，显著提高可用频谱利用率。
此外，“动态广播”还可以随时灵活而动态地利用其他维度的自由度/可选择性（如：电视直播和内容预先下载的选择、地面信道分配和广播网络传输参数的选择）。“动态广播”可增加网络的传输容量、减少网络的能源消耗、减少地面电视广播的频谱需求。
由此而被释放的频谱可以被认为是动态的电视白频谱，其可通过一个动态的白频谱数据库进行管理并可被诸如无线宽带网络中的相关白频谱设备使用。电视白频谱开发的一个关键需求就是避免来自白频谱设备的干扰以保证能保持电视广播网络的高品质服务——这可以通过管制某个干扰情景下白频谱设备的工作频率与发射功率来实现。
“动态广播”的电视白频谱是如何产生的？
近几年，视听终端技术呈迅速发展态势，创新可谓“层出不穷”：目前的大多数电视机与机顶盒都具有联网能力，除了内置有调谐器，还具有宽带连接接口（空中接口或以太网口）、存储模块（内置的或可通过USB或本地局域网外联的硬盘、固态硬盘等），这些新增的功能可增强人们的电视观看体验。
上述这些创新为运营商及厂商等向用户提供与电视相关的额外服务功能（如本地内置或外联的存储设备可用于开展个人视频录像PVR服务；网络连接功能使得可以开展视频点播VoD、交互式游戏、信息广播、高级电子节目信息EPG等业务）奠定了基础。目前，一些接收设备制造商通过设备的宽带连接链路向用户提供其私有的内容门户/站点接入，而运营商们则通过设备的宽带连接链路向用户提供与电视节目同步的数据业务/服务，电视广播商也可通过这种双向交互式终端及诸如HbbTV（广播/宽带混合式电视的欧洲标准，目前欧盟已介入研发其下一代标准HbbTV 2.0）这一类中间件向用户提供与当前正在播放的电视节目同步的且相关联的附加数据服务（由IP通道来下行）。
DVB TM - CSU的主席Jan Zollner先生在今年的荷兰国际广播电视设备展览会中发言称，HbbTV这类相关技术可通过宽带网络向接收机传送与电视节目相关的数据业务/服务，但是，到目前为止，这些技术均不能实现电视广播网络与宽带网络（如4G移动通信网络）之间相互的无缝协作，而只有动态广播技术才能实现电视广播网络与宽带网络（如4G移动通信网络）这两种媒介相互之间真正的无缝协作，可传输各种实时及非实时的视频内容及Web网络应用。
综上，动态广播技术的理念是“优化内容传输/分发的成本控制并提高频谱效率”，其系统架构如上文图4所示，其中，“决策逻辑模块”及用户终端是两个关键的组成部分，前者具有网络管理功能，后者则是动态广播的接收设备。
2）动态广播系统提高点到多点视频/电视直播节目传输效率的方式
在动态广播系统之中，电视节目可通过广播网络或宽带网络传输——取决于内容的冷热程度——对于有大量观众的受欢迎的电视节目，用广播网络传输之，对于只有少量观众的电视节目，则用宽带网络传输之。
因此，在动态广播系统之中，不再像以往和目前那样预先为整个电视节目频道的传输分配固定的传输频道/信道，而是动态地为整个电视频道中某个/某些节目选择是通过广播网络还是宽带网络（4G移动通信网络、Wi-Fi网络）传输。用户终端从不同的网络中接收信令与内容，并实时、无缝切换进行呈现。
用户端的动态广播接收设备除了具有广播网络与宽带网络连接能力之外，其内置的存储模块或外连的存储设备对于优化网络的动态与高效使用也非常有意义，可用作电视节目内容的非实时传输。比如，地面数字电视网络运营商可以把电视剧和录播的电视节目在头一天的晚上就通过广播网络推送并存储到用户侧相关设备，用户第二天直接从本地获取节目，从而就可以大大减少第二天通过网络的直播量——仅是没有内置存储模块或外连存储设备的接收机才接收直播流。相关的预先推送也可以是在4G网络流量较小时通过4G网络来进行从而提高其利用率。甚至，这种时移式的电视传输模式还使得用户可以利用本地预先存储的内容构建虚拟的电视频道（比如可设置某个电视节目在何时观看，先看哪个再看哪个等）。动态广播系统中的这种对电视节目的预先推送是通过网络侧的管理系统将相关指令下发后，用户侧的接收终端自动进行的。这样，电视直播节目、电视录播节目、非实时电视节目内容这3大节目形式均可在动态广播系统之中传输，并有着不同的传输方式。
为了防止电视节目的重传，动态广播系统会向用户端的接收设备发送“传输列表”，该列表不同于电视频道的节目表，节目表是发送给用户而非接收终端的。例如，电视频道的节目表中，某部电视剧的某几集要在下午播出，则相关内容就可以预先传到用户终端的本地存储模块，这样，到了电视剧播出的时刻，很多终端就不需要实时地接收信号，而其余没有本地存储模块的终端则通过宽带网络（4G移动通信网络、Wi-Fi网络）来实时地收看电视剧。一般来说，电视台会在不同时段（比如早上/上午）重复地播出相同的电视剧，这种重复的节目就不用通过广播网络而是可通过宽带网络来实时传输，而且相比头天，宽带网络的压力不会大，因为相比在下午，在早上/上午看电视的人会少很多。
但是需要注意的是，在广播网络与宽带网络的切换之间、在实时接收与从本地存储模块播放的切换之间，要能保证用户对于传统电视广播的高质量的感知，使用户体验不到切换过程，其背后实质是地面数字电视网络与4G移动通信网络的无缝协作。
这样一来，由于有了宽带网络和本地存储模块对于直播节目的传输，广播网络的容量需求就会减小，广播频谱需求/占用也就会减小，被释放的频谱可视为白频谱——可被用于广播之外的其他应用，相关设备可动态地利用这些临时的白频谱。
比如在流量高峰时段，公共Wi-Fi就可以利用这些动态白频谱以提供更高的数据传输速率——上文图2中所示的白频谱数据库此时起到关键作用。
3）动态广播总结及扩展
综上，动态广播是一种频谱级的、可灵活地进行频谱管理的多网协作解决方案。广播商或地面数字电视网络运营商控制了UHF白频谱，并可随机、动态地租给4G网络运营商使用。
TM-CSU除了研究协作频谱使用的技术实现方式，还研究相关的边界条件：整个欧洲的频谱使用特别是国际频谱监管在讨论频谱协作使用的方式时具有很大的重要性。此外，基于新兴传输系统的频谱协作使用的各种可能场景也正在讨论之中。
此外，在NAB Show 2014期间，美国数字电视标准组织ATSC发布消息称，新一代数字电视标准ATSC 3.0将与4G广播技术eMBMS融合。
其中涉及到新的频谱管理技术、4G载波聚合技术、认知无线电技术、白频谱技术、基站/发射塔共用等，可实现无线电视广播与4G广播的优势互补与无缝融合。
责任编辑：饶军
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